MEMS惯性传感器现状与发展趋势

0 引言

MEMS(Micro-electromechanical Systems)，简称“微机电系统”，一般被认为是由微型机械传感器、执行机构和微电子电路组成的微型系统。由于微电子技术是一项发达的技术，MEMS的研究和开发主要集中在微型机械传感器和执行器的研究和开发[1]。MEMS器件和微加工技术具有三个特点，即小型化(Miniaturization)、微电子集成(Microelectronics integration)及高精度的批量制造(Mass fabrication with precision)，简称为3M[2]。随着人类社会的消费升级，MEMS技术迎来的爆发式增长，各种类型的MEMS传感器也被广泛地应用于航空航天、石油化工、船舶汽车、生活家居以及医疗健康等领域。

惯性传感器是对物理运动做出反应的器件，如线性位移或角度旋转，并将这种反应转换成电信号，通过电子电路进行放大和处理。加速度计和陀螺仪是最常见的MEMS惯性传感器[3]。加速度计是敏感轴向加速度并转换成可用输出信号的传感器；陀螺仪是能够敏感运动体相对于惯性空间的运动角速度的传感器。三个MEMS加速度计和三个MEMS陀螺仪组合形成可以敏感载体3个方向的线加速度和3个方向的加速度的微惯性测量组合(Micro Inertial Messurement Unit，MIMU)[4]，惯性微系统利用三维异构集成技术，将MEMS加速度计、陀螺仪、压力传感器、磁传感器和信号处理电路等功能零件集成在硅芯片内，并内置算法，实现芯片级制导、导航、定位等功能。

MEMS惯性传感器的研究成果对于物体的制导、导航，各类型交通工具的自动驾驶以及各种智能穿戴设备的应用具有重要意义，本文针对MEMS惯性传感器进行了研究现状的综述和发展趋势的分析，旨在为MEMS惯性传感器的未来发展提供参考。

1 MEMS加速度计

MEMS加速度计是MEMS领域最早开始研究的传感器之一。经过多年的发展，MEMS加速度计的设计和加工技术已经日趋成熟。根据敏感机理不同，MEMS加速度计可以分为压阻式、热流式、谐振式和电容式等。压阻式MEMS加速度计[5]容易受到压阻材料影响，温度效应严重、灵敏度低，横向灵敏度大，精度不高。热流式加速度计[6]受传热介质本身的特性限制，器件频率响应慢、线性度差、容易受外界温度影响。因此，热流式和压阻式加速度计主要用于对精度要求不高的民用领域或军事领域中的高g值测量。谐振式微加速度计[7]理论上可以达到导航级的精度，但目前技术状态还达不到实用化。而电容式硅微加速度计[8]由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强，是目前技术最为成熟、应用最为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高，电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。

国外众多研究机构和惯性器件厂商都开展了MEMS加速度计技术研究，如美国的Draper实验室、Michigan大学、加州大学berkley分校、瑞士Neuchatel大学、美国Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI，Silicon Designs，Silicon Sensing，Endevco公司、瑞士的Colibrys公司、英国的BAE公司等。其中，以Draper实验室为代表的研究机构和大学的主要工作在于提升MEMS加速度计的技术指标。能够提供实用化MEMS加速度计产品的主要厂家有ADI，Silicon Designs，Silicon Sensing，Endevco和瑞士的Colibrys公司。

目前，硅微加速度计的主要发展趋势是高精度、集成化和小型化，大部分采用集成化封装，并在此基础上不断朝着高精度、数字化和高可靠性的方向发展。这主要得益于MEMS加工工艺的快速发展和数字ASIC电路检测能力的不断提升。MEMS敏感结构采用硅硅键合，敏感结构厚度不断增加，ASIC采用数字化电路，不仅检测能力提高，还可以在后续环路中增加各种补偿环节，有利于提高MEMS加速度计的性能。

在惯性测量应用中，通常需要测量空间三个方向的加速度信号。为了保证MEMS加速度计的精度，大多采用三个单轴MEMS加速度计立体组装的形式来实现三个方向的加速度信号测量。随着测量设备进一步朝着微型化方向发展，对三轴MEMS加速度计的集成度提出了更高的需求，采用三个单轴MEMS加速度计测量三个方向加速度信号的方案已经不能满足设备小型化的要求。目前已经有众多公司开展了三轴单片集成MEMS加速度计的研究，但主要集中在低精度领域，研制的三轴MEMS加速度计产品主要用于振动、冲击测量、手机、游戏等工业和消费领域，不能满足高端装备在精度方面的要求。

将三个单轴高精度加速度计组装实现三个方向的加速度信号测量，该方案的优点是三个方向精度高，对单轴加速度计的敏感方向没有要求，并且三个方向的敏感结构可以采用完全相同的工艺加工，因此一致性好、对微机电敏感结构的加工工艺要求不高，可以采用任何一种工艺路线；缺点是体积和功耗大，对组装精度要求高，否则会导致各轴之间的交叉耦合系数很大，影响三轴加速度计的整体精度。典型产品包括Crossbow公司的TG和GP系列、Siliocon Design公司的2470和2476系列等，如图1、图2所示。Crossbow公司的TG系列和GP系列三轴MEMS加速度传感器产品量程从±2 g到±10 g，噪声20交叉耦合1%。

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