MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem）是指集機(jī)械元素、微型傳感器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS慣性傳感器可構(gòu)成低成本的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是一類非常適合構(gòu)建微型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性傳感器。MEMS慣性傳感器的突出特點(diǎn)使其在眾多的民用和軍用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

MEMS慣性傳感器的背景狀況

MEMS技術(shù)最早由RichardPfeynman（1965年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)），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?jí)鹤枋轿⒓铀儆?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(cè)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(cè)量的傳感器，一般由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（傳感元件）和檢測(cè)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(guó)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(dòng)質(zhì)量塊被基座（殼體）帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)式（內(nèi)、外框架兩種）梳狀驅(qū)動(dòng)式、電磁驅(qū)動(dòng)式等。

IMU由于是MEMS技術(shù)組合的微型慣性測(cè)量單元，所以很多地方稱為MIMU。主要由三個(gè)MEMS加速度傳感器及三個(gè)陀螺及解算電路組成。

AHRS則為包括三個(gè)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(gè)運(yùn)動(dòng)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(wú)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(cè)量、傾斜測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量等基本測(cè)量功能，有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)。

中級(jí)MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級(jí)及汽車級(jí)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(cè)量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)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(jí)和宇航級(jí)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(wú)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(chǎng)機(jī)器人等。

MEMS慣性傳感器的工作原理

MEMS慣性傳感器是以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)，在單晶硅片上制造出來的微機(jī)電系統(tǒng)，包括微機(jī)械加速度計(jì)、微機(jī)械陀螺儀和微慣性測(cè)量組合（MIMU）。MEMS慣性傳感器的工作原理是經(jīng)典力學(xué)中的牛頓定律，其功能是測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體（如車輛、飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇、人造衛(wèi)星等）的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以對(duì)運(yùn)動(dòng)物體實(shí)現(xiàn)控制和導(dǎo)航。MEMS慣性器件與非MEMS慣性器件相比，其體積和價(jià)格可減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)國(guó)防具有重大戰(zhàn)略意義。基于MEMS慣性器件構(gòu)建低成本、高性能的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正在成為當(dāng)前慣性技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

MEMS慣性傳感器的測(cè)試

MEMS慣性傳感器的測(cè)試跟一般的IC測(cè)試之不同在于它需要外界的刺激，因此除了自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）、ATE界面板（DIB）和器件巢板（DUTboard）等常見的配置外，還需要一個(gè)極其重要的設(shè)備——產(chǎn)生和傳遞刺激（sTImulus）的設(shè)備。這個(gè)設(shè)備是用戶化了的，不同的傳感器特別是不同類型的傳感器所使用的不同、甚至完全不同。因此這樣的設(shè)備往往不是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的，客戶在設(shè)計(jì)新的慣性傳感器的同時(shí)必須跟設(shè)備制造商一起開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備。這個(gè)開發(fā)的成本是非常昂貴的，以百萬(wàn)美元計(jì)。哪怕是改一下傳感器封裝外形，測(cè)試面或腔必須重新設(shè)計(jì)，一般需20萬(wàn)美元、8到12周。如果沒有代理測(cè)試的工廠，小公司即使能設(shè)計(jì)生產(chǎn)慣性傳感器，也很難大批量銷售。

另外，測(cè)試時(shí)間是影響產(chǎn)品成本的一個(gè)重要因素，尤其是慣性傳感器，因?yàn)闄C(jī)械的刺激往往比一般的電路測(cè)量慢得多。而且，機(jī)械刺激在觸發(fā)后必須等待足夠的時(shí)間才穩(wěn)定，還必須在關(guān)掉后等待足夠的時(shí)間才完全消失。為縮短測(cè)試時(shí)間，除了改進(jìn)設(shè)備的力學(xué)設(shè)計(jì)外，提高測(cè)試并行度是立竿見影的辦法。

MEMS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS微慣性傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車、慣性導(dǎo)航、消費(fèi)品電子、IT附件。下圖所示的是汽車中的MEMS應(yīng)用，可以看到加速度計(jì)和陀螺儀占有很大的比例。目前由于微陀螺儀的價(jià)格較高，其應(yīng)用的潛力還沒有完全開發(fā)，但如果技術(shù)上出現(xiàn)突破大大降低陀螺儀的生產(chǎn)成本，那么在導(dǎo)航系統(tǒng)中將會(huì)有很大的市場(chǎng)潛力。

未來的微慣性器件主要的發(fā)展方向是在在滿足民用需求的精度和穩(wěn)定度的前提下，盡量小型化和降低價(jià)格。尤其是陀螺儀，只有降低陀螺儀的價(jià)格，集成的IMU（inerTIameasurementunit，包含3個(gè)陀螺儀，3個(gè)加速度計(jì)）才能夠在汽車導(dǎo)航，娛樂性電子的中的虛擬現(xiàn)實(shí)（運(yùn)動(dòng)感受）中得到廣泛的應(yīng)用。

MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨向

MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

1、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(shì)。對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用，更尋求進(jìn)一步簡(jiǎn)化制造工藝，降低成本的趨勢(shì)。同時(shí)，集成化也是未來發(fā)展的趨勢(shì)，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、三軸加計(jì)、陀螺芯片問世。

2、競(jìng)爭(zhēng)力方面：消費(fèi)類將競(jìng)爭(zhēng)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(shì)。上下游相互傾軋、收購(gòu)、重組將會(huì)上演。

3、合作方面：由于產(chǎn)品細(xì)分的緣故全球競(jìng)爭(zhēng)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)。

4、應(yīng)用方面：無(wú)疑無(wú)論是消費(fèi)類應(yīng)用，工業(yè)級(jí)軍工級(jí)應(yīng)用，市場(chǎng)會(huì)急驟擴(kuò)大，應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。