MEMS惯性器件

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加速度计可以做什幺？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。

２０００年中国电子学会第十一届电子元件学术年台论文集微机电系统（ＭＥＭＳ）与微机械惯性器件吕志清（信息产业部电于第二十六研究所重庆４０００６０）纂■微机电系统（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｌｅａｌｓｙｓｔｅｍ，ＭＩｇ＿Ｓ）在我国经过十多年的发展，已显示了其强大的生幸力并将对科学技术和人类生话产生革帝性的影响．微机械惯性器件是傲机电系统研究的一十重要方向，它是徽电子加工技术和惯性技术相结合的产物．随着硅平面加工技术向准三雏加工技术的发晨，人们麓可以象生产集成电路那样来生产惯性器件，从ｉ酊使惯性技术产生重大变革．本文简要敏述了傲机械惯性器件的发展状况、技术趋势和市场预测．关ｔ词ｇＥＭＳ惯性器件陀螺加速度计１引言微机电系统（肛ｌｌＳ）是指可咀批量制造的、集微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。

微机电系统涉及电子、机械、材料、工艺、信息与控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术的许多尖端成果。

敷机械惯性器件是微机电系统研究和发展的一个最重要的方向之一．微机械惯性器件是微机械加工技术和惯性技术相结合的产物，其突出特点是价格低、可靠性高、尺寸小、重量轻。

特别引人注目的是采用了固态电子工业开发的微电子加工技术．能以低的劳动强度进行大批量重复生产．这是目前其他惯性器件所不具备的，也是人们孜孜以求希望解决的问题。

微机械惯性器件性能能达到中等精度．能满足大量战术武器的使用要求，可构成微小型低价格的ＧＰＳ组合惯性导航定位系统。

同时，在民用领域如汽车工业、通用航空、机器人、医疗电子设备等方面有广阔的市场。

八十年代中期以来，国外先后用硅、石英晶体和铌酸锂单晶体等材料制造出微机械惯性器件，其中微机槭振动陀螺已被验证的分辨率约为ｌｏ／ｈ～１００。

／ｈ，微机械加速度计的偏置稳定性已达２～３１１ｇ。

利用石英音叉陀螺（ＱＲＳ）和石英振粱加速度计（ｖＱＡ）构成的数字石英惯性测量组合（Ｄ口Ｉ）已达到１０／ｈ的精度，陀螺的性能可与小型环形激光陀螺和光纤陀螺相比而造价却便宜得多。

个球好了：的，在实际应用中，可能通过弹簧等装置来测量力。

这个力可以是加速度引起的，但在下面的例子中，我们会发现它不一定是加速度引起的。

如果我们把模型放在地球上，球会落在Z-墙面上并对其施加一个1g的力，见下图：在这种情况下盒子没有移动但我们任然读取到Z轴有-1g的值。

球在墙壁上施加的压力是由引力造成的。

在理论上，它可以是不同类型的力量- 例如，你可以想象我们的球是铁质的，将一个磁铁放在盒子旁边那球就会撞上另一面墙。

引用这个例子只是为了说明加速度计的本质是检测力而非加速度。

只是加速度所引起的惯性力正好能被加速度计的检测装置所捕获。

虽然这个模型并非一个MEMS传感器的真实构造，但它用来解决与加速度计相关的问题相当有效。

实际上有些类似传感器中有金属小球，它们称作倾角开关，但是它们的功能更弱，只能检测设备是否在一定程度内倾斜，却不能得到倾斜的程度。

到目前为止，我们已经分析了单轴的加速度计输出，这是使用单轴加速度计所能得到的。

三轴加速度计的真正价值在于它们能够检测全部三个轴的惯性力。

让我们回到盒子模型，并将盒子向右旋转45度。

现在球会与两个面接触：Z-和X-，见下图：0.71g这个值是不是任意的，它们实际上是1/2的平方根的近似值。

我们介绍加速度计的下一个模型时这一点会更清楚。

在上一个模型中我们引入了重力并旋转了盒子。

在最后的两个例子中我们分析了盒子在两种情况下的输出值，力矢量保持不变。

虽然这有助于理解加速度计是怎么和外部力相互作用的，但如果我们将坐标系换为加速度的三个轴并想象矢量力在周围旋转，这会更方便计算。

请看看在上面的模型，我保留了轴的颜色，以便你的思维能更好的从上一个模型转到新的模型中。

想象新模型中每个轴都分别垂直于原模型中各自的墙面。

矢量R是加速度计所检测的矢量（它可能是重力或上面例子中惯性力的合成）。

RX，RY，RZ是矢量R在X，Y，Z 上的投影。

请注意下列关系：，R ^ 2 = RX ^ 2 + RY ^ 2 + RZ ^ 2（公式1）此公式等价于三维空间勾股定理。

基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状一、本文概述随着微纳技术的快速发展，微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）以其体积小、重量轻、功耗低等优点，在航空航天、无人驾驶、机器人导航、个人定位等众多领域展现出广阔的应用前景。

其中，基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术的微型惯性导航系统因其实用性和成本效益，成为了当前研究的热点。

本文旨在全面概述基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状，包括其基本原理、关键技术、应用领域以及面临的挑战。

我们将简要介绍惯性导航系统的基本原理和MEMS技术的基本概念。

然后，重点分析当前MEMS微型惯性导航系统的关键技术，如微型化设计、误差补偿与校准、数据处理算法等。

接着，探讨该技术在航空航天、无人驾驶、个人定位等领域的应用现状。

我们将讨论当前微型惯性导航系统面临的挑战，如误差累积、环境适应性等问题，并展望未来的发展趋势。

通过本文的阐述，希望能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考，推动基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展和应用。

二、MEMS技术在微型惯性导航系统中的应用微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）结合了微型机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术与惯性导航原理，实现了导航系统的微型化、低功耗和高度集成化。

随着MEMS技术的快速发展，MINS在军事、航空、航天、无人驾驶以及消费电子等领域的应用越来越广泛。

MEMS加速度计和陀螺仪是MINS的核心部件，用于测量载体在三维空间中的加速度和角速度。

通过精确的测量和数据处理，它们为导航系统提供必要的导航参数。

与传统的惯性器件相比，MEMS加速度计和陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低和成本低的优点，非常适合用于构建微型化的惯性导航系统。

干货当BLE遇到MEMS——惯性系统的基础知识EEWorld电子资讯犀利解读技术干货每日更新来介绍一些惯性系统的基础知识，用提问的方式循序渐进的学习。

1什么是MEMS，IMU，捷联？MEMS叫做微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），MEMS常见的产品包括加速度计、麦克风、微马达、光学传感器、压力传感器、陀螺仪、湿度传感器等。

IMU叫做惯性测量单元（Inertial measurement unit）是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。

陀螺仪及加速度计是IMU的主要元件。

“捷联（Strapdown）”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思。

因此，所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在运载体的机体上。

所以我们现在购买到的MEMS结构的IMU都是捷联惯性系统。

2什么是坐标系？坐标的作用是确定一点的位置等信息，生活中我们经常使用各种坐标而不自知。

比如“太阳东升西落，”参考的坐标系就是大地坐标系。

“我的左边，”参考的坐标系就是体坐标。

3如何描述一路向前？——体坐标体坐标与物体固连，XYZ三个轴可以自己定义，要符合右手定则。

为了理解的方便这里我们用人来做物体，将人体的中心点定义为B点。

定义头顶方向为BZ轴，前面是BY轴，右边是BX轴，那么这个体坐标系就建立好了。

描述向前运动可以这么说，向体坐标BY轴正方向移动。

4如何描述一路向西？——地面坐标系通常说的地坐标是指的地面坐标系，定义地球表面的一个点为E 点，EX轴为指向地面平面的任意方向。

EZ轴铅垂向上，EY与EZ轴构成的平面垂直，构成右手坐标系。

这里我们将EX轴定义为指向西方，那么EY轴就指向南方，EZ轴指向天空。

那么这个地面坐标系就建立好了。

这里定义的地面坐标系最好是可以体坐标方向重合哦，比如人面向南方站立，体坐标就和地坐标系重合了。

描述向西运动可以这么说，向地坐标EX轴正方向移动。

MEMS惯性导航系统与捷联式惯性导航系统的组合优势
随着现在惯性导航在航天和军事领域的广泛应用，Yach实业的惯性导航技术研究也在不断的提升，MEMS 惯性器件的精度和稳定性对于和捷联式惯导的组合大大的扩大了其优点减小了缺点，提高了捷联式惯导系统的定姿和导航性能。

捷联式惯导系统（SINS）现在是惯性导航领域的主要发展方向。

由于捷联式和平台式相比有体积小、重量轻、成本低等优点，而且不像平台式需要机电平台为基础，大大的缩短系统的启动时间，也消除了平台式惯导系统的误差。

有了比平台式惯导系统的优势，捷联式惯导系统和MEMS惯导系统的器件的组合的扬长避短的技术研究是我们一直为此研发的动力。

由于捷联式惯导系统是直接将惯性器件直接安装在载体上测量加速度和角速度的，不再像平台式惯导系统需要稳定平台，而以计算机的“数学平台”来代替实体平台。

MEMS惯导器件与捷联式惯性导航的结
合会大大的减小捷联式惯性导航在载体上的占用面积，系统硬件设计简化，成本降低。

这两种惯导的结合在未来会是军事和航天研究所追崇的惯导技术，既缩短系统的启动时间、降低误差；又拥有体积小、重量轻、成本低、功耗低的特点。

MEMS 惯导系统和捷联式惯导系统的结合无疑不是将来惯导系统的主要发展方向。

一种抗高过载MEMS惯性微模组及制备方法与流程引言MEMS（微电子系统）惯性器件是一种重要的微纳米器件，具有小尺寸、低功耗、高精度等优点，在航天、军事、工业自动化等领域有着广泛的应用。

然而，在实际应用中，由于机械系统输入的震动和冲击等环境因素，MEMS惯性器件易受高过载和振动的影响，导致性能下降。

因此，研究一种抗高过载的MEMS惯性微模组及其制备方法，对提高MEMS惯性器件的可靠性和稳定性具有重要意义。

抗高过载MEMS惯性微模组原理和结构抗高过载MEMS惯性微模组是一种基于硅微加工技术制备的微型惯性器件，具有高灵敏度、高精度和抗高过载等优点。

其工作原理基于惯性传感器技术，通过监测微机械系统输入的加速度和角度变化，来实现对机械系统状态的测量。

抗高过载MEMS惯性微模组主要包括惯性传感器和控制电路两部分。

其中，惯性传感器由加速度计和陀螺仪两部分组成，加速度计用于检测微机械系统在x、y、z三个方向上的加速度，陀螺仪用于检测微机械系统绕x、y、z三个轴上的角速度。

控制电路主要用于放大、滤波、转换和数字化惯性传感器输出信号，实现对微机械系统状态的测量和控制。

抗高过载技术抗高过载技术是抗高加速度和冲击的一种先进的技术手段，可有效提高MEMS惯性器件的工作稳定性和可靠性。

抗高过载技术主要包括结构设计和材料选择两个方面。

在结构设计方面，抗高过载MEMS惯性微模组采用了一种三重保护结构，即在芯片层、器件层和封装层分别设置了抗高过载保护结构。

其中，芯片层的抗高过载保护结构由衬底、延展区和限制区组成，可以有效分散输入高加速度和冲击对微机械系统的影响。

器件层的抗高过载保护结构由支撑柱和阻尼材料组成，可对输入的高加速度和冲击产生的振动进行抑制。

封装层的抗高过载保护结构由壳体和填充材料组成，可对外界的高过载和振动起到缓冲和隔离作用。

在材料选择方面，抗高过载MEMS惯性微模组采用了一种高弹性模量和高阻尼比的复合材料作为阻尼材料，可以有效抑制输入高加速度和冲击产生的振动。

MEMS惯性传感器什么是惯性传感器?严格意义上说，惯性传感器是一种利用惯性进行测量的器件。

在实际应用中，当人们说到"惯性传感器"时，通常指的是加速度计或陀螺仪。

什么是加速度计和陀螺仪?它们有何区别?加速度计是一种能够测量加速度或平移运动的传感器，陀螺仪是一种角速度传感器--它测量角旋转速度。

虽然确实存在角加速度计(用于测量角旋转变化速率的器件)，但它们很少使用。

一般来说，加速度计被认为是一种测量线性加速度的器件。

加速度计可用在何处?加速度计可有很多应用，这里介绍其中一些例子:加速度计可以用来测量振动。

通常即将出现故障的机器，如电机轴承，会有一种特征化的振动模式。

当电机轴承工作正常时，其运转是平稳和安静的。

随着时间的推移，它的表面会越来越粗糙，声音也会越来越大，最终将因磨损过度而损坏。

加速度计可以通过测量机器不断变化的振动特征来检测潜在的故障。

冲击可以被认为是一种非周期性的振动，因此加速度计也可以用来测量冲击。

举例来说，加速度计可以用来测量集装箱是否遭受过野蛮装卸操作。

一般的做法是，先记录装卸过程中加速度计的测量结果，然后上载这些数据，并在发货完成后对这些数据进行分析。

加速度计可以用来测量速度的变化，汽车安全气囊碰撞传感器就是一个很好的例子。

这种碰撞模块需要一直在检测速度发生巨大、突然的下降情况(速度的突然下降是碰撞的唯一可靠指示信号。

而地面坑洞可能会产生很大冲击，但不应触发气囊)。

许多加速度计(包括ADI公司生产的所有产品)可以测量静态加速度，如重力。

重力向量总是指向地球中心。

通过测量加速度计各个轴向的重力作用，就可以判断加速度计相对于地球的倾斜度。

陀螺仪可用在何处?您想知道某样东西转得多快或转了多少的时候就可用到陀螺仪。

虽然测量旋转速度的方法有许多种(光学、磁学等)，但陀螺仪是不需要任何外部器件就能完成测量的独特方法。

以下列举了一些实例:在汽车电子稳定控制系统中，汽车的转动速度就是用陀螺仪测量的，并将其与根据车轮速度和方向盘传感器计算出的期望值进行比较。

半导体器件微电子机械器件第40部分MEMS惯性冲击开关阈值测试方法1 范围本文件规定了MEMS惯性冲击开关阈值的测试条件和测试方法。

本文件适用于常开型MEMS惯性冲击开关。

2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。

3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

3.1MEMS惯性冲击开关 micro-electromechanical inertial shock switch采用MEMS技术加工制作，并在规定大小的加速度作用下通过固定电极和可动电极的接触、分离实现闭合、断开功能的器件。

也称为阈值开关、加速度开关或者g值开关。

标引序号说明1——可动电极2——固定电极3——弹簧4——衬底图1 MEMS 惯性冲击开关示意图3.2常开型MEMS惯性冲击开关normally open micro-electromechanical inertial shock switch在规定大小的加速度作用下，从断开状态转变为闭合状态且在加速度消失后恢复到断开状态的MEMS惯性冲击开关。

3.3闭合状态 closed stateMEMS惯性冲击开关可动电极与固定电极接触。

3.4断开状态 open stateMEMS惯性冲击开关可动电极与固定电极分离。

3.5静态阈值 static threshold在恒定加速度作用下，使常开型MEMS惯性冲击开关闭合的匀加速度值。

3.6动态阈值 dynamic threshold在冲击脉冲加速度作用下，使常开型MEMS惯性冲击开关闭合的冲击加速度值。

3.7接触电阻 contact resistanceMEMS惯性冲击开关闭合时，固定电极与可动电极之间的电阻大小。

3.8无线采集系统 wireless gather system采用无线通讯的方式采集数据的系统。

4 基本特性4.1 推荐工作条件下面测试条件宜在详细规范中规定，除非相关采购规范中规定。

a)温度：-20℃~50 ℃；b)相对湿度：20 %RH~80 %RH；c)大气压力：试验场地大气压力。

高性能MEMS惯性器件工程化关键技术研究共3篇高性能MEMS惯性器件工程化关键技术研究1随着计算机技术的快速发展，MEMS（微电子机械系统）技术也得到了快速发展。

MEMS惯性器件是在MEMS技术的基础上开发出来的一种新型化学和物理传感器。

MEMS惯性器件具有高灵敏度、高准确性和快速响应等优点，因此在导航、汽车、医疗和航空等领域得到了广泛应用。

高性能MEMS惯性器件工程化关键技术研究包括以下方面：一、微加工技术纳米级零部件的制造需要高精度的微加工技术，其制造过程必须精细到纳米级别。

MEMS惯性器件的微加工技术工程化关键在于要保证最终器件的形状和尺寸精度、形状等表面形貌的均匀性和质量一致性，以及在制造过程中减少器件的污染和缺陷。

二、封装技术MEMS惯性器件通常需要进行封装以防止外界干扰和保护器件本身。

工程化关键技术是在保证器件性能的前提下使封装尽可能小，这需要选择合适的封装材料和工艺条件，并采用封装成本低、强度高、密闭性好的材料。

三、控制电路设计MEMS惯性器件需要根据不同的应用设计不同的控制电路。

控制电路通常由信号处理器、传感器读取电路、控制单元、信号转换器等部分组成。

要使设备具有高性能，需要设计合理、功耗低、抗干扰性强、性价比高的控制电路。

四、传感器技术MEMS惯性器件中的传感器是探测物理量和信号的关键部分。

传感器的设计必须考虑不同应用场景、测量范围、精度要求、灵敏度等因素。

此外，传感器的灵敏度和信噪比也是影响器件性能的两个关键指标。

五、标定和校准技术MEMS惯性器件的精度、准确度和稳定性需要通过标定和校准来保证。

标定和校准的核心是数据处理，包括对采集到的数据进行去噪、滤波、补偿等处理，根据处理后的数据调整器件参数，以提高其稳定性和精度。

六、产品可靠性技术高性能MEMS惯性器件的可靠性是实际应用的重要保证。

器件应在各种环境条件下测试和验证，以确保其长期性能和可靠性。

同时，还需要设计可靠性试验和检验标准，通过过程控制、质量控制和实时监控等手段实现产品持续稳定的质量和可靠性。

专利名称：MEMS惯性器件
专利类型：发明专利
发明人：李军岐
申请号：CN201510864581.8申请日：20151130
公开号：CN106813660A
公开日：
20170609
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：提供一种MEMS惯性器件。

所述MEMS惯性器件包括微机械检测装置、模数转换装置、滤波装置、微控制器及数字信号处理装置，所述微机械检测装置安装于所述运载体，其依次与所述模数转换装置、滤波装置及数字信号处理装置连接，所述微控制器控制所述模数转换装置和滤波装置的工作状态，本发明还提供一种MEMS惯性器件的工作方法。

本发明提供的MEMS惯性器件及其工作方法通过数字信号处理装置和微控制器解算运载体姿态信号，输出俯仰角、倾斜角和状态信息，与其它机载、舰载、车载管理和控制系统交联速度快并且其结构简单、体积小、安装方便、重量轻、电源单一、功耗低。

申请人：李军岐
地址：722403 陕西省宝鸡市岐山县祝家庄镇小强村坳下组061号
国籍：CN
代理机构：北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：宋秀珍
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MEMS惯性传感器研究现状与发展趋势一、本文概述随着科技的快速发展，微机电系统（MEMS）惯性传感器作为现代电子设备中的核心组件，其重要性日益凸显。

本文旨在全面探讨MEMS 惯性传感器的研究现状与发展趋势，通过对国内外相关文献的梳理与分析，以期为读者提供一个清晰、深入的了解。

本文首先将对MEMS 惯性传感器的基本概念、原理及其应用领域进行概述，为后续研究奠定基础。

接着，文章将重点分析当前MEMS惯性传感器的研究现状，包括其设计、制造、性能测试等方面的最新进展。

在此基础上，文章还将探讨MEMS惯性传感器的发展趋势，预测未来可能出现的新技术、新材料和新应用。

文章将总结当前研究中存在的问题和挑战，并提出相应的解决策略，以期为推动MEMS惯性传感器的发展提供有益参考。

二、MEMS惯性传感器的基本原理与分类MEMS惯性传感器，即微机电系统惯性传感器，是近年来传感器技术领域的一个重大突破。

其基本原理基于经典力学理论，通过微型化的机械结构来感知和测量加速度、角速度等物理量，进而推算出物体的运动状态。

根据测量物理量的不同，MEMS惯性传感器主要可分为两大类：加速度计和陀螺仪。

加速度计是测量物体在惯性参考系下加速度的装置。

其工作原理基于牛顿第二定律，当物体受到外力作用时，会产生加速度，通过测量这个加速度可以推算出物体的运动状态。

MEMS加速度计通常采用悬臂梁或质量块结构，通过测量质量块在惯性力作用下的位移来推算加速度。

陀螺仪则是测量物体角速度的装置。

其工作原理基于角动量守恒定律，当物体绕某一轴旋转时，其角动量保持不变，通过测量角动量的变化可以推算出物体的角速度。

MEMS陀螺仪通常采用振动陀螺结构，通过测量振动陀螺在科里奥利力作用下的位移来推算角速度。

这两类传感器均具有高灵敏度、高分辨率、低功耗、小体积等优点，因此在航空、航天、汽车、消费电子等领域有着广泛的应用前景。

随着技术的不断进步，未来MEMS惯性传感器将在性能、可靠性、成本等方面实现更大的突破，为各类应用提供更强大、更智能的感知能力。