MEMS惯性传感器的研究背景与发展现状

MEMS(微机电系统)是指集机械元件、微传感器、信号处理与控制电路、接口电路、通信和电源为一体的完整的微机电系统。MEMS惯性传感器可以组成低成本的INS/GPS组合导航系统。它是一种非常适合构建小型捷联惯导系统的惯性传感器。MEMS惯性传感器的突出特性使其在许多民用和军事领域具有广阔的应用前景。

MEMS惯性传感器的背景条件

MEMS技术最早是由理查德·费曼(1965年诺贝尔物理学奖获得者)于1959年提出的。1962年，硅微压力传感器问世。

1979年，Roylance和Angell开始开发压阻式微加速度计。1991年，Cole开始开发电容式微加速度计。

惯性传感器包括加速度计(或加速度计)和角速度传感器(陀螺仪)以及它们的单轴，双轴和三轴IMU(惯性测量单元)和AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统)。

MEMS加速度计是利用感测质量的惯性力进行测量的传感器，一般由标准质量块(感测元件)和检测电路组成。根据传感原理的不同，主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式。

1998年，美国CSDL公司设计并研制出最早的MEMS陀螺仪。同年，Drapor实验室开发了另一种形式的MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪是利用振动质量在基座(壳体)驱动下的科里奥利效应来感知角速度的。

主要形式有框式驱动(内框驱动和外框驱动)、梳式驱动、电磁驱动等。

IMU是MEMS技术结合的微惯性测量单元，因此在很多地方被称为MIMU。它主要由三个MEMS加速度传感器、三个陀螺仪和求解电路组成。

AHRS是一种具有三个磁传感器的IMU，通过基于四元法的计算，可以直接输出运动体的俯仰角、横摇角和航向角。

作为消费类电子产品，高精度MEMS惯性传感器主要应用于手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、掌上电脑、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统、GPS导航等便携设备。由于其基本的测量功能，如加速度测量，倾斜测量，振动测量甚至旋转测量，消费电子领域有待探索的应用将不断涌现。

中间MEMS惯性传感器作为工业和汽车产品，主要应用于汽车电子稳定系统(ESP或ESC)、GPS辅助导航系统、汽车安全气囊、车辆姿态测量、精准农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等领域。高精度MEMS惯性传感器作为军用和航天级产品，主要要求高精度、全温范围、抗冲击等指标。主要用于通信卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定应用;飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用，以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用，远程飞机和舰船仪表，战场机器人等。

MEMS惯性传感器的工作原理

MEMS惯性传感器是一种基于集成电路技术和微机械加工技术的微机电系统，它由微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量单元(MIMU)组成。MEMS惯性传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律。它的作用是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰船、卫星等)的质心运动和姿态运动，进而对运动物体进行控制和导航。与非MEMS惯性器件相比，MEMS惯性器件的体积和价格可以降低几个数量级，对国防具有重要的战略意义。基于MEMS惯性器件构建低成本、高性能的微惯性导航系统已成为惯性技术领域的研究热点。

MEMS惯性传感器的测试

MEMS惯性传感器测试与一般IC测试的区别在于它需要外界刺激。因此，除了常见的自动测试设备(ATE)、ATE接口面板(DIB)、设备巢板(DUT板)等配置外，还需要一个极其重要的设备——产生和传输刺激的设备。该设备是定制的。不同的传感器，特别是不同类型的传感器，使用不同甚至完全不同的设备。因此，这类设备在工业上往往没有标准化。在设计新的惯性传感器时，客户必须与设备制造商共同开发相应的设备。这项开发的成本非常昂贵，以百万美元计。即使改变了传感器封装，也必须重新设计测试表面或腔体，这通常需要花费20万美元，耗时8到12周。如果没有代理测试厂，即使小公司可以设计和生产惯性传感器，也很难大批量销售。

此外，测试时间是影响产品成本的重要因素，特别是惯性传感器，因为机械刺激往往比一般电路测量慢得多。此外，机械刺激在触发后必须等待足够的时间来稳定，并且在关闭后必须等待足够的时间来完全消失。为了缩短试验时间，除了改进设备的机械设计外，提高试验平行度是一个直接的途径。

MEMS传感器的应用

MEMS微惯性传感器的主要应用领域是汽车、惯性导航、消费电子和IT配件。下图显示了MEMS在汽车中的应用。可以看出加速度计和陀螺仪所占的比例很大。目前，由于微型陀螺仪价格较高，其应用潜力尚未得到充分开发，但如果在技术上取得突破，大大降低陀螺仪的生产成本，在导航系统中将有很大的市场潜力。

未来微惯性器件的主要发展方向是在满足民用需求的精度和稳定性的前提下，实现价格的最小化和降低。特别是陀螺仪，只有降低陀螺仪的价格，集成的IMU(惯性测量单元，包括三个陀螺仪和三个加速度计)才能广泛应用于汽车导航和娱乐电子的虚拟现实(运动感知)中。

MEMS惯性传感器的发展趋势

MEMS惯性传感器的发展趋势主要包括以下几个方面:

1.在技术方面:准确性将继续提高。以陀螺仪为例，取代精度较低的光纤陀螺仪是有趋势的。对于消费类应用，趋势是进一步简化制造过程和降低成本。同时，一体化也是未来发展的趋势。不仅模块厂商走软硬件集成的道路，越来越多的上游芯片厂商也走集成块技术的道路。因此，双轴、三轴加速度计和陀螺仪芯片越来越多。

2.在竞争力方面:消费产品的竞争将是最激烈的，新的制造商将不断涌入。比较投资和规模将是必然趋势。上下游之间的竞争、收购和重组将会上演。

3.合作:由于产品的细分，全球竞争与合作是必然结果。上游厂商想要找到下游客户，下游厂商想要找到合适的供应商，因此可能会出现产业联盟。

4.应用:毫无疑问，市场将迅速扩大，应用将越来越广泛，无论是消费应用还是工业军事应用。

审核编辑 黄宇