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高性能MEMS传感器进一步缩减尺寸，开辟移动设备新时代

作者：Roger Allan

上网时间：2010年08月27日

所属类别: 便携设备 I 放大/调整/转换 I 技术方案

关键字: MEMS 传感器 陀螺仪 加速度计 惯性测量单元

微机电系统(MEMS)运动正在走向更高的集成度、更小的芯片尺寸、更低的成本以及更高的性能和可靠性。这些趋势在最新的加速度计、陀螺仪和惯性测量单元(IMU)上得到了体现，使得MEMS器件得以满足多种下一代电子产品，特别是消费电子产品的需求。

半导体制造商以及领先的研究机构在利用最新的硬件和软件，为现有以及新的市场开发能体现MEMS技术主要优势(即成本低、体积小)的运动感知器件。这些技术进步使开发具有特色的运动传感器IC成为可能。各公司借助这些传感器开发出尖端产品、从而在竞争激烈的市场中实现产品的差异化。

MEMS加速度计和陀螺仪是正在迅速增长的市场。市场研究公司Yole Developpement预测，2013年MEMS加速度计和陀螺仪的复合市场将达约30亿美元(图1)。而在2008年该市场是18.5亿美元，当时全球大约生产了8.59亿个MEMS加速度计和陀螺仪。 另一家市场研究公司iSuppli预测，2010年的MEMS市场将从2006年的56亿美元上升到83亿美元，这个市场包含除运动感知传感器之外的许多其它功能的传感器。

图1：MEMS加速度和陀螺仪市场在2013年达到30亿美元。

消费电子推动MEMS传感器市场繁荣

尽管安全气囊、制动压力(电子稳定控制或称ESC)、轮胎压力监测系统(TPMS)等汽车电子应用仍占主导，但MEMS传感器在消费市场的使用量将在2012年超过汽车市场。消费电子市场是MEMS传感器发展的重要推手，其它快速增长的市场包括家庭保健医疗设备、军事和工业应用等。

手机、小家电、电子游戏、远程控制、智能书、移动互联网设备以及个人导航设备(PND)等消费电子产品要求体积更小、功耗更低的MEMS加速度计。用于上述产品的MEMS加速度计芯片的需求量很大，因为许多此类产品在设计中都要用到若干个加速度计，且必须由电池供电，而且还要求更长的电池续航时间。

消费电子产业已受益于批量单价现已低于1美元的低成本、多轴MEMS加速度计。“尽管消费者花在大宗电子和移动产品方面的支出在大幅削减，但MEMS产业仍得益于移动手机和消费电子产品对其需求而继续蓬勃发展。”iSuppli的总监兼首席分析师Jeremie Bouchaud表示，“包括对具有基于直观运动界面的移动设备的渴望，以及对提供丰富和现实体验的追求等诸多因素，造就着MEMS传感器的成功。”

消费者对手势识别、方位感知、单点轻敲、双点轻敲、自由落体、晃动等实时运动检测功能的需求越来越多。MEMS加速度计制造商通过开发除感知元件以外还整合了相关电路和嵌入式软件算法等方案，使设计人员在实现这些特性的任意组合时具有比以往更高的精度、更大的灵活性。

“手机使用的加速度计是目前MEMS传感器的主要市场。”iSuppli的分析师Richard Dixon称。

“在2007年，只有3％的手机采用了加速度计。不过，归功于MEMS技术的进步以及消费者对更完美用户接口的需求，到2010年，预计有33％的手机采用加速度计。”飞思卡尔半导体传感器和执行器解决方案部副总裁兼总经理Demetre Kondylis表示。

市场调研公司IDC也提出了类似的前瞻性预测。该公司称：“尽管经济不景气，但与2008年第四季度比，智能手机销量在2009年第四季度还是同比增长了39％。2009年的智能手机出货量达到1.742亿部，比2008年的1.514亿部同比增长15.1％，预计这一上升趋势将持续下去。” 改善移动连接体验

最近新推出的许多三轴MEMS加速度计，都是针对智能消费电子产品。这些电子产品借助能更快、更精准地感知运动的特性来改善用户的移动连接体验。

飞思卡尔半导体的低功耗、12位、三轴MEMS加速度计MMA8450Q(图2)就是其中一个例子。飞思卡尔半导体采用系统级方法来开发这款传感器，并利用了其电源管理、基于ARM的i.MX处理器、传感器和软件方面的专长。

图2：MMA8450Q低功耗12位三轴MEMS加速度计可改善消费者的移动连接体验。

“该芯片代表了一种非常高端和高效的设计。”飞思卡尔半导体惯性传感器营销经理Michelle Kelsey表示。

该IC内的感知元件借助内置的XYZ采样先进先出(FIFO)存储器、高通滤波器和嵌入算法等智能特性实现运动感知。可用的嵌入功能包括定位、单点、双点、摇晃、自由落体和振动感知。

“FIFO和可配置性是保证MMA8450Q性能的关键，它们确保来自任何特定感知元件的数据都不会丢失。”Kelsey补充说道。

在3×3×1mm封装内，该芯片提供所有的先进特性，包括：接到I2C端口的12位数字输出；±2、±4和±8g的加速度范围；关机状态下仅2μA的电流消耗；1.71~1.89V直流工作电源；用于8个中断源的两个可编程引脚。

MMA8450Q的功耗特性也非常抢眼。在待机模式，在一个I2C端口工作的情况下，MMA8450Q的功耗只有10μA。在工作模式下，MMA8450Q的典型功耗为27μA(50Hz输出数据速率)或42μA(100Hz输出数据速率)。

在三轴数字输出KXTE9MEMS加速度计中，Kionix也嵌入了用于方位和活动监测的算法。该加速度计采用3×3×0.98mm的LGA封装，工作电压为1.8至3.6V，功耗仅30μA。飞思卡尔还计划推出应用开发工具，它们将有助于接入集成在芯片内的系统级功能。 减小芯片尺寸

VTI Technologies、意法半导体和Bosch Sensortec等MEMS IC制造商，通过使传感器更小、更省电来进一步挤压基于MEMS技术的芯片尺度的边界。去年，VTI Technologies率先推出了小尺寸三轴MEMS加速度计——CMA3000(图3)。这款三轴、低功耗(10μA/1.8V)加速度计采用2×2×0.98mm封装。

图3：VTI Technologies的CMA3000三轴MEMS加速度计。

意法半导体的LIS3Dx Femto系列三轴数字加速度计采用2×2×0.98mm LGA封装(图4)，在100Hz采样速率的全功能模式，功耗仅为10μA，工作电压仅为1.8V。若降低数据速率，

还可进一步降低功耗，如在25Hz下为4μA，在几个Hz下为2μA。该芯片具有可编程FIFO存储器、串行外围接口(SPI)和I2C接口、单点和双点运动检测/唤醒、4D/6D方位检测，以及±2、±4和±8g的加速度范围。

图4：LIS3Dx Femto MEMS三轴数字加速度计在全功能模式下仅消耗10uA电流。

领先的MEMS传感器供应商Bosch Sensortec也缩小了其MEMS加速度计的体积(图5)，其三轴数字加速度计BMA220具有与ST同类产品一样的小巧体积(2×2×0.98mm)，但具有±2、±4、±8和±16g更宽的灵敏度范围。在全功能模式，该芯片的功耗为250μA(1.8V电源)。此外，根据不同占空比，其功耗可低至10μA。BMA220是完全可编程的，具有单点、双点、自动唤醒、振动、中断和高加速/低加速检测、可配置步长以及I2C和SPI接口。

图5：Bosch Sensortec的BMA220三轴数字加速度计。

“这款加速度计可用于独特的专用I/O模式，我们将其打造成一款无需微控制器的独立器件。”Bosch Sensortec的全球营销总监Leopold Beer解释说。

ADI公司是业内最先推出单芯片平面MEMS加速度计的厂家，该产品是为汽车安全气囊应用而设计。此类产品最新器件ADXL346三轴数字输出iMEMS加速度计，具有仅1μA的待机功耗和35μA的全功能模式功耗。这款可选测量范围为±2、±4、±8和±16g、13位的器件，具有与众不同的特性，即在所有测量范围，都可将分辨率提升到4mg/LSB(最低有效位)。黑莓风暴2智能手机就采用了这款产品。

“我们专注的是对性能水平有很高要求，且最终用户愿意为此买单的那些应用。”ADI的MEMS营销经理Wayne Meyer解释，“根据具体应用，我们可在单一芯片上实现更高集成度。我们采用单片和混合策略来满足不同市场需求。”

在MXP7205VW/VF MEMS加速度计中，MEMSIC采用一种热原理来测量加速度，可承受50,000g的冲击。在-40℃到105℃的工作温度范围，在零g补偿下，它具有±30mg的精度。这对汽车电子稳定性控制(ESC)应用来说，是个重要特性。

通过采用新奇的惯性感知架构，较小的尺寸也被用来开发更先进的性能，这将影响到体积更小、成本更低的MEMS加速度计、陀螺仪和IMU的开发。

惠普(HP)实验室的超灵敏惯性MEMS加速度计平台(图6)是MEMS的一个重要发展，它比大批量商用加速度计敏感1,000倍以上，且成本低、体积小。它具有亚100 ng√Hz范围的噪声密度表现以及130dB的动态范围从而大幅提高了数据质量，这一切要归功于使用了大的检测质量(proof mass)

图6：HP实验室惯性MEMS加速度计平台。

HP表示，该传感器不仅比其他MEMS传感器更敏感，且它是以与游戏控制器和汽车安全气囊所用的当今加速度计相当的大小、成本和功耗实现这一敏感得多的功能的。该传感器是针对汽车、医疗和工业基础设施的传感和监控应用设计的。它充分利用了惠普的MEMS射流技术。

“这一新的传感技术对实现惠普的地球中枢神经系统(CENSE)来说至关重要。”惠普高级研究员Peter Harwell称，“我们已经着手为这一愿景研制下一代传感器，它将在一个平面芯片上整合三轴惯性传感器和陀螺仪。”

惠普并没进行该传感器的商业销售。“我们计划将该传感器与其它传感元件和电子电路整合在一起，并与他人合作设计出一种无线传感系统解决方案，”惠普技术开发组织业务拓展经理Grant Pease解释说。

“我们传感器的主要应用之一是道路监测，它是美国政府运输部启动的智能交通系统的一部分，该系统能显著降低耗费在道路和高速公路上的能耗，”Pease说。“我们可很容易地修改这些传感器的性能(如：更多的轴数和更多带宽)以满足特定应用的需求。” MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪得益于MEMS惯性传感器的发展。InvenSense、意法半导体和VTI Technologies是用于消费电子市场的主要MEMS陀螺仪制造商。霍尼韦尔是另一家主要MEMS陀螺仪制造商，但其产品主要用于工业、航空航天和军事应用。

根据iSuppli的统计，InvenSense是消费电子产品运动处理领域首屈一指的MEMS陀螺仪供应商。它最近发布了MPU-3000系列三轴运动处理单元陀螺仪，这些器件包括一个嵌入式数字运动处理器硬件加速器引擎。

该陀螺仪支持智能手机内的全部运动处理，包括从250到2000°/s以上最宽的覆盖范围。它具有如下特性：内置16位模数转换器(ADC)、可编程数字滤波器、出厂校准的1％敏感度、内置6轴传感器融合、13mW功耗。它们采用4×4×0.9mm毫米的小封装，并提供SPI和I2C接口。

VTI Technologies也推出了针对工业应用的MEMS陀螺仪和加速度计组合芯片SCC1300-D02。这是一款单轴±100°/s的X轴陀螺仪和三轴±2g加速度计。SCC1300-D04则是一款±300°/s的X轴陀螺仪和 ±6g的三轴加速度计。两款产品都采用18.6×8.5×4.53mm封装，在整个-40°C到125°C工作温度范围，对陀螺仪部分进行了温度补偿。偏置稳定性(Allan方差)小于1°/h，整个工作温度范围内的偏置精度为±0.6°/s。

意法半导体的LSM320HAY30在一个紧凑的封装内集成了一个三轴数字加速度计与一个两轴模拟陀螺仪(图7A)。该产品的加速度计具有±2、±4和±8g的可选全量程加速范围，而陀螺仪沿俯仰(pitch)和偏航(yaw)轴的角检出率范围为30到600°/s。每个轴都有两个用户可选且同时的输出：一个是用于慢动作的高精度未经放大的输出，另一个是用于非常快的手势动作、放大4倍后的输出。该模块工作于2.7到3.6V，包括自检功能。

意法半导体还推出了低成本的LYPR540AH三轴MEMS陀螺仪(图7b)。这是为消费电子设计的高性能器件，它能准确测量沿三个正交轴的角速率，为手机、游戏控制器、个人导航设备及其它便携式消费电子产品提供360°角速率的高精度姿势和运动识别。该陀螺仪有两个同时工作、用于三个轴的独立输出，一个用于慢动作、高精度的400°/s全量程值，另一个用于非常快手势和动作的1600°/s全量程值。这些器件采用4.4×7.5×1.1mm封装。

图7：意法半导体的两款MEMS三轴数字陀螺仪为消费电子应用提供高性能。

意法半导体的L3G200D三轴MEMS数字陀螺仪是移动电话和游戏控制台运动控制领域的新突破，它采用单一传感构造对沿三个正交轴的运动进行测量。意法半导体表示，与现有的采用两或三个传感构造的陀螺仪相比，单传感构造陀螺仪提升了精度和可靠性。L3G200D采用4×4×1mm封装、包括ASIC接口。该产品具有用户可编程的±250°/s到±2000°/s全量程范围和16位数据输出。

意法半导体是欧盟资助的微观陀螺仪(图8)——互联器件缩微总成(Downscale Assembly of Interconnected Devices)计划——开发的6个合作伙伴之一。该计划的重点是惯性传感器系统。该项目旨在对包含MEMS和ASIC的混合集成电路进行极高封装密度的研究，在第六框架规划(Sixth Framework Programme)下，欧洲委员会拨款280万欧元资助该项目。其他5家合作伙伴包括：德国弗劳恩霍夫技术学院；奥地利的Datacon Technology；荷兰的FICO；意大利的SAES Getters；波兰的弗罗茨瓦夫理工大学。

图8：欧盟资助的微观陀螺仪的结构图。

模块化IMU

在为消费电子和便携式医疗电子产品开发成本相对较低的模块化封装IMU方面，意法半导体走在了前面。iNEMO v2集成了5个意法半导体的传感器和一个32位微控制器。这些传感器包括：一个两轴横摇和纵摇(roll-and-pitch)陀螺仪、一个单轴偏航陀螺仪、一个六轴地磁模块、一个压力传感器和一个温度传感器。

利用iMEMS技术，ADI公司也在积极为工业、航空航天和军事应用生产模块化IMU，ADS16350/54/55等产品就提供了6自由度运动检测。

“IMU绝对是以性能为旨归的器件，它们用于对性能有极高要求的工业和军用市场。”ADI的Wayne Meyer解释说，“因此你不能指望它们会采用典型的小型IC封装，且它们的要价通常也更高。”

所有这些情况，都显示出系统级方法的必要性。“惯性产品的MEMS供应商，特别是加速度计供应商，一直在非常努力地使各自的产品标新立异，因为这些产品业已走向成熟且已商品化，”专注于MEMS领域的营销公司Roger Grace Associates的总裁Roger Grace表示，“功能的增加，特别是添加进软件算法，现正成为一种产品差异化战略。该领域的设计趋势一直是在独立芯片(特别是ASIC)上增加功能，而该芯片一般会与MEMS构造绑定在一起。”

“这种系统级解决方案，特别是通过先进封装技术带来的显而易见的功能提升，将成为产品差异化的主要技术。”他补充说。

作者：

Roger Allan

《Electronic Design》

RF MEMS;射频，比如relay，switch，可变电容，谐振器…… BIO-MEMS;生物，比如微全分析系统。 POWER MEMS.微能量采集，比如微马达。

微电子机械系统（MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴的科技领域，它是集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等为一体的微型器件或系统。以MEMS技术加工制作的微型传感器具有微型化、集成化、精度高等优点。

MEMS谐振式压力传感器通过检测其微机械谐振梁的谐振频率的变化来实现压力测量。与其它类型的硅微压力传感器相比，特点是尺寸小，精度高，稳定性好，易与数字电路接口，具有广阔的应用前景。静电、光热及电磁是几种常用的激励方式，由于电磁激励方式比较稳定，本论文选用了电磁激振/电磁拾振方式。并基于电磁激振/电磁拾振方式进行谐振式压力传感器的结构设计、理论分析和有限元模拟、工艺参数设计和工艺实施并最终得到MEMS谐振压力传感器初样器件。

由于单晶硅具有优良的弹性特性，提出一种基于单晶硅的具有低应力特性的梁膜一体的双传感单元结构以检测差压。通过建立感测压力膜片和谐振梁的简化数学模型进行详细的理论分析和利用有限元分析软件对压力传感器建模并模拟分析，得到传感器的谐振特性和压力敏感特性。

从维持等幅稳定的闭环自激振荡理论出发，建立电磁激振/电磁拾振方式的等效电磁藕荷振子模型，并根据理论或电路系统仿真可知电磁激振/电磁拾振方式工作稳定，受外界的影响较小。并在理论基础上提出了一种以单梁作谐振子、以制作于梁上H型导线作为电磁激励/电磁拾振单元的闭环自激系统。

对于MEMS谐振压力传感器的加工制作，关键是谐振梁的制作和谐振腔的腐蚀。为确保工艺的成功以及对不同工艺进行比较和研究，采用两套工艺方案。运用表面微机械加工技术和体微机械加工技术相结合的方法，自行设计工艺参数并

在现有工艺条件基础上进行工艺流片。详细介绍了工艺流程及工艺过程中用到的重点和难点工艺，最后提出一种有效的封装结构对传感器进行真空封装。

研制出MEMS谐振压力传感器初样器件，所得传感芯片尺寸为8.3mm×4.7mm×300

，为后续的谐振式传感器研究奠定了基础。

关键词：MEMS传感器，谐振式压力传感器，电磁谐振梁

ABSTRACT

MEMS (Microelectromechanical System) is a multidiscipline technology based on microelectronics technology. MEMS are integrated devices or systems composed of microsensors, microactuators, signal processing IC, controlling IC, communication interface IC and/or battery. The microsensors based on MEMS technology have the advantages of miniaturization, integration and high accuracy.

The resonant pressure sensor measures the applied pressure by

detecting resonant frequency changes of its resonant beam. Comparing with other pressure sensor, resonant pressure sensors based on MEMS are characterized by small size, high accuracy, excellent stability and convenient interfacing with digital electronics, showing wide applications prospects. Electrostatic, optical thermal and

electromagnetic excitations are common way used in the resonant sensors. Electromagnetic excitation has been selected for the developed sensor since it has the advantage of high stability. The paper presents the design, analysis, modeling and fabrication of the MEMS resonant sensor. The construction of two sensing units is presented, one unit for absolute pressure and another for the atmosphere. Every sensing unit is constructed with the diaphragm on which the resonant beam (or the resonator) is fabricated by three-dimensional semiconductor process technology. The sensor has low stress, high stability and good repeatability because the resonator is sculpted from the diaphragm directly and made from single crystal silicon which has excellent elastic characteristics.

Here the simplified model of the sensing unit is analysed and simulated by theory computing and FEA (finite element analysis). The resonant characteristics and pressure sensitivity of the sensor has been calculated for the design and fabrication of the sensor.

A model of positive feedback self-oscillation system is established based on the theory of equiamplitude and stable self-oscillation. Due to its stability we use electro-magnetic excitation and electro-magnetic detection to excitate the resonators and detect the output signals by the H type conductors fabricated on the resonators.

The fabrication process of the sensor is focused in this paper. The key process is the fabrication of the resonators. Two kinds of

fabrication processes are designed based on the available conditions. Finally an effective vacuum packaging technology is developed.

The sensor chip in the size of 8.3mm×4.7mm×300

is fabricated

successfully, and it will be used for the further research.

Keyword:

MEMS sensor, Resonant pressure sensor, Electro-magnetic resonator

基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的设计(PDF) 《电子设计工程》[ISSN:1674-6236/CN:61-1477/TN] 期数:

2009年08期 页码: 71-72 栏目:

主题论文：自控与仪器仪表 出版日期: 2009-08-05 Title:

Design of digital dipmeter based on MEMS accelerometer 作者:

段晓敏; 李杰; 刘文怡; 沙承贤

中北大学电子科学与技术系，电子测试技术国防重点实验室，山西太原030051 Author(s):

DUAN Xiao-min; LI Jie; LIU Wen-yi; SHA Cheng-xian

National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Department of Electronic Science and Technology，North University of China，Taiyuan030051，China 关键词:

MEMS加速度计; 倾角测量仪; 单片机; 误差补偿 Keywords:

MEMS（Micro Electro Mechanical System）accelerometer; dipmeter; MCU; error compensation 分类号: TP212.9 DOI: -

文献标识码: A 摘要:

设计由MEMS加速度计与SoC型单片机C8051F040组合而成的一种新型数字倾角测量仪，通过对MEMS加速度计的输出信号进行调理和A/D采集，并且在获得数字信号后进行温度补偿，解算出倾角值并通过LCD1602显示。该倾角测量仪具有体积小、重量轻、精度高的特性，可广泛应用于建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等重力参考系下测量倾角的场合。 Abstract:

A new type digital dipmeter combined with the MEMS accelerometer and the SoC-type C8051F040MCU is de-signed.By conditioning and A/D acquisition for MEMS accelerometer output signal,it compensates the temperature after obtaining digital signal,calculates inclination value and uses LCD1602display.The dipmeter features small size,light weight,high precision,it can be widely used in building,machinery,roads,bridges and geological exploration and so on,such as gravity reference system to measure the inclination. 参考文献/References

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[6]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京：北京航天大学出版社，2005. 摘 要

为进一步提高MEMS陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了MEMS陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。以Z轴MEMS陀螺仪动力学方程为基础,分析了MEMS陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。对早期真空封装陀螺仪品质因数的变化曲线进行了分析,得出了腔体内残余气体是品质因数下降的主要原因。采用程序升温脱附质谱分析法(TPD-MS)分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合适的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162 660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化＜0.05%。

标 签 MEMS陀螺仪 真空封装 真空保持度 吸气剂 MEMS gyroscope vacuum packaging vacuum maintenance getter

Abstract

The high vacuum acquisition and vacuum maintenance of device-level vacuum packaging for MEMS gyroscopes are studied to increase their quality factors and stability. The relationship between error signals and quality factors is analyzed based on the dynamics equations of Z-axis MEMS gyroscopes and the air damping of gyroscopes with high quality factors is analyzed using rarefied gas dynamics theory.The changes of quality factor of an early vacuum packaged

gyroscope are analyzed,and the result shows that residual gasses in vacuum cavity result in the decreasing of vacuum level.A temperature programmed desorption-mass spectrometry (TPD-MS) is used to measure the contents of the evolution gases for the ceramic packages and the lids.According to the contents of trapped gases,the reasonable getter is chosen to absorb the gases and to keep the vacuum level of the cavity.Finally,the device-level vacuum packaging process is improved.The test results show that the quality factor of the gyroscope packaged with a new device-level vacuum packaging process is about 162 660,which is about 14 times those of previous vacuum packaged MEMS gyroscopes,and the change of quality factor is less than 0.05% within one year. 参考文献

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【2】 采用惯性MEMS开发高精度导航系统

【3】 作者：ADI公司iSensor产品业务拓展经理 来源:电子设计应用2009年第5期 【4】 【5】 【6】 摘要：惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。

其工作环境不仅包括空中、地面，还有水下。该系统通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。本文介绍了采用惯性MEMS开发的具有成本效益的高精度导航系统。

关键词：惯性；导航系统；MEMS

惯性导航系统不仅可以工作在空中、地面，还可以工作在水下。该系统结合多个轴上的直线和旋转运动信息，产生准确的位置、速度和方向输出信号。系统复杂度与系统数据处理融合所有输入并实现相关制导，这取决于系统机体动力学、其他传感器的可用性或域特定数据。而设计及实现这样的一种惯性导航的复杂度与所使用的传感器种类，特别是器件的集成度和校准的准确性密切相关。

导航方案的选择

惯性导航的可能方案很多，从简单的传感器到最高端的环形激光陀螺仪，都在人们的使用范围之内。对大多数情况，环形激光陀螺仪的成本令人难以承受。

精确导航要求更高，多年来，精确导航的首选方案是使用环形激光或光纤陀螺仪技术开发的高精度惯性测量单元(IMU)。其性能指标表现不错，但它们在成本(达数千美元)、功耗和尺寸方面给系统带来沉重的预算负担。

幸运的是，几年前发展成熟的微机电系统(MEMS)陀螺仪使人们开始重新审视导航系统的设计方法。使用MEMS陀螺仪的主要好处是，它可以把成本降低一个数量级，并可减小尺寸和降低功耗。对设计者来说，面临的挑战是如何重新分配系统性能预算，如何通过设计而不是完全依靠核心IMU来提供附加性能。一些成功的设计者发现，成本优势也为许多新应用的开创提供了机会。

现在，MEMS陀螺仪与加速计相结合不仅成为汽车安全系统的基本单元，而且已被公认

为是成熟可靠的技术。汽车导航单元将加速计和用于实现航路推算功能(它可以备份GPS信号以防止信号暂时性消失)的陀螺仪结合在一起。要把MEMS陀螺扩展到高精度军事应用，关键是将多个传感器，如惯性传感器、GPS、磁力计、视觉系统等组合起来使用。图1所示为一个典型系统，把惯性传感器、GPS和磁力计传感器组合起来，并与机车或系统特有的输入如提供额外的运动信息或约束相结合，以此确定实际的运动状况。该系统可利用各个传感器的输出进行交叉修正，如修正磁力计的倾斜角，其中的卡尔曼滤波器通过对多个输入进行加权和处理，产生速度、方向和位置的最佳估计。

图1 典型的惯性导航系统

【7】 陀螺仪的偏置稳定性

陀螺仪的偏置稳定性在任何设计分析中都倍受关注。军事设备设计者期望陀螺仪稳定性在每小时零点几度或几度，对于某些应用，每小时几十度的性能水平几乎是无法接受的。

陀螺仪制造商和导航系统开发商在满足这个要求上都在发挥作用。许多陀螺仪在温度、电压、振动和其它方面具有固有的偏差和灵敏度。对生产批量高达百万的汽车制造商来说，将必要的测试和校准融合到生产流程中可产生成本效益。但对生产批量较小的公司，配备实现运动校准的基础设施，如旋转测试平台等会存在困难。意识到这个需求，一些陀螺仪制造商还提供经过预校准、可直接集成到系统中的元件。预校准可切实改善系统的偏置稳定性，但改善的程度依赖于工厂校准的完备程度和陀螺仪配套半导体的集成度。要在短期内保证偏置稳定，选择高精度校准的陀螺仪极为重要，但要达到所需要的长期稳定性，设计者还需考虑使用其它滤波方法和传感器组合。

设计6自由度惯性传感器尤其具有挑战性，如图2所示。仅仅依靠半导体技术本身是难以达到这种设计要求的。要保证多个传感轴同时具有高精度，还需要模块级集成。

除了材料和工艺，要满足实体市场的要求或促成一个实体市场，更为重要的是在成本、性能和易用性之间实现良好的平衡。一种方法是通过仔细的功能划分，将惯性导航系统的功能分解为不依赖于具体系统的元件和强烈依赖于实际实现的元件。各个传感器输入的权重及结合它们的实际算法强烈依赖于特定应用的动力学，但在三个轴上提供稳定的直线和旋转输出，并带有轴向交叉校正和传感器交叉校正功能的IMU可定义为面向多种应用的可复用模块。

图2 六自由度惯性传感器框图

IMU模块本身非常复杂，模块测试和校准可能是设计者所面临的最大挑战。请注意，对于运动传感器如加速度计和陀螺仪，校准包含在对运动设备的测试中。对于多轴传感器，这意味着要求三个轴同时以准确控制的速率旋转。大多数惯性传感器存在温度和其它灵敏度问题，这些参数也需要在运动测试期间进行调整。一项复杂的机电测试需要能够对多个传感器进行交叉补偿，对所有重大的电气、位置和运动影响进行修正。

【8】 IMU产品选择举例

一款IMU产品如ADIS16360，它的体积不到1立方英寸，可通过标准的4线SPI接口访问6个经过预校准的惯性传感器。对于此类器件，轴向交叉校准(Cross-axis alignment)精度是一个至关重要的参数，对ADIS16360来说，其精度为0.05度。表1给出的是该产品目前达到的性能指标。另外，该产品的稳定性有望进一步得到改善。如果此类器件的

价格能降到300美元以下，优秀的设计者将会利用它迎接挑战，把它整合到自己系统中。为了便于产品开发，IMU包含可编程接口，允许用户配置内部数字滤波、采样速率、环境条件监视、调整动态范围及重新校准传感器原点。经过预校准且可配置的IMU能使系统开发者完全专注于关键的导航算法，以更快的速度设计出具更高成本效益的产品。

CS-IMU型惯性测量单元说明书

CS-IMU型惯性测量单元是基于MEMS技术的六自由度固态惯性传感器组合，可准确地测量空间坐标系中三个轴的角速率和线加速度。具有高可靠性和高封装坚固性；内置高精度温度传感器，可给出IMU内随温度变化的电压值；六个自由度的每一个都具备自检测（Self-Test）功能。

特征：

? MEMS技术、固态传感器； ? 结构紧凑、尺寸小； ? 高可靠性、长寿命； ? 重量轻； ? 低成本； ? 快速启动； ? 宽带宽；

? 内置温度传感器。

应用：

汽车仪器、机器人、姿态参考系统、飞行器测控、导弹制导与控制、工业控制系统、辅助GPS导航系统、稳定平台、船舶动态测量、探采矿仪器仪表、大型农业机械、空间运动体测控、火车和集装箱跟踪等。

技术参数

技术参数 输入电压（Vdc） 输入电流（mA） 测量范围注① 角速率 ＋5±5％V 30mA ±75°/s～±5500°加速度 ±2g～±100g /s 0～5V 2.5±0.1V ≤1.0°/s —— 0.2%FR 满量程输出电压（V） 零偏电压（V） 长期（100h）零偏稳定性（°/s） 非线性度（％FR） ≤0.5％FR 分辨率注② ≤0.04°/s～10°/s 0.002g～0.01g 启动时间（ms） 带宽注③ 可靠性 工作温度 储存温度 不供电，0.5ms 冲击 供电，0.5ms 重量 外形尺寸 ＜35ms 40Hz MTBF10万小时 －40℃～＋85℃ －55℃～＋100℃ 1000g 500g 90g 38×38×36mm3（详见附图） 电气接口

插头端子号 信号名称

注④ 2 ＋5V 4 ωYSTZ 5 ωZOUT 6 ωZST2 7 ωZST1 8 ωXST2 9 ωXOUT 10 ωXST112 地 13 αXOUT 14 αXYST 15 ωYST1 16 ωYOUT 17 αZST 18 αZOUT 19 壳体地

注：①角速率的测量范围目前可选：±75°/s、±100、±150、±200、±250、±300、±350、±400、±450、±500、±550、±600和±900、±1400、±2600、±5500°/s；往后还可选正在研制的：±5°/s、±10、±20、±30、±40、±50、±60及5500°/s以上的测量范围。线加速度的测量范围：XY轴可选±2g、±10g、±50g，Z轴可选±5g、±50g、±100g。

②不同测量范围的角速率陀螺，其分辨率不同，详见选定的IMU测试报告。 ③用户可选≤500Hz的任一带宽。

④信号名称中：ω—表示角速率；α—表示加速度；X、Y、Z—表示坐标系

中的三个轴；OUT—表示输出；ST1、ST2—分别表示角速率陀螺自检加电口1和2；ST—表示加速度计自检测加电口。

外形尺寸图

MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。

MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面： 1．理论基础：

在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。 2．技术基础：

MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：（1）设计与仿真技术；（2）材料与加工技术（3）封装与装配技术；（4）测量与测试技术；（5）集成与系统技术等。 3．应用研究：

人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。

mems技术与生物医学:

mems技术已经在生物医学领域里得到应用，某些公司已经有商品化的产品。 从远古时代巫师们的巫术到现代生物领域的量子技术，人类无时无刻不在想方设法寻求延长生命，提高生活的质量。

尽管大部分长寿科学研究属于生命科学的范畴，但其它做出的贡献技术领域也取得了可喜的发展，如微机电系统(MEMS)，就算是最富想象力的医生、科学家或技术人员，几年前做梦也不曾想到会有这样一种技术。

MEMS是一种制造方法，基本上是采用微电子材料与工艺制作出将传感器、驱动器与微电子集成于一体的机械部件。

即使仍处于初级研究阶段，生物医学MEMS技术也还是得到了巨大发展。 例如肥胖症和世界人口老龄化上升导致心血管疾病和糖尿病增加，而利用

MEMS技术可制作出新型外科移植器件，能够从人体内部监控一个人的健康状况。CardioMEMS公司采用MEMS技术制成心血管微传感器可测量动脉的压力，该传感器就像汽车里的EZPass设备(一种在高速公路入口无需停车即可完成付费的自动感应装置)一样工作，本身不带电源，读取信息时在外面用一个感应棒启动传感器即可得到此人动脉的所有相关数据。

利用MEMS还能制作出智能型外科器械，减少手术风险和时间，缩短病人康复时间，降低治疗的费用。Verimetra公司正在利用MEMS把现有手术器械转变成

智能型手术器械，可用于多种场合，包括小手术、肿瘤、神经、牙科和胎儿心脏手术等。

药物注入是生物医学MEMS另一个可能有巨幅增长潜力的领域，MicroChipd公司正在开发的一种药物注入系统利用了硅片或聚合物微芯片，其上带有成千上万个微型贮液囊，里面充满药物、试剂及其它药品。这些微芯片能够向人体注入药物，使止痛剂、荷尔蒙以及类固醇之类的注入方式发生革命性的变化。类似这样的生物医学新进展还将催生出新型器械，如便携式掌上型透析机等。

将来人们可以在身上配备测量人体功能的MEMS传感器和驱动器，保证个人处于最佳健康状态，帮助保持积极生活方式，并提供自动的预防保健。 虽然大家都清楚这些成就会使我们治病和生活方式发生翻天覆地的变化，但在生物医学领域运用MEMS技术也可能为社会带来伦理和商业方面一些困扰。我们要怎样安放这些报告我们活动和生活方式以监控身体状况的传感器呢？MEMS产品对富人和穷人都一样能用得起吗？随着移植手术越来越普及和可能，而且占到我们身体很大一部分比重，这对人类又将意味着什么呢？

对于生物医学应用来讲，MEMS是一种丰富多样、充满生机的技术。MEMS用于生物医学领域所面临的挑战不仅是要开发出合适的技术，而且还要成为主要的角色。

微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺 ，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统\机械\制造技术大幅度提高。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：MEMS会给人类社会带来另一次技术革命，它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。

制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品。但矛盾之处在于，随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本。

解决这一难题的方法之一是采用微机电系统，更流行的说法是MEMS，它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。MEMS对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸和重量的减小。事实上，大多数消费类电子产品所用MEMS元件的性能比已经出现

的同类技术大有提高。虽然MEMS过去只限于汽车、工业和医疗应用，但据调查公司估计：“MEMS消费类电子产品的销售额将在2005年前达到15亿美元”。

手持式设备制造商正在逐渐意识到MEMS的价值以及这种技术所带来的好处——大批量、低成本、小尺寸，而且开始转向成功的MEMS公司，其所实现的成本削减幅度之大，将影响整个消费类电子世界，而不仅是高端装置。

MEMS特点

微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短；

集成化：可以把不同功能、不同敏感方向和致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器、微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS；

多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。

MEMS 的广泛应用

跟上发展步伐

正在日益流行的MEMS应用是步程计，它用于测量人行走时的速度或距离。将在z轴方向上的机械平移运动转换为电脉冲是MEMS器件的作用所在。这些脉冲馈入一个峰值检测器电路，该电路随后在每个脉冲作用下触发一次计数。精心设计峰值检测算法则能根据所选用的加速度计情况来获得最优的测量效果。

如果步程计安装到被测人的足部，当该人跑步时，则步程计就会定期受到极大的冲击作用。如果产品使用加速度计的话，如此之高的冲击指标会大大限制产品的性能。例如，有些加速度计设计在过载超过一定程度时会出现被称作“粘死”的现象，加速度计在受到很大冲击时将出现饱和，即使大过载消除后仍然保持饱和输出。为了使其摆脱这种状态，可能需要将电源极性颠倒过来。MEMSIC公司的加速度计以热敏感原理来检测加速度，因此没有其它加速度计在大负载情况下出现的问题，如粘死，这是因为它们根本就没有敏感质量的缘故。

让GPS更可靠

不管是在偏僻的小路上游览还是简单的为汽车导航，手持式全球定位系统(GPS)都是一件安全、方便且理想的随身装备。

利用GPS接收机支持的人员和车辆定位系统可以确定位置，而且提供路线方面的引导。采用GPS系统时，信号接收并非始终是100％可靠的，但是若有基于MEMS技术的加速度计，就可以由能推算出行驶(走)距离的导航解算方法来弥补信号方面的损失。此外，在修正这些系统所用的3轴电子罗盘的磁偏角方面，加速度计也非常有用。加速度计可以跟踪偏离重力方向零位基准的角位移信息，获得这些信息后，就可以修正磁偏角，这样即使装置不处于水平状态，仍可以得出精确的方向读数。

手持式GPS制造商要解决的问题之一是如何在恶劣的天气条件下保证装置的性能。这些系统在极端温度条件下都必须可靠而且能够耐受强烈的冲击。目前的加速度计在很多情况下尚不能承受恶劣环境下所存在的强冲击影响。MEMSIC公司所设计的新产品则实现了高抗冲击性能——5万g，因此其几乎不可能失效。而大多数MEMS加速度计的冲击过载耐受范围是500g~2000g，常常会失效，因为器件无法在更加恶劣的环境中保持完好无损。

为游戏应用提供更佳的控制能力

在改善电子游戏的体验方面，MEMS加速度计还能提供运动和倾斜检测。这些游戏可以在多种平台上运行——包括Microsoft Xbox、Sony的Playstation、Nintendo GameCube等游戏机和Nintendo GameBoy、Palm或Pocket PC PDA等手持式装置，以及其它膝上型和桌上型电脑，改善控制盘和操纵杆的倾斜及运动敏感功能。

该功能让用户沉浸在游戏之中，体验其中的乐趣。特别是玩飞行模拟类游戏时，用户需要让游戏控制盘或者操纵杆倾斜来使飞机转弯——无论是操控螺旋桨式飞机还是喷气式战斗机，大多数用户在完成大斜度转弯时都会出现整个身体都倾斜的现象，这让他们产生更为身临其境的感觉。

像Nintendo公司的Gameboy等手持式装置，都提供了一种靠倾斜、摇摆来控制的游戏“Kirby倾斜和翻转”。在游戏中，球形主人公Kirby要根据不断滚摆的浮空平台倾斜情况来滚转，摇动Gameboy可以帮助Kirby跳到下一个浮空平台。在采用MotionSense公司软、硬件的掌上型或便携式PC PDA装置中，也可以添加与此类似的迷宫游戏。

体育比赛类游戏也可以利用MEMS加速度计带来的好处。装备了MEMS加速度计及陀螺的棒球棍或者高尔夫球棍可以提供全部旋转信息，用来精确的复现出击球的动作。

随着MEMS价值得到证明，越来越多的消费类电子产品制造商采用这项技术。蜂窝式器件的制造商也已经象游戏业一样意识到了它的重要性，特别是开发无线产品的厂商。随着手持式市场继续获得爆炸性增长，低成本将成为其成功的推动因素，而该增长可以通过MEMS技术的利用来获得。

MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电

系统。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。

MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面： 1．理论基础：

在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。 2．技术基础：

MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：（1）设计与仿真技术；（2）材料与加工技术（3）封装与装配技术；（4）测量与测试技术；（5）集成与系统技术等。 3．应用研究：

人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。

mems技术与生物医学:

mems技术已经在生物医学领域里得到应用，某些公司已经有商品化的产品。 从远古时代巫师们的巫术到现代生物领域的量子技术，人类无时无刻不在想方设法寻求延长生命，提高生活的质量。

尽管大部分长寿科学研究属于生命科学的范畴，但其它做出的贡献技术领域也取得了可喜的发展，如微机电系统(MEMS)，就算是最富想象力的医生、科学家或技术人员，几年前做梦也不曾想到会有这样一种技术。

MEMS是一种制造方法，基本上是采用微电子材料与工艺制作出将传感器、驱动器与微电子集成于一体的机械部件。

即使仍处于初级研究阶段，生物医学MEMS技术也还是得到了巨大发展。 例如肥胖症和世界人口老龄化上升导致心血管疾病和糖尿病增加，而利用

MEMS技术可制作出新型外科移植器件，能够从人体内部监控一个人的健康状况。CardioMEMS公司采用MEMS技术制成心血管微传感器可测量动脉的压力，该传感器就像汽车里的EZPass设备(一种在高速公路入口无需停车即可完成付费的自动感应装置)一样工作，本身不带电源，读取信息时在外面用一个感应棒启动传感器即可得到此人动脉的所有相关数据。

利用MEMS还能制作出智能型外科器械，减少手术风险和时间，缩短病人康复时间，降低治疗的费用。Verimetra公司正在利用MEMS把现有手术器械转变成智能型手术器械，可用于多种场合，包括小手术、肿瘤、神经、牙科和胎儿心脏手术等。

药物注入是生物医学MEMS另一个可能有巨幅增长潜力的领域，MicroChipd公司正在开发的一种药物注入系统利用了硅片或聚合物微芯片，其上带有成千上万个微型贮液囊，里面充满药物、试剂及其它药品。这些微芯片能够向人体注入药物，使止痛剂、荷尔蒙以及类固醇之类的注入方式发生革命性的变化。类似这样的生物医学新进展还将催生出新型器械，如便携式掌上型透析机等。

将来人们可以在身上配备测量人体功能的MEMS传感器和驱动器，保证个人处于最佳健康状态，帮助保持积极生活方式，并提供自动的预防保健。 虽然大家都清楚这些成就会使我们治病和生活方式发生翻天覆地的变化，但在生物医学领域运用MEMS技术也可能为社会带来伦理和商业方面一些困扰。我们要怎样安放这些报告我们活动和生活方式以监控身体状况的传感器呢？MEMS产品对富人和穷人都一样能用得起吗？随着移植手术越来越普及和可能，而且占到我们身体很大一部分比重，这对人类又将意味着什么呢？

对于生物医学应用来讲，MEMS是一种丰富多样、充满生机的技术。MEMS用于生物医学领域所面临的挑战不仅是要开发出合适的技术，而且还要成为主要的角色。

pictures [http://www.nedi.cn/Info/index.asp?id=2] [http://www.mems-exchange.org/]

[http://www.allaboutmems.com/imagearchive.html]

MEMS惯性传感器的现状及发展趋势

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。

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

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。(end)

【9】

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gika.html