文章要點(diǎn)：
- MEMS傳感器的研發(fā)歷程
- MEMS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域
- MEMS傳感器供應(yīng)商
MEMS技術(shù)最早由Richard Pfeynman(1965年獲得諾貝爾物理獎)，在1959年提出設(shè)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(jì)的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計(jì)的研制。
慣性傳感器包括加速度計(jì)(或加速度傳感計(jì))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(tài)參考系統(tǒng))。MEMS加速度計(jì)是利用傳感質(zhì)量的慣性力測量的傳感器，一般由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊(傳感元件)和檢測電路組成。根據(jù)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(shè)計(jì)研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor實(shí)驗(yàn)室研制了另一種形式的MEMS陀螺。
MEMS陀螺是利用震動質(zhì)量塊被基座(殼體)帶動旋轉(zhuǎn)時的哥氏效應(yīng)來傳感角速度的原理制成。主要形式有框架驅(qū)動式(內(nèi)、外框架兩種)梳狀驅(qū)動式、電磁驅(qū)動式等。
IMU由于是MEMS技術(shù)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(jù)四元素法進(jìn)行了解算，直接可輸出一個運(yùn)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(fèi)電子類產(chǎn)品主要用在手機(jī)、游戲機(jī)、音樂播放器、無線鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、PD、硬盤保護(hù)器、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)、GPS導(dǎo)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(zhuǎn)動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會不斷出現(xiàn)。
中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產(chǎn)品，則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP或ESC)、GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等。
高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用;飛機(jī)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用、遠(yuǎn)程飛行器船舶儀器、戰(zhàn)場機(jī)器人等。
用作消費(fèi)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(chǎn)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(chǎn)品不給出零偏指標(biāo)或給出0.1°/s～0.5°/s。
目前可以生產(chǎn)MEMS加速度傳感器的公司比較多，大多數(shù)為半導(dǎo)體公司、如美國的ADI、Invensense、ST、Freescale、 Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC(生產(chǎn)地在中國無錫)、歐洲的VTI、Infine，生產(chǎn)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(dǎo)體有限公司發(fā)布了消費(fèi)類的MEMS陀螺，無錫一家公司也在研發(fā)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(chǎn)品要求抗沖擊能力強(qiáng)(10000g～20000g)尺寸要比光纖和機(jī)械類產(chǎn)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(wěn)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(nèi)對MEMS慣性傳感器的研發(fā)熱度很高，尤其是2005年～2008年，而且大多集中在國內(nèi)的頂尖研究機(jī)構(gòu)。據(jù)初步了解，研發(fā)加速度傳感器的機(jī)構(gòu)有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、中北大學(xué)、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(tǒng)所、綿陽中國工物院。研發(fā)陀螺及組合的機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)、北京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京信息工程大學(xué)、長沙國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶電子26所、航天704所。[page]
MEMS慣性傳感器研發(fā)、制造商一覽表
MEMS慣性傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀是消費(fèi)類產(chǎn)品向大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展、單價越來越低，量產(chǎn)后，僅售不足一美元，而軍用與宇航級產(chǎn)品向高精度發(fā)展，一個單軸陀螺售價可在3～4千美元。而工業(yè)級、汽車級產(chǎn)品更追求高品質(zhì)和高可靠性，同時兼顧售價。展望未來，MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：
- 技術(shù)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(fèi)類應(yīng)用，更尋求進(jìn)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(fā)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(shù)路線。因而不斷有雙軸、三軸加速計(jì)、陀螺芯片問世。
- 競爭力方面：消費(fèi)類將競爭最為慘烈，新廠家將不斷涌進(jìn)，比投資、比規(guī)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(chǎn)品細(xì)分的緣故全球競爭與合作必然結(jié)果。上游廠家希望找到下游客戶，下游希望尋找合適的供應(yīng)商，因而產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可能出現(xiàn)。
- 應(yīng)用方面：無疑無論是消費(fèi)類應(yīng)用，工業(yè)級軍工級應(yīng)用，市場會急驟擴(kuò)大，應(yīng)用會越來越廣泛。
