李曉陽，王偉魁，汪守利，彭泳卿，金小鋒

（北京遙測技術(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)展起來的。

MEMS最早是在上個世紀(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)等最早開始了MEMS領(lǐng)域的研究開發(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，同一時間也開展了MEMS設(shè)備、儀器的開發(fā)工作，以用來支撐理論工藝技術(shù)研究。同時，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)及時轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。據(jù)美國國防部預(yù)測，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、MEMS磁力計及MEMS-IMU等五種，本文將對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)狀對發(fā)展趨勢進(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)換成一個感應(yīng)器電容極板的位移，是對旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述[3]。

MEMS陀螺儀可以從振動結(jié)構(gòu)、材料、加工方式、驅(qū)動方式、檢測方式和工作模式等幾個方面進(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陀螺儀國外發(fā)展現(xiàn)狀

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

1.1.1 音叉陀螺

美國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、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 軸對稱陀螺

①MEMS 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)域的特點之外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、體積小、便于批量化集成制造等特點。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]。美國在DARPA導(dǎo)航級集成微陀螺儀（NGIMG）項目的支持下，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)計制造了一種迄今為止報道的最小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6000(°)/s的大動態(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）

諾格公司提出通過軟件對科里奧利振動陀螺儀進(jìn)行動態(tài)自校準(zhǔn)的方法[10]，大幅簡化生產(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，美國密歇根大學(xué)對利用吹泡法制備的微玻璃吹制型m-HRG樣機(jī)進(jìn)行了測試[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，在常溫下零偏不穩(wěn)定性為0.0103(°)/h，已接近導(dǎo)航級精度，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]。實驗結(jié)果表明：在10MHz時，熱波動不可見，BIS=1rpm，ARW=650(°)/√h。在20MHz時，熱波動非常明顯，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陀螺儀國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國MEMS陀螺儀的研究起源于二十世紀(jì)八十年代，國家投入了大量經(jīng)費進(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)計了一款實用化的MEMS陀螺接口電路[15]。測試結(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。

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動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，通過圓片級封裝工藝技術(shù)，實現(xiàn)了高真空度密封，品質(zhì)因數(shù)優(yōu)于25萬。外圍電路采用數(shù)?；旌霞呻娐穼崿F(xiàn)，保證了陀螺形態(tài)的緊湊。其中驅(qū)動模態(tài)采用閉環(huán)控制方案。經(jīng)測試，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。

中國電子科技集團(tuán)13所設(shè)計了一種用于MEMS陀螺儀驅(qū)動閉環(huán)的專用集成電路[17]。測試結(jié)果表明，諧振頻率為3.7kHz，啟動時間≤0.3s，驅(qū)動檢測信號的信噪比達(dá)到了115dB，驅(qū)動振幅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靈敏度和寬動態(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。試驗結(jié)果表明，測量范圍為±7200(°)/s，零偏穩(wěn)定性為12.2(°)/h(1σ)。隨機(jī)振動下（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 軸對稱陀螺

①MEMS 諧振環(huán)陀螺

國內(nèi)某研制單位于2008年開始硅基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)陀螺通過飛行測試，發(fā)射過載8000g，歷時10ms，抗過載能力優(yōu)良，標(biāo)志著我國MEMS陀螺在抗高過載方面取得了突破性的進(jìn)展。

中北大學(xué)設(shè)計了一種電容式環(huán)形微機(jī)電振動陀螺[19]，如圖9所示。驅(qū)動與檢測模態(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)形振動陀螺結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of MEMS ring vibrating gyroscope

②MEMS 碟形陀螺

國防科技大學(xué)設(shè)計并實現(xiàn)了一種熱彈性質(zhì)因子增強(qiáng)DRG[20]，測試結(jié)果表明，f0=5766.5Hz，Q=157508，ARW=0.0009(°)/√h。

Fan Qi等設(shè)計并實現(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]，采用了晶圓級真空封裝的SOI工藝，并設(shè)計了精密數(shù)字控制處理電路，實現(xiàn)了正交誤差抑制和頻率調(diào)諧。測試結(jié)果表明，實現(xiàn)了0.18(°)/h的偏置穩(wěn)定性（1σ）和90Hz的帶寬。

Fan B等設(shè)計并實現(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)計了一套利用多通道鎖相放大器快捷、有效測試MEMS半球陀螺的系統(tǒng)[24]。實驗表明，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]。實驗測得四波腹諧振頻率為14.1kHz，Q值為10.2k，初步開環(huán)測試零偏穩(wěn)定性為80(°)/h，標(biāo)度因子為1.15mV/((°)/s)。

國防科技大學(xué)對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，在常溫下的零偏不穩(wěn)定性為0.46(°)/h，量程達(dá)到±200(°)/s，是國內(nèi)報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

國內(nèi)在MEMS陀螺研究方面開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研究, 目前均取得了一定進(jìn)展。

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

與國外相比，我國MEMS陀螺儀的研制和開發(fā)相對比較落后，但是我國一直非常重視MEMS陀螺儀的基礎(chǔ)理論知識研究和技術(shù)開發(fā)。經(jīng)過30多年的不懈努力，我國在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加速度計研究現(xiàn)狀

MEMS加速度計可以按以下幾個方面進(jìn)行劃分：檢測方式、敏感軸數(shù)目、運動方式，如圖13所示，其理論依據(jù)為牛頓第二定律[30]。

2.1 MEMS加速度計國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 電容式加速度計

MS1000是Colibrys專為慣性應(yīng)用而設(shè)計的一種MEMS加速度計[32]，如圖14所示。測量范圍為±10g，擁有34μg/√h的低噪聲水平，長期偏差重復(fù)性為1.2mg，運行中的零偏穩(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)級測量。

2.1.2 諧振式加速度計

①石英諧振加速度計

2018年，日本Epson公司設(shè)計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[33]。該石英諧振加速度計尺寸為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，測量范圍為±15g，帶寬為500Hz。

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

目前實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的石英諧振式加速度計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加速度計分類Fig.13 MEMS accelerometer classification

圖14 MS1000加速度計Fig.14 MS1000 accelerometer

圖15 iXal A5加速度計Fig.15 iXal A5 accelerometer

圖16 RBA500加速度計Fig.16 RBA500 accelerometer

②硅諧振加速度計

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，按照企業(yè)經(jīng)營領(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，提升企業(yè)運行的價值性。在企業(yè)成本企劃的過程中，其作為一種現(xiàn)代性的成本管理方案，可以對企業(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，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題的確定，展現(xiàn)企業(yè)集團(tuán)成本企劃工作的價值性[3]。

2017年，美國斯坦福大學(xué)研制了集成有溫度測量和補(bǔ)償模塊的單軸諧振式加速度計，如圖17所示。實驗結(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)定性提高了一個量級，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)計制作了一種高分辨率的差模局部化MEMS加速度計[39]。實驗結(jié)果顯示，該加速度計最大比例因子為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)加速度計結(jié)構(gòu)Fig.17 Structure of Stanford University accelerometer

目前實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的硅諧振式加速度計只有霍尼韋爾公司的SA500[40]，如圖18所示。測量范圍為±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Fig.18 SA500 accelerometer

2.1.3 其他加速度計

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

MAJID T設(shè)計制造了一種MEMS光加速度計[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，這使得該加速度計的共振頻率增加到1872Hz，在±1g測量范圍內(nèi)達(dá)到了12.5μW/g的靈敏度。

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

2.2 MEMS加速度計國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國對MEMS加速度計的研究始于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、航天長征火箭技術(shù)有限公司等[31]。

2.2.1 電容式加速度計

邢朝陽設(shè)計制作了一種“三明治”式MEMS加速度計[43]，并完成了閉環(huán)電路設(shè)計。測試結(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，三個月重復(fù)性為1.5×10-3g(3σ)。該加速度計在探月二期工程“玉兔號”月球車上取得應(yīng)用，在月工作超過9個月，實現(xiàn)了國產(chǎn)MEMS慣性儀表唯一深空探測應(yīng)用。

上海微系統(tǒng)所報道了單片集成的三軸梳齒式電容加速度計[44]。該加速度計采用SOI基片加工，通過（111）硅片自停止腐蝕做出高深寬比的敏感結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果顯示，X、Y、Z三個方向靈敏度分別為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[45]。測試結(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

①石英諧振加速度計

中電26所加工了一種差分結(jié)構(gòu)的加速度計樣機(jī)[46]。測試結(jié)果顯示，單個期間靈敏度大于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)計制造了一種具有自檢功能的一體式石英振梁加速度計[47]。測試結(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[48]。加速度計尺寸為464μm×650μm，靜態(tài)時的諧振頻率為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)測試，產(chǎn)品全溫穩(wěn)定性優(yōu)于0.5mg，振動整流誤差優(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 加速度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.20 Accelerometer internal structure

②硅諧振加速度計

南京理工大學(xué)的張家實提出了一種比較器控制電路和兩級積分式接口電路，簡化了加速度計幅度控制電路結(jié)構(gòu)，降低了電路噪聲[50]。測試結(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)計制造了一種高性能諧振式MEMS加速度計[51]。測試結(jié)果顯示，該加速度計噪聲基底為98ng/√h，零偏穩(wěn)定性為56ng，對應(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加速度計所取得的最佳結(jié)果。

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

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

總體上，我國的MEMS加速度計經(jīng)過了近三十年的發(fā)展，在某些領(lǐng)域已經(jīng)取得了優(yōu)秀的成績，但與西方發(fā)達(dá)國家相比仍有些落后，工藝水上與國外先進(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磁力計也叫地磁、磁感器，可用于測量磁場強(qiáng)度和方向，是一種微型化的電子羅盤。用來實現(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]。磁力計的基本工作原理是使用各向異性磁致電阻材料來檢測空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，而磁場強(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。

國外從事MEMS磁力計研究的主要有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)品有美國霍尼韋爾公司的三軸HMC1043[57]，磁場分辨力為12nT/√Hz（@0.1～50Hz），靈敏度典型值為1mV/V/Oe。

國內(nèi)無錫美新公司也發(fā)布了面向移動終端的超小型三軸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，采用獨有的設(shè)計及技術(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，能夠達(dá)到600Hz的傳感器相應(yīng)帶寬，從而實現(xiàn)±1°的精度。

② GMR?；贕MR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)計系統(tǒng)研制[60]。測試結(jié)果表明，在-45℃～85℃的溫度范圍內(nèi)，溫補(bǔ)后的TMR微磁強(qiáng)計靈敏度溫漂系數(shù)為-117ppm/℃，磁場測量量程為±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，同時也在汽車電子、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、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加速度計的快速發(fā)展，Draper實驗室于1994年研制出了首臺微機(jī)電慣性測量組合[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，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)鞲衅鳌ENSOR等。

MEMS-IMU設(shè)計作為SINS設(shè)計的一項關(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，也會采用不同的MEMS-IMU設(shè)計方案，下文將從傳統(tǒng)IMU、無陀螺IMU以及多傳感器組合IMU三個方面對MEMS-IMU研究現(xiàn)狀做簡單介紹。

4.1 傳統(tǒng)MEMS-IMU

傳統(tǒng)意義上的MEMS-IMU由三個正交安裝的加速度計和三個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)炮彈及無人機(jī)系統(tǒng)[63]。

ADI推出的ADIS16490戰(zhàn)術(shù)級六自由度模塊[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)字陀螺運動中偏置穩(wěn)定度為1.8(°)/h，角向隨機(jī)游走為0.009(°)/h，三軸數(shù)字加速度計量程為±8g，運動中偏置穩(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[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，三軸加速度計最大測量范圍為±16g，靈敏度為2048LSB/dps，噪聲密度為160μg/√Hz。

4.2 無陀螺MEMS-IMU

無陀螺IMU是指在普通MEMS-IMU中不使用陀螺儀測量角速度，即將加速度計代替陀螺儀，根據(jù)角速度信號，將測得的數(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。

DEVYATISIL A S等人對無陀螺IMU進(jìn)行設(shè)計，并對三軸加速度計測量結(jié)果進(jìn)行運算和分析[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)測量方法[68]，其配置方式如圖24所示。

圖24 九加速度計配置方式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，三軸加速度計最大量程為±16g，三軸磁力計最大量程為±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，國內(nèi)公開發(fā)布的MEMS-IMU研究內(nèi)容較少。

圖25 STIM300 MEMS慣性測量單元Fig.25 STIM300 MEMS inertial measurement unit

5 MEMS慣性傳感器發(fā)展趨勢

近些年來，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加速度計以及MEMS-IMU成本得到了大幅降低，而且在測試精度與環(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MEMS慣性傳感器發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研，給出如下三點發(fā)展趨勢：

① 采用新工藝、新機(jī)理滿足未來對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[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啟動芯片級組合原子導(dǎo)航計劃，簡稱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量單元（IMU），這也是DARPA開展的微PNT計劃的重要組成部分，其目的是構(gòu)建自主的、不依賴GPS的芯片級微PNT系統(tǒng)，能適用于不同軍用平臺、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)是集成一個多陀螺和多加速度計的單一的慣性測量單元（IMU）。C-SCAN組件具有3個旋轉(zhuǎn)軸和3個加速度傳感器，在惡劣環(huán)境下可為軍用載體提供定位導(dǎo)航服務(wù)。