MEMS惯性传感器研究现状及发展趋势

第 1 页 共 5 页 MEMS惯性传感器研究现状及发展趋势 王顺伟，学号110213116 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。 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。 关键词：微传感器、MEMS、惯性传感器、惯性导航、惯性测量 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ESC）GPS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～0.5°/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，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、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。 命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K. 考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。 第 2 页 共 5 页 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。 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、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。 （意法半导体——ST） （BEI） （VTI） （Silicon design） （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 命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K. 考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。 第 3 页 共 5 页 (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，分辨率要0.1～1mg，甚至更高。陀螺量程要求范围宽20°/s～1000°/s,频响高，50Hz～1000Hz，零偏稳定性为1 °/h～50°/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。 消费级 Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC、VTI、Murata、National上海深迪。 Infline。 ADI、Silicon design、Honeywell、MSI、BEI、Microstrain、Crossbow、工业级 VTI、Colibry、北陆电气、中星测控。 Sensonor、SSS、Bosch、Delphi、 汽车级 Honeywell、ADI。 Honeywell、Silicon design、Drapor、BEI、Drapor、Honeywell、Xsens、军工级 Colibry、电子26所、航天704所、九宇航级 院。 航天704所。 Sorsonor、SSS、中星测控、电子26所、哈尔滨工业大学、浙江大学、东南大学、清华大学、北京大学、西北工业大学、西安交通大学、中北大学、哈尔滨电子国内研东南大学、南京理工大学、北京信息工49所、石家庄电子13所、航天704所、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。 （BEI） (中星测控) 发机构 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。 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 过去三年，全球MEMS惯性传感器的发展趋势正向两级化发展，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惯性传感器的发展现状是消费类产品向大规模生产发展、单价越来越低，量产后，仅售不足一美元，而军用与宇航级产品向高精度发展，一个单轴陀螺售价可在3～4千美元。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惯性传感器的发展趋势主要有以下几个方面： ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor ADI、Knoix、ST、Infine、Methes、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，集成化也是未来发展的趋势，不仅模块制造商命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K. 考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。 第 4 页 共 5 页 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，下游希望寻找合适的供应商，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。 参考文献 [1] 霍鹏飞 ，范伟政. 基于组件网络方法的微加速度计建模与仿真 [2] 郝伯特H，伍德逊,詹姆士R机电动力学 北京 机械工业出版社 [3] [4] [5] [6] 命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K. 考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。 第 5 页 共 5 页 命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K. 考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。