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分析MEMS惯性传感器有哪些趋势?


  来源: 半导体产业基金 时间:2020-08-17 编辑:仪器仪表WXF
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如何在灾难救援中,精准定位受困人员的位置?如何在无人机操作中,提高系统精度?如何在人机交互中,更好的实现动作检测和姿势识别?如何在自动驾驶中,做到更精确的自主导航…种种场景中,都离不开MEMS惯性传感器的作用。


MEMS技术拥有非常广阔的市场前景,特别是进入物联网时代,由于应用场景种类繁多,再加上产品生产技术的多样化,为企业带来了巨大的发展机遇。从我国MEMS各产品市场占比来看,MEMS惯性传感器占有超过30%的份额。


MEMS惯性传感器


惯性传感器是针对物理运动做出反应的器件,如线性位移或角度旋转,并将这种反应转换成电信号,通过电子电路进行放大和处理。其中,加速度计和陀螺仪是最常见的MEMS惯性传感器,加速度计是敏感轴向加速度并转换成可用输出信号的传感器;陀螺仪则是能够测量敏感运动体相对于惯性空间的运动角速度的传感器。此外,MEMS惯性组合测量单元由于可以实现组合导航、减少误差,也广泛应用于需要运动控制的设备上。


MEMS惯性传感器在1990年代开始规模应用在汽车工业和国防工业,20世纪初开始应用于手机等消费电子领域,物联网有望引领下一波增长浪潮。


MEMS惯性传感器发展浪潮

图:MEMS惯性传感器发展浪潮

来源:投中网


简言之,MEMS惯性传感器的研究成果对于物体的制导、导航,各类型交通工具的自动驾驶以及各种智能穿戴设备的应用具有重要意义。


MEMS加速度计


加速度计是MEMS领域最早开始研究的传感器之一。经过多年的发展,MEMS加速度计的设计和加工技术已经日趋成熟。根据敏感机理不同,MEMS加速度计可以分为压阻式、热流式、谐振式和电容式等。其中,压阻式MEMS加速度计容易受到压阻材料影响,温度效应严重、灵敏度低,横向灵敏度大,精度不高;热流式加速度计由于受传热介质本身的特性限制,器件频率响应慢、线性度差、容易受外界温度影响。因此,这两种加速度计主要用于对精度要求相对较低的民用领域或军事领域中的高g值测量。而谐振式微加速度计理论上可以达到导航级的精度,但目前技术状态还达不到实用化的要求。


此外,电容式硅微加速度计由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强,是目前技术最为成熟、应用最为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高,电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。目前,硅微加速度计大部分采用集成化封装,并在此基础上不断朝着高精度、数字化和高可靠性的方向发展。


根据美国Draper实验室对加速度计的预测,微机电MEMS加速度计将取代石英挠性和液浮加速度计;高精度机电加速度计仍保持原有应用领域,部分领域会被微机电MEMS加速度计取代。


2020年加速度计技术应用预测

图:2020年加速度计技术应用预测

来源:美国Draper实验室


MEMS陀螺仪


自20世纪80年代以来,对角速率敏感的MEMS陀螺仪受到越来越多的关注。根据性能指标,MEMS陀螺仪通常可分为速率级、战术级和惯性级。其中,速率级陀螺仪可用于消费类电子产品、手机、数码相机、游戏机和无线鼠标;战术级陀螺仪适用于工业控制、智能汽车、火车、汽船等领域;惯性级陀螺仪则可用于卫星、航空航天的导航、制导和控制等参数要求严苛的场景。


据美国Draper实验室对2020年陀螺仪的分析和预测,2020年,石英/硅微机电MEMS陀螺将占领中低精度应用领域,即消费级应用。基本功能是测量物体的直线加速度、倾斜角度、转动速度、振动频率和力度等,这些基本的物理信号通过应用程序的开发,可以衍生出各种各样的功能。


图:2020年陀螺仪技术应用预测

图:2020年陀螺仪技术应用预测

来源:美国Draper实验室


MEMS惯性测量组合单元


这是是基于MEMS技术的新型惯性测量器件,用来测量物体的角速度和加速度信息,是实现微小型无人机、交通工具等导航制导的核心部件。目前,MIMU 正朝着高精度、小体积、集成化、实用化、高可靠的方向发展,在系统中的应用也越来越普遍。特别是在对成本和体积敏感的应用领域,MEMS惯性测量组合单元必将取代体积大、成本高的传统惯性测量单元。


关键词:MEMS惯性传感器 趋势    浏览量:15396

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