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類型分類:
科普知識
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慣性傳感器

MEMS慣性傳感器的現狀及發展趨勢

發布日期:2022-10-09 點擊率:177 品牌:EMS

MEMS技術最早由Richard Pfeynman(1965年獲得諾貝爾物理獎),在1959年提出設想。1962年硅微型壓力傳感器問世。

1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速計的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計的研制。

慣性傳感器包括加速度計(或加速度傳感計)和角速度傳感器(陀螺)以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測量單元),AHRS(包括磁傳感器的姿態參考系統)。

MEMS加速度計是利用傳感質量的慣性力測量的傳感器,一般由標準質量塊(傳感元件)和檢測電路組成。根據傳感原理不同,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CSDL設計研制了最早的MEMS陀螺。同年,Drapor實驗室研制了另一種形式的MEMS陀螺。

MEMS陀螺是利用震動質量塊被基座(殼體)帶動旋轉時的哥氏效應來傳感角速度的原理制成。

主要形式有框架驅動式(內、外框架兩種)梳狀驅動式、電磁驅動式等。

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

AHRS則為包括三個磁傳感器的IMU,并且依據四元素法進行了解算,直接可輸出一個運動體的俯仰角、橫滾角和航向角。

低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產品主要用在手機、游戲機、音樂播放器、無線鼠標、數碼相機、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統、GPS導航等便攜式。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉動測量等基本測量功能,有待挖掘的消費電子應用會不斷出現。

中級MEMS慣性傳感器作為工業級及汽車級產品,則主要用于汽車電子穩定系統(ESP或ESC)GPS輔助導航系統,汽車安全氣囊、車輛姿態測量、精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀表、工程機械等。

高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產品,主要要求高精度、全溫區、抗沖擊等指數。主要用于通訊衛星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統等穩定性應用;飛機/導彈飛行控制、姿態控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用、遠程飛行器船舶儀器、戰場機器人等。

用作消費電子類的MEMS慣性傳感器,主要要求是單價低、尺寸小、溫度范圍窄、因而精度要求低,甚至是功能性產品。加速度傳感器重量輕、功耗小、一般測量范圍1~10g~50g,分辨率2mg~10mg,陀螺一般量程在±300°/s,零偏在500°/h~1000°/h,因此有些公司的產品不給出零偏指標或給出0.1°/s~0.5°/s。

目前可以生產MEMS加速度傳感器的公司比較多,大多數為半導體、如美國的ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)、MEMSIC(生產地在中國無錫)歐洲的VTI、Infine,生產MEMS陀螺的公司美國的ADI、Knoix、ST,歐洲的Infine、Methes,日本的Murata、National、沖電氣、富士通。12月3日中國上海深迪半導體有限公司發布了消費類的MEMS陀螺,無錫一家公司也在研發中。


意法半導體——ST


VTI


MEMSIC

工業級的慣性傳感器大多以模塊形式出現,對于應用于工業級芯片級產品,還必須進行處理,包括軟件和硬件電路,以及對不同工業環境的適應性,大多數要求價格適中,精度一定優于消費類應用加速度傳感器的量程選擇比較寬1~500g,分辨率1mg~3mg,陀螺量程大多250°/s以內,零偏在50°/h~200°/h,汽車級可作為一個工業應用的特殊產品,對其可靠性要求高,同時由于需求數量大,和一般工業要求不一樣的是單價要低。生產這些產品的公司有美國的BEI、ADI、Silicon design、Honeywell、Delphi、MSI、Crossbow、Microstrain、歐洲的VTI、Colibry、Bosch、Sensonor,日本的北陸電氣、SSS公司,中國的西安中星測控。


BEI

軍工級或宇航級的MEMS慣性傳感器精度要求高、工作溫度范圍寬(-45°~125°),某些兵器產品要求抗沖擊能力強(10000g~20000g)尺寸要比光纖和機械類產品要小。加速度傳感器量程范圍寬1g~5000g,分辨率要0.1~1mg,甚至更高。陀螺量程要求范圍寬20°/s~1000°/s,頻響高,50Hz~1000Hz,零偏穩定性為1 °/h~50°/h。目前制造商有美國BEI、Crossbow、Silicon design、Honeywell、Drapor,,歐洲公司有Xsens、Sorsonor、Colibry、BAE,日本有SSS公司,中國有西安中星測控、電子26所、航天7

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