王 茹

(江西省南昌市中航工業(yè)洪都集團，江西 南昌 330000）

1 引言

微電子機械系統(tǒng)[1](Micro-Electro-Mechanica Systems)，簡稱MEMS，也可稱為微機電系統(tǒng)，是指可以批量制造的，一種將微型結(jié)構、微型傳感器、微型執(zhí)行器設計為一體，同時將信號處理電路、接口以及通訊和電源也置于其內(nèi)部的微型器件或系統(tǒng)。采用微機電系統(tǒng)技術的慣性器件由于特性優(yōu)異，已在汽車、 航空航天、制導炸彈等各大領域有了廣泛的應用。隨著技術不斷進步，MEMS 慣性器件性能必將進一步得到提升，其應用范圍和應用幅度必將繼續(xù)擴大。本文闡述了MEMS 慣性器件特點、發(fā)展過程及應用現(xiàn)狀，并對MEMS 慣性器件未來發(fā)展趨勢進行了展望。

2 MEMS 慣性器件技術特點

2.1 MEMS 慣性器件性能特點

通常，MEMS 慣性器件包括微加速度計、微型陀螺和微慣性測量組合(MIMU)[2]?；贛EMS 的慣性器件一般采用硅基材料，同時在半導體集成電路制造工藝的基礎上制造而成。它不但具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低的特點，而且其低成本、高可靠性、抗振動沖擊能力強等優(yōu)勢更是其他慣性器件無法比擬。特別是其特征尺寸甚至到了微米量級，這使得它們可以實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器所不能完成的功能。

2.2 工作原理

MEMS 慣性器件的工作原理類似于傳統(tǒng)的慣性器件，即牛頓定律，通過測量載體的質(zhì)心運動（加速度）和姿態(tài)運動（角速度），從而可以實現(xiàn)對載體的控制和導航。與傳統(tǒng)慣性器件相比，MEMS 慣性器件的體積、價格可降低幾個數(shù)量級，在國防和軍事應用上意義重大。如何利用MEMS 慣性器件來搭建一套低成本卻能具有較高性能的微型慣導系統(tǒng)這個課題已經(jīng)引起相關科研單位的極大重視和關注[3]。

3 基于MEMS 的加速度計發(fā)展

硅微加速度計的發(fā)展經(jīng)歷了叉指式、三明治式、諧振梁式等形式結(jié)構的技術方案，零位偏置和刻度因數(shù)由最初為10mg，到2005年就提高到了20μg。最早是由美國ADI 公司實現(xiàn)了加速度計結(jié)構外形和電子電路的一體化單片式集成，從1993年制造出第1 只采用了表面硅工藝的硅加速度計開始，到雙軸單片式集成硅加速度計，量程達到1.7g，精度為5.0mg。德國Litef 公司B-290 硅加速度計，其擺片采用4 次雙面掩膜技術，大小為6mm×6mm，放在KOH 溶液中通過控制硅片刻蝕的時間來完成，電路方案采用PMW、DO 和閉環(huán)控制，量程達到10g，刻度因數(shù)穩(wěn)定性達到3×10-4，零位偏置穩(wěn)定 性為250μg。2005年，Litton SiACTM 硅加速度計量程更是超過100g，零位偏置穩(wěn)定性達到20μg，標度因數(shù)穩(wěn)定性達到5×10-5。此加速度計采用了全硅結(jié)構設計，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低的特點。此類加速度計在導航和制導領域如小型無人機、 近程戰(zhàn)術武器制導等方面具有應用優(yōu)勢。

4 基于MEMS 的陀螺發(fā)展

從文獻中看，目前國際上還沒有正式研發(fā)出達到慣性級性能的微陀螺儀。在大部分商用研究中，其目的也只是為了提高速率級微陀螺的技術指標。只有少數(shù)的幾個研究機構 （如美國的Draper 實驗室和JPL 實驗室）算是真正成功地研制出了達到戰(zhàn)術級（0.1～10°/h）的陀螺儀。

MEMS 陀螺儀的發(fā)展先后經(jīng)歷振動框架式、諧振音叉式、振動輪式、振環(huán)陀螺、四葉式等結(jié)構形式。微機械陀螺的研究是從上世紀80年代開始的。1985年，Draper 實驗室首先開始研制微機械陀螺，先后采用了框架式角振動方案、音叉式線振動方案和振動輪式方案，性能由1994年的零位漂移為4 000°/h 提高到2000年的零位漂移優(yōu)于10°/h。2002年，ADI 公司研制成功世界上第1 個單片集成的商用陀螺儀產(chǎn)品ADXRS，該系列產(chǎn)品尺寸為7mm×7mm×3mm，質(zhì)量小于1g。此芯片將檢測電路與敏感結(jié)構集成設計，不但極大降低了噪聲影響，而且使芯片的體積和功耗得到了有效減小，此類陀螺儀主要應用于工業(yè)傳感領域［5］。針對導航和制導領域應用要求，從1996年開始Litton 公司就開始研制微機械陀螺儀SiGyTM，到2003年SiGyTM 漂移達到了1°/h～10°/h［6］。

5 軍事和航天應用現(xiàn)狀

5.1 軍事領域

美國對MEMS 技術初期的發(fā)展定位就是在軍事領域進行應用，每年投入的科研經(jīng)費約5 000 萬美元。目前已經(jīng)有少量微型技術產(chǎn)品進入了美國軍方武器庫，按功能分有用于武器保養(yǎng)的分布式傳感器技術、 武器慣性測量技術和飛行器導航與穩(wěn)定技術。我們將MEMS 技術在導彈上的應用從導彈武器的系統(tǒng)組成角度歸納為以下幾個方面:安全與引信、目標探測、飛行控制、導航定位、遙測通信、健康監(jiān)測、發(fā)動機控制。目前主要成熟的應用項目主要有：“抗高過載彈藥先進技術演示驗證”（CMATD）項目、“增程制導彈藥”（ERGM）演示驗證計劃、“通用制導慣性測量裝置”（CGIMU）項目、“微機電慣測量裝置”（mmIMU）計劃。

5.2 航天領域

在航天領域，為保證宇航員安全，保障太空船導航系統(tǒng)在軌正常運行，MEMS 加速計、陀螺儀及其他專用慣性器件已在太空船中應用了十年之多。由于MEMS 慣性器件具有良好的抗振性以及很小的SWAP（NASA 對尺寸、質(zhì)量和功率的簡稱）的特點，MEMS 慣性器件成為太空勘測的重要器件。現(xiàn)在，已經(jīng)有SiTime 公司能夠生產(chǎn)出高性能的MEMS 晶振，其體積是一般石英晶振的1/2，頻率也高達125MHz。而且該公司正在開發(fā)能集成多個MEMS 諧振器的芯片的裸片，這樣可以實現(xiàn)在-100～+100℃正常工作，適合太空勘測任務的NASA 超微型軟件定義無線電所需的RF 濾波器組件。

6 未來發(fā)展趨勢

MEMS 慣性器件是在慣性技術和微電子加工工藝技術的基礎上發(fā)展起來并結(jié)合而成的，在MEMS 技術研究中占有非常重要的地位。隨著MEMS 慣性器件性能指標不斷提高，集成化程度和信號檢測能力不斷加強，工藝和封裝技術日趨成熟，同時這些技術又在不斷相互融合和促進，使得技術正向高精度、數(shù)字化、高可靠性方向發(fā)展，使其應用領域正不斷擴大。目前，世界各國正不斷加大對MEMS 慣性器件的研究力度，同時對基于MEMS的MIMU 也異常重視，甚至進行了小批量的投產(chǎn)。同樣，MEMS慣性器件技術及其系統(tǒng)設計技術也將列為我國慣性技術領域的關鍵技術，在重點發(fā)展的推動下其技術研究取得了較大的進步。相信在不久的將來，當MEMS 慣性器件技術性能不斷得到提升和突破，在飛航導彈等軍用武器中的應用優(yōu)勢將越來越明顯、前景愈加廣闊，必將對未來飛行器向小型化、智能化、高可靠性發(fā)展將產(chǎn)生巨大的推動力。

[1]呂志清.微機電系統(tǒng)(MEMS)與微機械慣性器件[A].2000年中國電子學會第十一屆電子元件學術年會論文集[C].2000.280-284.

[2]高鐘毓.微機械慣性儀表的精度極限[A].中國慣性技術學會第四屆學術年會論文集[C].1999.128-133.

[3]李榮冰，劉建業(yè)等.基于MEMS 技術的微型慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國慣性技術學報，2004.12(6)

[4]王勇.MEMS 技術發(fā)展及應用優(yōu)勢[J].飛航導彈，2011.5

[5]Wisniowski H.Analog devices introduces world’s first integrated gyroscope，2002-10-01.

[6]Matthews A，Paterson R，Gold-man A，Abbink H，Stewart R.Anew paradigm in guidance，navigation，and control systems based on bulk micromachined inertial sensors.Proceedings of the AIAA Conference on Guidance，Navigation and Control，2000-08:1-12.

[7]祝斌.MEMS 慣性制導系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國航天，2010.1.