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(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),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。
MEMS加速度計是利用傳感質(zhì)量的慣性力測量的傳感器,一般由標準質(zhì)量塊(傳感元件)和檢測電路組成。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(zhì)量塊被基座(殼體)帶動旋轉(zhuǎn)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(qū)動式(內(nèi)、外框架兩種)梳狀驅(qū)動式、電磁驅(qū)動式等。
IMU由于是MEMS技術(shù)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(jù)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(chǎn)品主要用在手機、游戲機、音樂播放器、無線鼠標、數(shù)碼相機、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統(tǒng)、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(zhuǎn)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(xiàn)。
中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產(chǎn)品,則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP或ESC)GPS輔助導航系統(tǒng),汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化、大型醫(yī)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(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)星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定性應用;飛機/導彈飛行控制、姿態(tài)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(zhàn)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(chǎn)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(chǎn)品不給出零偏指標或給出0.1°/s~0.5°/s。
過去三年,全球MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢正向兩級化發(fā)展,一方面消費電子類應用、應用領(lǐng)域不斷拓展、需求迅速提高,引來制造商不斷增加,競爭加劇,單價不斷下降;另一方面,軍用級應用,精度不斷提高,單價上升很快。
MEMS慣性傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀是消費類產(chǎn)品向大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展、單價越來越低,量產(chǎn)后,僅售不足一美元,而軍用與宇航級產(chǎn)品向高精度發(fā)展,一個單軸陀螺售價可在3~4千美元。而工業(yè)級、汽車級產(chǎn)品更追求高品質(zhì)和高可靠性,同時兼顧售價。