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MEMS慣性傳感器
閱讀�11631�(shí)間:2011-05-31 22:26:26

  MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集�(jī)械元�、微型傳感器以及信號(hào)處理和控制電�、接口電路、通信和電源于一體的完整微型�(jī)電系�(tǒng)。MEMS慣性傳感器可構(gòu)成低成本的INS/ GPS 組合�(dǎo)航系�(tǒng) ,是一�(lèi)非常適合�(gòu)建微型捷�(lián)慣性導(dǎo)航系�(tǒng)的慣性傳感器。MEMS慣性傳感器的突出特�(diǎn)使其在眾多的民用和軍用領(lǐng)域具有廣闊的�(yīng)用前��

背景狀�

  MEMS技�(shù)最早由Richard  Pfeynman�1965年獲得諾貝爾物理�(jiǎng)�,在1959年提出設(shè)��1962年硅微型壓力傳感器問(wèn)��

  1979年Roylance和Angell�(kāi)�?jí)鹤枋轿⒓铀�?jì)的研制�1991年Cole�(kāi)始電容式微加速度�(jì)的研��

  慣性傳感器包括加速度�(jì)(或加速度傳感�(jì))和角速度傳感器(陀螺)以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測(cè)量單元),AHRS(包括磁傳感器的姿態(tài)參考系�(tǒng)��

  MEMS加速度�(jì)是利用傳感質(zhì)量的慣性力�(cè)量的傳感器,一般由�(biāo)�(zhǔn)�(zhì)量塊(傳感元件)和檢�(cè)電路組成。根�(jù)傳感原理不同,主要有壓阻�、電容式、壓電式、隧道電流式、諧振式、熱電耦合式和電磁式等�

  1998年,美國(guó)CSDL�(shè)�(jì)研制了最早的MEMS陀�。同�,Drapor�(shí)�(yàn)室研制了另一種形式的MEMS陀��

  MEMS陀螺是利用震動(dòng)�(zhì)量塊被基座(殼體)帶�(dòng)旋轉(zhuǎn)�(shí)的哥氏效�(yīng)�(lái)傳感角速度的原理制��

  主要形式有框架驅(qū)�(dòng)式(�(nèi)、外框架兩種)梳狀�(qū)�(dòng)�、電磁驅(qū)�(dòng)式等�

  IMU由于是MEMS技�(shù)組合的微型慣性測(cè)量單�,所以很多地方稱為MIMU。主要由三�(gè)MEMS加速度傳感器及三�(gè)陀螺及解算電路組成�

  AHRS則為包括三�(gè)磁傳感器的IMU,并且依�(jù)四元素法�(jìn)行了解算,直接可輸出一�(gè)�(yùn)�(dòng)體的俯仰�、橫滾角和航向角�

  低精度MEMS慣性傳感器作為消費(fèi)電子�(lèi)�(chǎn)品主要用在手�(jī)、游戲機(jī)、音�(lè)播放�、無(wú)線鼠�(biāo)、數(shù)碼相�(jī)、PD、硬�(pán)保護(hù)�、智能玩�、計(jì)步器、防盜系�(tǒng)、GPS�(dǎo)航等便攜�。由于具有加速度�(cè)�、傾斜測(cè)�、振�(dòng)�(cè)量甚至轉(zhuǎn)�(dòng)�(cè)量等基本�(cè)量功�,有待挖掘的消費(fèi)電子�(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)�

  中級(jí)MEMS慣性傳感器作為工業(yè)�(jí)及汽�(chē)�(jí)�(chǎn)�,則主要用于汽車(chē)電子�(wěn)定系�(tǒng)(ESP或ESC)GPS輔助�(dǎo)航系�(tǒng),汽�(chē)安全氣囊、車(chē)輛姿�(tài)�(cè)量、精密農(nóng)�(yè)、工�(yè)自動(dòng)�、大型醫(yī)療設(shè)�、機(jī)器人、儀器儀�、工程機(jī)械等�

  高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用�(jí)和宇航級(jí)�(chǎn)�,主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指�(shù)。主要用于通訊�(wèi)星無(wú)�、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光�(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)�;飛�(jī)/�(dǎo)彈飛行控�、姿�(tài)控制、偏航阻尼等控制�(yīng)�、以及中程導(dǎo)彈制�(dǎo)、慣性GPS�(dǎo)航等制導(dǎo)�(yīng)�、遠(yuǎn)程飛行器船舶儀器、戰(zhàn)�(chǎng)�(jī)器人��

工作原理

  MEMS慣性傳感器是以集成電路工藝和微�(jī)械加工工藝為基礎(chǔ),在單晶硅片上制造出�(lái)的微�(jī)電系�(tǒng),包括微機(jī)械加速度�(jì)、微�(jī)械陀螺儀和微慣性測(cè)量組�(MIMU)。MEMS 慣性傳感器的工作原理是�(jīng)典力�(xué)中的牛頓定律,其功能是�(cè)量運(yùn)�(dòng)物體(如車(chē)輛、飛�(jī)、導(dǎo)�、艦艇、人造衛(wèi)星等)的質(zhì)心運(yùn)�(dòng)和姿�(tài)�(yùn)�(dòng),�(jìn)而可以對(duì)�(yùn)�(dòng)物體�(shí)�(xiàn)控制和導(dǎo)�。MEMS慣性器件與非MEMS慣性器件相�,其體積和�(jià)格可減少幾�(gè)�(shù)量級(jí),�(duì)�(guó)防具有重大戰(zhàn)略意�?;贛EMS慣性器件構(gòu)建低成本、高性能的微型慣性導(dǎo)航系�(tǒng)正在成為�(dāng)前慣性技�(shù)�(lǐng)域的一�(gè)研究熱點(diǎn)�

�(cè)�

  MEMS慣性傳感器的測(cè)試跟一般的IC�(cè)試之不同在于它需要外界的刺激,因此除了自�(dòng)化測(cè)試設(shè)備(ATE�、ATE界面板(DIB)和器件巢板(DUT board)等常見(jiàn)的配置外,還需要一�(gè)極其重要的設(shè)備——產(chǎn)生和傳遞刺激(stimulus)的�(shè)�。這�(gè)�(shè)備是用戶化了的,不同的傳感器特別是不同類(lèi)型的傳感器所使用的不�、甚至完全不同。因此這樣的設(shè)備往往不是工業(yè)�(biāo)�(zhǔn)化的,客戶在�(shè)�(jì)新的慣性傳感器的同�(shí)必須跟設(shè)備制造商一起開(kāi)�(fā)相應(yīng)的設(shè)備。這�(gè)�(kāi)�(fā)的成本是非常昂貴�,以百萬(wàn)美元�(jì)。哪怕是改一下傳感器封裝外形,測(cè)試面或腔必須重新�(shè)�(jì),一般需20�(wàn)美元�8�12�。如果沒(méi)有代理測(cè)試的工廠,小公司即使能設(shè)�(jì)生產(chǎn)慣性傳感器,也很難大批量銷(xiāo)��

  另外,測(cè)試時(shí)間是影響�(chǎn)品成本的一�(gè)重要因素,尤其是慣性傳感器,因?yàn)闄C(jī)械的刺激往往比一般的電路�(cè)量慢得多。而且,機(jī)械刺激在觸�(fā)后必須等待足夠的�(shí)間才�(wěn)�,還必須在關(guān)掉后等待足夠的時(shí)間才完全消失。為縮短�(cè)試時(shí)�,除了改�(jìn)�(shè)備的力學(xué)�(shè)�(jì)�,提高測(cè)試并行度是立竿見(jiàn)影的辦法�

�(yīng)用領(lǐng)�

  MEMS微慣性傳感器主要�(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)、慣性導(dǎo)航、消�(fèi)品電�、IT附件。下圖所示的是汽�(chē)中的MEMS�(yīng)�,可以看到加速度�(jì)和陀螺儀占有很大的比例。目前由于微陀螺儀的價(jià)格較�,其�(yīng)用的潛力還沒(méi)有完全開(kāi)�(fā),但如果技�(shù)上出�(xiàn)突破大大降低陀螺儀的生�(chǎn)成本,那么在�(dǎo)航系�(tǒng)中將�(huì)有很大的市場(chǎng)潛力�

汽車(chē)中的MEMS應(yīng)用

  未來(lái)的微慣性器件主要的�(fā)展方向是在在滿足民用需求的精度和穩(wěn)定度的前提下,盡量小型化和降低價(jià)格。尤其是陀螺儀,只有降低陀螺儀的價(jià)�,集成的IMU(inertia measurement unit,包含3�(gè)陀螺儀�3�(gè)加速度�(jì))才能夠在汽車(chē)�(dǎo)�,娛�(lè)性電子的中的虛擬�(xiàn)�(shí)(運(yùn)�(dòng)感受)中得到廣泛的應(yīng)��

�(fā)展趨�

  MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨�(shì)主要有以下幾�(gè)方面�

  1、技�(shù)方面:精度將不斷提高,以陀螺為�,有替代低精度光纖陀螺的趨勢(shì)。對(duì)消費(fèi)�(lèi)�(yīng)用,更尋求�(jìn)一步簡(jiǎn)化制造工�,降低成本的趨勢(shì)。同�(shí),集成化也是未來(lái)�(fā)展的趨勢(shì),不僅模塊制造商走軟�、硬件集成的路子,越�(lái)越多的上游芯片廠家也走集成塊的技�(shù)路線。因而不斷有雙軸、三軸加�(jì)、陀螺芯片問(wèn)��

  2、競(jìng)�(zhēng)力方面:消費(fèi)�(lèi)將競(jìng)�(zhēng)最為慘烈,新廠家將不斷涌�(jìn),比投資、比�(guī)模將是必然趨�(shì)。上下游相互傾軋、收�(gòu)、重組將�(huì)上演�

  3、合作方面:由于�(chǎn)品細(xì)分的緣故全球�(jìng)�(zhēng)與合作必然結(jié)�。上游廠家希望找到下游客戶,下游希望尋找合適的供�(yīng)�,因而產(chǎn)�(yè)�(lián)盟可能出�(xiàn)�

  4、應(yīng)用方面:�(wú)疑無(wú)論是消費(fèi)�(lèi)�(yīng)�,工�(yè)�(jí)軍工�(jí)�(yīng)�,市�(chǎng)�(huì)急驟�(kuò)大,�(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣��

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