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技術(shù)最早由Richard Pfeynman(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(wèn)世。
1979年Roylance和Angell開(kāi)始?jí)鹤枋轿⒓铀儆?jì)的研制。1991年Cole開(kāi)始電容式微加速度計(jì)的研制。
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(lái)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(lè)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。
用作消費(fèi)電子類的MEMS慣性傳感器,主要要求是單價(jià)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(cè)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。
過(guò)去三年,全球MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢(shì)正向兩級(jí)化發(fā)展,一方面消費(fèi)電子類應(yīng)用、應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展、需求迅速提高,引來(lái)制造商不斷增加,競(jìng)爭(zhēng)加劇,單價(jià)不斷下降;另一方面,軍用級(jí)應(yīng)用,精度不斷提高,單價(jià)上升很快。
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(jià)越來(lái)越低,量產(chǎn)后,僅售不足一美元,而軍用與宇航級(jí)產(chǎn)品向高精度發(fā)展,一個(gè)單軸陀螺售價(jià)可在3~4千美元。而工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)產(chǎn)品更追求高品質(zhì)和高可靠性,同時(shí)兼顧售價(jià)。