微惯性传感器

微惯性传感器

微惯性传感器（Micro inertia sensor）包括微加速度计(Microaccelerometer)和微陀螺仪(Microgyroscope)，它们是微机电系统（MEMS）的一类。微加速度计的功能是测量载体的加速度，微陀螺仪的功能是测量载体的角速度。

MEMS简介

Mems英文micro electro mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。MEMS 是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology)基础上的21世纪前沿技术，使之对微米/纳米材料进行设计、加工、制造和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等学科。

MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。MEMS的特点是：

1）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。

2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将

逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。

微加速度计原理和结构 微加速度计最典型的原理是：以一个质量块作为敏感部件，当载体有某一方向的加速度时，质量快向一个方向偏移，然后通过电极测量这个位移量（或产生偏移的惯性力）换算为加速度,如下图所示。

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F 2222==++====外系统动态特性如下：

F Kx dt dx D dt x d m dt

dx v dt dv dt x d a 按位移量（或产生偏移的惯性力）的测量方法分类有：

1. 压阻式加速度计：通过在质量块的支撑（suspension ）上嵌有压敏电阻来感应质量块偏移对支撑产生的应力进而获得加速度的信息。压阻式的主要问题是灵敏度较低，而且温度

稳定性不好，一般需要大的质量快和温度补偿。

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δεε面悬臂梁，

对一端固定的矩形等截：

系数力敏电阻的压力灵敏度：

悬臂梁应变系数 2. 电容式：质量快的位移导致其本和另一极板之间的电容发生变化，或者是质量快上有梳状电极，位移导致感应电极之间的电容量变化。通过测量电容量的变化获得质量快位移的变化进而知道加速度。电容式的优点是灵敏度高，噪声小，温度稳定性好，缺点是易受电磁干扰，需要特别封装。

梳状电极电容式微加速度计

立体硅工艺电容式微加速度传感器结构

3. 隧道电流式：通过在活动部件上添加一个隧穿针尖和另一个电极之间通有隧穿电流。当载体具有加速度时，活动部件的位移会导致隧道电流的剧烈变化（典型的是位移变化一个埃——10^-10米，隧道电流变化一倍），通过测量隧道电流可以获得很高的加速度的感应灵敏度，而且由于质量快可以做的很小，因此器件的体积很小，缺点是低频噪声很大，供电电压较高（上百伏）。

4. 谐振式：通过质量块受到的惯性力来改变另一根梁的轴向应力进而改变梁的共振频率。通过共振频率的测量就可以获得加速度的信息。

5. 热传感式：质量块的位移改变质量块和散热之间的间距进而改变质量快的温度，通过测量温度的变化来感知加速度。

MEMS 陀螺仪（gyroscope）的工作原理

传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是MEMS 陀螺仪（gyroscope）的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。MEMS 陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。下面是导出科里奥利力的方法。有力学知识的读者应该不难理解。在空间设立动态坐标系。用以下

方程计算加速度可以得到三项，分别来自径向加速、科里奥利加速度和向心加速度。

如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS 陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90 度。MEMS 陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点象加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的

电容变化（就象加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化

可以计算出角速度。

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。下图为经典的音叉式陀螺仪模型：

音叉式陀螺仪

为了隔离激励振动和感应振动，陀螺仪往往需要Gimbal来实现，这使得陀螺仪的加工变得较为复杂。而且由于陀螺仪的敏感元件是在运动的（微加速度计除了谐振式以外敏感元件是静止的），所以对振动的元件的品质因子就有要求。从原理上在激励一定的情况下，如果激励频率和感应方向的共振频率一致的话，则陀螺仪对角速度的感应灵敏度与感应方向振动的品质因子Q成正比。然而振动元件的品质因子往往是随着环境气压的升高而降低，所以陀螺仪最好在真空环境下工作，但是这对封装技术又提出了挑战。事实上现有的封装技术很难保持很好的真空度。1991年Charles Stark Draper Laboratory 首次实现了可批量制备的硅基的微陀螺仪，如下图：

框架式微机械陀螺

还有一类新型的微陀螺仪是环形陀螺仪，它也是基于振动元件受Coriolis力作用导致振动模式的变化来感应载体角速度。

环形微陀螺仪

国内外MEMS惯性传感器的现状及发展趋势

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。

微惯性传感器图片

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。其中，对运动物体运动轨迹的跟踪和控制，是各种导航系统的重要内容。利用陀螺仪可以测量运动物体的姿态或转动的角速度，利用加速度计可以测量加速度的变化。陀螺仪可以保持对加速度对准的方向进行跟踪，从而在惯性坐标系中分辨指示的加速度。对加速度进行两次积分就可测出物体位置。微加速度计和微陀螺组合起来就构成了微惯性测量组合单元，以获得最小尺寸和重量及最可靠性能，并且可以使外界干扰信号降到最小程度。

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。

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，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。

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。

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。

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。其中加速度计的市场份额在2006年为4亿美元，陀螺仪为3亿五千万美元左右。加速度计在汽车领域的市场每年以6%的速度增加，陀螺仪以10%的速度增加。

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。

参考文献

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[2] 孟光，张文明.微机电系统动力学. 科学出版社，2008

[3] 刘光玉.微传感器设计、制造与应用. 北京航空航天大学出版社，2008

[4] 许江宁，朱涛，卞鸿巍.惯性传感技术发展与展望. 海军工程大学学报，2007（19）

[5] 郭秋芬,孙枫等.MEMS音叉式振动陀螺仪的动态特性研究.仪器仪表学报，2006（7）

[6] 何华.国内外MEMS惯性传感器的现状及发展趋势，2010

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