The determination and analysis of microelectromechanical accelerometer bias drift components using the Allan varianc

Abstract

High performance capacitive MEMS accelerometers are increasingly being used in various motion sensing applications including medical, industrial, and military requiring measurement of acceleration, vibration, shock, tilt, rotation etc. In a wide range of inertial navigation applications, tactical grade MEMS accelerometers are already the preferred solution due to their small size, low power consumption, and convenient price; however, in Inertial Measurement Units (IMU) and Inertial Navigation Systems (INS), which are designed for navigation grade applications, conventional non-MEMS accelerometers are generally used, such as electromechanical servo and bulk piezoelectric accelerometers. During the past decade, design and initial measurement results of closed-loop MEMS accelerometers were presented, showing the potential of the MEMS technology to deliver a smaller and cheaper sensor while realizing inertial navigation grade performance. In order to achieve navigation grade performance, high linearity (<0.1%) is an important parameter to satisfy. Linearity may be limited by the capacitive nature of MEMS sensors in which output is inversely proportional to the gap change in the sense capacitor. Closed-loop MEMS accelerometers, which use electrostatic force feedback, balance the sensor structure around its nominal position, neutralizing the influence of the sense capacitor nonlinearity. There is a variety of system design challenges towards attaining navigation-grade level. Firstly, a linear and stable feedback pass must be established. In addition to the improved linearity, other parameters such as short- and long-term bias, scale factor stability, and vibration rectification error (VRE) need to be addressed from the design level in order to satisfy all the requirements during the integration of the sensor system. In today's technological world, microelectromechanical accelerometers (MEMS accelerometers) occupy a special place among sensors, playing an important role in many areas of science and technology. Their applications range from consumer electronics devices to industrial systems, from medical equipment to autonomous vehicles. MEMS accelerometers can measure acceleration with high accuracy and speed, making them indispensable for many applications where measurement accuracy and device miniaturization are important. This paper is devoted to an overview of the types of MEMS accelerometers, including pendulum and vibration accelerometers, their operating principles and practical applications. By exploring their structure, functioning and capabilities, we will gain a deeper understanding of these important devices and their role in the current technological paradigm. This paper will present an analysis of current achievements in the field of MEMS accelerometers, their advantages, disadvantages and prospects for further development. Specific examples of MEMS accelerometers in various fields will also be considered, which will allow to present a wide range of possibilities of these devices.

Високоефективні ємнісні MEMS-акселерометри все частіше використовуються в різних застосуваннях датчиків руху, включаючи медичні, промислові та військові, що потребують вимірювання прискорення, вібрації, ударів, нахилу, обертання тощо. У широкому діапазоні інерціальних навігаційних застосувань тактичні MEMS-акселерометри вже є найкраще рішення завдяки невеликим розмірам, низькому енергоспоживанню та зручній ціні; однак в інерціальних вимірювальних одиницях (IMU) та інерціальних навігаційних системах (INS), які призначені для програм навігаційного рівня, зазвичай використовуються звичайні акселерометри, що не є MEMS, наприклад електромеханічні сервоприводи та об’ємні п’єзоелектричні акселерометри. Протягом останнього десятиліття були представлені результати проектування та початкових вимірювань MEMS-акселерометрів із замкнутим циклом, які демонструють потенціал технології MEMS для створення меншого та дешевшого датчика, реалізуючи продуктивність рівня інерціальної навігації. Щоб досягти високої продуктивності навігації, важливим параметром є висока лінійність (<0,1%). Лінійність може бути обмежена ємнісною природою датчиків MEMS, у яких вихід обернено пропорційний зміні зазору в чутливому конденсаторі. MEMS-акселерометри із замкнутим циклом, які використовують електростатичний зворотний зв’язок, балансують структуру датчика навколо його номінального положення, нейтралізуючи вплив нелінійності сенсорного конденсатора. Для досягнення рівня навігації існують різні проблеми проектування системи. По-перше, повинен бути встановлений лінійний і стабільний зворотний зв'язок. На додаток до покращеної лінійності, інші параметри, такі як короткочасне та довгострокове зміщення, стабільність масштабного коефіцієнта та похибка виправлення вібрації (VRE), повинні розглядатися на рівні проектування, щоб задовольнити всі вимоги під час інтеграції сенсорна система. У сучасному технологічному світі мікроелектромеханічні акселерометри (MEMS-акселерометри) займають особливе місце серед датчиків, відіграючи важливу роль у багатьох галузях науки і техніки. Їх застосування варіюється від пристроїв побутової електроніки до промислових систем, від медичного обладнання до автономних транспортних засобів. Акселерометри MEMS можуть вимірювати прискорення з високою точністю та швидкістю, що робить їх анамнез для багатьох застосувань, де важливі точність вимірювання та мініатюрність пристрою. Ця стаття присвячена огляду типів MEMS-акселерометрів, включаючи маятникові та вібраційні акселерометри, принципів їх роботи та практичного застосування. Досліджуючи їх структуру, функціонування та можливості, ми отримаємо глибше розуміння цих важливих пристроїв та їх ролі в поточній технологічній парадигмі. У даній роботі буде представлено аналіз сучасних досягнень у галузі МЕМS-акселерометрів, їх переваги, недоліки та перспективи подальшого розвитку. Також будуть розглянуті поконкретнее приклади MEMS-акселерометрів у різних галузях, що дозволить представити широкий спектр можливостей цих пристроїв.