MEMS惯性器件
浅谈MEMS惯性传感器
浅谈MEMS惯性传感器
据麦姆斯咨询报道，高精度惯性传感器主要用于工业、国防和航空航天领域的倾角、加速度和振动测量。惯性传感器作为MEMS器件，以单晶硅传感器元件为基础，采用最新的微机械加工技术制造。各种惯性传感器产品采用的微机械加工工艺可能有所不同，但都各有特点。由First Sensor公司开发的用于MEMS产品的微机械加工工艺，推出的创新产品系列包括加速度计等惯性传感器，并结合了以前版本的优点。这将有利于提高MEMS产品性能，高度改善性价比，用于更多的新应用，如地质工程、状态监测、导航和机器人等。高精度MEMS加速度计可以做什幺？微型MEMS加速度计可以测量物体在空间三个维度的加速度。
MEMS惯性传感器是经证明为非常坚固、可靠、快速且温度稳定的先进产品，还能够检测位置和加速度的最小变化。
上图中的倾角计可以达到的极高分辨率，甚至可以检测直径为100μm的单根头发通过10米长木板引起的偏转，相当于仅0.0005°（2弧秒或10μm/ m）的偏转。数字化未来物联网的关键技术包括MEMS传感器。持续的数字化推动MEMS加速度计和倾角计也加入其中。例如，未来惯性传感器将可以实现智能编程，并将配备微控制器、微型电池或微型无线射频芯片，以便在线发送测量数据。
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理
MEMS（微机电系统）是一类集成在微米到毫米级别的机械系统和电气
系统的微型器件，它们的作用是将电气信号转换成机械运动或将机械运动
转换成电气信号。这些微型器件通过在芯片上制造微小结构和微制造工艺，实现了微小化、低功耗、高灵敏度和多功能。下面将介绍MEMS的应用及
其中的器件原理。
MEMS的应用非常广泛，可以应用于汽车、医疗、航空航天、电子通信、消费电子等多个领域。其中，一些最常见的MEMS应用包括：
1.惯性感应器：MEMS加速度计和陀螺仪广泛应用于智能手机，队列
追踪和姿态控制等。通过利用惯性原理，它们可以检测设备的移动并提供
相应的反馈，从而实现位置和方向的确定。
2.微波电子学：MEMS开关器，可变容器和可调谐滤波器等器件用于
微波频段中，这些器件可以实现快速、准确的频率调谐，并且具有高的功
率处理能力。
3.生物传感器：MEMS生物传感器可用于检测血糖、血压、呼吸和心
率等，这些传感器通过检测体内细胞水平的变化，可以提供全新的医疗诊
断工具。
其中，MEMS传感器是应用最广泛的一类器件。下面将以MEMS传感器
为例，介绍其原理。
MEMS传感器的原理是将待测值或物理现象转化为信号，在微机电系
统中进行处理。大多数MEMS传感器都是由感应结构和信号转换电路组成的。其中感应结构通常采用压电、电容、电阻、温度、振动等技术，来实
现感应现象和物理现象的转换。而信号转换电路则用于转换、放大、滤波
和数字化信号，从而使数据可以与其他设备通信。
以压电传感器为例，它主要由压电陶瓷、负载杆、方向夹具和输出电
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理
MEMS（微机电系统）是一种将微型机械结构与电子技术相结合的技术，它可以将传感器、执行器和其他微型器件集成在一起，以实现各种应用。
下面将以几个常见的MEMS应用为例，详细介绍其原理。
1.加速度计
加速度计是一种测量物体加速度的传感器，广泛应用于智能手机、游
戏手柄、汽车安全气囊等设备中。MEMS加速度计通常由一个微型质量块
和一对微型弹簧组成。当被测试物体加速度改变时，质量块会移动，并产
生微小的尺寸变化。这种变化可以通过电容或压阻传感器来检测，从而得
到加速度的值。
2.陀螺仪
陀螺仪是用于测量物体角速度的传感器，常见于飞行器、导航设备等
应用中。MEMS陀螺仪通常由两个共面的振动器组成。当物体发生旋转时，由于科里奥利力的作用，振动器之间会产生微小的力。这种力会导致振动
器的位移，通过检测振动器的位移变化，可以得到物体的角速度。
3.压力传感器
压力传感器用于测量气体或液体的压力，广泛应用于医疗设备、工业
自动化等领域。MEMS压力传感器通常由一个微型薄膜和一个微型腔室组成。当受到外部压力时，微型薄膜会发生微小的弯曲变形。通过检测薄膜
的变形，可以得到压力的值。
4.振动传感器
振动传感器用于测量物体的振动或震动，常见于汽车、建筑结构监测等领域。MEMS振动传感器通常由一个微型质量块和一个微型弹簧组成，类似于加速度计的结构。当物体振动时，质量块会受到振动力的作用，从而产生微小的尺寸变化。这种变化可以通过电容或压阻传感器来检测，从而得到振动的值。
总结起来，MEMS器件的原理都是基于微小的物理变化或力的作用。通过将微型机械结构和电子技术相结合，可以实现对这种变化或力的检测和测量，从而得到各种物理量的值。这种集成化的设计使得MEMS器件具有体积小、功耗低、响应速度快、成本低等优点，因此在越来越多的应用中得到了广泛的应用。
一种MEMS惯性器件及其无应力电装方法[发明专利]
![一种MEMS惯性器件及其无应力电装方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/603abff0964bcf84b8d57b5a.png)
专利名称：一种MEMS惯性器件及其无应力电装方法专利类型：发明专利
发明人：庄海涵,宋汪洋,徐杰,朱政强
申请号：CN201811196958.7
申请日：20181015
公开号：CN109387225A
公开日：
20190226
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种MEMS惯性器件及其无应力电装方法，其中电装方法将封装有MEMS表头敏感结构的陶瓷管壳通过硅橡胶粘在印制电路板上，实现陶瓷管壳的固定，通过金丝引线键合将陶瓷管壳和印制电路板上对应的引脚进行电气连接，并在金丝周围用灌封胶进行固定和保护。本发明取代原有的焊接方法，实现了MEMS表头与印制电路板的应力隔离，有效的降低了由于印制电路板的形变对MEMS表头的应力影响，同时具有可靠性高、成本低等优点。
申请人：北京航天控制仪器研究所
地址：100854 北京市海淀区北京142信箱403分箱
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：庞静
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基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状
基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状
一、本文概述
随着微纳技术的快速发展，微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）以其体积小、重量轻、功耗低等优点，在航空航天、无人驾驶、机器人导航、个人定位等众多领域展现出广阔的应用前景。其中，基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术的微型惯性导航系统因其实用性和成本效益，成为了当前研究的热点。
本文旨在全面概述基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状，包括其基本原理、关键技术、应用领域以及面临的挑战。我们将简要介绍惯性导航系统的基本原理和MEMS技术的基本概念。然后，重点分析当前MEMS微型惯性导航系统的关键技术，如微型化设计、误差补偿与校准、数据处理算法等。接着，探讨该技术在航空航天、无人驾驶、个人定位等领域的应用现状。我们将讨论当前微型惯性导航系统面临的挑战，如误差累积、环境适应性等问题，并展望未来的发展趋势。
通过本文的阐述，希望能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考，推动基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展和应用。
二、MEMS技术在微型惯性导航系统中的应用
微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）结合了微型机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术与惯性导航原理，实现了导航系统的微型化、低功耗和高度集成化。随着MEMS技术的快速发展，MINS在军事、航空、航天、无人驾驶以及消费电子等领域的应用越来越广泛。
MEMS器件介绍
MEMS分类
• Optical MEMS • Bio-MEMS • Sensors Actuators • Nano-Tools • Micro-Fluidics
微型传感器
研究生系列课程-半导体微纳加工技术
加速度传感器
Accelerometer
Tri-axis microstage Thin-film z-axis accelerometer DRIE z-axis accelerometer
微型执行器
研究生系列课程-半导体微纳加工技术
微型电磁马达
研究生系列课程-半导体微纳加工技术
Electrostatic Motors
研究生系列课程-半导体微纳加工技术
Hydraulic actuators
研究生系列课程-半导体微纳加工技术
微镊子
微型光学元件
微型光学元件
Springs
Anchor
Self-test actuators Proof mass
Sense fingers
proof mass
y
x z
Curl matching frame
微陀螺仪
J. Micromech. Microeng. 18 (2008) 115014 N-C Tsai and C-Y Sue
182008115014nctsaicysue研究生系列课程半导体微纳加工技术研究生系列课程半导体微纳加工技术研究生系列课程半导体微纳加工技术研究生系列课程半导体微纳加工技术微型电磁马达研究生系列课程半导体微纳加工技术研究生系列课程半导体微纳加工技术electrostaticmotors研究生系列课程半导体微纳加工技术研究生系列课程半导体微纳加工技术hydraulicactuators
MEMS惯性传感器优势解析
装 芯 片 ，意 法 半 导 体 率 先 将 这 项 封 装 技 术 用 于 最 后 的 器 件 封 装 。 在 这 个 过 程 中 ， 可 以把 单 个 的 传 感 器 裸 片 放 在 半 导 体 裸 片 的 旁 边 （ 列 结 并 构 ） 或 把 传 感 器 裸 片 和 半 导 体 裸 片 相 互 堆 叠 放
７２ 岛巫圆
圃 基础电子 Ｉ ０ ０１ ２ １ ．２
法 是意 法半导体 惯性传 感器 的主要特色 之一 。
图４在采用注塑封装方法前利用丝焊方法把半导体芯片与下面的பைடு நூலகம் ＭＥ 传感器裸片连接在一起的堆叠结构 的Ｓ Ｍ图像 ＭＳ Ｅ
如 前 文 所 述 ，Ｍ ＥＭ Ｓ 件 的 封 装 很 可 能 是 产 品 器 工 艺 中最 昂 贵 的 环 节 。 意 法 半 导 体 的 封 装 方 法 是 使 用 一 个 玻 璃 粉 低 温 晶 圆 级 键 合 工 艺 ，把 惯
用 作 ＴＨＥＬＭ Ａ工 艺 中 的 牺 牲 层 。 然 后 ， 在
后 ，再 用注 塑封装技 术封装 裸片 。这种封装 方
法 可 以 在 大 面 积 的 基 片 完 成 ，因 此 成 本 相 对 较
ＰＥＣＶＤ沉 积 氧 化 物 层 上 做 版 图 和 蚀 刻 ，用
高性能MEMS惯性器件工程化关键技术研究共3篇
高性能MEMS惯性器件工程化关键技
术研究共3篇
高性能MEMS惯性器件工程化关键技术研究1
随着计算机技术的快速发展，MEMS（微电子机械系统）技术也得到了快速发展。MEMS惯性器件是在MEMS技术的基础上开发出来的一种新型化学和物理传感器。MEMS惯性器件具有高灵敏度、高准确性和快速响应等优点，因此在导航、汽车、医疗和航空等领域得到了广泛应用。高性能MEMS惯性器件工程化关键技术研究包括以下方面：
一、微加工技术
纳米级零部件的制造需要高精度的微加工技术，其制造过程必须精细到纳米级别。 MEMS惯性器件的微加工技术工程化关键在于要保证最终器件的形状和尺寸精度、形状等表面形貌的均匀性和质量一致性，以及在制造过程中减少器件的污染和缺陷。
二、封装技术
MEMS惯性器件通常需要进行封装以防止外界干扰和保护器件本身。工程化关键技术是在保证器件性能的前提下使封装尽可能小，这需要选择合适的封装材料和工艺条件，并采用封装成本低、强度高、密闭性好的材料。
三、控制电路设计
MEMS惯性器件需要根据不同的应用设计不同的控制电路。控制电路通常由信号处理器、传感器读取电路、控制单元、信号转换器等部分组成。要使设备具有高性能，需要设计合理、功耗低、抗干扰性强、性
价比高的控制电路。
四、传感器技术
MEMS惯性器件中的传感器是探测物理量和信号的关键部分。传感器的设计必须考虑不同应用场景、测量范围、精度要求、灵敏度等因素。
此外，传感器的灵敏度和信噪比也是影响器件性能的两个关键指标。
五、标定和校准技术
MEMS惯性器件的精度、准确度和稳定性需要通过标定和校准来保证。
低成本MEMS惯性导航系统设计与实现
低成本MEMS惯性导航系统设计与实现
MEMS惯性导航系统是一种集成了惯性测量单元（IMU）和计
算单元的系统，它广泛应用于航空航天、车辆导航等领域。本文
将重点介绍如何设计和实现一种低成本的MEMS惯性导航系统。
I. 概述
MEMS惯性导航系统由三个加速度计和三个陀螺仪组成，用于
测量系统在三个方向上的加速度和角速度，然后通过计算来推导
出系统的位置和运动方向。这些传感器基于微机电系统（MEMS）技术制造，可以实现高度集成和高精度测量。
II. 硬件设计
1. 选取传感器
对于低成本MEMS惯性导航系统，我们可以采用一些较为常
见的MEMS加速度计和陀螺仪。例如，常见的加速度计有
MMA8452Q、ADXL345等，而陀螺仪则有L3G4200D、MPU6050等。需要注意的是，在选择传感器时应考虑性能、精度、价格等
多个因素进行综合评估。
2. 硬件连接
将选好的传感器与控制器（如Arduino）交互连接。连接时需
要注意传感器的信号输入和输出的电压、电流以及硬件通信协议
等规格参数，以保证正常工作。
3. 调试
在完成硬件连接后，需要对系统进行逐项调试。比如，测试传
感器是否能够正常采集数据，校准传感器的误差等。因为MEMS
传感器受到环境噪音、工作温度等因素影响较大，所以需要对传
感器进行校准以提高系统精度。
III. 软件设计
1. 数据采集
使用C或C++等编程语言，利用控制器采集加速度计和陀螺仪
的输出数据，可以利用控制器的定时器等硬件资源保证数据采样
的精度和时序性。
2. 运动检测
根据采集的数据，可以进行运动检测。针对不同的运动类型
MEMS惯性传感器
MEMS惯性传感器
什么是惯性传感器?
严格意义上说，惯性传感器是一种利用惯性进行测量的器件。在实际应用中，当人们说到"惯性传感器"时，通常指的是加速度计或陀螺仪。
什么是加速度计和陀螺仪?它们有何区别?
加速度计是一种能够测量加速度或平移运动的传感器，陀螺仪是一种角速度传感器--它测量角旋转速度。虽然确实存在角加速度计(用于测量角旋转变化速率的器件)，但它们很少使用。一般来说，加速度计被认为是一种测量线性加速度的器件。
加速度计可用在何处?
加速度计可有很多应用，这里介绍其中一些例子:
加速度计可以用来测量振动。通常即将出现故障的机器，如电机轴承，会有一种特征化的振动模式。当电机轴承工作正常时，其运转是平稳和安静的。随着时间的推移，它的表面会越来越粗糙，声音也会越来越大，最终将因磨损过度而损坏。加速度计可以通过测量机器不断变化的振动特征来检测潜在的故障。
冲击可以被认为是一种非周期性的振动，因此加速度计也可以用来测量冲击。举例来说，加速度计可以用来测量集装箱是否遭受过野蛮装卸操作。一般的做法是，先记录装卸过程中加速度计的测量结果，然后上载这些数据，并在发货完成后对这些数据进行分析。
加速度计可以用来测量速度的变化，汽车安全气囊碰撞传感器就是一个很好的例子。这种碰撞模块需要一直在检测速度发生巨大、突然的下降情况(速度的突然下降是碰撞的唯一可靠指示信号。而地面坑洞可能会产生很大冲击，但不应触发气囊)。
许多加速度计(包括ADI公司生产的所有产品)可以测量静态加速度，如重力。重力向量总是指向地球中心。通过测量加速度计各个轴向的重力作用，就可以判断加速度计相对于地球的倾斜度。
MEMS惯性传感器简介演示
在自动驾驶汽车中，MEMS惯性传感器可 与其他传感器融合，实现车辆定位、导航 和姿态控制等功能。
无人机
VR/AR
在无人机中，MEMS惯性传感器可检测飞 行器的加速度、角速度和姿态角，实现稳 定飞行和航拍等功能。
在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）设备 中，MEMS惯性传感器可追踪用户头部运 动，实现沉浸式体验。
市场竞争与合作机会
国际竞争
随着全球电子产业的发展，MEMS惯性传感器市场面临着激烈的国 际竞争，需要不断提高产品性能，降低成本，以赢得市场份额。
产业链合作
与上下游企业建立紧密的合作关系，共同推动MEMS惯性传感器技 术的发展和应用。
创新与合作机会
通过参与国际交流与合作项目，引进先进技术和管理经验，提升我 国MEMS惯性传感器产业的整体竞争力。
MEMS惯性传感 器简介演示
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目录
• MEMS惯性传感器概述 • MEMS惯性传感器的工作原理 • MEMS惯性传感器的技术特点 • MEMS惯性传感器的应用领域 • MEMS惯性传感器的发展趋势 • MEMS惯性传感器的挑战与前景
01
MEMS惯性传感器概述
MEMS技术简介
微机电系统技术
新型材料在MEMS传感器中的应用
碳纳米管
碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能，可以作为MEMS传感器的敏感材料，提高传 感器的灵敏度、响应速度和稳定性。
2023年全球MEMS惯性传感器行业：MEMS加速度计、IMU市场规模增长、下游需求量大报告模板
根据市场研究机构的数据显示，近年来IMU市场规模增长迅速，年复合增长率超过20%。其中，智能家居和智能 穿戴领域是IMU应用的主要市场之一，随着人们对智能家居和智能穿戴产品的需求不断增加，IMU在这些领域的 应用也得到了快速发展。
3.IMU应用广泛，市场规模将持续增长
下游需求量大
1.IMU市场规模增长迅速，
随着科技的快速发展，IMU（惯性测量单元）在各个领域的应用越来越广泛，市场规模也在持续增长。IMU 是一种用于测量物体加速度、角速度等信息的设备，广泛应用于智能家居、智能穿戴、智能车辆等领域。
2.下游需求驱动IMU市场规模增长
下游需求量大是IMU市场规模增长的重要因素之一。下游需求指的是IMU的应用领域，包括智能家居、智能 穿戴、智能车辆等。随着这些领域的快速发展，对IMU的需求量也在不断增长。例如，智能家居中的智能门 锁、智能照明等产品都需要IMU来测量物体的运动状态，从而实现智能化控制。
其次，IMU在汽车领域的应用也在不断扩大。车辆动力学系统、自动驾驶、盲区监测等都需要IMU来实现精准的控制和监测。 此外，随着电动汽车和智能汽车的普及，IMU的市场需求也在增长。
IMU在工业自动化领域的应用市场增长迅速
3.IMU市场需求推动智能设备进步
下游需求量大是IMU市场发展的重要推动力。智能设备的普及和技术的进步使得下游对IMU的需 求不断增长。例如，智能手机需要IMU来提供更好的运动和位置信息，智能家居需要IMU来实现 智能控制，运动健身需要IMU来提供运动数据等等。下游需求的增长将推动IMU市场规模的进一 步扩大。
惯性微机电系统(MEMS)传感器技术原理
惯性微机电系统（MEMS）传感器技术原理基于MEMS的系统可以显着提高髋关节和膝关节植入体与病人骨骼结构的对准精度，减轻不舒适感，从而避免进行修正手术。导航通常与汽车、卡车、飞机、轮船，当然还有人相关。但是，它也开始在医疗技术领域发挥重要作用，精密手术仪器和机器人就需要使用导航。手术导航工具的设计要求与传统的车辆导航具有广泛的共同点，但前者也提出了一些独特的挑战（例如，由于是在室内使用，无法获得GPS支持），需要更高的性能。本文将研究医疗导航应用的独特挑战，并且探讨可能的解决方案--从传感器机制到系统特性。首先将回顾传感器的一些重要性能指标，以及在传感器选型中应当考虑的潜在误差和漂移机制。本文还会重点介绍通过集成、融合和处理来增强传感器的方法，例如通过采用卡尔曼滤波。然而，在展开详细论述之前，回顾惯性微机电系统（MEMS）传感器技术的一些基本原理可能会有帮助。1 MEMS基本原理一度被认为是奇思异想的MEMS技术，现已成为我们大多数人每天都会碰到的成熟技术。它使我们的汽车更加安全，增强了手机的可用性，能够测量和优化工具及运动设备的性能，并且不断提高对住院病人和门诊病人的医疗护理水平。表1 按运动类型划分的医疗应用用于线性运动检测的MEMS器件通常是基于一个微加工的多晶硅表面结构，该结构形成于硅晶圆之上，通过多晶硅弹簧悬挂在晶圆的表面上，提供对加速度力的阻力。在加速度下，MEMS轴的偏转由一个差分电容测量，该差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成。这样，运动使差分电容失衡，导致传感器输出的幅度与加速度成正比。举一个大家熟悉的例子，当汽车由于碰撞而突然急剧减速时，安全气囊传感器中的MEMS轴会产生同样的运动，使得电容失衡，最终产生信号触发安全气囊打开。这一基本加速度计结构，根据不同的应用性能参数进行调整并增加数据处理功能后，可以精确地指示倾斜度、速度甚至位置。还有一种与此不同但技术上相关的结构是陀螺仪，它能检测旋转速率，输出形式为度/秒；加速度计则是检测重力。2 将运动检测转化为对医疗保健有用的信息通过一个功耗极低的紧凑器件来精确检测和测量运动的能力，几乎对任何涉及到运动的应用都是有价值的，甚至对那些运动要求不是很关键的应用也是有价值的。表1按运动类型列出了一些基本医疗应用。需要解决更多挑战的更高级应用将在稍后讨论。2.1 超越简单的运动检测虽然简单的运动检测，例如一个轴上的线性运动，可能很有价值，但多数应用都涉及到多个轴上的
MEMS的惯性介绍
MEMS的惯性介绍
惯性MEMS是一种新型惯性系统，它是用光刻和各向异性刻蚀等硅器件工艺在硅片上制造而成，主要包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪，KEMET,加速度计是用来测量载体的线加速度大小，通过积分可以得到速度和距离，陀螺仪是用来测量载体角速度大小，。
惯性MEMS器件体积和能耗小，成本低廉，适合大批量生产；动态范围大，可靠性好，可用于恶劣力学环境；启动时间短，适合快速响应武器。惯性MEMS器件及其系统的出现更好地扩展了惯性技术的应用领域，大大提高了武器装备的“灵巧性、智能性”，在保证作战效能的条件下，使其具有“轻质化、微型化”的特点。可广泛应用在智能炮弹的修正引信，航弹简易制导用微型惯性测量单元( Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)、远程多管火箭炮弹道修止、小口径高炮弹道修正、灵巧弹药、智能炮弹、精确制导武器、新概念武器等多个领域。
惯性MFMS器件的选用TDK电感原则足根据系统的要求，在量程、稳定性和抗过载等方面选择不同型号的传感器，下面以MFMS加速度计来说明。
MEMS加速度计按照工作方式可分为：电容式、压阻式、热对流式、隧道电流式和光电检测式等，常见的是前三种。电容式MEMS加速度计精度高，温度性能好，主要应用在战术导弹、智能弹药的制导，以及弹、箭的弹道过载测试等系统中。压阻式MEMS加速度计具有尺寸小、灵敏度高等优点。主要应用在过载测量、引信安保机构等。热对流式MEMS加速度计抗过载能力强，最大可承受50000g的冲击过载，是智能弹药弹道修正、解保险系统的最佳方案。
MEMS惯性传感器现状与发展趋势
计测技术
传感器与应用专辑 · ５１·
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。
摘 要：自上世纪 ９０年代以来，针对 ＭＥＭＳ惯性器件的研究越来越多，ＭＥＭＳ惯性传感器开始得到广泛的商 业应用。本文对部 分 ＭＥＭＳ惯 性 传 感 器 国 内 外 的 新 近 研 究 成 果 进 行 了 分 类 与 归 纳，分 别 对 ＭＥＭＳ加 速 度 计、 ＭＥＭＳ陀螺仪和微惯性测量组合以及惯性微系统进行了研究与分析。对 ＭＥＭＳ惯性传感器发展趋势进行了初步推 断，认为未来 ＭＥＭＳ惯性传感器的发展主要有四个方向：高精度，以满足日益精细化、智能化的应用需求；微型 化，以实现便携、分布式应用要求；高集成度，以完成多种功能高密度组合；适应性强，以适应复杂应用环境， 拓宽应用范围。
· ５０· 传感器与应用专辑 ｄｏｉ：１０１１８２３?ｊｉｓｓｎ１６７４－５７９５２０１９０４０６
２０１９年第 ３９卷第 ４期
ＭＥＭＳ惯性传感器现状与发展趋势
卞玉民１，胡英杰２，李博１，徐淑静１，杨拥军１
（１中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 ０５００５１； ２河北美泰电子科技有限公司，河北 石家庄 ０５０２９９）
MEMS器件典型缺陷与可靠性分析
• 57
•
近年来，MEMS技术取得了飞速发展，应用范围不断扩大，具有巨大的发展潜力，但其可靠性问题已成为制约其发展的关键因素之一。本文阐述了MEMS器件特点，对比分析了MEMS与IC在材料、结构及工艺上的差异，重点关注了典型MEMS器件工艺流程中可能引入的缺陷类型，及这些缺陷将导致的可靠性问题。对进行MEMS器件的DPA试验和失效分析工作有一定意义。
MEMS器件具有体积小、重量轻、功耗低、成本低，可大批量生产等优点，在医疗、汽车电子、机器人、消费电子、航空航天等领域得到广泛应用，尤其是在恶劣的环境条件下和精密控制领域作用更加突出。近年来，MEMS器件在新产品研制和新工艺开发上取得了较快的发展，但关于可靠性问题的研究目前较少，MEMS器件的可靠性保障缺少公认的规范和标准，因此可靠性问题成为制约其发展的关键因素之一。
为了剔除在制造、工艺、材料等方面存在的批次性缺陷的元器件，防止有明显或潜在缺陷的元器件装机使用，通常会对元器件进行DPA试验。GJB4027中对集成电路的DPA抽样、检验项目、方法等进行了详细的规定，GJB548中对其DPA相应项目的缺陷判据也有了规定。集成电路和MEMS领域的许多关键工艺是相通的，例如引线键合、芯片粘接、封盖等，但仍有部分工艺存在差异性，因此集成电路相应项目的缺陷判据并不适用MEMS器件，研究MEMS器件工艺和典型工艺缺陷成为开展MEMS器件DPA试验的基础。
1 MEMS器件工艺流程
MEMS加工技术包括表面加工工艺、体微加工工艺和LIGA 工艺。其中，体微加工工艺流程简单，成品率高，材料的内应力小，结构的机械性能优越，因此得到广泛应用。典型体微加工工艺流程如下：
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Ref. Bennett
Honeywell HG 1700
• RLG system • market -thousands
KVH RA400
• IFOG • market -thousands
LN 2000
• IFOG/MEMS accelerometer • market -thousands
Fibersense ERGM IFOG (IOEM)
Gyroscopes
1 inch
1997 1st generation
1998 2nd generation
1999 3rd generation
1 inch
Accelerometers
Figure 4. MEMS single-axis instrument progression.
Draper 实验室的MEMS
惯性技术实验室
7
MEMS的主要研究机构和供应商
国际上MEMS技术在激烈竞争中快速发展
– Draper – Honeywell – BA Systems (UK)/Sumitomo (Japan) – GM / U. Michigan – CSEM – Analog Devices – JPL – Kearfott - MVBM – Motorola – Hughes Research Lab – L-3 (formerly Sundstrand ) - mSCIRAS – Litton – Panasonic (Japan) – Endevco – Crossbow – Sandia – LITEF (Germany) – Silicon Designs – IC Sensors – VTE Hamlin (Finland) – Bosch (Germany) – HSG-IMIT, Germany (oscillating gyro) – Samsung (Korea) – Many universities in US, Asia, Europe – Others
惯性技术实验室
12
Draper 实验室的MEMS
1984年, 开始研究MEMS惯性 仪表。 1987年第一个实现了用硅微陀 螺测量角速率(1,000,000度/h)。 1994年，调音音叉陀螺达到 1D /s（未补偿）的水平。硅微陀螺 开始被用于导航与制导。 1996年 ，第一个全硅微器件的 IMU在ERGM（ Extended Range Guided Munition）项目 的中通过了火炮发射实验。 1997年达到30 D / h 和250 µ g 目前水平大概是10-20度/h和 5mg。
风修正布撒器
20
制导炸弹对惯性器件的要求
Accel
Height GPS off
(Km) (Km)
Gyro
VRW Bias G sens
(°/hr/g)
Bias
(mg)
SF
(%)
SF
(%)
ARW
(°/ hr )
(m/s/ hr ) (°/hr)
10.7 10.7
5.6
from start
4 0.8
1 0.3
穿甲弹
80,000 g
JDAM
<100g
反坦克导弹
45,000 g
ERGM
15,000 g
惯性技术实验室
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目前使用MEMS的弹药
Barrage （弹幕）Round
5” 炮弹
长度 30 英寸 直径 3.25英寸 重量 25 磅 发射时的加速度 ~ 35,000 g
Lockheed
精确制导迫击炮弹
惯性技术实验室
惯性技术实验室
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BAE的硅微振动陀螺仪 (SiVSG)
• BAE研究和制造硅微陀螺仪已有15年历史，从1999年开始， 按照3个阶段发展基于MEMS的组合导航系统 1．�商业原型样机用于验证，采用松组合，已经完成。� 2．�30-50立方英寸，采用P码，紧组合。正在进行。 3．�6-8立方英寸，能够承受火炮时发射的加速度。 •2000年在实验中达到的指标为10度/小时，2mg。 采用的硅微陀螺500-1000度/小时，加速度计100mg
Error Free Gravity Deflections Only
Time After Jamming (seconds)
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MEMS的竞争者
Systron-Donner
• Quartz • 8000 gyros per day • 40% of automobile market • DQI, C-MIGITS
Grid Coordinating Station Underground Facility SAR UAV Ground Control Station Optical Tracking UAV Ground Control Station
Grid Reference Station
Stationary or Moving Target
惯性技术实验室 9
振动轮式陀螺仪
固定 振动质量
• 研究并采用轮式结构的有： Draper, Bosch, UC Berkeley, 和 HSG-IMIT
Vibrating wheel gyro courtesy of Draper Laboratory
静电 梳状驱动
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BOSCH 的陀螺
• 硅结构电磁D’Arsonval 驱动 振动框架
• 现在正投入量产 并用于汽车工业
ຫໍສະໝຸດ Baidu
From Transducers ‘97
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JPL苜蓿叶形的硅微谐振陀螺
•正在开发，用于空间飞行器
(Tang et al, Solid State Sensor & Actuator Workshop, June 1996)
2 0.8
27 1.5
25 1
1 0.02
0.3 0.1
•INS/GPS组合导航并经过初始对准
惯性技术实验室
21
制导炮弹对惯性仪表性能的要求
Accel
Range GPS off
(Km) (Km)
Gyro
VRW Bias G sens
(°/hr/g)
Bias
(mg)
SF
(%)
SF
(%)
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基于MEMS的INS/GPS
• MEMS 惯导系统和GPS 是天生的一对 ……恰好弥补了对方的不足 • 低成本的MEMS 惯导与GPS 深组合将大大提高 GPS的抗干扰性能，同时保持低廉的价格
3 10 nmi/h 2.5 1 nmi/h 0.2 nmi/h
CEP (meters)
2 1.5 1 0.5 0 (All in View) (Vehicle Speed 207 mps) 0 20 40 60 80 100 120 140 160
微机电 技术在导航中的应用
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21世纪的商业导航
•所有车辆具有导航能力 •都能够自动稳定和自动控制 •我们能够了解每样东西、每个人所在的位置以及要去哪儿 •很多车辆是自治/无人驾驶的 •卫星导航的精度<1m，且在任何地方都可以工作 •惯导系统仍然继续漂移great pity！！！
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1
21世纪军用导航
System Concept GPS Satellite Weapon Release Authority SATCOM
SAR Illuminator
Weapon Platform Airborne Grid Reference Station
Optical Targeting UAVs Multi-Static SAR Targeting UAVs
典型的MEMS传感器
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现在MEMS技术是否达到了上述要求？
• 答案是：还没有！……但是技术上的突破迫在眉睫 – 商业领域: 已经有数百万计的订货需求 – 政府和军队: 正在积极推动MEMS技术的发展， MEMS系统的性能不断提高 –消费者: 正迫切地等着体积和价格下降 • 现在MEMS传感器的性能如何? –陀螺仪: 1°/s - 10°/hr (温度补偿后) –加速度计: 100 mg - 50 µg (温度补偿后) – MEMS INS: 10°/hr, 1 mg (温度补偿后) •现在的MEMS INS能干什么? –很多应用 -但是大多数需要外部辅助
MEMS(Microelectromechanical Systems)系统的优势
• 基于 MEMS技术、低成本的系 统将给导航技术在商业、消费 及军事上的应用带来巨大变化 • MEMS的优势: – 由于可以大批量生产而 带来的低成本 – 体积小、功耗低 – 全固态，可靠性好 MEMS将带给我们: – 在一些过去被认为导航技术难以企及 的领域实现导航与制导 – 数十亿计的巨大需求
K
K vr ，当
K K K ac = 2ω × vr
质点因此受到的哥氏力为：
梳式音叉陀螺
K K K Fc = −2m(ω × vr )
微机械陀螺的基本原理就是： 利用单晶硅或多晶硅制成振动质量，在被基座 带动旋转时产生的哥式效应测量旋转角速度。
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微机械100g加速度计
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发展简史
1990年, Systron-Donner开始最初的石 英速率陀螺的生产，用于 USAF Maverick 导 弹。 90年代中期，MEMS技术开始被用于制造 低成本、能批量生产的方位速率陀螺。这些陀 螺1997年最先用在卡迪拉克汽车上。 到2000年以前，每天有超过10000个 MEMS速率陀螺被生产出来，主要用于稳定平 台。一些高精度的仪表开始用于制导弹药。
1°/hr, 300 µg(in development)
L-3 µSCIRAS
军方的 Excalibur 项目 - INS/GPS 组合，用于灵巧炮弹 (15, 500 g)
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在汽车工业的应用
•可以而采取多个冗余传感器配置以提高安全性和可靠性 •用于控制系统，提高稳定性和舒适程度以及保持距离1 deg/s 1-50 mg •汽车导航可以得到很多其他传感器的辅助，因此不需要精度很高的陀螺 –1 deg/s 偏航角速率陀螺+ GPS, 里程计/速度计 ，方向盘角度传感器 以及地图匹配 –1 mg 的加速度计（爬坡） •非常大的市场 -每年要生产5000万辆各种车辆 –Panasonic, 日本 -每年200百万套汽车导航系统 (压电晶体式陀螺) –British Aerospace/Sumitamo -每年700万只陀螺 –Systron Donner -200万只陀螺 – 其他还有很多 • 最重要的是MEMS的低价格
•已经成功得到验证的应用领域 – 汽车 – 生物医学中的前庭平衡 – 航天飞机 – 灵巧炮弹（ INS/GPS） – ERGM - INS/GPS – F-16为 WCMD 项目进行的飞行试验 (MEMS HG 1700) – PGMM g-survivability (INS) – 反坦克导弹 (accels only)
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农业方面
•自动耕作的拖拉机
–速度 –定位精度 –姿态精度 –路径跟踪 4 mph 2 cm 0.1 degree 1 mile误差 1 英尺
• 4 天线的 DGPS, 滚动陀螺, 加速度计, 里程计 • MEMS的 INS/GPS+里程计组合
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使用MEMS的灵巧弹药
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VTE Hamlin
• 玻璃基底上的单晶硅 电容读出
– 1985年开始生产压力传感器及加速度计
Silicon Designs Inc.
• 注册于 TRW 和Ford公司 • 小量生产， 包括电路 单价75美元
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MEMS 多传感器集成
Kearfott公司的 MVBM
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MEMS 加速度计
Analog Device
•已经有成熟的生产线，产品用于汽车
– 性能指标10 到 50 mg .
•主要的安全气囊传感器供应商
–每年生产数以百万计的传感器
EG&G IC Sensors
• 生产汽车安全气囊 传感器
–产量每年超过1百万
Beam with piezoresistors
• 精确定位对取得未来 战场的控制权至关重要 • 对数据和信息的控制 是关键 • 低成本惯导系统是 "integrated battlefield" 的基础技术条件： –高抗干扰的GPS –精确制导弹药 –自主战车
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基本原理
•哥氏加速度和哥氏力
设载体上的质点相对载体的运动速度为 载体以角速度 ω 作定轴转动时，质点产生哥氏加速 度：