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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。 |
