高精度低能耗—国外标杆IMU分析

惯性传感器是MEMS市场重要的产品类型，主要包括加速度计、陀螺仪和磁力计，MEMS传感器广泛应用于物联网中的各个领域。随着在生活领域应用的不断丰富，传感器感测多个物理信号的功能需求也变得越来越多。

 

如今，由分立的惯性传感器组合成的三轴、六轴、九轴IMU，将加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等MEMS器件集成在一起，以满足生产厂商更小体积、更低成本的要求，同时赋予用户更丰富的使用体验。

 

博世BMI系列

 

博世在消费类IMU领域可以算得上行业领导者。旗下BMI系列IMU已经从BMI055到BMI270迭代了多个版本，适用于多种不同应用场景。

 

（BMI270，图源：博世官网）

 

BMI270是博世针对可穿戴设备优化的IMU，主打的是超低功耗。优化主要针对可穿戴设备上直观的活动和手势识别。这一款6轴的传感器结合了16位三轴陀螺仪和16位三轴加速度计，沿用了博世久经考验的陀螺仪技术，拥有极低漂移和低噪声。

 

在这款IMU中，加速度计的零重力偏移为±20毫克，陀螺仪的零重力偏移在±0.5dps间。BMI270是业界首个采用静止CRT功能的自校准陀螺仪，通过补偿ems典型的焊接漂移，确保焊接后的灵敏度误差降至±0.4%。

 

BMI270能在不唤醒主系统处理器的情况下，独立处理活动跟踪、计步和手势识别等多个功能。这些独立于处理器的功能包括在达到一定步数时发送中断信号。BMI270主打的超低功耗，在强大且准确的手势和活动识别功能下电流消耗仅为30μA。

 

TDK ICM系列

 

TDK的IMU分为由3轴加速度传感器和3轴陀螺仪构成的6轴IMU、进一步组合气压传感器的7轴IMU、再组合3轴罗盘的9轴IMU。TDK旗下IMU产品以相对精度、传感器吞吐量和温度稳定性著称。

 

以ICM-20602为例，该系列是组合了3轴陀螺仪和3轴加速计的6轴IMU，同时内置16Bit ADC。ICM-20602具有±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps可编程FSR的三轴陀螺仪以及可编程FSR为±2g、±4g、±8g和±16g的三轴加速度计。

 

ICM-20602工作电路

 

该IMU陀螺仪灵敏度误差范围在±1%，陀螺仪噪声仅为±4mdps/√Hz，而加速度计的噪声在±100μg/√Hz，在灵敏度误差范围上TDK表现得一如既往的稳定。同时该系列允许系统处理器通过读取传感器数据然后进入低功耗模式来降低功耗。另外，该设备通过支持20000g shock提供了高鲁棒性。

 

这一系列的IMU通过TDK专利CMOS-MEMS制造平台（通过晶片级键合将MEMS晶片与配套CMOS电子器件集成），将封装尺寸降低至3mm x3mm x0.75mm（16-pin LGA），在高性能低成本上是较为领先的。

 

意法半导体 LSM系列

 

以LSM系列里LSM6DSL来做分析。

 

LSM6DSL各种传感元件采用专门的微机械加工工艺制造，而IC接口则采用CMOS技术开发。该技术允许设计专用电路，经过修整以更好地匹配传感元件的特性。LSM6DSL的满标度加速度范围为±2/±4/±8/±16 g，角速率范围为±125/±250/±500/±1000/±2000 dps，这一类行业标准指标各厂商区别不大。

 

（ST LSM和ISM系列，图源：ST官网）

 

在该系列公开参数中，该模块能在高性能模式下以0.65 mA电流低功耗运行，正常模式下则为0.4 mA。对比上文的BMI270，好像看上去LSM6DSL功耗会略大，但值得注意的是，LSM6DSL提到了陀螺仪和加速度计低耗“Always-on” 这个概念，即该系列的陀螺仪和加速度计会常驻低耗状态。

 

在节电设计上ST不得不说下了不少苦功，设计了iNEMO 惯性模块，即在IMU中内嵌了机器学习内核。MLC运行一个传感器内置的分类引擎，卸载主处理器的负荷以运行不同的任务，或者让主处理器进入睡眠状态以节电，同时内置的传感器可以识别运动数据。ST始终保持着同类IMU最佳功耗水平。

 

小结

 

从国际一流的IMU厂商旗下的产品来看，基于MEMS加工工艺的IMU技术将向高度集成化方向、高性能方向、高组合化方向和低能耗方向发展。