浅谈MEMS惯性传感器

据麦姆斯咨询报道，高精度惯性传感器主要用于工业、国防和航空航天领域的倾角、加速度和振动测量。惯性传感器作为MEMS器件，以单晶硅传感器元件为基础，采用最新的微机械加工技术制造。各种惯性传感器产品采用的微机械加工工艺可能有所不同，但都各有特点。由First Sensor公司开发的用于MEMS产品的微机械加工工艺，推出的创新产品系列包括加速度计等惯性传感器，并结合了以前版本的优点。这将有利于提高MEMS产品性能，高度改善性价比，用于更多的新应用，如地质工程、状态监测、导航和机器人等。高精度MEMS加速度计可以做什么？微型MEMS加速度计可以测量物体在空间三个维度的加速度。

MEMS惯性传感器是经证明为非常坚固、可靠、快速且温度稳定的先进产品，还能够检测位置和加速度的最小变化。

上图中的倾角计可以达到的极高分辨率，甚至可以检测直径为100μm的单根头发通过10米长木板引起的偏转，相当于仅0.0005°（2弧秒或10μm/ m）的偏转。数字化未来物联网的关键技术包括MEMS传感器。持续的数字化推动MEMS加速度计和倾角计也加入其中。例如，未来惯性传感器将可以实现智能编程，并将配备微控制器、微型电池或微型无线射频芯片，以便在线发送测量数据。

目前，First Sensor推出的高精度惯性传感器的应用领域有：

（1）监测建筑物状态；（2）监测风力发电厂、太阳能发电厂、高压线路、水坝、管道等；（3）监测石油和天然气陆上/海上基础设施、核电站、天然气站和水电站等；（4）稳定和对准系统；（5）基础设施和运输；（6）导航。电容式惯性传感器及其背后的技术概念：小尺寸、低生产成本、低运行功耗MEMS惯性传感器可以对倾斜角度、加速度和振动进行电容式测量，主要依赖于先进的MEMS工艺和微型硅基传感器。形成的弹簧质量块宽度仅为几微米。在加速过程中，悬挂在弹簧上的质量块发生变化，从而可以测量电容变化。ASIC读取此电容变化值并提供测量值。在传感器生产过程中，质量块和弹簧与硅衬底分离。这样的结构厚度通常仅为千分之一毫米。由于尺寸小，MEMS可以实现量产并且消耗很少的能量。

MEMS惯性传感器的核心技术

（1）单晶硅传感器芯片；（2）高性能ASIC（专用集成电路）芯片；（2）上述两颗芯片的外壳。First Sensor的MEMS惯性传感器性能数据

惯性传感器核心：单晶硅传感器芯片

几乎所有MEMS器件的核心都是硅基传感器芯片，通常采用体微加工或表面微加工工艺制造。然而，First Sensor公司已经采用HARMS（高宽比微结构）工艺和AIM（气隙绝缘微结构）工艺的新技术。前者通过实现具有高宽比的微结构来最小化交叉轴灵敏度。后者通过使用气隙隔离组件，因此使寄生电容最小化。因此，MEMS技术能提供比所有传统制造的惯性传感器组合更多优势。First Sensor惯性传感器在测量加速度、倾角和振动方面的优势（1）灵活的MEMS设计：测量范围为 1~15 g；（2）四款标准传感器：四种不同测量范围，最佳适用范围（弹簧质量原理）；（3）一颗传感器测量两个轴：易于使用；（4）具有高宽比的硅基微结构：超低X轴灵敏度；抗疲劳；长期稳定；（5）气隙绝缘微结构：有限的寄生电容；由于缺少SiO2层，机械应力有限；出色的温度稳定性，易于校准。不同加工工艺的比较结果

传感器大脑：高性能ASIC芯片如上所述，硅基传感器芯片是MEMS惯性传感器的核心，ASIC芯片则是大脑。ASIC芯片读取硅基传感器芯片的电容信号并以数字方式传输测量值。高性能ASIC芯片的特点有：（1）极低噪声的电容检测；（2）在高动态范围具有高分辨率；（3）对标称和差分电容范围的最佳支持；（4）灵活的信号滤波器；（5）数字SPI接口（可配置型传感器ASIC系统，读出传感器数据）。传感器外壳：密封外壳将两颗芯片进行封装的外壳不仅要允许传感器执行，还必须具有成本效益，以便生产和实施。MEMS外壳的特点有：（1）内部设计可根据各种应用进行调整；（2）密封外壳；（3）陶瓷基板；（4）经济高效的中小批量生产。