MEMS惯性传感器现状与发展趋势
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｉｎｅｒｔｉａ；ｓｅｎｓｏｒ；ｓｔａｔｕｓ；ｔｒｅｎｄ
０ 引言
ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）， 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 （Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａ ｔｉｏｎ）、微电子 集 成 （Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）及 高 精 度的批量制造（Ｍａｓｓｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ），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。
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 · 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。
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 （ＭｉｃｒｏＩｎｅｒｔｉａｌＭｅｓｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ， 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。
（１Ｔｈｅ１３ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｉｕｔｅ，ＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００５１，Ｃｈｉｎａ；２ＭＴＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓＣｏ，Ｌｔｄ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０２９９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅｔｈｅ１９９０ｓ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｄｅｖｉｃｅｈａｓｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｏｐｕｌａｒ，ａｎｄＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅｂｅｇｕｎ ｔｏｇｅｔａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆｂｕｓｉｎｅｓｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｏｍｅｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅｃｌａｓｓｉ ｆｉｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ＴｈｅＭＥＭＳａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓｅｎｓｏｒ，ＭＥＭＳｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ＭＩＭＵ（ＭｉｃｒｏＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）ａｎｄｉｎｅｒｔｉａｌｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ ａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｉｓｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｉｎｆｅｒｅｄａｎｄｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｕ ｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｄｅｖｉｃｅｍａｉｎｌｙｈａｓｆｏｕｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ：ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｏｍｅｅｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｐｏｒｔａｂｌｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ；ｈｉｇｈｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｏａｃｈｉｅｖｅａｍｕｌｔｉｐｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｈｉｇｈａ ｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｔｏａｄａｐｔｔｏｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｂｒｏａｄｅｎｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
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）
关键词：ＭＥＭＳ；惯性；传感器；现状；趋势 中图分类号：ＴＢ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－５７９５（２０１９）０４－００５０－０７
ＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｏｆＭＥＭＳＩｎｅｒｔｉａｌＳｅｎｓｏｒ ＢＩＡＮＹｕｍｉｎ１，ＨＵＹｉｎｇｊｉｅ２，ＬＩＢｏ１，ＸＵＳｈｕｊｉｎｇ１，ＹＡＮＧＹｏｎｇｊｕｎ１
０ 引言
ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）， 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 （Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａ ｔｉｏｎ）、微电子 集 成 （Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）及 高 精 度的批量制造（Ｍａｓｓｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ），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。
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 · 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。
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 （ＭｉｃｒｏＩｎｅｒｔｉａｌＭｅｓｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ， 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。
（１Ｔｈｅ１３ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｉｕｔｅ，ＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００５１，Ｃｈｉｎａ；２ＭＴＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓＣｏ，Ｌｔｄ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０２９９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅｔｈｅ１９９０ｓ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｄｅｖｉｃｅｈａｓｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｏｐｕｌａｒ，ａｎｄＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅｂｅｇｕｎ ｔｏｇｅｔａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆｂｕｓｉｎｅｓｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｏｍｅｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅｃｌａｓｓｉ ｆｉｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ＴｈｅＭＥＭＳａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓｅｎｓｏｒ，ＭＥＭＳｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ＭＩＭＵ（ＭｉｃｒｏＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）ａｎｄｉｎｅｒｔｉａｌｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ ａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｉｓｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｉｎｆｅｒｅｄａｎｄｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｕ ｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｄｅｖｉｃｅｍａｉｎｌｙｈａｓｆｏｕｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ：ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｏｍｅｅｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｐｏｒｔａｂｌｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ；ｈｉｇｈｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｏａｃｈｉｅｖｅａｍｕｌｔｉｐｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｈｉｇｈａ ｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｔｏａｄａｐｔｔｏｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｂｒｏａｄｅｎｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
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）
关键词：ＭＥＭＳ；惯性；传感器；现状；趋势 中图分类号：ＴＢ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－５７９５（２０１９）０４－００５０－０７
ＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｏｆＭＥＭＳＩｎｅｒｔｉａｌＳｅｎｓｏｒ ＢＩＡＮＹｕｍｉｎ１，ＨＵＹｉｎｇｊｉｅ２，ＬＩＢｏ１，ＸＵＳｈｕｊｉｎｇ１，ＹＡＮＧＹｏｎｇｊｕｎ１