淺談MEMS慣性傳感器

據麥姆斯咨詢(xún)報道，高精度慣性傳感器主要用于工業(yè)、國防和航空航天領(lǐng)域的傾角、加速度和振動(dòng)測量。慣性傳感器作為MEMS器件，以單晶硅傳感器元件為基礎，采用最新的微機械加工技術(shù)制造。各種慣性傳感器產(chǎn)品采用的微機械加工工藝可能有所不同，但都各有特點(diǎn)。由First Sensor公司開(kāi)發(fā)的用于MEMS產(chǎn)品的微機械加工工藝，推出的創(chuàng )新產(chǎn)品系列包括加速度計等慣性傳感器，并結合了以前版本的優(yōu)點(diǎn)。這將有利于提高M(jìn)EMS產(chǎn)品性能，高度改善性?xún)r(jià)比，用于更多的新應用，如地質(zhì)工程、狀態(tài)監測、導航和機器人等。高精度MEMS加速度計可以做什么？微型MEMS加速度計可以測量物體在空間三個(gè)維度的加速度。

MEMS慣性傳感器是經(jīng)證明為非常堅固、可靠、快速且溫度穩定的先進(jìn)產(chǎn)品，還能夠檢測位置和加速度的最小變化。

上圖中的傾角計可以達到的極高分辨率，甚至可以檢測直徑為100μm的單根頭發(fā)通過(guò)10米長(cháng)木板引起的偏轉，相當于僅0.0005°（2弧秒或10μm/ m）的偏轉。數字化未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括MEMS傳感器。持續的數字化推動(dòng)MEMS加速度計和傾角計也加入其中。例如，未來(lái)慣性傳感器將可以實(shí)現智能編程，并將配備微控制器、微型電池或微型無(wú)線(xiàn)射頻芯片，以便在線(xiàn)發(fā)送測量數據。

目前，First Sensor推出的高精度慣性傳感器的應用領(lǐng)域有：

（1）監測建筑物狀態(tài)；（2）監測風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)、太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)、高壓線(xiàn)路、水壩、管道等；（3）監測石油和天然氣陸上/海上基礎設施、核電站、天然氣站和水電站等；（4）穩定和對準系統；（5）基礎設施和運輸；（6）導航。電容式慣性傳感器及其背后的技術(shù)概念：小尺寸、低生產(chǎn)成本、低運行功耗MEMS慣性傳感器可以對傾斜角度、加速度和振動(dòng)進(jìn)行電容式測量，主要依賴(lài)于先進(jìn)的MEMS工藝和微型硅基傳感器。形成的彈簧質(zhì)量塊寬度僅為幾微米。在加速過(guò)程中，懸掛在彈簧上的質(zhì)量塊發(fā)生變化，從而可以測量電容變化。ASIC讀取此電容變化值并提供測量值。在傳感器生產(chǎn)過(guò)程中，質(zhì)量塊和彈簧與硅襯底分離。這樣的結構厚度通常僅為千分之一毫米。由于尺寸小，MEMS可以實(shí)現量產(chǎn)并且消耗很少的能量。

MEMS慣性傳感器的核心技術(shù)

（1）單晶硅傳感器芯片；（2）高性能ASIC（專(zhuān)用集成電路）芯片；（2）上述兩顆芯片的外殼。First Sensor的MEMS慣性傳感器性能數據

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幾乎所有MEMS器件的核心都是硅基傳感器芯片，通常采用體微加工或表面微加工工藝制造。然而，First Sensor公司已經(jīng)采用HARMS（高寬比微結構）工藝和AIM（氣隙絕緣微結構）工藝的新技術(shù)。前者通過(guò)實(shí)現具有高寬比的微結構來(lái)最小化交叉軸靈敏度。后者通過(guò)使用氣隙隔離組件，因此使寄生電容最小化。因此，MEMS技術(shù)能提供比所有傳統制造的慣性傳感器組合更多優(yōu)勢。First Sensor慣性傳感器在測量加速度、傾角和振動(dòng)方面的優(yōu)勢（1）靈活的MEMS設計：測量范圍為 1~15 g；（2）四款標準傳感器：四種不同測量范圍，最佳適用范圍（彈簧質(zhì)量原理）；（3）一顆傳感器測量?jì)蓚€(gè)軸：易于使用；（4）具有高寬比的硅基微結構：超低X軸靈敏度；抗疲勞；長(cháng)期穩定；（5）氣隙絕緣微結構：有限的寄生電容；由于缺少SiO2層，機械應力有限；出色的溫度穩定性，易于校準。不同加工工藝的比較結果

傳感器大腦：高性能ASIC芯片如上所述，硅基傳感器芯片是MEMS慣性傳感器的核心，ASIC芯片則是大腦。ASIC芯片讀取硅基傳感器芯片的電容信號并以數字方式傳輸測量值。高性能ASIC芯片的特點(diǎn)有：（1）極低噪聲的電容檢測；（2）在高動(dòng)態(tài)范圍具有高分辨率；（3）對標稱(chēng)和差分電容范圍的最佳支持；（4）靈活的信號濾波器；（5）數字SPI接口（可配置型傳感器ASIC系統，讀出傳感器數據）。傳感器外殼：密封外殼將兩顆芯片進(jìn)行封裝的外殼不僅要允許傳感器執行，還必須具有成本效益，以便生產(chǎn)和實(shí)施。MEMS外殼的特點(diǎn)有：（1）內部設計可根據各種應用進(jìn)行調整；（2）密封外殼；（3）陶瓷基板；（4）經(jīng)濟高效的中小批量生產(chǎn)。