解讀MEMS智能傳感器技術(shù)的新進(jìn)展

信息社會(huì)已步入智能時(shí)代發(fā)展階段，智能手機(jī)、智能可穿戴設(shè)備、無(wú)線智能網(wǎng)絡(luò)、智能汽車(chē)、智能無(wú)人機(jī)和智能機(jī)器人等智能設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展正在或?qū)⒁淖冃畔⑸鐣?huì)的各個(gè)方面，而作為智能時(shí)代發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，MEMS智能傳感器也已進(jìn)入快速發(fā)展的新階段。

20世紀(jì)70年代后期隨著微電子的發(fā)展，可賦予傳感器以“智能”的功能，人們提出智能傳感器的概念，其包含傳感器、執(zhí)行器、合適的電源、內(nèi)在的計(jì)算能力、用于數(shù)字信息的通信接口和標(biāo)識(shí)。

20世紀(jì)80年代初期，研究人員開(kāi)始直接以硅（Si）材料實(shí)現(xiàn)機(jī)械器件，由于微電子二維的加工技術(shù)向三維加工的擴(kuò)展，有可能實(shí)現(xiàn)Si的機(jī)械器件和微電子的集成，1986年美國(guó)DARPA在提案中提出了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的概念；1987年，人們?cè)赟i芯片上研制出可動(dòng)的微部件、齒輪、渦輪等，成為MEMS研究的重要標(biāo)志。這種Si芯片上的微小機(jī)器在日本被稱(chēng)為微機(jī)械，在歐洲被稱(chēng)為微系統(tǒng)，其具有三大特征：小型化、多樣性和微電子學(xué)。

MEMS技術(shù)用于傳感器制造可使傳感器尺寸更小、精度更高和具有大量生產(chǎn)的潛力，MEMS技術(shù)和微電子技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的結(jié)合使MEMS智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代初，溫度、振動(dòng)和沖擊的MEMS智能傳感器開(kāi)始用于航天發(fā)射運(yùn)載的健康管理；此后，MEMS智能傳感器用于小型化的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、微型智能傳感和汽車(chē)工業(yè)的安全系統(tǒng)。

進(jìn)入21世紀(jì)，MEMS智能傳感器進(jìn)入了消費(fèi)電子領(lǐng)域，2007年三軸MEMS加速度計(jì)用于智能手機(jī)成為MEMS智能傳感器發(fā)展的分水嶺，新一代MEMS智能傳感器成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)智能終端的顛覆性技術(shù)，開(kāi)啟了移動(dòng)智能網(wǎng)絡(luò)的新發(fā)展。智能時(shí)代的開(kāi)啟要求MEMS智能傳感器向低成本、多傳感器集成、更高精度、遠(yuǎn)程監(jiān)控和自適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)接口等方向發(fā)展，使MEMS智能傳感器的傳感部分和電子學(xué)架構(gòu)均有長(zhǎng)足的進(jìn)展。

博世BHI160BP，業(yè)內(nèi)首款為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的位置跟蹤智能傳感器

MEMS智能傳感器的種類(lèi)很多，本文選擇其中用量較大、發(fā)展較快的慣性、壓力、溫度和生化等新一代MEMS智能傳感器作為典型代表，分析其應(yīng)用背景和技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，介紹其近期的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，以便把握MEMS智能傳感器的發(fā)展動(dòng)向。

1. MEMS慣性智能傳感器

MEMS慣性智能傳感器是應(yīng)用最多的智能傳感器，如MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和慣性測(cè)量單元等智能傳感器已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴智能硬件，其發(fā)展方向是新一代電子學(xué)架構(gòu)、多功能集成和高精度。IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)把智能傳感器定義為具有小內(nèi)存和能與處理器和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)物理連接的傳感器，由具有信號(hào)調(diào)制的傳感器、嵌入式算法和數(shù)字接口等三者相結(jié)合而成。

2016年，R. L. Leal等人將目前傳感器發(fā)展分為五代，其中第三代到第五代為智能傳感器。第一代傳感器中不包含電子學(xué)部分；第二代傳感器是傳感系統(tǒng)的一部分，并采用傳感器的遠(yuǎn)程控制；第三代傳感器包含MEMS傳感和信號(hào)放大等信號(hào)調(diào)節(jié)；第四代傳感器包含MEMS傳感、信號(hào)處理、信號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù)字端口等，允許傳感器尋址并可通過(guò)傳感器和微控制器之間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)自我評(píng)估的功能；第五代傳感器包含多個(gè)MEMS傳感、信號(hào)調(diào)節(jié)、微控制器、數(shù)字端口和ADC等，具有指令和數(shù)據(jù)的雙向的通信、全數(shù)字化傳輸、本地?cái)?shù)字處理、自我測(cè)試、用戶定義算法和補(bǔ)償算法等特點(diǎn)。

為應(yīng)對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)融合的新挑戰(zhàn)，目前新一代MEMS慣性智能傳感器已應(yīng)運(yùn)而生。2011年，S. G. Ducouret報(bào)道了新一代智能傳感器，其代表是飛思卡爾半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的三軸MEMS加速度計(jì)MMA9550L，在電子學(xué)方面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是增加了嵌入式32位微處理器、Flash、RAM和ROM等IC，以適應(yīng)低成本處理數(shù)據(jù)和靈活重新配置內(nèi)嵌的功能以及融合外部傳感器數(shù)據(jù)。

為適應(yīng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、沉浸式游戲、個(gè)人健康與健身、室內(nèi)導(dǎo)航和其他需要環(huán)境意識(shí)的智能硬件應(yīng)用的需要，2013年，S. Finkbeiner報(bào)道了Bosch公司開(kāi)發(fā)的尺寸為3.0 mm x 4.5 mm x 0.95 mm的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）集成的九軸MEMS智能傳感器BNO055，傳感部分包含三軸12位加速度計(jì)、三軸16位陀螺儀和三軸地磁傳感器，其電子學(xué)部分包括可運(yùn)行傳感器數(shù)據(jù)融合軟件BSX3.0的32位微控制器；其中的BSX3.0軟件可將來(lái)自多個(gè)傳感器的原始數(shù)據(jù)融合至最佳性能，并具有支撐九軸的傳感器、嵌入式微控制器和外部應(yīng)用處理器等運(yùn)行的功能，其能夠和微軟、安卓等軟件兼容并具有可擴(kuò)展架構(gòu)。

為適應(yīng)可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊、多功能傳感的需求，2017年，F(xiàn). Y. Kuo等人報(bào)道了基于諧振的MEMS結(jié)構(gòu)的單片多傳感器設(shè)計(jì)，采用0.18 um 1P6M CMOS/MEMS工藝，以諧振器作為基本構(gòu)建塊，其中多個(gè)MEMS傳感器包括環(huán)境溫度傳感器、環(huán)境壓力傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀傳感器，并可以通過(guò)單一標(biāo)準(zhǔn)ASIC/MEMS的讀出電路和嵌入式MCU實(shí)現(xiàn)單片集成，其中嵌入式MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)變換和多傳感融合。

在無(wú)GPS的環(huán)境下，精確的個(gè)人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于要求苛刻的應(yīng)用，如消防和救援任務(wù)等是至關(guān)重要的。2018年，Q. B. GHO等人報(bào)道了采用MEMS可穿戴地面反應(yīng)傳感器陣列和接口ASIC的個(gè)人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的MEMS IMU包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸地磁傳感器，陀螺儀和地磁傳感器結(jié)合可提供取向信息，在時(shí)間上積累的加速度數(shù)據(jù)可得到距離信息。為了實(shí)現(xiàn)高性能導(dǎo)航，當(dāng)腳接觸地面時(shí)，準(zhǔn)確地重置IMU的每一步中時(shí)間積分是至關(guān)重要的。采用MEMS地面反應(yīng)傳感器陣列和一個(gè)接口ASIC能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到地面上的時(shí)間。采用高度系統(tǒng)集成方法設(shè)計(jì)了低功耗的CMOS集成電路，并與有效的系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)及傳感器數(shù)據(jù)融合和處理算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了該個(gè)人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在3km步行距離時(shí)，無(wú)GPS的位置精度達(dá)到5.5m。

為了適應(yīng)設(shè)備導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用的需求，高精度MEMS慣性智能傳感器也是重要的發(fā)展方向。其中MEMS加速度計(jì)的創(chuàng)新技術(shù)有：閉環(huán)MEMS加速度計(jì)傳感器和電子學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；亞心偏差不穩(wěn)定性的低功耗MEMS硅諧振加速度計(jì)的設(shè)計(jì)；微型低成本精密石英擺式加速度計(jì)與閉環(huán)配置的電子伺服回路的設(shè)計(jì)以及具有自恢復(fù)信噪比功能的地震檢測(cè)的CMOS MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)。

為了達(dá)到慣性導(dǎo)航等級(jí)加速度計(jì)性能的要求，2016年，B. Grinberg等人報(bào)道了閉環(huán)MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。傳感器采用SOI芯片內(nèi)平面技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)抑制寄生效應(yīng)的全橋電容感應(yīng)；采用高度對(duì)稱(chēng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以獲得更好的溫度穩(wěn)定性和不需要真空封裝；采用大質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)有助于增強(qiáng)敏感度。電子學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)采用4級(jí)△Σ調(diào)制器將外部加速度轉(zhuǎn)換為高頻率信號(hào)和比特數(shù)字信號(hào)；其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)包括精確的時(shí)鐘、高穩(wěn)定參考電壓和管理配置各系統(tǒng)參數(shù)的微控制器，以改善噪聲、線性和穩(wěn)定性。MAXL-CL- 3030閉環(huán)加速度計(jì)的測(cè)試結(jié)果證實(shí)了導(dǎo)航級(jí)設(shè)計(jì)，偏置穩(wěn)定性《20 ug，典型非線性為0.01%，在20～2 000Hz的頻率范圍內(nèi)振動(dòng)校正誤差小于10 ug/g2rms。

實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航應(yīng)用的關(guān)鍵任務(wù)對(duì)于MEMS加速度計(jì)是一重大挑戰(zhàn)。硅諧振加速度計(jì)在大線性范圍內(nèi)具有優(yōu)勢(shì)，其標(biāo)度因子具有良好的穩(wěn)定性，以及調(diào)頻輸出的準(zhǔn)數(shù)字性質(zhì)，可有助于讀出系統(tǒng)免于電路塊參數(shù)變化的影響。2016年，J. Zhao等人報(bào)道了具有亞ug偏差不穩(wěn)定性和30g全量程的低功耗MEMS硅諧振加速度計(jì)。MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)包含質(zhì)量塊、兩個(gè)杠桿和兩個(gè)諧振，采用晶圓級(jí)真空封裝的80um厚的SOI工藝實(shí)現(xiàn)。MEMS諧振器嵌入振蕩環(huán)路中，振蕩維持電路包含低噪聲前端放大、VGA、低噪聲自動(dòng)放大控制電路等。測(cè)試結(jié)果表明，該硅諧振加速度計(jì)在±30g全量程范圍，偏置不穩(wěn)定度小于1ug，速度隨機(jī)游走為2.5 ug/√Hz，其諧振頻率為15 kHz，功耗在1.5 V下為3.5 mw。

加速度計(jì)是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，可測(cè)量一些加速度，以獨(dú)立的方式為主機(jī)運(yùn)載提供指導(dǎo)和飛行控制參數(shù)。為了適應(yīng)高動(dòng)態(tài)、精確制導(dǎo)系統(tǒng)的要求，2017年，J. Beitia等人報(bào)道了用于高動(dòng)態(tài)、精確制導(dǎo)系統(tǒng)的微型加速度計(jì)。該微型低成本精密石英擺式加速度計(jì)，其質(zhì)量塊是由直徑12mm的高純?nèi)廴谑⒕ㄟ^(guò)兩個(gè)厚15um鉸鏈連接到一個(gè)剛性圓盤(pán)結(jié)構(gòu)外框的結(jié)構(gòu)所組成，質(zhì)量塊和兩個(gè)對(duì)稱(chēng)磁結(jié)構(gòu)之間的氣隙為20um。為了獲得較低的偏置振動(dòng)校正誤差，采用閉環(huán)配置的電子伺服回路，通過(guò)適當(dāng)?shù)膬?yōu)化增益設(shè)計(jì)和優(yōu)化加速度計(jì)設(shè)計(jì)，以減少由于電極的氣隙中氣體的不對(duì)稱(chēng)行為引起的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度不匹配。測(cè)試結(jié)果表明，石英擺式加速度計(jì)在80g的動(dòng)態(tài)范圍下，在50～200Hz和750～2000Hz的頻段下的振動(dòng)校正誤差分別小于10和25ug/g2rms，標(biāo)度因子溫度穩(wěn)定性小于100ppm，其尺寸為直徑18mm、高度11mm，質(zhì)量為25g。

2018年，C. T. Chiang報(bào)道了用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的地震檢測(cè)的CMOS MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)。采用0.35um 2P4M具有3V電源的CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成，其電容式加速度計(jì)的質(zhì)量塊和梳齒結(jié)構(gòu)的電極均由SiO2制備，采用應(yīng)力補(bǔ)償框架的設(shè)計(jì)以減少殘留應(yīng)力。CMOS傳感電路包含：電容一電壓變換器、解調(diào)斬波器、5級(jí)開(kāi)關(guān)電容低通濾波器、可編程增益放大器和4級(jí)△Σ調(diào)制器（DSM）。同時(shí)DSM還有兩路反饋回路，由整流器、峰值檢波器和靜電力傳感器組成。測(cè)試結(jié)果表明，該加速度計(jì)的連續(xù)時(shí)間電壓模擬傳感電路的敏感度為131.99mV/g，在0.25～6.75g內(nèi)的最大的非線性是1.21%，本底噪聲是0.579mg/√Hz，y軸和z軸的非線性分別小于0.05%和1.38%。加速度計(jì)經(jīng)連續(xù)三周不停顫抖試驗(yàn)后，峰值信噪比（SNDR）下降為49.1dB，但在0.5s內(nèi)其會(huì)自動(dòng)清零，使傳感器的峰值SNDR達(dá)到75.2dB。芯片面積為3030um x 2997um，3V下的功耗為5.2mW。

提高M(jìn)EMS陀螺儀的設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù)有：采用驅(qū)動(dòng)模式和傳感模式之間具有非零頻率間隔和基于DSP的電子學(xué)調(diào)諧叉齒MEMS陀螺儀；低功耗、低偏置不穩(wěn)定度的CT- △Σ MEMS陀螺儀讀出系統(tǒng)；采用低功耗、低相位噪聲的頻率調(diào)制工作的IC和具有偏航速率與俯仰速率的雙傳感器系統(tǒng)相結(jié)合；高標(biāo)度因子精度和高偏置穩(wěn)定度的速率斬波到數(shù)字的頻率調(diào)制陀螺儀和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MEMS慣性傳感器的溫度補(bǔ)償模型。

為實(shí)現(xiàn)重量輕、成本低和精度高的尋北系統(tǒng)，2015年，B. Johnson等人報(bào)道了用于精確尋北的調(diào)諧叉齒MEMS陀螺儀。采用驅(qū)動(dòng)模式和傳感模式之間的非零頻率間隔設(shè)計(jì)和基于DSP的電子學(xué)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航級(jí)的諧振梳齒MEMS陀螺儀，其偏置穩(wěn)定度為0.03°/h，隨機(jī)游走（ARW）為0.002°/√h。為了滿足對(duì)高性能和穩(wěn)定的慣性傳感器的需求，MEMS陀螺儀要采用閉環(huán)控制方案，與開(kāi)環(huán)解決方案相比，其具有更高的復(fù)雜性和更大功耗。

為適應(yīng)移動(dòng)產(chǎn)品低功耗的需要，2017年，M. Marx等人報(bào)道了1.71mW功耗、0.9°/h偏置不穩(wěn)定度的CT-△Σ MEMS陀螺儀讀出系統(tǒng)。其傳感器是驅(qū)動(dòng)和傳感的雙諧振MEMS陀螺儀，其讀出系統(tǒng)芯片采用功耗較低的CT-△Σ機(jī)械-電子學(xué)架構(gòu)。在驅(qū)動(dòng)邊為鎖相（PLL）環(huán)基環(huán)路，包含電荷泵、驅(qū)動(dòng)器、AGC、c/v變換、具有電流控制振蕩器的PLL；在傳感邊為CT-△Σ特點(diǎn)的環(huán)路，包含c/v變換、2階Gm-C BPF、噪聲觀察頻率調(diào)諧電路（NOFT）、9位電流DAC和反饋環(huán)路。該電路的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是提出將機(jī)電CT-△Σ架構(gòu)中的電4子帶通濾波器（BPF）的輸入端，嵌入基于噪聲觀測(cè)的頻率調(diào)諧電路；在陀螺儀工作時(shí)，使角速度帶寬和驅(qū)動(dòng)頻率之間的匹配精度優(yōu)于0.25%，且其功耗和面積分別僅為27uW和0.06 mm2。測(cè)量結(jié)果表明，在-30～85℃內(nèi)，該MEMS陀螺儀的平均點(diǎn)噪聲為0. 002°/s/√Hz，偏置不穩(wěn)定度為0. 9°/h。不需要昂貴和耗時(shí)的校準(zhǔn)程序，就能獲得廉價(jià)、穩(wěn)定的振動(dòng)MEMS陀螺儀，也是具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)攻關(guān)。

2018年，P. Minotti等人報(bào)道了高標(biāo)度因子穩(wěn)定性的調(diào)頻MEMS陀螺儀的三軸傳感器和集成電子學(xué)設(shè)計(jì)。采用低功耗、低相位噪聲的頻率調(diào)制工作的IC和具有偏航速率與俯仰速率的雙傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)度因子穩(wěn)定性的3軸頻率調(diào)制MEMS陀螺儀。采用厚膜外延多晶硅表面微機(jī)械工藝實(shí)現(xiàn)24um厚的內(nèi)平面結(jié)構(gòu)的偏航速率傳感陀螺以及24um厚的外平面結(jié)構(gòu)的俯仰速率傳感陀螺。采用0.35um CMOS工藝實(shí)現(xiàn)低功耗、低相位噪聲的反饋振蕩結(jié)構(gòu)的IC，其包含電容到電壓的放大器、90°移相器、硬限幅器、H橋電路和自動(dòng)增益控制電路。測(cè)試結(jié)果表明，該調(diào)頻MEMS陀螺儀在20～70℃內(nèi)，可重復(fù)性的標(biāo)度因子為0.5%，溫度穩(wěn)定性為35ppm/K，而其電流消耗僅為160uA，同時(shí)其噪聲性能約為10mdps/√Hz。

目前將MEMS陀螺儀速率的測(cè)量變換為頻率偏移的測(cè)量。在這種情況下，標(biāo)度因子是傳感器和讀出電路的復(fù)雜函數(shù)；任何底層參數(shù)的變化都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。2018年，B. Eminoglu等人報(bào)道了具有40ppm標(biāo)度因子精度和1.2°/h偏置穩(wěn)定度的速率斬波到數(shù)字的頻率調(diào)制陀螺儀。其總體的解決方案是直接測(cè)量與速率相關(guān)的頻率，并將頻率與一個(gè)精確的時(shí)鐘參考進(jìn)行比較后，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。傳感器的質(zhì)量塊由兩個(gè)正交諧振器組成，其諧振頻率是由兩個(gè)維持電路激勵(lì)。對(duì)于在x-y通道的位移中每90°的相移，質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)遵循一個(gè)循環(huán)的模式。在此模式中，速率的輸入和質(zhì)量塊振蕩頻率的偏移相關(guān)。其讀出電路包含：跨電容放大器、相移器、振幅檢測(cè)器和可變?cè)鲆娣糯笃?/u>（VGA），由兩路A/D和DSP實(shí)現(xiàn)頻率到數(shù)字的變換。測(cè)試結(jié)果表明，在非控制環(huán)境溫度下24h，該調(diào)頻MEMS陀螺儀的偏置穩(wěn)定度為1.2°/h，經(jīng)一級(jí)補(bǔ)償后的標(biāo)度因子的誤差小于40ppm。為了開(kāi)發(fā)MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的全部潛力，提高其精度，開(kāi)發(fā)一個(gè)與溫度相關(guān)的模型來(lái)補(bǔ)償誤差是很有必要的。傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法依賴(lài)于多項(xiàng)式回歸法，沒(méi)有考慮到傳感器誤差中固有的非線性。