MEMS慣性傳感器的背景及發展現狀

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是指集機械元素、微型傳感器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統。MEMS慣性傳感器可構成低成本的INS/ GPS 組合導航系統 ，是一類非常適合構建微型捷聯慣性導航系統的慣性傳感器。MEMS慣性傳感器的突出特點使其在眾多的民用和軍用領域具有廣闊的應用前景。

MEMS慣性傳感器的背景狀況

MEMS技術最早由Richard Pfeynman（1965年獲得諾貝爾物理獎），在1959年提出設想。1962年硅微型壓力傳感器問世。

1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速計的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計的研制。

慣性傳感器包括加速度計（或加速度傳感計）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態參考系統）。

MEMS加速度計是利用傳感質量的慣性力測量的傳感器，一般由標準質量塊（傳感元件）和檢測電路組成。根據傳感原理不同，主要有壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式、諧振式、熱電耦合式和電磁式等。

1998年，美國CSDL設計研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor實驗室研制了另一種形式的MEMS陀螺?！　?MEMS陀螺是利用震動質量塊被基座（殼體）帶動旋轉時的哥氏效應來傳感角速度的原理制成。

主要形式有框架驅動式（內、外框架兩種）梳狀驅動式、電磁驅動式等。

IMU由于是MEMS技術組合的微型慣性測量單元，所以很多地方稱為MIMU。主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺及解算電路組成。

AHRS則為包括三個磁傳感器的IMU，并且依據四元素法進行了解算，直接可輸出一個運動體的俯仰角、橫滾角和航向角。

低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產品主要用在手機、游戲機、音樂播放器、無線鼠標、數碼相機、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統、GPS導航等便攜式。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費電子應用會不斷出現。

中級MEMS慣性傳感器作為工業級及汽車級產品，則主要用于汽車電子穩定系統（ESP或ESC）GPS輔助導航系統，汽車安全氣囊、車輛姿態測量、精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀表、工程機械等?！　?高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產品，主要要求高精度、全溫區、抗沖擊等指數。主要用于通訊衛星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統等穩定性應用；飛機/導彈飛行控制、姿態控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用、遠程飛行器船舶儀器、戰場機器人等。

MEMS慣性傳感器的工作原理

MEMS慣性傳感器是以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎，在單晶硅片上制造出來的微機電系統，包括微機械加速度計、微機械陀螺儀和微慣性測量組合（MIMU）。MEMS 慣性傳感器的工作原理是經典力學中的牛頓定律，其功能是測量運動物體（如車輛、飛機、導彈、艦艇、人造衛星等）的質心運動和姿態運動，進而可以對運動物體實現控制和導航。MEMS慣性器件與非MEMS慣性器件相比，其體積和價格可減少幾個數量級，對國防具有重大戰略意義?；贛EMS慣性器件構建低成本、高性能的微型慣性導航系統正在成為當前慣性技術領域的一個研究熱點。

MEMS慣性傳感器的測試

MEMS慣性傳感器的測試跟一般的IC測試之不同在于它需要外界的刺激，因此除了自動化測試設備（ATE）、ATE界面板（DIB）和器件巢板（DUT board）等常見的配置外，還需要一個極其重要的設備——產生和傳遞刺激（stimulus）的設備。這個設備是用戶化了的，不同的傳感器特別是不同類型的傳感器所使用的不同、甚至完全不同。因此這樣的設備往往不是工業標準化的，客戶在設計新的慣性傳感器的同時必須跟設備制造商一起開發相應的設備。這個開發的成本是非常昂貴的，以百萬美元計。哪怕是改一下傳感器封裝外形，測試面或腔必須重新設計，一般需20萬美元、8到12周。如果沒有代理測試的工廠，小公司即使能設計生產慣性傳感器，也很難大批量銷售。

另外，測試時間是影響產品成本的一個重要因素，尤其是慣性傳感器，因為機械的刺激往往比一般的電路測量慢得多。而且，機械刺激在觸發后必須等待足夠的時間才穩定，還必須在關掉后等待足夠的時間才完全消失。為縮短測試時間，除了改進設備的力學設計外，提高測試并行度是立竿見影的辦法。

MEMS傳感器的應用領域

MEMS微慣性傳感器主要應用領域是汽車、慣性導航、消費品電子、IT附件。下圖所示的是汽車中的MEMS應用，可以看到加速度計和陀螺儀占有很大的比例。目前由于微陀螺儀的價格較高，其應用的潛力還沒有完全開發，但如果技術上出現突破大大降低陀螺儀的生產成本，那么在導航系統中將會有很大的市場潛力。

未來的微慣性器件主要的發展方向是在在滿足民用需求的精度和穩定度的前提下，盡量小型化和降低價格。尤其是陀螺儀，只有降低陀螺儀的價格，集成的IMU（inertia measurement unit，包含3個陀螺儀，3個加速度計）才能夠在汽車導航，娛樂性電子的中的虛擬現實（運動感受）中得到廣泛的應用。

MEMS慣性傳感器的發展趨向

MEMS慣性傳感器的發展趨勢主要有以下幾個方面：

1、技術方面：精度將不斷提高，以陀螺為例，有替代低精度光纖陀螺的趨勢。對消費類應用，更尋求進一步簡化制造工藝，降低成本的趨勢。同時，集成化也是未來發展的趨勢，不僅模塊制造商走軟件、硬件集成的路子，越來越多的上游芯片廠家也走集成塊的技術路線。因而不斷有雙軸、三軸加計、陀螺芯片問世。

2、競爭力方面：消費類將競爭最為慘烈，新廠家將不斷涌進，比投資、比規模將是必然趨勢。上下游相互傾軋、收購、重組將會上演。

3、合作方面：由于產品細分的緣故全球競爭與合作必然結果。上游廠家希望找到下游客戶，下游希望尋找合適的供應商，因而產業聯盟可能出現。

4、應用方面：無疑無論是消費類應用，工業級軍工級應用，市場會急驟擴大，應用會越來越廣泛。