SCH16T-K01：高性能6自由度传感器的技术剖析与应用指南

在当今的电子设备设计中，高性能传感器的应用愈发广泛，尤其是对于那些对环境要求苛刻且追求高精度测量的应用场景。Murata的SCH16T-K01传感器便是这样一款值得关注的产品，它集成了6自由度（6-DOF）的XYZ轴陀螺仪和XYZ轴加速度计，为各类应用提供了精确的运动和姿态测量解决方案。

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一、SCH16T-K01概述

1.1 产品特性

SCH16T-K01具有一系列令人瞩目的特性。它拥有±300 °/s的校准角速率测量范围和±80 m/s²的校准加速度测量范围，同时还配备了辅助数字加速度计通道，动态范围高达±260 m/s²。此外，该传感器提供输出插值和抽取选项，以及13Hz至370 Hz截止率的角速率和加速度低通滤波器，可有效减少噪声干扰。它还具备数据就绪输出、时间戳索引和SYNC输入功能，用于时钟域同步，工作温度范围为 -40...110 °C，电源电压为3.0...3.6 V，I/O电源电压为1.7…3.6 V，采用SafeSPI v2.0接口，支持20位和16位输出数据，可通过SPI帧进行选择，并且具有广泛的自诊断功能。其封装尺寸为11.8 mm x 13.4 mm x 2.9 mm (l x w x h) 的SOIC-24，符合AEC-Q100标准。

1.2 应用领域

SCH16T系列主要针对对性能要求高且环境条件苛刻的应用，典型应用包括惯性测量单元（IMUs）、惯性导航和定位、机器控制和引导、动态倾角测量、机器人控制和无人机等。不过，在军事应用方面存在一定限制，具体可参考相关限制链接。

1.3 技术原理

SCH16T采用了Murata成熟的电容式3D-MEMS技术，其角速率和加速度传感器元件基于此技术实现高精度测量。信号处理由单个混合信号ASIC完成，通过灵活的SafeSPI v2.0兼容数字接口提供角速率和加速度数据。传感器元件和ASIC封装在预成型的SOIC 24引脚塑料外壳中，确保了产品在整个生命周期内的可靠运行。

二、产品规格详解

2.1 一般规格

参数	最小值	标称值	最大值	单位
工作温度	-40		110	℃
电源电压	3.0	3.3	3.6	V
数字I/O电源	1.7		3.6	V
总电源电流	36	41	47	mA
低功耗模式电流消耗			10	mA
陀螺仪主频率，F_PRIM	22.1	23.6	25.1	kHz
输出更新率 - 插值输出 (F_PRIM x16)	353.6	377.6	401.6	kHz
输出更新率 - 抽取输出		23.6/X11		kHz
启动时间			250	ms

注：抽取比X可选值为2、4、8、16和32；启动时间是指电压供应在规格范围内之后。

2.2 绝对最大额定值

Murata保证传感器在这些最大额定值范围内运行时不会出现参数相关的损坏或功能偏差，但如果参数值超出陀螺仪和加速度计性能规格中定义的限制，输出值可能会偏离规格。所有电压均相对于GND电位。

参数	备注	最小值	标称值	最大值	单位
电源电压	电源电压 (引脚V3P3, VDDIO)	-0.3		3.63	V
模拟输入/输出引脚电压		-0.3		3.63	V
数字输入/输出引脚电压		-0.3		3.63	V
储存温度	在这些最大额定值范围内，组件在瞬间或最长24小时内不会受到损坏	-50		150	℃
ESD_HBM	根据人体模型 (HBM) 的静电放电，Q100 - 002	2000			V
ESD_CDM中心引脚	根据充电设备模型 (CDM) 的中心引脚静电放电，Q100 - 011	500			V
ESD_CDM角引脚	根据充电设备模型 (CDM) 的角引脚静电放电，Q100 - 011	750			V
超声波搅拌	清洁、焊接等		禁止

2.3 陀螺仪性能规格

在室温（除非另有说明）且电源电压为3.3 V的条件下，陀螺仪的各项性能指标如下：

参数	条件	最小值 (-3g)	标称值	最大值 (+3g)	单位
测量范围	保证有效规格范围，最低可选灵敏度设置	+300			°/s
	保证有效规格范围，最高可选灵敏度设置	+62.5			°/s
偏移	-40°C...+110°C	-0.6		0.6	°/s
温度偏移漂移	-40°C...+110°C	-0.2		0.2	°/s
寿命偏移漂移	HTOL 1000h后	-0.2		0.2	°/s
默认灵敏度 - 16位模式			100		LSB/(°/s)
默认灵敏度 - 20位模式			1600		LSB/(°/s)
温度灵敏度漂移	XY轴, -40°C...+110°C	-0.3		0.3	%
	Z轴, -40°C...+110°C	-0.2		0.2	%
寿命灵敏度漂移	HTOL 1000h后	-0.3		0.3	%
线性误差 ±300°/s	-40°C...+110°C		0.02	0.08	°/s
噪声密度			0.0006		(°/s)/√Hz
角度随机游走			0.015		°/√h
偏置不稳定性	Allan方差最小值除以0.664		0.5		°/√h
正交误差 (速率轴之间)	-40°C...+110°C	-0.15		0.15	%
G灵敏度	对于直流重力输入			0.006	(°/s)/(m/s²)

注：指定的最小/最大值包含原始测试群体的±3 sigma变化限制，典型值为验证群体的平均值（除非另有说明），这些值不保证，仅代表验证群体的特征；规格在回流后24小时内有效；每个包含SCH16T系列组件的系统设计都必须由客户提前评估，以确保在运行过程中功能正常。

2.4 加速度计性能规格

同样在室温（除非另有说明）且电源电压为3.3 V，测量范围高达±80 m/s²的条件下，加速度计的性能指标如下：

参数	条件	最小值 (-3a)	标称值	最大值 (+3a)	单位
测量范围	保证有效规格范围，最低可选灵敏度设置	±80			m/s²
	保证有效规格范围，最高可选灵敏度设置	±15			m/s²
偏移	-40°C...+110°C	-0.14		0.14	m/s²
温度偏移漂移	-40°C...+110°C	-0.07		0.07	m/s²
寿命偏移漂移	HTOL 1000h后	-0.05		0.05	m/s²
默认灵敏度 - 16位模式			200		LSB/(m/s²)
默认灵敏度 - 20位模式			3200		LSB/(m/s²)
温度灵敏度漂移	-40°C...+110°C	-0.15		0.15	%
寿命灵敏度漂移	HTOL 1000h后	-0.1		0.1	%
线性误差	满量程 -40°C...+110°C		0.06	0.15	m/s²
	-1g...1g, -40°C...+110°C			0.01	m/s²
噪声密度			0.8		(mm/s)/√Hz
速度随机游走			30		(mm/s)/√h
偏置不稳定性	Allan方差最小值除以0.664		0.20		mm/s²
正交误差 (ACC轴之间)	-40°C...+110°C	-0.15		0.15	%

注：与陀螺仪类似，指定的最小/最大值包含原始测试群体的±3 sigma变化限制，典型值为验证群体的平均值（除非另有说明），这些值不保证，仅代表验证群体的特征；规格在回流后24小时内有效；每个包含SCH16T系列组件的系统设计都必须由客户提前评估，以确保在运行过程中功能正常；将m/s²转换为毫g时可使用系数98，实际重力取决于传感器在地球上的位置。

2.5 温度传感器性能规格

温度传感器的测量范围为50...135 °C，温度信号灵敏度为100 LSB/°C，总误差为 -15...15 °C，线性度为 -1...1 °C。温度转换公式为：Temperature [°C] = TEMP / 100，其中TEMP是温度传感器输出寄存器内容，采用2的补码格式。

参数	最小值	标称值	最大值	单位
测量范围	50		135	℃
温度信号灵敏度		100		LSB/℃
总误差	-15		15	℃
线性度	-1		1	℃

2.6 滤波器特性

SCH16T的滤波器特性如下表所示，提供了多种不同截止频率和类型的滤波器选项，以满足不同应用的需求。

滤波器	标题	类型	阶数	最小值	标称值	最大值	单位
LPF0	截止频率 (-3dB)	Butterworth	4	63.5	68	72.5	Hz
	群延迟				10		ms
	建立时间			10	20		ms
LPF1	截止频率 (-3 dB)	Butterworth	4	28	30	32	Hz
	群延迟				16		ms
	建立时间			25	40		ms
LPF2	截止频率 (-3dB)	Butterworth	3	12.2	13	13.8	Hz
	群延迟				35		ms
	建立时间			65	200		ms
LPF3	截止频率 (-3dB)	Bessel	4	262	280	300	Hz
	群延迟				1.15		ms
	建立时间				5		ms
LPF4	截止频率 (-3 dB)	Bessel	3	346	370	394	Hz
	群延迟				0.78		ms
	建立时间				1.56		ms
LPF5	截止频率 (-3dB)	Bessel	3	220	235	250	Hz
	群延迟				1.24		ms
	建立时间						ms
LPF7	截止频率 (-3dB)	无					Hz
	群延迟						ms
	建立时间				0.78		ms

三、引脚与接口说明

3.1 引脚描述

SCH16T采用SOIC-24封装，各引脚功能如下：

引脚号	名称	描述	类型	电压电平	默认状态/结构
1	HEATSINK	散热片连接	GND	0V
2	Reserved	留作备用，浮空	N/A
3	TA9	SPI设备选择地址1 (静态)，SafeSPI2中的从设备寻址。TA9:8最多可寻址四个从设备，从设备的TA由引脚TA9和TA8的DVIO逻辑电平定义	DIN	0V	0/PDR1
4	TA8	SPI设备选择地址0 (静态)，SafeSPI2中的从设备寻址。TA9:8最多可寻址四个从设备，从设备的TA由引脚TA9和TA8的DVIO逻辑电平定义	DIN	0V	0/PDR
5	Reserved	连接到GND	N/A
6	EXTRESN	正常运行期间的外部复位输入 (低电平有效)	DIN/AIN	VDDIO	1/PUR1
7	Reserved	连接到GND	N/A
8	V3P3	核心电源调节器的外部未调节输入	SUPPLY	3.3V
9	GND	接地	GND	0V
10	VREGA2	模拟电路的调节核心电压，外部电容连接用于正参考/电源电压，在PCB中连接	AIN	2.5V
11	VREGA	模拟电路的调节核心电压，外部电容连接用于正参考/电源电压，在PCB中连接	AOUT	2.5V
12	GND	接地	GND	0V
13	GND	接地	GND	0V
14	VREGD2	数字电路的调节核心电压，外部电容连接用于正参考/电源电压，在PCB中连接	AIN	1.5V
15	VREGD	数字电路的调节核心电压，外部电容连接用于正参考/电源电压，在PCB中连接	AOUT	1.5V
16	GND	接地	GND	0V
17	V3P3	核心电源调节器的外部未调节输入	SUPPLY	3.3V