MEMS慣性器件發展與應用研究

王 茹

(江西省南昌市中航工業洪都集團，江西 南昌 330000）

1 引言

微電子機械系統[1](Micro-Electro-Mechanica Systems)，簡稱MEMS，也可稱為微機電系統，是指可以批量制造的，一種將微型結構、微型傳感器、微型執行器設計為一體，同時將信號處理電路、接口以及通訊和電源也置于其內部的微型器件或系統。采用微機電系統技術的慣性器件由于特性優異，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擴大。本文闡述了MEMS 慣性器件特點、發展過程及應用現狀，并對MEMS 慣性器件未來發展趨勢進行了展望。

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傳統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的慣性器件，即牛頓定律，通過測量載體的質心運動（加速度）和姿態運動（角速度），從而可以實現對載體的控制和導航。與傳統慣性器件相比，MEMS 慣性器件的體積、價格可降低幾個數量級，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這個課題已經引起相關科研單位的極大重視和關注[3]。

3 基于MEMS 的加速度計發展

硅微加速度計的發展經歷了叉指式、三明治式、諧振梁式等形式結構的技術方案，零位偏置和刻度因數由最初為10mg，到2005年就提高到了20μg。最早是由美國ADI 公司實現了加速度計結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 和閉環控制，量程達到10g，刻度因數穩定性達到3×10-4，零位偏置穩定 性為250μg。2005年，Litton SiACTM 硅加速度計量程更是超過100g，零位偏置穩定性達到20μg，標度因數穩定性達到5×10-5。此加速度計采用了全硅結構設計，具有體積小、質量輕、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、 近程戰術武器制導等方面具有應用優勢。

4 基于MEMS 的陀螺發展

從文獻中看，目前國際上還沒有正式研發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術級（0.1～10°/h）的陀螺儀。

MEMS 陀螺儀的發展先后經歷振動框架式、諧振音叉式、振動輪式、振環陀螺、四葉式等結構形式。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品ADXRS，該系列產品尺寸為7mm×7mm×3mm，質量小于1g。此芯片將檢測電路與敏感結構集成設計，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 軍事和航天應用現狀

5.1 軍事領域

美國對MEMS 技術初期的發展定位就是在軍事領域進行應用，每年投入的科研經費約5 000 萬美元。目前已經有少量微型技術產品進入了美國軍方武器庫，按功能分有用于武器保養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定技術。我們將MEMS 技術在導彈上的應用從導彈武器的系統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、健康監測、發動機控制。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。現在，已經有SiTime 公司能夠生產出高性能的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能集成多個MEMS 諧振器的芯片的裸片，這樣可以實現在-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展起來并結合而成的，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、數字化、高可靠性方向發展，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。同樣，MEMS慣性器件技術及其系統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、高可靠性發展將產生巨大的推動力。

[1]呂志清.微機電系統(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，劉建業等.基于MEMS 技術的微型慣性導航系統的發展現狀[J].中國慣性技術學報，2004.12(6)

[4]王勇.MEMS 技術發展及應用優勢[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 慣性制導系統的發展[J].中國航天，2010.1.