MEMS技術最早由Richard Pfeynman(1965年獲得諾貝爾物理獎),,在1959年提出設想,。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量的慣性力測量的傳感器,,一般由標準質量塊(傳感元件)和檢測電路組成。根據傳感原理不同,,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陀螺是利用震動質量塊被基座(殼體)帶動旋轉時的哥氏效應來傳感角速度的原理制成。
主要形式有框架驅動式(內,、外框架兩種)梳狀驅動式,、電磁驅動式等。
IMU由于是MEMS技術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品主要用在手機,、游戲機、音樂播放器,、無線鼠標,、數碼相機、PD,、硬盤保護器,、智能玩具、計步器,、防盜系統(tǒng),、GPS導航等便攜式,。由于具有加速度測量、傾斜測量,、振動測量甚至轉動測量等基本測量功能,,有待挖掘的消費電子應用會不斷出現。
中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產品,,則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP或ESC)GPS輔助導航系統(tǒng),,汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測量,、精密農業(yè),、工業(yè)自動化、大型醫(yī)療設備,、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品,,主要要求高精度、全溫區(qū),、抗沖擊等指數,。主要用于通訊衛(wèi)星無線、導彈導引頭,、光學瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定性應用;飛機/導彈飛行控制,、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用,、以及中程導彈制導,、慣性GPS導航等制導應用、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,,因此有些公司的產品不給出零偏指標或給出0.1°/s~0.5°/s,。
目前可以生產MEMS加速度傳感器的公司比較多,大多數為半導體,、如美國的ADI、Invensense,、ST,、Freescale、 Sensor Dynamics,、MSI(ICSensor),、MEMSIC(生產地在中國無錫)歐洲的VTI、Infine,,生產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°),,某些兵器產品要求抗沖擊能力強(10000g~20000g)尺寸要比光纖和機械類產品要小。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的頂尖研究機構,。據初步了解,研發(fā)加速度傳感器的機構有:哈爾濱工業(yè)大學,、浙江大學,、東南大學、西安交通大學,、中北大學,、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)陀螺及組合的機構有清華大學、北京大學,、西北工業(yè)大學,、東南大學、南京理工大學,、北京信息工程大學,、長沙國防科技大學、上海交通大學,、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
加速度傳感器 | 陀螺,、IMU、AHRS、VG | |
消費級 | ADI,、Invensense,、ST、Freescale,、Sensor Dynamics,、MSI(ICSensor)、MEMSIC,、VTI,、Infline。 | ADI,、Knoix、ST,、Infine,、Methes、Murata,、National上海深迪,。 |
工業(yè)級 汽車級 | ADI、Silicon design,、Honeywell,、MSI、VTI,、Colibry,、北陸電氣、中星測控,。 | BEI,、Microstrain、Crossbow,、Sensonor,、SSS、Bosch,、Delphi,、 Honeywell、ADI,。 |
軍工級 宇航級 | Honeywell,、Silicon design、Drapor,、Colibry,、電子26所、航天704所、九院,。 | BEI,、Drapor、Honeywell,、Xsens,、Sorsonor、SSS,、中星測控,、電子26所、航天704所,。 |
國內研發(fā)機構 | 哈爾濱工業(yè)大學,、浙江大學、東南大學,、西安交通大學,、中北大學、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。 | 清華大學,、北京大學,、西北工業(yè)大學、東南大學,、南京理工大學,、北京信息工程大學、長沙國防科技大學,、上海交通大學,、重慶電子26所、航天704所,。 |
MEMS慣性傳感器的發(fā)展現狀是消費類產品向大規(guī)模生產發(fā)展,、單價越來越低,量產后,,僅售不足一美元,,而軍用與宇航級產品向高精度發(fā)展,,一個單軸陀螺售價可在3~4千美元。而工業(yè)級,、汽車級產品更追求高品質和高可靠性,,同時兼顧售價。