MEMS惯性传感器的研究现状与发展趋势

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1、 .wd.MEMS 惯性传感器的研究现状及开展趋势段波涛 P201009077上海空间电源研究所(SISPS 摘要:本文对 MEMS 惯性传感器的开展历史、研究现状进展了综述,并概括了 MEMS 惯性传感器的应用领域,特别是在汽车工业、惯性导航等领域的应用现状。最后对 MEMS 惯性传感器的开展方向进展展望。关键词:微传感器、 MEMS 、惯性传感器、惯性导航、惯性测量1 引言惯性传感器包括速度计、加速度计(或加速度传感器和角速度传感器(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等。 这些器件在惯性测量及构成惯性导航的 根本元件有着广泛

2、的应用。基于 MEMS 技术而研究 生产出的惯性传感器,由于其具有体积小、重量轻、功耗低、可大批量生产、成本低、可靠 性高等一系列传统惯性传感器所没有的优点,被广泛应用于航空、航天、航海、汽车工业、 工业监控、机器人及消费类电子产品等领域。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 开场压阻式微加速计的研制。 1991年 Cole 开场电容式微加速 度计的研制。 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

3、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展了

4、解算,直接可输出一个 运动体的俯仰角、横滚角和航向角。2 研究及应用现状MEMS 惯性传感器根据其测量精度的不同分为低精度 MEMS 惯性传感器、中级 MEMS 惯性传感器和高精度 MEMS 惯性传感器并分别应用于不同领域。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 根本测量功能,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

5、 或 ESC GPS 辅助导航系统,汽车安全气囊、车辆姿态测量、精细农 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 110g

6、 50g , 分辨率 2mg 10mg , 陀螺一般量程在300/s, 零偏 在 500/h1000/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 、 Natio

7、nal 、冲电气、富士通。 12月 3日中国上海深迪半导体发布了消费类的 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, 还必须进展处理, 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/h200/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

8、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 (Silicon design (中星测控 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

9、辨率要 0.11mg , 甚 至更高。陀螺量程要求范围宽 20/s1000/s,频响高, 50Hz 1000Hz ,零偏 稳定性为 1 /h50/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。 (BEI (中星测控 最近六、七年以来,国内对 MEMS 惯性传感器的研发热度很高,尤其是 2005年2008年,而且大多集中在国内的顶尖研究机构。据初步了解,研

10、发加速度传感器的机构有：哈尔滨工业大学、浙江大学、东南大学、西安交通大学、中北 大学、哈尔滨电子 49 所、石家庄电子 13 所、航天 704 所、重庆电子 26 所、重 庆电子 24 所、西安航空 618 所、西安航天 771 所、中科院上海微系统所、绵阳 中国工物院。研发陀螺及组合的机构有清华大学、北京大学、西北工业大学、东 南大学、 南京理工大学、 北京信息工程大学、 长沙国防科技大学、 上海交通大学、 重庆电子 26 所、航天 704 所。 MEMS 惯性传感器研发、制造商一览表 加速度传感器 陀螺、IMU、AHRS、VG ADI、Invensense、ST、Freescale、 AD

11、I、 Knoix、 ST、 Infine、 Methes、 Sensor Dynamics、MSI(ICSensor、 Murata、National 上海深迪。 MEMSIC、VTI、Infline。 消费级 工业级 汽车级 ADI、Silicon design、Honeywell、 BEI 、 Microstrain 、 Crossbow 、 MSI、VTI、Colibry、北陆电气、中 Sensonor、SSS、Bosch、Delphi、 星测控。 Honeywell、ADI。 军工级 宇航级 Honeywell 、 Silicon design 、 BEI、Drapor、Honeywe

12、ll、Xsens、 Drapor、Colibry、电子 26 所、航 Sorsonor、SSS、中星测控、电子 天 704 所、九院。 26 所、航天 704 所。 哈尔滨工业大学、浙江大学、东南 清华大学、北京大学、西北工业大 大学、西安交通大学、中北大学、 学、东南大学、南京理工大学、北 哈尔滨电子 49 所、石家庄电子 13 京信息工程大学、 长沙国防科技大 国内研 发机构 所、航天 704 所、重庆电子 26 所、 学、上海交通大学、重庆电子 26 重庆电子 24 所、西安航空 618 所、 所、航天 704 所。 西安航天 771 所、中科院上海微系 统所、绵阳中国工物院。 过去三年

13、，全球 MEMS 惯性传感器的开展趋势正向两级化开展，一方面消费 电子类应用、应用领域不断拓展、需求迅速提高，引来制造商不断增加，竞争加 剧，单价不断下降；另一方面，军用级应用，精度不断提高，单价上升很快。 MEMS 惯性传感器的开展现状是消费类产品向大规模生产开展、单价越来越 低，量产后，仅售缺乏一美元，而军用与宇航级产品向高精度开展，一个单轴陀 螺售价可在 34 千美元。而工业级、汽车级产品更追求高品质和高可靠性，同 时兼顾售价。 3 展望 展望未来，MEMS 惯性传感器的开展趋势主要有以下几个方面： 技术方面：精度将不断提高，以陀螺为例，有替代低精度光纤陀螺的趋势。 对消费类应用，更寻求进一步简化制造工艺，降低成本的趋势。同时，集成化也 是未来开展的趋势，不仅模块制造商走软件、硬件集成的路子，越来越多的上游 芯片厂家也走集成块的技术路线。因而不断有双轴、三轴加计、陀螺芯片问世。 竞争力方面：消费类将竞争最为惨烈，新厂家将不断涌进，比投资、比规模 将是必然趋势。上下游相互倾轧、收购、重组将会上演。 合作方面：由于产品细分的缘故全球竞争与合作必然结果。上游厂家希望找 到下游客户，下游希望寻找适宜的供应商，因而产业联盟可能出现。 应用方面：无疑无论是消费类应用，工业级军工级应用，市场会急骤扩大，应用 会越来越广泛。