MEMS 惯性传感器的研究现状及发展趋势 段波涛 P201009077 上海空间电源研究所(SISPS
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。
关键词:微传感器、 MEMS 、惯性传感器、惯性导航、惯性测量 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。
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。
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 ,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。
(意法半导体 —— ST
(VTI
(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。
(BEI
(Silicon design
MEMS惯性传感器的研究现状及发展趋势.
