MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))是指集機(jī)械元件、微傳感器、信號(hào)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(jī)電系統(tǒng)。MEMS慣性傳感器可以組成低成本的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。它是一種非常適合構(gòu)建小型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

MEMS慣性傳感器的背景條件

MEMS技術(shù)最早是由理查德·費(fèi)曼(1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者)于1959年提出的。1962年，硅微壓力傳感器問(wèn)世。

1979年，Roylance和Angell開(kāi)始開(kāi)發(fā)壓阻式微加速度計(jì)。1991年，Cole開(kāi)始開(kāi)發(fā)電容式微加速度計(jì)。

慣性傳感器包括加速度計(jì)(或加速度計(jì))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(cè)量單元)和AHRS(包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng))。

MEMS加速度計(jì)是利用感測(cè)質(zhì)量的慣性力進(jìn)行測(cè)量的傳感器，一般由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊(感測(cè)元件)和檢測(cè)電路組成。根據(jù)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(guó)CSDL公司設(shè)計(jì)并研制出最早的MEMS陀螺儀。同年，Drapor實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了另一種形式的MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀是利用振動(dòng)質(zhì)量在基座(殼體)驅(qū)動(dòng)下的科里奧利效應(yīng)來(lái)感知角速度的。

主要形式有框式驅(qū)動(dòng)(內(nèi)框驅(qū)動(dòng)和外框驅(qū)動(dòng))、梳式驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)等。

IMU是MEMS技術(shù)結(jié)合的微慣性測(cè)量單元，因此在很多地方被稱為MIMU。它主要由三個(gè)MEMS加速度傳感器、三個(gè)陀螺儀和求解電路組成。

AHRS是一種具有三個(gè)磁傳感器的IMU，通過(guò)基于四元法的計(jì)算，可以直接輸出運(yùn)動(dòng)體的俯仰角、橫搖角和航向角。

作為消費(fèi)類電子產(chǎn)品，高精度MEMS慣性傳感器主要應(yīng)用于手機(jī)、游戲機(jī)、音樂(lè)播放器、無(wú)線鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦、硬盤(pán)保護(hù)器、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航等便攜設(shè)備。由于其基本的測(cè)量功能，如加速度測(cè)量，傾斜測(cè)量，振動(dòng)測(cè)量甚至旋轉(zhuǎn)測(cè)量，消費(fèi)電子領(lǐng)域有待探索的應(yīng)用將不斷涌現(xiàn)。

中間MEMS慣性傳感器作為工業(yè)和汽車產(chǎn)品，主要應(yīng)用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP或ESC)、GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測(cè)量、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等領(lǐng)域。高精度MEMS慣性傳感器作為軍用和航天級(jí)產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫范圍、抗沖擊等指標(biāo)。主要用于通信衛(wèi)星無(wú)線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定應(yīng)用;飛機(jī)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用，以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用，遠(yuǎn)程飛機(jī)和艦船儀表，戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)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(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)，它由微機(jī)械加速度計(jì)、微機(jī)械陀螺儀和微慣性測(cè)量單元(MIMU)組成。MEMS慣性傳感器的工作原理是經(jīng)典力學(xué)中的牛頓定律。它的作用是測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體(如車輛、飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、衛(wèi)星等)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行控制和導(dǎo)航。與非MEMS慣性器件相比，MEMS慣性器件的體積和價(jià)格可以降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)國(guó)防具有重要的戰(zhàn)略意義。基于MEMS慣性器件構(gòu)建低成本、高性能的微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已成為慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

MEMS慣性傳感器的測(cè)試

MEMS慣性傳感器測(cè)試與一般IC測(cè)試的區(qū)別在于它需要外界刺激。因此，除了常見(jiàn)的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)、ATE接口面板(DIB)、設(shè)備巢板(DUT板)等配置外，還需要一個(gè)極其重要的設(shè)備——產(chǎn)生和傳輸刺激的設(shè)備。該設(shè)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(shè)備。因此，這類設(shè)備在工業(yè)上往往沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。在設(shè)計(jì)新的慣性傳感器時(shí)，客戶必須與設(shè)備制造商共同開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)備。這項(xiàng)開(kāi)發(fā)的成本非常昂貴，以百萬(wàn)美元計(jì)。即使改變了傳感器封裝，也必須重新設(shè)計(jì)測(cè)試表面或腔體，這通常需要花費(fèi)20萬(wàn)美元，耗時(shí)8到12周。如果沒(méi)有代理測(cè)試廠，即使小公司可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)慣性傳感器，也很難大批量銷售。

此外，測(cè)試時(shí)間是影響產(chǎn)品成本的重要因素，特別是慣性傳感器，因?yàn)闄C(jī)械刺激往往比一般電路測(cè)量慢得多。此外，機(jī)械刺激在觸發(fā)后必須等待足夠的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定，并且在關(guān)閉后必須等待足夠的時(shí)間來(lái)完全消失。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，除了改進(jìn)設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)外，提高試驗(yàn)平行度是一個(gè)直接的途徑。

MEMS傳感器的應(yīng)用

MEMS微慣性傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車、慣性導(dǎo)航、消費(fèi)電子和IT配件。下圖顯示了MEMS在汽車中的應(yīng)用。可以看出加速度計(jì)和陀螺儀所占的比例很大。目前，由于微型陀螺儀價(jià)格較高，其應(yīng)用潛力尚未得到充分開(kāi)發(fā)，但如果在技術(shù)上取得突破，大大降低陀螺儀的生產(chǎn)成本，在導(dǎo)航系統(tǒng)中將有很大的市場(chǎng)潛力。

未來(lái)微慣性器件的主要發(fā)展方向是在滿足民用需求的精度和穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)價(jià)格的最小化和降低。特別是陀螺儀，只有降低陀螺儀的價(jià)格，集成的IMU(慣性測(cè)量單元，包括三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度計(jì))才能廣泛應(yīng)用于汽車導(dǎo)航和娛樂(lè)電子的虛擬現(xiàn)實(shí)(運(yùn)動(dòng)感知)中。

MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面:

1.在技術(shù)方面:準(zhǔn)確性將繼續(xù)提高。以陀螺儀為例，取代精度較低的光纖陀螺儀是有趨勢(shì)的。對(duì)于消費(fèi)類應(yīng)用，趨勢(shì)是進(jìn)一步簡(jiǎn)化制造過(guò)程和降低成本。同時(shí)，一體化也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。不僅模塊廠商走軟硬件集成的道路，越來(lái)越多的上游芯片廠商也走集成塊技術(shù)的道路。因此，雙軸、三軸加速度計(jì)和陀螺儀芯片越來(lái)越多。

2.在競(jìng)爭(zhēng)力方面:消費(fèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)將是最激烈的，新的制造商將不斷涌入。比較投資和規(guī)模將是必然趨勢(shì)。上下游之間的競(jìng)爭(zhēng)、收購(gòu)和重組將會(huì)上演。

3.合作:由于產(chǎn)品的細(xì)分，全球競(jìng)爭(zhēng)與合作是必然結(jié)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(yīng)商，因此可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

4.應(yīng)用:毫無(wú)疑問(wèn)，市場(chǎng)將迅速擴(kuò)大，應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，無(wú)論是消費(fèi)應(yīng)用還是工業(yè)軍事應(yīng)用。

審核編輯 黃宇