MEMS技術(shù)最早由Richard Pfeynman(1965年獲得諾貝爾物理獎),,在1959年提出設(shè)想,。1962年硅微型壓力傳感器問世,。
1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速計的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計的研制,。
慣性傳感器包括加速度計(或加速度傳感計)和角速度傳感器(陀螺)以及它們的單、雙,、三軸組合IMU(慣性測量單元),,AHRS(包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng))。
MEMS加速度計是利用傳感質(zhì)量的慣性力測量的傳感器,,一般由標準質(zhì)量塊(傳感元件)和檢測電路組成,。根據(jù)傳感原理不同,主要有壓阻式,、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CSDL設(shè)計研制了最早的MEMS陀螺,。同年,Drapor實驗室研制了另一種形式的MEMS陀螺,。
MEMS陀螺是利用震動質(zhì)量塊被基座(殼體)帶動旋轉(zhuǎn)時的哥氏效應(yīng)來傳感角速度的原理制成,。
主要形式有框架驅(qū)動式(內(nèi)、外框架兩種)梳狀驅(qū)動式,、電磁驅(qū)動式等,。
IMU由于是MEMS技術(shù)組合的微型慣性測量單元,所以很多地方稱為MIMU,。主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺及解算電路組成,。
AHRS則為包括三個磁傳感器的IMU,并且依據(jù)四元素法進行了解算,,直接可輸出一個運動體的俯仰角,、橫滾角和航向角。
低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產(chǎn)品主要用在手機,、游戲機,、音樂播放器、無線鼠標,、數(shù)碼相機,、PD、硬盤保護器、智能玩具,、計步器,、防盜系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航等便攜式,。由于具有加速度測量,、傾斜測量、振動測量甚至轉(zhuǎn)動測量等基本測量功能,,有待挖掘的消費電子應(yīng)用會不斷出現(xiàn),。
中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產(chǎn)品,則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP或ESC)GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng),,汽車安全氣囊,、車輛姿態(tài)測量、精密農(nóng)業(yè),、工業(yè)自動化,、大型醫(yī)療設(shè)備、機器人,、儀器儀表,、工程機械等。
高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產(chǎn)品,,主要要求高精度,、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù),。主要用于通訊衛(wèi)星無線,、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用;飛機/導(dǎo)彈飛行控制,、姿態(tài)控制,、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo),、慣性GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用,、遠程飛行器船舶儀器、戰(zhàn)場機器人等,。
用作消費電子類的MEMS慣性傳感器,主要要求是單價低,、尺寸小,、溫度范圍窄、因而精度要求低,,甚至是功能性產(chǎn)品,。加速度傳感器重量輕、功耗小、一般測量范圍1~10g~50g,,分辨率2mg~10mg,,陀螺一般量程在±300°/s,零偏在500°/h~1000°/h,,因此有些公司的產(chǎn)品不給出零偏指標或給出0.1°/s~0.5°/s,。
目前可以生產(chǎn)MEMS加速度傳感器的公司比較多,大多數(shù)為半導(dǎo)體,、如美國的ADI,、Invensense、ST,、Freescale,、 Sensor Dynamics、MSI(ICSensor),、MEMSIC(生產(chǎn)地在中國無錫)歐洲的VTI,、Infine,生產(chǎn)MEMS陀螺的公司美國的ADI,、 Knoix,、ST,歐洲的Infine,、Methes,,日本的Murata、National,、沖電氣,、富士通。12月3日中國上海深迪半導(dǎo)體有限公司發(fā)布了消費類的MEMS陀螺,,無錫一家公司也在研發(fā)中,。
軍工級或宇航級的MEMS慣性傳感器精度要求高、工作溫度范圍寬(-45°~125°),,某些兵器產(chǎn)品要求抗沖擊能力強(10000g~20000g)尺寸要比光纖和機械類產(chǎn)品要小,。加速度傳感器量程范圍寬1g~5000g,分辨率要0.1~1mg,,甚至更高,。陀螺量程要求范圍寬20°/s~1000° /s,頻響高,50Hz~1000Hz,,零偏穩(wěn)定性為1 °/h~50°/h,。目前制造商有美國BEI、Crossbow,、Silicon design,、Honeywell,、Drapor,,歐洲公司有Xsens,、Sorsonor,、Colibry、BAE,,日本有SSS公司,,中國有西安中星測控、電子26所,、航天704所,。
最近六、七年以來,,國內(nèi)對MEMS慣性傳感器的研發(fā)熱度很高,,尤其是2005年~2008年,而且大多集中在國內(nèi)的頂尖研究機構(gòu),。據(jù)初步了解,,研發(fā)加速度傳感器的機構(gòu)有:哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué),、東南大學(xué),、西安交通大學(xué)、中北大學(xué),、哈爾濱電子49所,、石家莊電子13所、航天704所,、重慶電子26所,、重慶電子24所、西安航空618所,、西安航天771所,、中科院上海微系統(tǒng)所、綿陽中國工物院,。研發(fā)陀螺及組合的機構(gòu)有清華大學(xué),、北京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué),、東南大學(xué),、南京理工大學(xué)、北京信息工程大學(xué),、長沙國防科技大學(xué),、上海交通大學(xué)、重慶電子26所,、航天704所,。
MEMS慣性傳感器研發(fā)、制造商一覽表
MEMS慣性傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀是消費類產(chǎn)品向大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)
展,、單價越來越低,,量產(chǎn)后,僅售不足一美元,,而軍用與宇航級產(chǎn)品向高精度發(fā)展,,一個單軸陀螺售價可在3~4千美元。而工業(yè)級,、汽車級產(chǎn)品更追求高品質(zhì)和高可靠性,,同時兼顧售價。
展望未來,,MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面:
技術(shù)方面:精度將不斷提高,,以陀螺為例,有替代低精度光纖陀螺的趨勢,。對消費類應(yīng)用,,更尋求進一步簡化制造工藝,降低成本的趨勢,。同時,,集成化也是未來發(fā)展的趨勢,不僅模塊制造商走軟件,、硬件集成的路子,,越來越多的上游芯片廠家也走集成塊的技術(shù)路線。因而不斷有雙軸,、三軸加計,、陀螺芯片問世。
競爭力方面:消費類將競爭最為慘烈,,新廠家將不斷涌進,,比投資、比規(guī)模將是必然趨勢,。上下游相互傾軋,、收購、重組將會上演,。
合作方面:由于產(chǎn)品細分的緣故全球競爭與合作必然結(jié)果,。上游廠家希望找到下游客戶,下游希望尋找合適的供應(yīng)商,,因而產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可能出現(xiàn),。
應(yīng)用方面:無疑無論是消費類應(yīng)用,工業(yè)級軍工級應(yīng)用,,市場會急驟擴大,,應(yīng)用會越來越廣泛,。