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行业动态

MEMS惯性传感器现状及2010年发展趋势

华运工控网(www.ic571.com)   发表时间:2010-08-31

MEMS技术最早由Richard Pfeynman(1965年获得诺贝尔物理奖),在1959年提出设想。1962年硅微型压力传感器问世。
  1979年Roylance和Angell开始压阻式微加速计的研制。1991年Cole开始电容式微加速度计的研制。

  惯性传感器包括加速度计(或加速度传感计)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合IMU(惯性测量单元),AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统)。

  MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器,一般由标准质量块(传感元件)和检测电路组成。根据传感原理不同,主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式等。

  1998年,美国CSDL设计研制了最早的MEMS陀螺。同年,Drapor实验室研制了另一种形式的MEMS陀螺。

  MEMS陀螺是利用震动质量块被基座(壳体)带动旋转时的哥氏效应来传感角速度的原理制成。

  主要形式有框架驱动式(内、外框架两种)梳状驱动式、电磁驱动式等。

  IMU由于是MEMS技术组合的微型惯性测量单元,所以很多地方称为MIMU。主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺及解算电路组成。

  AHRS则为包括三个磁传感器的IMU,并且依据四元素法进行了解算,直接可输出一个运动体的俯仰角、横滚角和航向角。

  低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统、GPS导航等便携式。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能,有待挖掘的消费电子应用会不断出现。

  中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品,则主要用于汽车电子稳定系统(ESP或ESC)GPS辅助导航系统,汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。

  高精度的MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品,主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用;飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。

  用作消费电子类的MEMS惯性传感器,主要要求是单价低、尺寸小、温度范围窄、因而精度要求低,甚至是功能性产品。加速度传感器重量轻、功耗小、一般测量范围1~10g~50g,分辨率2mg~10mg,陀螺一般量程在±300°/s,零偏在500°/h~1000°/h,因此有些公司的产品不给出零偏指标或给出0.1°/s~0.5°/s。

  目前可以生产MEMS加速度传感器的公司比较多,大多数为半导体、如美国的ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC(生产地在中国无锡)欧洲的VTI、Infine,生产MEMS陀螺的公司美国的ADI、Knoix、ST,欧洲的Infine、Methes,日本的Murata、National、冲电气、富士通。12月3日中国上海深迪半导体有限公司发布了消费类的MEMS陀螺,无锡一家公司也在研发中。

    工业级的惯性传感器大多以模块形式出现,对于应用于工业级芯片级产品,还必须进行处理,包括软件和硬件电路,以及对不同工业环境的适应性,大多数要求价格适中,精度一定优于消费类应用加速度传感器的量程选择比较宽1~500g,分辨率1mg~3mg,陀螺量程大多250°/s以内,零偏在50°/h~200°/h,汽车级可作为一个工业应用的特殊产品,对其可靠性要求高,同时由于需求数量大,和一般工业要求不一样的是单价要低。生产这些产品的公司有美国的BEI、ADI、Silicon design、Honeywell、Delphi、MSI、Crossbow、Microstrain、欧洲的VTI、Colibry、Bosch、Sensonor,日本的北陆电气、SSS公司,中国的西安中星测控。军工级或宇航级的MEMS惯性传感器精度要求高、工作温度范围宽(-45°~125°),某些兵器产品要求抗冲击能力强(10000g~20000g)尺寸要比光纤和机械类产品要小。加速度传感器量程范围宽1g~5000g,分辨率要0.1~1mg,甚至更高。陀螺量程要求范围宽20°/s~1000°/s,频响高,50Hz~1000Hz,零偏稳定性为1 °/h~50°/h。目前制造商有美国BEI、Crossbow、Silicon design、Honeywell、Drapor,,欧洲公司有Xsens、Sorsonor、Colibry、BAE,日本有SSS公司,中国有西安中星测控、电子26所、航天704所。

      最近六、七年以来,国内对MEMS惯性传感器的研发热度很高,尤其是2005年~2008年,而且大多集中在国内的顶尖研究机构。据初步了解,研发加速度传感器的机构有:哈尔滨工业大学、浙江大学、东南大学、西安交通大学、中北大学、哈尔滨电子49所、石家庄电子13所、航天704所、重庆电子26所、重庆电子24所、西安航空618所、西安航天771所、中科院上海微系统所、绵阳中国工物院。研发陀螺及组合的机构有清华大学、北京大学、西北工业大学、东南大学、南京理工大学、北京信息工程大学、长沙国防科技大学、上海交通大学、重庆电子26所、航天704所。

MEMS惯性传感器研发、制造商一览表

  加速度传感器 陀螺、IMU、AHRS、VG
    消费级 ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC、VTI、Infline。 ADI、Knoix、ST、Infine、Methes、Murata、National上海深迪。 工业级 汽车级 ADI、Silicon design、Honeywell、MSI、VTI、Colibry、北陆电气、中星测控。 BEI.Microstrain、Crossbow、Sensonor、SSS、Bosch、Delphi、 Honeywell、ADI。
军工级 宇航级 Honeywell、Silicon design、Drapor、Colibry、电子26所、航天704所、九院。 BEI、Drapor、Honeywell、Xsens、Sorsonor、SSS、中星测控、电子26所、航天704所。
国内研发机构 哈尔滨工业大学、浙江大学、东南大学、西安交通大学、中北大学、哈尔滨电子49所、石家庄电子13所、航天704所、重庆电子26所、重庆电子24所、西安航空618所、西安航天771所、中科院上海微系统所、绵阳中国工物院。 清华大学、北京大学、西北工业大学、东南大学、南京理工大学、北京信息工程大学、长沙国防科技大学、上海交通大学、重庆电子26所、航天704所。 

  过去三年,全球MEMS惯性传感器的发展趋势正向两级化发展,一方面消费电子类应用、应用领域不断拓展、需求迅速提高,引来制造商不断增加,竞争加剧,单价不断下降;另一方面,军用级应用,精度不断提高,单价上升很快。

  MEMS惯性传感器的发展现状是消费类产品向大规模生产发展、单价越来越低,量产后,仅售不足一美元,而军用与宇航级产品向高精度发展,一个单轴陀螺售价可在3~4千美元。而工业级、汽车级产品更追求高品质和高可靠性,同时兼顾售价。

  展望未来,MEMS惯性传感器的发展趋势主要有以下几个方面:

  技术方面:精度将不断提高,以陀螺为例,有替代低精度光纤陀螺的趋势。对消费类应用,更寻求进一步简化制造工艺,降低成本的趋势。同时,集成化也是未来发展的趋势,不仅模块制造商走软件、硬件集成的路子,越来越多的上游芯片厂家也走集成块的技术路线。因而不断有双轴、三轴加计、陀螺芯片问世。

  竞争力方面:消费类将竞争最为惨烈,新厂家将不断涌进,比投资、比规模将是必然趋势。上下游相互倾轧、收购、重组将会上演。

  合作方面:由于产品细分的缘故全球竞争与合作必然结果。上游厂家希望找到下游客户,下游希望寻找合适的供应商,因而产业联盟可能出现。

  应用方面:无疑无论是消费类应用,工业级军工级应用,市场会急骤扩大,应用会越来越广泛。