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MEMS惯性传感器的现状及发展趋势 |
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作者：中国元协传感器分会副理事长 谷荣祥 |
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MEMS技术最早由Richard Pfeynman（1965年获得诺贝尔物理奖），在1959年提出设想。1962年硅微型压力传感器问世。
1979年Roylance和Angell开始压阻式微加速计的研制。1991年Cole开始电容式微加速度计的研制。
惯性传感器包括加速度计（或加速度传感计）和角速度传感器（陀螺）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元），AHRS（包括磁传感器的姿态参考系统）。
MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，一般由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。根据传感原理不同，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等。
1998年，美国CSDL设计研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor实验室研制了另一种形式的MEMS陀螺。
MEMS陀螺是利用震动质量块被基座（壳体）带动旋转时的哥氏效应来传感角速度的原理制成。
主要形式有框架驱动式（内、外框架两种）梳状驱动式、电磁驱动式等。
IMU由于是MEMS技术组合的微型惯性测量单元，所以很多地方称为MIMU。主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺及解算电路组成。
AHRS则为包括三个磁传感器的IMU，并且依据四元素法进行了解算，直接可输出一个运动体的俯仰角、横滚角和航向角。
低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统、GPS导航等便携式。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。
中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要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、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。
高精度的MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；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、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。
用作消费电子类的MEMS惯性传感器，主要要求是单价低、尺寸小、温度范围窄、因而精度要求低，甚至是功能性产品。加速度传感器重量轻、功耗小、一般测量范围1～10g～50g，分辨率2mg～10mg，陀螺一般量程在±300°/s，零偏在500°/h～1000°/h，因此有些公司的产品不给出零偏指标或给出0.1°/s～0.5°/s。
目前可以生产MEMS加速度传感器的公司比较多，大多数为半导体、如美国的ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC（生产地在中国无锡）欧洲的VTI、Infine，生产MEMS陀螺的公司美国的ADI、Knoix、ST，欧洲的Infine、Methes，日本的Murata、National、冲电气、富士通。12月3日中国上海深迪半导体有限公司发布了消费类的MEMS陀螺，无锡一家公司也在研发中。
意法半导体——ST
VTI
MEMSIC
工业级的惯性传感器大多以模块形式出现，对于应用于工业级芯片级产品，还必须进行处理，包括软件和硬件电路，以及对不同工业环境的适应性，大多数要求价格适中，精度一定优于消费类应用加速度传感器的量程选择比较宽1～500g，分辨率1mg～3mg，陀螺量程大多250°/s以内，零偏在50°/h～200°/h，汽车级可作为一个工业应用的特殊产品，对其可靠性要求高，同时由于需求数量大，和一般工业要求不一样的是单价要低。生产这些产品的公司有美国的BEI、ADI、Silicon design、Honeywell、Delphi、MSI、Crossbow、Microstrain、欧洲的VTI、Colibry、Bosch、Sensonor，日本的北陆电气、SSS公司，中国的西安中星测控。
BEI
军工级或宇航级的MEMS惯性传感器精度要求高、工作温度范围宽（-45°～125°），某些兵器产品要求抗冲击能力强（10000g～20000g）尺寸要比光纤和机械类产品要小。加速度传感器量程范围宽1g～5000g，分辨率要0.1～1mg，甚至更高。陀螺量程要求范围宽20°/s～1000°/s,频响高，50Hz～1000Hz，零偏稳定性为1 °/h～50°/h。目前制造商有美国BEI、Crossbow、Silicon design、Honeywell、Drapor,，欧洲公司有Xsens、Sorsonor、Colibry、BAE，日本有SSS公司，中国有西安中星测控、电子26所、航天704所。(end)
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(投稿)
(2/3/2010) |
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