MEMS慣性傳感器的研究背景與發展現狀

MEMS(微機電系統)是指集機械元件、微傳感器、信號處理與控制電路、接口電路、通信和電源為一體的完整的微機電系統。MEMS慣性傳感器可以組成低成本的INS/GPS組合導航系統。它是一種非常適合構建小型捷聯慣導系統的慣性傳感器。MEMS慣性傳感器的突出特性使其在許多民用和軍事領域具有廣闊的應用前景。

MEMS慣性傳感器的背景條件

MEMS技術最早是由理查德·費曼(1965年諾貝爾物理學獎獲得者)于1959年提出的。1962年，硅微壓力傳感器問世。

1979年，Roylance和Angell開始開發壓阻式微加速度計。1991年，Cole開始開發電容式微加速度計。

慣性傳感器包括加速度計(或加速度計)和角速度傳感器(陀螺儀)以及它們的單軸，雙軸和三軸IMU(慣性測量單元)和AHRS(包括磁傳感器的姿態參考系統)。

MEMS加速度計是利用感測質量的慣性力進行測量的傳感器，一般由標準質量塊(感測元件)和檢測電路組成。根據傳感原理的不同，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。

1998年，美國CSDL公司設計并研制出最早的MEMS陀螺儀。同年，Drapor實驗室開發了另一種形式的MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀是利用振動質量在基座(殼體)驅動下的科里奧利效應來感知角速度的。

主要形式有框式驅動(內框驅動和外框驅動)、梳式驅動、電磁驅動等。

IMU是MEMS技術結合的微慣性測量單元，因此在很多地方被稱為MIMU。它主要由三個MEMS加速度傳感器、三個陀螺儀和求解電路組成。

AHRS是一種具有三個磁傳感器的IMU，通過基于四元法的計算，可以直接輸出運動體的俯仰角、橫搖角和航向角。

作為消費類電子產品，高精度MEMS慣性傳感器主要應用于手機、游戲機、音樂播放器、無線鼠標、數碼相機、掌上電腦、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統、GPS導航等便攜設備。由于其基本的測量功能，如加速度測量，傾斜測量，振動測量甚至旋轉測量，消費電子領域有待探索的應用將不斷涌現。

中間MEMS慣性傳感器作為工業和汽車產品，主要應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、精準農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀表、工程機械等領域。高精度MEMS慣性傳感器作為軍用和航天級產品，主要要求高精度、全溫范圍、抗沖擊等指標。主要用于通信衛星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統等穩定應用;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，遠程飛機和艦船儀表，戰場機器人等。

MEMS慣性傳感器的工作原理

MEMS慣性傳感器是一種基于集成電路技術和微機械加工技術的微機電系統，它由微機械加速度計、微機械陀螺儀和微慣性測量單元(MIMU)組成。MEMS慣性傳感器的工作原理是經典力學中的牛頓定律。它的作用是測量運動物體(如車輛、飛機、導彈、艦船、衛星等)的質心運動和姿態運動，進而對運動物體進行控制和導航。與非MEMS慣性器件相比，MEMS慣性器件的體積和價格可以降低幾個數量級，對國防具有重要的戰略意義?；贛EMS慣性器件構建低成本、高性能的微慣性導航系統已成為慣性技術領域的研究熱點。

MEMS慣性傳感器的測試

MEMS慣性傳感器測試與一般IC測試的區別在于它需要外界刺激。因此，除了常見的自動測試設備(ATE)、ATE接口面板(DIB)、設備巢板(DUT板)等配置外，還需要一個極其重要的設備——產生和傳輸刺激的設備。該設備是定制的。不同的傳感器，特別是不同類型的傳感器，使用不同甚至完全不同的設備。因此，這類設備在工業上往往沒有標準化。在設計新的慣性傳感器時，客戶必須與設備制造商共同開發相應的設備。這項開發的成本非常昂貴，以百萬美元計。即使改變了傳感器封裝，也必須重新設計測試表面或腔體，這通常需要花費20萬美元，耗時8到12周。如果沒有代理測試廠，即使小公司可以設計和生產慣性傳感器，也很難大批量銷售。

此外，測試時間是影響產品成本的重要因素，特別是慣性傳感器，因為機械刺激往往比一般電路測量慢得多。此外，機械刺激在觸發后必須等待足夠的時間來穩定，并且在關閉后必須等待足夠的時間來完全消失。為了縮短試驗時間，除了改進設備的機械設計外，提高試驗平行度是一個直接的途徑。

MEMS傳感器的應用

MEMS微慣性傳感器的主要應用領域是汽車、慣性導航、消費電子和IT配件。下圖顯示了MEMS在汽車中的應用?？梢钥闯黾铀俣扔嫼屯勇輧x所占的比例很大。目前，由于微型陀螺儀價格較高，其應用潛力尚未得到充分開發，但如果在技術上取得突破，大大降低陀螺儀的生產成本，在導航系統中將有很大的市場潛力。

未來微慣性器件的主要發展方向是在滿足民用需求的精度和穩定性的前提下，實現價格的最小化和降低。特別是陀螺儀，只有降低陀螺儀的價格，集成的IMU(慣性測量單元，包括三個陀螺儀和三個加速度計)才能廣泛應用于汽車導航和娛樂電子的虛擬現實(運動感知)中。

MEMS慣性傳感器的發展趨勢

MEMS慣性傳感器的發展趨勢主要包括以下幾個方面:

1.在技術方面:準確性將繼續提高。以陀螺儀為例，取代精度較低的光纖陀螺儀是有趨勢的。對于消費類應用，趨勢是進一步簡化制造過程和降低成本。同時，一體化也是未來發展的趨勢。不僅模塊廠商走軟硬件集成的道路，越來越多的上游芯片廠商也走集成塊技術的道路。因此，雙軸、三軸加速度計和陀螺儀芯片越來越多。

2.在競爭力方面:消費產品的競爭將是最激烈的，新的制造商將不斷涌入。比較投資和規模將是必然趨勢。上下游之間的競爭、收購和重組將會上演。

3.合作:由于產品的細分，全球競爭與合作是必然結果。上游廠商想要找到下游客戶，下游廠商想要找到合適的供應商，因此可能會出現產業聯盟。

4.應用:毫無疑問，市場將迅速擴大，應用將越來越廣泛，無論是消費應用還是工業軍事應用。

審核編輯 黃宇