李曉陽(yáng)，王偉魁，汪守利，彭泳卿，金小鋒

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)[1]，集微型傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理與控制電路、接口電路、通信和電源于一體，是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。

MEMS最早是在上個(gè)世紀(jì)八十年代被提出的，并在其后逐漸被廣泛接受。斯坦福大學(xué)等最早開(kāi)始了MEMS領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)工作。其后，佐治亞理工等眾多大學(xué)也都建立了自己的MEMS工藝線，同一時(shí)間也開(kāi)展了MEMS設(shè)備、儀器的開(kāi)發(fā)工作，以用來(lái)支撐理論工藝技術(shù)研究。同時(shí)，各高校及科研單位相互之間也在不斷地進(jìn)行技術(shù)與業(yè)務(wù)方面交流，促進(jìn)了MEMS技術(shù)及時(shí)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。據(jù)美國(guó)國(guó)防部預(yù)測(cè)，到2020年美軍90%的制導(dǎo)武器將采用MEMS慣性傳感器[2]，如圖1所示。MEMS慣性傳感器主要包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)、MEMS磁力計(jì)及MEMS-IMU等五種，本文將對(duì)以上幾種慣性傳感器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

圖1 2020年美軍90%的制導(dǎo)武器將采用MEMS慣性傳感器Fig.1 About 90% guided weapon will use MEMS inertial sensors by 2020 in U.S.army

1 MEMS陀螺儀研究現(xiàn)狀

MEMS陀螺儀利用科里奧利力（Coriolis force，又稱為科氏力）原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)感應(yīng)器電容極板的位移，是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述[3]。

MEMS陀螺儀可以從振動(dòng)結(jié)構(gòu)、材料、加工方式、驅(qū)動(dòng)方式、檢測(cè)方式和工作模式等幾個(gè)方面進(jìn)行分類[4]，如圖2所示。

圖2 MEMS陀螺分類Fig.2 MEMS gyroscope classification

1.1 MEMS陀螺儀國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于MEMS陀螺儀的研究最早始于二十世紀(jì)八十年代，美國(guó)、日本及歐洲各國(guó)均耗巨資進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)方面的開(kāi)發(fā)和研究，研究水平走在世界前列。國(guó)外從事MEMS陀螺儀方面研究的機(jī)構(gòu)包括Draper實(shí)驗(yàn)室、SAGEM公司、意法半導(dǎo)體等[5]。

1.1.1 音叉陀螺

美國(guó)BEI公司的石英音叉陀螺技術(shù)研究方面已十分成熟，形成了不同精度等級(jí)、適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的系列產(chǎn)品，如LCG50、Horizon、QRS11、QRS116等。其中QRS116是QRS11的升級(jí)版，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于3(°)/h，全溫范圍零位漂移優(yōu)于20(°)/h，如圖3所示[6]。

圖3 QRS116音叉陀螺Fig.3 QRS116 Tuning fork gyroscope

1.1.2 軸對(duì)稱陀螺

①M(fèi)EMS 諧振環(huán)陀螺VRG（Vibrating Ring Gyroscope）

MEMS諧振環(huán)陀螺源于石英半球諧振陀螺，是半球諧振陀螺的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形式。與半球諧振陀螺相比，除了保持半球諧振陀螺敏感結(jié)構(gòu)全對(duì)稱、高精度、環(huán)境適應(yīng)性好、適合應(yīng)用在性能要求高并且環(huán)境惡劣的航天及軍事等領(lǐng)域的特點(diǎn)之外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、體積小、便于批量化集成制造等特點(diǎn)。目前，諧振環(huán)陀螺已經(jīng)發(fā)展到第四代產(chǎn)品，逐漸從機(jī)械陀螺轉(zhuǎn)變?yōu)镸EMS硅基陀螺[7]，如圖4所示。

圖4 諧振環(huán)陀螺發(fā)展歷程Fig.4 Evolution progress of VRG

日本硅傳感系統(tǒng)公司SSS（Silicon Sensing Systems）一直從事MEMS諧振環(huán)陀螺研制，最新產(chǎn)品零偏穩(wěn)定性＜0.06(°)/h,角度隨機(jī)游走ARW＜0.01(°)/h，是目前MEMS諧振環(huán)陀螺的最高水平[8]。美國(guó)在DARPA導(dǎo)航級(jí)集成微陀螺儀（NGIMG）項(xiàng)目的支持下，在諧振盤陀螺研制方面取得了突破性進(jìn)展，基于8mm直徑硅材料的諧振盤陀螺實(shí)現(xiàn)了零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01(°)/h，角度隨機(jī)游走優(yōu)于0.002(°)/h。

②MEMS 碟形陀螺DRG（Disk Resonator Gyroscope）

AMIR R等設(shè)計(jì)制造了一種迄今為止報(bào)道的最小MEMS陀螺儀——單晶硅體聲波陀螺儀[9]。該陀螺具有強(qiáng)大的抗干擾性能和超過(guò)6000(°)/s的大動(dòng)態(tài)范圍，ARW為1(°)/h，零偏不穩(wěn)定性為15(°)/h。

③MEMS 半球諧振陀螺HRG（Hemispherical Resonator Gyroscope）

諾格公司提出通過(guò)軟件對(duì)科里奧利振動(dòng)陀螺儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)自校準(zhǔn)的方法[10]，大幅簡(jiǎn)化生產(chǎn)部件，小尺寸的毫米半球諧振陀螺儀可確保0.00025(°)/√h的角度隨機(jī)游走和0.0005(°)/h的零偏穩(wěn)定性。

2017年，美國(guó)密歇根大學(xué)對(duì)利用吹泡法制備的微玻璃吹制型m-HRG樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試[11]，其Q值為0.42×106，零偏穩(wěn)定性為0.0391(°)/h，Q值最高可達(dá)4.45×106，如圖5所示。密歇根大學(xué)在2019年研制的弧面驅(qū)動(dòng)陀螺樣機(jī)在陶瓷管殼封裝后的品質(zhì)因數(shù)達(dá)到了150萬(wàn)，在常溫下零偏不穩(wěn)定性為0.0103(°)/h，已接近導(dǎo)航級(jí)精度，是目前精度最高的微陀螺之一[12]。

1.1.3 其他陀螺

2019年，加州理工學(xué)院展示了一種納米光子光學(xué)陀螺NOG（Nanophotonic Optical Gyroscope），如圖6所示[13]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在10MHz時(shí)，熱波動(dòng)不可見(jiàn)，BIS=1rpm，ARW=650(°)/√h。在20MHz時(shí)，熱波動(dòng)非常明顯，BIS=105rpm，ARW=97800(°)/√h。

圖5 融石英半球陀螺Fig.5 Quartz hemisphere gyroscope

圖6 NOG結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of NOG

1.2 MEMS陀螺儀國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)MEMS陀螺儀的研究起源于二十世紀(jì)八十年代，國(guó)家投入了大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行MEMS陀螺儀方面的研究。參研單位主要有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中北大學(xué)等高校以及中科院上海微系統(tǒng)所、中電13所、中電26所、航天33所、航天704所等研究所[14]。

1.2.1 音叉陀螺

哈爾濱工業(yè)大學(xué)付強(qiáng)等采用雙片集成方式，設(shè)計(jì)了一款實(shí)用化的MEMS陀螺接口電路[15]。測(cè)試結(jié)果表明，陀螺整機(jī)量程為±200(°)/s，帶寬為60Hz，刻度因子為46.45LSB/((°)/s),線性度為342×10-6，輸出噪聲為0.004(°)/s/√Hz，零偏穩(wěn)定性為3.4(°)/h。

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所提出了一種雙質(zhì)量塊音叉式MEMS陀螺[16]，如圖7所示。該陀螺采用鍵合+刻蝕工藝（BDRIE）加工而成，通過(guò)圓片級(jí)封裝工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高真空度密封，品質(zhì)因數(shù)優(yōu)于25萬(wàn)。外圍電路采用數(shù)?；旌霞呻娐穼?shí)現(xiàn)，保證了陀螺形態(tài)的緊湊。其中驅(qū)動(dòng)模態(tài)采用閉環(huán)控制方案。經(jīng)測(cè)試，該陀螺零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.66(°)/h，刻度系數(shù)非線性優(yōu)于100ppm，零偏加速度靈敏度優(yōu)于12.3(°)/(h/g)，能夠滿足絕大部分戰(zhàn)術(shù)武器應(yīng)用需求。

中國(guó)電子科技集團(tuán)13所設(shè)計(jì)了一種用于MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)閉環(huán)的專用集成電路[17]。測(cè)試結(jié)果表明，諧振頻率為3.7kHz，啟動(dòng)時(shí)間≤0.3s，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的信噪比達(dá)到了115dB，驅(qū)動(dòng)振幅1h穩(wěn)定性為1.5×10-4。

南京理工大學(xué)提出了一種具有低振動(dòng)靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍的MEMS陀螺儀[18]，如圖8所示。該陀螺體積為11.4mm×11.4mm×3.8mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量范圍為±7200(°)/s，零偏穩(wěn)定性為12.2(°)/h(1σ)。隨機(jī)振動(dòng)下（7.6grms），該陀螺振中零偏變化量小于10.0(°)/h，振中零偏穩(wěn)定性小于24.0(°)/h。

圖7 音叉式微陀螺結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of Tuning fork type micro-gyroscope

圖8 MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of MEMS gyroscope

1.2.2 軸對(duì)稱陀螺

①M(fèi)EMS 諧振環(huán)陀螺

國(guó)內(nèi)某研制單位于2008年開(kāi)始硅基MEMS諧振環(huán)陀螺的研制，2015年，該單位自主研制的MEMS諧振環(huán)陀螺通過(guò)飛行測(cè)試，發(fā)射過(guò)載8000g，歷時(shí)10ms，抗過(guò)載能力優(yōu)良，標(biāo)志著我國(guó)MEMS陀螺在抗高過(guò)載方面取得了突破性的進(jìn)展。

中北大學(xué)設(shè)計(jì)了一種電容式環(huán)形微機(jī)電振動(dòng)陀螺[19]，如圖9所示。驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)模態(tài)的諧振頻率分別為9028.86Hz與9036.15Hz，品質(zhì)因數(shù)分別為25051與25026，標(biāo)度因數(shù)為0.5897mV/((°)/s)。

圖9 MEMS環(huán)形振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of MEMS ring vibrating gyroscope

②MEMS 碟形陀螺

國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種熱彈性質(zhì)因子增強(qiáng)DRG[20]，測(cè)試結(jié)果表明，f0=5766.5Hz，Q=157508，ARW=0.0009(°)/√h。

Fan Qi等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有力-再平衡操作模式的高性能MEMS盤式陀螺儀[21]，采用了晶圓級(jí)真空封裝的SOI工藝，并設(shè)計(jì)了精密數(shù)字控制處理電路，實(shí)現(xiàn)了正交誤差抑制和頻率調(diào)諧。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了0.18(°)/h的偏置穩(wěn)定性（1σ）和90Hz的帶寬。

Fan B等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新穎的類似蜘蛛網(wǎng)的盤式諧振器陀螺儀[22]，如圖10所示。測(cè)試結(jié)果顯示：蜘蛛網(wǎng)狀碟形陀螺CDRG（Cobweb-like DRG）和環(huán)狀碟形陀螺RDRG（Ring-like DRG）的共振頻率和Q值分別為18kHz左右和接近100k。CDRG中最小的制造相對(duì)頻率分割（29.9ppm）比同一晶片上并排構(gòu)建的RDRG（322.5ppm）小約10.8倍，比例因子為98.1mV/((°)/s)，ARW為0.004(°)/√h，零偏不穩(wěn)定性為0.187(°)/h，為當(dāng)前所有盤式諧振器中具有最低的相對(duì)頻率分配陀螺儀。

③MEMS 半球諧振陀螺

蘇州大學(xué)WAN Q等制作了多晶硅微半球諧振陀螺[23]。測(cè)試結(jié)果表明，在0.004Pa的真空度下，陀螺的品質(zhì)因數(shù)Q為2200，初始頻差為10Hz，零偏穩(wěn)定性為80(°)/h。

蘇州大學(xué)顧宏華設(shè)計(jì)了一套利用多通道鎖相放大器快捷、有效測(cè)試MEMS半球陀螺的系統(tǒng)[24]。實(shí)驗(yàn)表明，標(biāo)度因數(shù)為2.55mV/°/s，標(biāo)度因數(shù)非線性度為0.066%，零偏穩(wěn)定性為60.3(°)/h，零偏不穩(wěn)定性為20.6(°)/h。

華北光電集成器件研究所利用脫模法制備了多晶硅微半球陀螺[25]。實(shí)驗(yàn)測(cè)得四波腹諧振頻率為14.1kHz，Q值為10.2k，初步開(kāi)環(huán)測(cè)試零偏穩(wěn)定性為80(°)/h，標(biāo)度因子為1.15mV/((°)/s)。

國(guó)防科技大學(xué)對(duì)MEMS半球諧振陀螺進(jìn)行了一系列有益探索[26,27]，最新研究成果表明，國(guó)防科技大學(xué)研制的微半球諧振陀螺樣機(jī)封裝后的品質(zhì)因數(shù)Q值為15萬(wàn)，在常溫下的零偏不穩(wěn)定性為0.46(°)/h，量程達(dá)到±200(°)/s，是國(guó)內(nèi)報(bào)道的性能最高的微半球諧振陀螺[28]，如圖11所示。

圖10 CDRG結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of CDRG

圖11 國(guó)防科技大學(xué)研制的微半球陀螺樣機(jī)Fig.11 μHRG developed by National University of Defense Technology

1.2.3 其他陀螺

國(guó)內(nèi)在MEMS陀螺研究方面開(kāi)展了硅基和石英基樣機(jī)的研制，在MEMS原子陀螺、MEMS隧道磁阻微陀螺等方面正加緊原理探索和試驗(yàn)研究, 目前均取得了一定進(jìn)展。

中北大學(xué)設(shè)計(jì)制作了一種MEMS隧道磁阻微陀螺[29]，如圖12所示。驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向諧振頻率分別是6853Hz和6854Hz，與理論仿真基本一致，驅(qū)動(dòng)方向Q值為571.1，檢測(cè)方向Q值為527.3，頻率匹配良好，結(jié)構(gòu)靈敏度為15.3nm/(°)/s。

與國(guó)外相比，我國(guó)MEMS陀螺儀的研制和開(kāi)發(fā)相對(duì)比較落后，但是我國(guó)一直非常重視MEMS陀螺儀的基礎(chǔ)理論知識(shí)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)30多年的不懈努力，我國(guó)在MEMS陀螺儀的理論、工藝、外圍配置電路、應(yīng)用等方面都取得了突破性的進(jìn)展，但在產(chǎn)品體積方面還有待進(jìn)一步縮小，性能指標(biāo)方面也有待進(jìn)一步提高。

圖12 隧道磁阻微陀螺結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of tunneling magnetoresistance gyroscope

2 MEMS加速度計(jì)研究現(xiàn)狀

MEMS加速度計(jì)可以按以下幾個(gè)方面進(jìn)行劃分：檢測(cè)方式、敏感軸數(shù)目、運(yùn)動(dòng)方式，如圖13所示，其理論依據(jù)為牛頓第二定律[30]。

2.1 MEMS加速度計(jì)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 電容式加速度計(jì)

MS1000是Colibrys專為慣性應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種MEMS加速度計(jì)[32]，如圖14所示。測(cè)量范圍為±10g，擁有34μg/√h的低噪聲水平，長(zhǎng)期偏差重復(fù)性為1.2mg，運(yùn)行中的零偏穩(wěn)定性為15μg，比例因子靈敏度為270mV/g，可用于非常精確和具有成本效益的戰(zhàn)術(shù)級(jí)測(cè)量。

2.1.2 諧振式加速度計(jì)

①石英諧振加速度計(jì)

2018年，日本Epson公司設(shè)計(jì)制造了一種具有一階頻率ΔΣ調(diào)制器的三軸石英諧振頻移加速度計(jì)[33]。該石英諧振加速度計(jì)尺寸為50mm×24mm×16mm，速度隨機(jī)游走系數(shù)為6.7×10-5m/s/√h（白噪聲 為0.16μg/√Hz），零偏不穩(wěn)定性為6.3×10-6m/s2，測(cè)量范圍為±15g，帶寬為500Hz。

2019年，法國(guó)iXblue公司面向市場(chǎng)正式宣布推出該公司第一款滿足高性能應(yīng)用的導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)iXal A5[34]，如圖15所示。尺寸為Φ26mm×26mm，測(cè)量范圍為±80g，白噪聲小于10μg/√Hz，分辨率為5μg，帶寬為1000Hz。

目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的石英諧振式加速度計(jì)最具代表性的是霍尼韋爾公司的RBA500[35]，如圖16所示。尺寸為20mm×20mm×11mm，零偏年重復(fù)性為4mg，標(biāo)度因數(shù)年重復(fù)性為450ppm，分辨率為1μg，測(cè)量范圍為±70g，帶寬為400Hz，性能優(yōu)良，成熟可靠，已經(jīng)應(yīng)用于阿帕奇武裝直升機(jī)。

圖13 MEMS加速度計(jì)分類Fig.13 MEMS accelerometer classification

圖14 MS1000加速度計(jì)Fig.14 MS1000 accelerometer

圖15 iXal A5加速度計(jì)Fig.15 iXal A5 accelerometer

圖16 RBA500加速度計(jì)Fig.16 RBA500 accelerometer

②硅諧振加速度計(jì)

伴隨企業(yè)的發(fā)展，在企業(yè)集團(tuán)戰(zhàn)略性成本管理創(chuàng)設(shè)中，應(yīng)該將成本企劃作為企業(yè)集團(tuán)的重點(diǎn)，按照企業(yè)經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域以及產(chǎn)品方向定位，進(jìn)行產(chǎn)品成本管理方案的設(shè)計(jì)，提升企業(yè)運(yùn)行的價(jià)值性。在企業(yè)成本企劃的過(guò)程中，其作為一種現(xiàn)代性的成本管理方案，可以對(duì)企業(yè)新產(chǎn)品的發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合戰(zhàn)略性的發(fā)展目標(biāo)，進(jìn)行成本管理制度的創(chuàng)新，為企業(yè)成本管理理念的確定提供支持。而且，在企業(yè)成本企劃中，相關(guān)人員應(yīng)該結(jié)合預(yù)期銷售的內(nèi)容，確定期望利潤(rùn)，明確目標(biāo)的成本，并根據(jù)這些內(nèi)容進(jìn)行產(chǎn)品工藝流程、流通加工以及包裝成本等問(wèn)題的確定，展現(xiàn)企業(yè)集團(tuán)成本企劃工作的價(jià)值性[3]。

2017年，美國(guó)斯坦福大學(xué)研制了集成有溫度測(cè)量和補(bǔ)償模塊的單軸諧振式加速度計(jì)，如圖17所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該器件具有427Hz/g的靈敏度，該器件在-20℃～80℃溫度內(nèi)與未采用溫補(bǔ)的相同器件相比零偏穩(wěn)定性降低了三分之二，靈敏度穩(wěn)定性提高了一個(gè)量級(jí)，并且Shin D D等人正與Apple公司和Invensense公司合作進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化[36-38]。

MILIND P等人設(shè)計(jì)制作了一種高分辨率的差模局部化MEMS加速度計(jì)[39]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該加速度計(jì)最大比例因子為11/g，零偏穩(wěn)定性為2.96μg。在最佳工作區(qū)域內(nèi)，最小噪聲基底為3μg/√h。

圖17 斯坦福大學(xué)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.17 Structure of Stanford University accelerometer

目前實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的硅諧振式加速度計(jì)只有霍尼韋爾公司的SA500[40]，如圖18所示。測(cè)量范圍為±80g，標(biāo)度因數(shù)為168Hz/g，零偏年重復(fù)性為2.5mg，標(biāo)度因數(shù)年重復(fù)性為360ppm，分辨率小于50μg，帶寬大于1000Hz，主要用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和智能炸彈等戰(zhàn)術(shù)和慣性導(dǎo)航領(lǐng)域武器。

圖18 SA500加速度計(jì)Fig.18 SA500 accelerometer

2.1.3 其他加速度計(jì)

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院報(bào)道了一種基于使用PDMS模具的雙掩模微流體工藝的生物激發(fā)角加速度計(jì)[41]。該加速度計(jì)具有固有的線性加速度不敏感性，測(cè)試結(jié)果顯示，靈敏度為29.8μV/(°)/s2，動(dòng)態(tài)范圍為14000(°)/s2，檢測(cè)限為20(°)/s2。

MAJID T設(shè)計(jì)制造了一種MEMS光加速度計(jì)[42]，如圖19所示。由于FP干涉儀的高位移靈敏度，可以增加彈簧的剛度，這使得該加速度計(jì)的共振頻率增加到1872Hz，在±1g測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到了12.5μW/g的靈敏度。

圖19 MOEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.19 Structures of MOEMS accelerometer

2.2 MEMS加速度計(jì)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)MEMS加速度計(jì)的研究始于20世紀(jì)80年代末，代表性研發(fā)單位包括：清華大學(xué)、南京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、航天33所、航天13所、航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司等[31]。

2.2.1 電容式加速度計(jì)

邢朝陽(yáng)設(shè)計(jì)制作了一種“三明治”式MEMS加速度計(jì)[43]，并完成了閉環(huán)電路設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，量程大于等于±15g，偏值重復(fù)性小于等于500μg，標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性小于等于200ppm，截止頻率大于等于100Hz，三個(gè)月重復(fù)性為1.5×10-3g(3σ)。該加速度計(jì)在探月二期工程“玉兔號(hào)”月球車上取得應(yīng)用，在月工作超過(guò)9個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)MEMS慣性儀表唯一深空探測(cè)應(yīng)用。

上海微系統(tǒng)所報(bào)道了單片集成的三軸梳齒式電容加速度計(jì)[44]。該加速度計(jì)采用SOI基片加工，通過(guò)（111）硅片自停止腐蝕做出高深寬比的敏感結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果顯示，X、Y、Z三個(gè)方向靈敏度分別為225mV/g、188mV/g、36.5mV/g，零偏穩(wěn)定性分別為3mg、9mg、46mg，帶寬分別為900Hz、900Hz、400Hz。

HU Qifang等人提出一種全硅WLP MEMS三明治式加速度計(jì)[45]。測(cè)試結(jié)果表明，該加速度閉環(huán)靈敏度為0.575V/g，零偏差為0.43g，-3dB帶寬為278.14Hz，1小時(shí)穩(wěn)定性為2.23×10-4g(1σ)，-40℃～+60℃溫度范圍內(nèi)輸出溫度漂移為45.78mg，溫度滯后最大值為3.725mg。

2.2.2 諧振式加速度計(jì)

①石英諧振加速度計(jì)

中電26所加工了一種差分結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)樣機(jī)[46]。測(cè)試結(jié)果顯示，單個(gè)期間靈敏度大于30Hz/g，差分后靈敏度為65.74Hz/g，10min零偏穩(wěn)定性為15.8μg。

東南大學(xué)設(shè)計(jì)制造了一種具有自檢功能的一體式石英振梁加速度計(jì)[47]。測(cè)試結(jié)果顯示，標(biāo)度因數(shù)為50.5Hz/g，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為61.8ppm，標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性為47.1ppm，1小時(shí)零偏穩(wěn)定性為24.38μg。

Jian Yang等公布了一種T型MEMS諧振加速度計(jì)[48]。加速度計(jì)尺寸為464μm×650μm，靜態(tài)時(shí)的諧振頻率為16.10925 kHz，感應(yīng)軸靈敏度為1.11Hz/g(-5g～+5g)，x軸靈敏度為0.053Hz/g，y軸靈敏度為0.048Hz/g，頻率溫度系數(shù)為0.815Hz/℃（0℃～+50℃)。

航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司提出了一種基于三層石英結(jié)構(gòu)的一體式石英振梁加速度[49]，如圖20所示。經(jīng)測(cè)試，產(chǎn)品全溫穩(wěn)定性優(yōu)于0.5mg，振動(dòng)整流誤差優(yōu)于200μg/g2（@15.68g rms），可滿足中高精度慣性導(dǎo)航應(yīng)用需求。

圖20 加速度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.20 Accelerometer internal structure

②硅諧振加速度計(jì)

南京理工大學(xué)的張家實(shí)提出了一種比較器控制電路和兩級(jí)積分式接口電路，簡(jiǎn)化了加速度計(jì)幅度控制電路結(jié)構(gòu)，降低了電路噪聲[50]。測(cè)試結(jié)果表明，1σ零偏穩(wěn)定性達(dá)到12.8μg，1g穩(wěn)定性（1σ）達(dá)到14.5μg，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為24.2ppm。

Zhao C等設(shè)計(jì)制造了一種高性能諧振式MEMS加速度計(jì)[51]。測(cè)試結(jié)果顯示，該加速度計(jì)噪聲基底為98ng/√h，零偏穩(wěn)定性為56ng，對(duì)應(yīng)頻率的噪聲基底為0.77ppb/√h，頻率零偏穩(wěn)定為0.43ppb，這是迄今為止諧振式MEMS加速度計(jì)所取得的最佳結(jié)果。

清華大學(xué)的YIN Yonggang等人設(shè)計(jì)制作了具有熱應(yīng)力隔離的溫度不敏感微機(jī)械諧振加速度計(jì)[52]，如圖21所示。該加速度計(jì)采用了一種新穎的MRa結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此外，玻璃基板被設(shè)計(jì)為專用形狀，以隔離在管芯附接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫差靈敏度降低到10.5μg/℃，1小時(shí)偏差穩(wěn)定性達(dá)到0.7μg，在室溫下在10小時(shí)內(nèi)為2.7μg。

圖21 集成器件結(jié)構(gòu)Fig.21 Integrated device structure

2.2.3 其他加速度計(jì)

熱對(duì)流MEMS傳感技術(shù)能夠提供無(wú)與倫比的抗振動(dòng)性能，國(guó)內(nèi)美新半導(dǎo)體公司在2019年發(fā)布了最新MEMS熱對(duì)流加速度計(jì)—MXP7205VW[53]，其運(yùn)行原理基于美新專利的MEMS熱對(duì)流技術(shù)，工作溫度范圍為-40℃～105℃，動(dòng)態(tài)范圍±5g，靈敏度800LSB/g，抗沖擊力超過(guò)50000g，在汽車應(yīng)用程序中起到至關(guān)重要的作用。

總體上，我國(guó)的MEMS加速度計(jì)經(jīng)過(guò)了近三十年的發(fā)展，在某些領(lǐng)域已經(jīng)取得了優(yōu)秀的成績(jī)，但與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有些落后，工藝水上與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有一定的差距，產(chǎn)品性能有待進(jìn)一步提高。

圖22 MEMS磁傳感器主要分類Fig.22 MEMS magnetic sensor main classification

3 MEMS磁傳感器

MEMS磁力計(jì)也叫地磁、磁感器，可用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，是一種微型化的電子羅盤。用來(lái)實(shí)現(xiàn)磁傳感器的原理非常多，如霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、巨磁電阻效應(yīng)、巨磁阻抗效應(yīng)等[54]。磁力計(jì)的基本工作原理是使用各向異性磁致電阻材料來(lái)檢測(cè)空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，而磁場(chǎng)強(qiáng)度在導(dǎo)航定位中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。根據(jù)輸出信號(hào)形式不同，可以將MEMS磁傳感器分為以下四類[55]，如圖22所示。

國(guó)外從事MEMS磁力計(jì)研究的主要有Honeywell公司、NVE公司、BOSCH公司以及一些著名高校等，國(guó)內(nèi)主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、多維科技有限公司、無(wú)錫美新公司等[56]。目前，微型固態(tài)磁阻傳感器根據(jù)磁阻效應(yīng)不同主要可分為以下三種：各向異性磁阻傳感器AMR、巨磁阻傳感器GMR和隧穿磁阻傳感器TMR。

① AMR。目前基于各向異性磁阻傳感器AMR被廣泛應(yīng)用于微納衛(wèi)星領(lǐng)域，其主要原因是AMR磁傳感器制備技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，商業(yè)化應(yīng)用較為廣泛的產(chǎn)品有美國(guó)霍尼韋爾公司的三軸HMC1043[57]，磁場(chǎng)分辨力為12nT/√Hz（@0.1～50Hz），靈敏度典型值為1mV/V/Oe。

國(guó)內(nèi)無(wú)錫美新公司也發(fā)布了面向移動(dòng)終端的超小型三軸AMR磁傳感器：MMC3630KJ[58]。該傳感器大小為1.2mm×1.2mm×0.5mm，突破了現(xiàn)有AMR磁傳感器技術(shù)壁壘，采用獨(dú)有的設(shè)計(jì)及技術(shù)拓寬量程到±30高斯，并保持優(yōu)于其他技術(shù)5倍以上的噪音等級(jí)，能夠達(dá)到600Hz的傳感器相應(yīng)帶寬，從而實(shí)現(xiàn)±1°的精度。

② GMR。基于GMR效應(yīng)的磁傳感器主要有NVE公司出廠的商用器件AA002、AAH002和AAL002等，與其它類型的GMR傳感器相比具有更高的靈敏度，目前該公司的產(chǎn)品AAL002[59]分辨率達(dá)1nT/√Hz。

③ TMR。隧穿磁阻傳感器（TMR）是繼各向異性磁阻傳感器和巨磁阻傳感器之后，又新研發(fā)的一類新型磁阻傳感器。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李翔宇設(shè)計(jì)了隧穿磁阻傳感器接口ASIC芯片，完成了高性能三軸數(shù)字輸出TMR磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)研制[60]。測(cè)試結(jié)果表明，在-45℃～85℃的溫度范圍內(nèi)，溫補(bǔ)后的TMR微磁強(qiáng)計(jì)靈敏度溫漂系數(shù)為-117ppm/℃，磁場(chǎng)測(cè)量量程為±100μT，功耗為120mW（三軸），噪聲水平為0.26nT/√Hz（@1Hz），非線性為0.11%，零位達(dá)到10nT以內(nèi)。

隧穿磁阻傳感器商用級(jí)應(yīng)用較為廣泛的有多維有限公司出廠的線性傳感器TMR2905[61]，其靈敏度為50～60mV/V/Oe，功耗為0.2mW（@1V），本底噪聲小于5nT/√Hz（@1Hz），具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍以及極低的磁滯。

隨著磁電子學(xué)研究的深入，MEMS磁傳感器得到了迅猛地發(fā)展，不但在航空航天GPS導(dǎo)航和衛(wèi)星等軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也在汽車電子、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)等民用領(lǐng)域中成為不可缺少的角色，具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用需求。

4 MEMS-IMU研究現(xiàn)狀

伴隨著MEMS陀螺儀與MEMS加速度計(jì)的快速發(fā)展，Draper實(shí)驗(yàn)室于1994年研制出了首臺(tái)微機(jī)電慣性測(cè)量組合[62]，由于MEMS-IMU使用了MEMS慣性傳感器，因此繼承了MEMS慣性傳感器的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。目前世界上研制MEMS-IMU的多為MEMS芯片生產(chǎn)廠家，較為知名的有意法半導(dǎo)體、AD、古德里奇?zhèn)鞲衅?、SENSOR等。

MEMS-IMU設(shè)計(jì)作為SINS設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)不同的應(yīng)用情況在精度、成本、體積等方面也有著不同要求，也會(huì)采用不同的MEMS-IMU設(shè)計(jì)方案，下文將從傳統(tǒng)IMU、無(wú)陀螺IMU以及多傳感器組合IMU三個(gè)方面對(duì)MEMS-IMU研究現(xiàn)狀做簡(jiǎn)單介紹。

4.1 傳統(tǒng)MEMS-IMU

傳統(tǒng)意義上的MEMS-IMU由三個(gè)正交安裝的加速度計(jì)和三個(gè)正交安裝的陀螺儀組成，是目前研究最為成熟的MEMS-IMU結(jié)構(gòu)形式。

霍尼韋爾的HG1930 MEMS IMU是目前世界范圍內(nèi)最為先進(jìn)、裝備應(yīng)用最為廣泛的MEMS慣性系統(tǒng)產(chǎn)品，尺寸僅為0.14m3。陀螺X軸量程最高為7200(°)/√s，Y軸、Z軸量程最高為1440(°)/√s，零偏重復(fù)性為20～60(°)/h(1σ)，零偏穩(wěn)定性為1～1.5(°)/h(1σ)，加速度計(jì)X軸量程最高為85g，Y軸、Z軸最高為35g，零偏穩(wěn)定性分別為0.3mg（CA50）、0.5mg（BA50，AA50），零偏重復(fù)性分別為5mg（CA50）（1σ）、10mg（BA50，AA50）（1σ），抗沖擊大于20000g，已經(jīng)大量應(yīng)用于美軍制導(dǎo)炮彈及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)[63]。

ADI推出的ADIS16490戰(zhàn)術(shù)級(jí)六自由度模塊[64]，體積為47mm×40mm×14mm，工作溫度為-40℃～105℃，抗沖擊性為2000g。其中，三軸數(shù)字陀螺運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度為1.8(°)/h，角向隨機(jī)游走為0.009(°)/h，三軸數(shù)字加速度計(jì)量程為±8g，運(yùn)動(dòng)中偏置穩(wěn)定度為3.6μg。

Bosch Sensortec宣布推出BMI270，包含三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)[65]，如圖23所示。尺寸為2.5mm×3.0mm×0.8mm，工作溫度為-40℃～+85℃。三軸陀螺儀最大測(cè)量范圍為±2000dps，靈敏度為16.4LSB/dps，噪聲密度為0.008dps/√Hz，三軸加速度計(jì)最大測(cè)量范圍為±16g，靈敏度為2048LSB/dps，噪聲密度為160μg/√Hz。

4.2 無(wú)陀螺MEMS-IMU

無(wú)陀螺IMU是指在普通MEMS-IMU中不使用陀螺儀測(cè)量角速度，即將加速度計(jì)代替陀螺儀，根據(jù)角速度信號(hào)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理優(yōu)化，最后解算出角速度的MEMS-IMU[66]。無(wú)陀螺MEMS-IMU與普通IMU相比具有能耗低、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

DEVYATISIL A S等人對(duì)無(wú)陀螺IMU進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)三軸加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和分析[67]。南京理工大學(xué)的王東江等提出了一種易于工程配置的九加速度的姿態(tài)測(cè)量方法[68]，其配置方式如圖24所示。

圖24 九加速度計(jì)配置方式Fig.24 Nine accelerometer configuration

4.3 多傳感器組合MEMS-IMU

LSM9DS1是ST公司推出的九軸慣性傳感器[69]，工作溫度為-40℃～+85℃。三軸陀螺儀最大量程為±2000dps，三軸加速度計(jì)最大量程為±16g，三軸磁力計(jì)最大量程為±16高斯。

STIM300是Sensonor公司推出的一款僅重55g的小型MEMS-IMU[70]，如圖25所示。該IMU內(nèi)置了3個(gè)傾角儀以確保精準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)平，工作溫度為-40℃～+85℃，采樣率為2000Hz。三軸陀螺儀零偏不穩(wěn)定性為0.5(°)/h，角隨機(jī)游走為0.15(°)/√h，非線性度為50ppm，帶寬為262Hz，三軸加速度計(jì)零偏不穩(wěn)定性為0.05mg，速度隨機(jī)游走為0.06m/s/√h，最大量程為80g。傾角儀輸入范圍為1.7g，分辨率為0.2μg，標(biāo)度因數(shù)為500ppm。

目前，國(guó)內(nèi)研制MEMS-IMU的科研院所主要有清華大學(xué)、北京大學(xué)、中電13所、中電26所、航天704所、航天33所、航空618所等[71]。限于各種原因，國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)布的MEMS-IMU研究?jī)?nèi)容較少。

圖25 STIM300 MEMS慣性測(cè)量單元Fig.25 STIM300 MEMS inertial measurement unit

5 MEMS慣性傳感器發(fā)展趨勢(shì)

近些年來(lái)，伴隨著MEMS技術(shù)理論研究的進(jìn)步及工藝水平的提高，不僅使MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)以及MEMS-IMU成本得到了大幅降低，而且在測(cè)試精度與環(huán)境適應(yīng)性等方面也有了顯著提升，得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合前文對(duì)MEMS慣性傳感器發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研，給出如下三點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)：

① 采用新工藝、新機(jī)理滿足未來(lái)對(duì)MEMS慣性傳感器的更高要求。例如光學(xué)陀螺與原子陀螺結(jié)合MEMS工藝制造的MEMS陀螺[17,72,73]，以及利用SiC、SiN、聚合物等材料制作的微機(jī)械諧振式加速度計(jì)[74]。

② 集成化、低功耗、低成本的MEMS慣性傳感器滿足需求日益增加的民用消費(fèi)領(lǐng)域。如Bocsh于2019年最新發(fā)布的BMI270 MEMS-IMU[65]，尺寸僅為2.5mm×3.0mm×0.8mm，主要應(yīng)用于智能手表、增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡等方面。

③ 高性能、特殊應(yīng)用環(huán)境下的MEMS傳感器主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。2012年，DARPA啟動(dòng)芯片級(jí)組合原子導(dǎo)航計(jì)劃，簡(jiǎn)稱C-SCAN，即尋求將不同物理特性的慣性傳感器集成到單一的微尺度慣性測(cè)量單元（IMU），這也是DARPA開(kāi)展的微PNT計(jì)劃的重要組成部分，其目的是構(gòu)建自主的、不依賴GPS的芯片級(jí)微PNT系統(tǒng)，能適用于不同軍用平臺(tái)、不同作戰(zhàn)環(huán)境的載體精密引導(dǎo)，并能適用于中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的引導(dǎo)[75]。C-SCAN計(jì)劃核心是將具有不同物理特性的PNT組件集成到單一的微系統(tǒng)（microsystem），首要的任務(wù)是集成一個(gè)多陀螺和多加速度計(jì)的單一的慣性測(cè)量單元（IMU）。C-SCAN組件具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和3個(gè)加速度傳感器，在惡劣環(huán)境下可為軍用載體提供定位導(dǎo)航服務(wù)。