2009年MEMS慣性傳感器現狀及2010年趨勢
2010-02-23 14:06:03 本站原創MEMS技術最早由Richard Pfeynman(1965年獲得諾貝爾物理獎)，在1959年提出設想。1962年硅微型壓力傳感器問世。
1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速計的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計的研制。
慣性傳感器包括加速度計(或加速度傳感計)和角速度傳感器(陀螺)以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測量單元)，AHRS(包括磁傳感器的姿態參考系統)。
MEMS加速度計是利用傳感質量的慣性力測量的傳感器，一般由標準質量塊(傳感元件)和檢測電路組成。根據傳感原理不同，主要有壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式、諧振式、熱電耦合式和電磁式等。
1998年，美國CSDL設計研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor實驗室研制了另一種形式的MEMS陀螺。
MEMS陀螺是利用震動質量塊被基座(殼體)帶動旋轉時的哥氏效應來傳感角速度的原理制成。
主要形式有框架驅動式(內、外框架兩種)梳狀驅動式、電磁驅動式等。
IMU由于是MEMS技術組合的微型慣性測量單元，所以很多地方稱為MIMU。主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺及解算電路組成。
AHRS則為包括三個磁傳感器的IMU，并且依據四元素法進行了解算，直接可輸出一個運動體的俯仰角、橫滾角和航向角。
低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產品主要用在手機、游戲機、音樂播放器、無線鼠標、數碼相機、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統、GPS導航等便攜式。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費電子應用會不斷出現。
中級MEMS慣性傳感器作為工業級及汽車級產品，則主要用于汽車電子穩定系統(ESP或ESC)GPS輔助導航系統，汽車安全氣囊、車輛姿態測量、精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀表、工程機械等。
高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產品，主要要求高精度、全溫區、抗沖擊等指數。主要用于通訊衛星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統等穩定性應用;飛機/導彈飛行控制、姿態控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用、遠程飛行器船舶儀器、戰場機器人等。
用作消費電子類的MEMS慣性傳感器，主要要求是單價低、尺寸小、溫度范圍窄、因而精度要求低，甚至是功能性產品。加速度傳感器重量輕、功耗小、一般測量范圍1～10g～50g，分辨率2mg～10mg，陀螺一般量程在±300°/s，零偏在500°/h～1000°/h，因此有些公司的產品不給出零偏指標或給出0.1°/s～0.5°/s。
目前可以生產MEMS加速度傳感器的公司比較多，大多數為半導體、如美國的ADI、Invensense、ST、Freescale、 Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC(生產地在中國無錫)歐洲的VTI、Infine，生產MEMS陀螺的公司美國的ADI、 Knoix、ST，歐洲的Infine、Methes，日本的Murata、National、沖電氣、富士通。12月3日中國上海深迪半導體有限公司發布了消費類的MEMS陀螺，無錫一家公司也在研發中。
軍工級或宇航級的MEMS慣性傳感器精度要求高、工作溫度范圍寬(-45°～125°)，某些兵器產品要求抗沖擊能力強(10000g～20000g)尺寸要比光纖和機械類產品要小。加速度傳感器量程范圍寬1g～5000g，分辨率要0.1～1mg，甚至更高。陀螺量程要求范圍寬20°/s～1000° /s,頻響高，50Hz～1000Hz，零偏穩定性為1 °/h～50°/h。目前制造商有美國BEI、Crossbow、Silicon design、Honeywell、Drapor,，歐洲公司有Xsens、Sorsonor、Colibry、BAE，日本有SSS公司，中國有西安中星測控、電子26所、航天704所。
最近六、七年以來，國內對MEMS慣性傳感器的研發熱度很高，尤其是2005年～2008年，而且大多集中在國內的頂尖研究機構。據初步了解，研發加速度傳感器的機構有：哈爾濱工業大學、浙江大學、東南大學、西安交通大學、中北大學、哈爾濱電子49所、石家莊電子13所、航天704所、重慶電子26所、重慶電子24所、西安航空618所、西安航天771所、中科院上海微系統所、綿陽中國工物院。研發陀螺及組合的機構有清華大學、北京大學、西北工業大學、東南大學、南京理工大學、北京信息工程大學、長沙國防科技大學、上海交通大學、重慶電子26所、航天704所。
MEMS慣性傳感器研發、制造商一覽表
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加速度傳感器 |
陀螺、IMU、AHRS、VG |
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消費級 |
ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC、VTI、Infline。 |
ADI、Knoix、ST、Infine、Methes、Murata、National上海深迪。 |
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工業級 汽車級 |
ADI、Silicon design、Honeywell、MSI、VTI、Colibry、北陸電氣、中星測控。 |
BEI、Microstrain、Crossbow、Sensonor、SSS、Bosch、Delphi、 Honeywell、ADI。 |
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軍工級 宇航級 |
Honeywell、Silicon design、Drapor、Colibry、電子26所、航天704所、九院。 |
BEI、Drapor、Honeywell、Xsens、Sorsonor、SSS、中星測控、電子26所、航天704所。 |
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國內研發機構 |
哈爾濱工業大學、浙江大學、東南大學、西安交通大學、中北大學、哈爾濱電子49所、石家莊電子13所、航天704所、重慶電子26所、重慶電子24所、西安航空618所、西安航天771所、中科院上海微系統所、綿陽中國工物院。 |
清華大學、北京大學、西北工業大學、東南大學、南京理工大學、北京信息工程大學、長沙國防科技大學、上海交通大學、重慶電子26所、航天704所。 |
MEMS慣性傳感器的發展現狀是消費類產品向大規模生產發展、單價越來越低，量產后，僅售不足一美元，而軍用與宇航級產品向高精度發展，一個單軸陀螺售價可在3～4千美元。而工業級、汽車級產品更追求高品質和高可靠性，同時兼顧售價。
展望未來，MEMS慣性傳感器的發展趨勢主要有以下幾個方面：
技術方面：精度將不斷提高，以陀螺為例，有替代低精度光纖陀螺的趨勢。對消費類應用，更尋求進一步簡化制造工藝，降低成本的趨勢。同時，集成化也是未來發展的趨勢，不僅模塊制造商走軟件、硬件集成的路子，越來越多的上游芯片廠家也走集成塊的技術路線。因而不斷有雙軸、三軸加計、陀螺芯片問世。
競爭力方面：消費類將競爭最為慘烈，新廠家將不斷涌進，比投資、比規模將是必然趨勢。上下游相互傾軋、收購、重組將會上演。
合作方面：由于產品細分的緣故全球競爭與合作必然結果。上游廠家希望找到下游客戶，下游希望尋找合適的供應商，因而產業聯盟可能出現。
應用方面：無疑無論是消費類應用，工業級軍工級應用，市場會急驟擴大，應用會越來越廣泛。
