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1、MEMS惯性传感器的研究现状及发展趋势段波涛P201009077上海空间电源研究所(SISPS摘要:本文对MEMS惯性传感器的发展历史、研究现状进行了综述,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惯性传感器的发展方向进行展望。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基本元件有着广泛的应用。基于MEMS技术而研究生
2、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RichardPfeynman(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。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、
3、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。2研究及应用现状MEMS惯性传感器根据其测
4、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ESCGPS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
5、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
6、.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、SensorDynamics、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
7、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、Silicondesign、Honeywell、Delphi、MSI、Crossbow、Microstrain、欧洲的
