作者:中國元協(xié)傳感器分會(huì )副理事長(cháng) 谷榮祥 MEMS技術(shù)最早由Richard Pfeynman(1965年獲得諾貝爾物理獎),在1959年提出設想。1962年硅微型壓力傳感器問(wèn)世。 1979年Roylance和Angell開(kāi)始壓阻式微加速計的研制。1991年Cole開(kāi)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)。 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(shí)驗室研制了另一種形式的MEMS陀螺。 MEMS陀螺是利用震動(dòng)質(zhì)量塊被基座(殼體)帶動(dòng)旋轉時(shí)的哥氏效應來(lái)傳感角速度的原理制成。 主要形式有框架驅動(dòng)式(內、外框架兩種)梳狀驅動(dòng)式、電磁驅動(dòng)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(chēng)為MIMU。主要由三個(gè)MEMS加速度傳感器及三個(gè)陀螺及解算電路組成。 AHRS則為包括三個(gè)磁傳感器的IMU,并且依據四元素法進(jìn)行了解算,直接可輸出一個(gè)運動(dòng)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(lèi)產(chǎn)品主要用在手機、游戲機、音樂(lè )播放器、無(wú)線(xiàn)鼠標、數碼相機、PD、硬盤(pán)保護器、智能玩具、計步器、防盜系統、GPS導航等便攜式。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動(dòng)測量甚至轉動(dòng)測量等基本測量功能,有待挖掘的消費電子應用會(huì )不斷出現。 中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車(chē)級產(chǎn)品,則主要用于汽車(chē)電子穩定系統(ESP或ESC)GPS輔助導航系統,汽車(chē)安全氣囊、車(chē)輛姿態(tài)測量、精密農業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫療設備、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(chǎn)品,主要要求高精度、全溫區、抗沖擊等指數。主要用于通訊衛星無(wú)線(xiàn)、導彈導引頭、光學(xué)瞄準系統等穩定性應用;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、戰場(chǎng)機器人等。 用作消費電子類(lèi)的MEMS慣性傳感器,主要要求是單價(jià)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,大多數為半導體、如美國的ADI、Invensense、ST、Freescale、 Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC(生產(chǎn)地在中國無(wú)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體有限公司發(fā)布了消費類(lèi)的MEMS陀螺,無(wú)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(lèi)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,零偏穩定性為1 °/h~50°/h。目前制造商有美國B(niǎo)EI、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(lái),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(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、中科院上海微系統所、綿陽(yáng)中國工物院。研發(fā)陀螺及組合的機構有清華大學(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(cháng)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)展現狀是消費類(lèi)產(chǎn)品向大規模生產(chǎn)發(fā)展、單價(jià)越來(lái)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(gè)單軸陀螺售價(jià)可在3~4千美元。而工業(yè)級、汽車(chē)級產(chǎn)品更追求高品質(zhì)和高可靠性,同時(shí)兼顧售價(jià)。 展望未來(lái),MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)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(lèi)應用,更尋求進(jìn)一步簡(jiǎn)化制造工藝,降低成本的趨勢。同時(shí),集成化也是未來(lái)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(lái)越多的上游芯片廠(chǎng)家也走集成塊的技術(shù)路線(xiàn)。因而不斷有雙軸、三軸加計、陀螺芯片問(wèn)世。 競爭力方面:消費類(lèi)將競爭最為慘烈,新廠(chǎng)家將不斷涌進(jìn),比投資、比規模將是必然趨勢。上下游相互傾軋、收購、重組將會(huì )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果。上游廠(chǎng)家希望找到下游客戶(hù),下游希望尋找合適的供應商,因而產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可能出現。 應用方面:無(wú)疑無(wú)論是消費類(lèi)應用,工業(yè)級軍工級應用,市場(chǎng)會(huì )急驟擴大,應用會(huì )越來(lái)越廣泛。 |