淺談MEMS慣性傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，高精度慣性傳感器主要用于工業(yè)、國(guó)防和航空航天領(lǐng)域的傾角、加速度和振動(dòng)測(cè)量。慣性傳感器作為MEMS器件，以單晶硅傳感器元件為基礎(chǔ)，采用最新的微機(jī)械加工技術(shù)制造。各種慣性傳感器產(chǎn)品采用的微機(jī)械加工工藝可能有所不同，但都各有特點(diǎn)。由First Sensor公司開(kāi)發(fā)的用于MEMS產(chǎn)品的微機(jī)械加工工藝，推出的創(chuàng)新產(chǎn)品系列包括加速度計(jì)等慣性傳感器，并結(jié)合了以前版本的優(yōu)點(diǎn)。這將有利于提高M(jìn)EMS產(chǎn)品性能，高度改善性價(jià)比，用于更多的新應(yīng)用，如地質(zhì)工程、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航和機(jī)器人等。高精度MEMS加速度計(jì)可以做什么？微型MEMS加速度計(jì)可以測(cè)量物體在空間三個(gè)維度的加速度。

MEMS慣性傳感器是經(jīng)證明為非常堅(jiān)固、可靠、快速且溫度穩(wěn)定的先進(jìn)產(chǎn)品，還能夠檢測(cè)位置和加速度的最小變化。

上圖中的傾角計(jì)可以達(dá)到的極高分辨率，甚至可以檢測(cè)直徑為100μm的單根頭發(fā)通過(guò)10米長(zhǎng)木板引起的偏轉(zhuǎn)，相當(dāng)于僅0.0005°（2弧秒或10μm/ m）的偏轉(zhuǎn)。數(shù)字化未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括MEMS傳感器。持續(xù)的數(shù)字化推動(dòng)MEMS加速度計(jì)和傾角計(jì)也加入其中。例如，未來(lái)慣性傳感器將可以實(shí)現(xiàn)智能編程，并將配備微控制器、微型電池或微型無(wú)線射頻芯片，以便在線發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)。

目前，F(xiàn)irst Sensor推出的高精度慣性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域有：

（1）監(jiān)測(cè)建筑物狀態(tài)；（2）監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電廠、太陽(yáng)能發(fā)電廠、高壓線路、水壩、管道等；（3）監(jiān)測(cè)石油和天然氣陸上/海上基礎(chǔ)設(shè)施、核電站、天然氣站和水電站等；（4）穩(wěn)定和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)；（5）基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸；（6）導(dǎo)航。電容式慣性傳感器及其背后的技術(shù)概念：小尺寸、低生產(chǎn)成本、低運(yùn)行功耗MEMS慣性傳感器可以對(duì)傾斜角度、加速度和振動(dòng)進(jìn)行電容式測(cè)量，主要依賴于先進(jìn)的MEMS工藝和微型硅基傳感器。形成的彈簧質(zhì)量塊寬度僅為幾微米。在加速過(guò)程中，懸掛在彈簧上的質(zhì)量塊發(fā)生變化，從而可以測(cè)量電容變化。ASIC讀取此電容變化值并提供測(cè)量值。在傳感器生產(chǎn)過(guò)程中，質(zhì)量塊和彈簧與硅襯底分離。這樣的結(jié)構(gòu)厚度通常僅為千分之一毫米。由于尺寸小，MEMS可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并且消耗很少的能量。

MEMS慣性傳感器的核心技術(shù)

（1）單晶硅傳感器芯片；（2）高性能ASIC（專(zhuān)用集成電路）芯片；（2）上述兩顆芯片的外殼。First Sensor的MEMS慣性傳感器性能數(shù)據(jù)

慣性傳感器核心：?jiǎn)尉Ч鑲鞲衅餍酒?/p>

幾乎所有MEMS器件的核心都是硅基傳感器芯片，通常采用體微加工或表面微加工工藝制造。然而，F(xiàn)irst Sensor公司已經(jīng)采用HARMS（高寬比微結(jié)構(gòu)）工藝和AIM（氣隙絕緣微結(jié)構(gòu)）工藝的新技術(shù)。前者通過(guò)實(shí)現(xiàn)具有高寬比的微結(jié)構(gòu)來(lái)最小化交叉軸靈敏度。后者通過(guò)使用氣隙隔離組件，因此使寄生電容最小化。因此，MEMS技術(shù)能提供比所有傳統(tǒng)制造的慣性傳感器組合更多優(yōu)勢(shì)。First Sensor慣性傳感器在測(cè)量加速度、傾角和振動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)（1）靈活的MEMS設(shè)計(jì)：測(cè)量范圍為 1~15 g；（2）四款標(biāo)準(zhǔn)傳感器：四種不同測(cè)量范圍，最佳適用范圍（彈簧質(zhì)量原理）；（3）一顆傳感器測(cè)量?jī)蓚€(gè)軸：易于使用；（4）具有高寬比的硅基微結(jié)構(gòu)：超低X軸靈敏度；抗疲勞；長(zhǎng)期穩(wěn)定；（5）氣隙絕緣微結(jié)構(gòu)：有限的寄生電容；由于缺少SiO2層，機(jī)械應(yīng)力有限；出色的溫度穩(wěn)定性，易于校準(zhǔn)。不同加工工藝的比較結(jié)果

傳感器大腦：高性能ASIC芯片如上所述，硅基傳感器芯片是MEMS慣性傳感器的核心，ASIC芯片則是大腦。ASIC芯片讀取硅基傳感器芯片的電容信號(hào)并以數(shù)字方式傳輸測(cè)量值。高性能ASIC芯片的特點(diǎn)有：（1）極低噪聲的電容檢測(cè)；（2）在高動(dòng)態(tài)范圍具有高分辨率；（3）對(duì)標(biāo)稱和差分電容范圍的最佳支持；（4）靈活的信號(hào)濾波器；（5）數(shù)字SPI接口（可配置型傳感器ASIC系統(tǒng)，讀出傳感器數(shù)據(jù)）。傳感器外殼：密封外殼將兩顆芯片進(jìn)行封裝的外殼不僅要允許傳感器執(zhí)行，還必須具有成本效益，以便生產(chǎn)和實(shí)施。MEMS外殼的特點(diǎn)有：（1）內(nèi)部設(shè)計(jì)可根據(jù)各種應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整；（2）密封外殼；（3）陶瓷基板；（4）經(jīng)濟(jì)高效的中小批量生產(chǎn)。