2009年MEMS惯性传感器现状及2010年趋势 - MEMS - 电子工程师俱

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作者：中国元协传感器分会副理事长 谷荣祥

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。

惯性传感器包括加速度计（或加速度传感计）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）。

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。

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。

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。

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  消费级ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC、VTI、Infline。ADI、Knoix、ST、Infine、Methes、Murata、National上海深迪。工业级 汽车级ADI、Silicon design、Honeywell、MSI、VTI、Colibry、北陆电气、中星测控。BEI、Microstrain、Crossbow、Sensonor、SSS、Bosch、Delphi、 Honeywell、ADI。军工级 宇航级Honeywell、Silicon design、Drapor、Colibry、电子26所、航天704所、九院。BEI、Drapor、Honeywell、Xsens、Sorsonor、SSS、中星测控、电子26所、航天704所。国内研发机构哈尔滨工业大学、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。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。

展望未来，MEMS惯性传感器的发展趋势主要有以下几个方面：

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。