MEMS慣性傳感器現狀與發展趨勢

卞玉民，胡英傑，李博，徐淑靜，楊擁軍

中國電子科技集團公司第十三研究所

河北美泰電子科技有限公司

【摘要】自上世紀90年代以來，針對MEMS慣性器件的研究越來越多，MEMS慣性傳感器開始得到廣泛的商業應用。本文對部分MEMS慣性傳感器國內外的新近研究成果進行了分類與歸納，分別對MEMS加速度計、MEMS陀螺儀和微慣性測量組合以及慣性微系統進行了研究與分析。對MEMS慣性傳感器發展趨勢進行了初步推斷，認為未來MEMS慣性傳感器的發展主要有四個方向：高精度，以滿足日益精細化、智能化的應用需求；微型化，以實現便攜、分佈式應用要求；高集成度，以完成多種功能高密度組合；適應性強，以適應複雜應用環境，拓寬應用範圍。

【關鍵詞】MEMS；慣性；傳感器；現狀；趨勢

0 引言

MEMS，簡稱“微機電系統”，一般被認為是由微型傳感器、微型執行機構和微電子電路組成的微型系統。由於微電子技術是一項發達的技術，MEMS的研究和開發主要集中在微型傳感器和執行器的研究和開發。MEMS器件和微加工技術具有三個特點，即小型化（Miniaturization）、微電子集成（Microelectronics integration）及高精度的批量製造（Mass fabrication with precision），簡稱為3M。隨著人類社會的消費升級，MEMS技術迎來的爆發式增長，各種類型的MEMS傳感器也被廣泛地應用於航空航天、石油化工、船舶汽車、生活家居以及醫療健康等領域。

慣性傳感器是對物理運動做出反應的器件，如線性位移或角度旋轉，並將這種反應轉換成電信號，通過電子電路進行放大和處理。加速度計和陀螺儀是最常見的兩大類MEMS慣性傳感器。加速度計是敏感軸向加速度並轉換成可用輸出信號的傳感器；陀螺儀是能夠敏感運動體相對於慣性空間的運動角速度的傳感器。三個MEMS加速度計和三個MEMS陀螺儀組合形成可以敏感載體3個方向的線加速度和3個方向的加速度的微型慣性測量組合（Micro Inertial Messurement Unit，MIMU），慣性微系統利用三維異構集成技術，將MEMS加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、磁傳感器和信號處理電路等功能零件集成在硅芯片內，並內置算法，實現芯片級制導、導航、定位等功能。

MEMS慣性傳感器的研究成果對於物體的制導、導航，各類型交通工具的自動駕駛以及各種智能穿戴設備的應用具有重要意義，本文針對MEMS慣性傳感器進行了研究現狀的綜述和發展趨勢的分析，旨在為MEMS慣性傳感器的未來發展提供參考。

1 MEMS加速度計

MEMS加速度計是MEMS領域最早開始研究的傳感器之一。經過多年的發展，MEMS加速度計的設計和加工技術已經日趨成熟。根據敏感機理不同，MEMS加速度計可以分為壓阻式、熱流式、諧振式和電容式等。壓阻式MEMS加速度計容易受到壓阻材料影響，溫度效應嚴重、靈敏度低，橫向靈敏度大，精度不高。熱流式加速度計受傳熱介質本身的特性限制，器件頻率響應慢、線性度差、容易受外界溫度影響。因此，熱流式和壓阻式加速度計主要用於對精度要求不高的民用領域或軍事領域中的高g值測量。諧振式微加速度計理論上可以達到導航級的精度，但目前技術狀態還達不到實用化。而電容式硅微加速度計由於精度較高、技術成熟、且環境適應性強，是目前技術最為成熟、應用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計的精度也在不斷提升。

國外眾多研究機構和慣性器件廠商都開展了MEMS加速度計技術研究，如美國的Draper實驗室、Michigan大學、加州大學Berkley分校、瑞士Neuchatel大學、美國Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco公司、瑞士的Colibrys公司、英國的BAE公司等。其中，以Draper實驗室為代表的研究機構和大學的主要工作在於提升MEMS加速度計的技術指標。能夠提供實用化MEMS加速度計產品的主要廠家有ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco和瑞士的Colibrys公司。

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目前，硅微加速度計的主要發展趨勢是高精度、集成化和小型化，大部分採用集成化封裝，並在此基礎上不斷朝著高精度、數字化和高可靠性的方向發展。這主要得益於MEMS加工工藝的快速發展和數字ASIC電路檢測能力的不斷提升。MEMS敏感結構採用硅硅鍵合，敏感結構厚度不斷增加，ASIC採用數字化電路，不僅檢測能力提高，還可以在後續環路中增加各種補償環節，有利於提高MEMS加速度計的性能。

在慣性測量應用中，通常需要測量空間三個方向的加速度信號。為了保證MEMS加速度計的精度，大多采用三個單軸MEMS加速度計立體組裝的形式來實現三個方向的加速度信號測量。隨著測量設備進一步朝著微型化方向發展，對三軸MEMS加速度計的集成度提出了更高的需求，採用三個單軸MEMS加速度計測量三個方向加速度信號的方案已經不能滿足設備小型化的要求。目前已經有眾多公司開展了三軸單片集成MEMS加速度計的研究，但主要集中在低精度領域，研製的三軸MEMS加速度計產品主要用於振動、衝擊測量、手機、遊戲等工業和消費領域，不能滿足高端裝備在精度方面的要求。

將三個單軸高精度加速度計組裝實現三個方向的加速度信號測量，該方案的優點是三個方向精度高，對單軸加速度計的敏感方向沒有要求，並且三個方向的敏感結構可以採用完全相同的工藝加工，因此一致性好、對微機電敏感結構的加工工藝要求不高，可以採用任何一種工藝路線；缺點是體積和功耗大，對組裝精度要求高，否則會導致各軸之間的交叉耦合係數很大，影響三軸加速度計的整體精度。典型產品包括Crossbow公司的TG和GP系列、Silicon Design公司的2470和2476系列等，如圖1、圖2所示。Crossbow公司的TG系列和GP系列三軸MEMS加速度傳感器產品量程從±2g到±10g，噪聲20μg/√Hz，交叉耦合1% 。

圖1 Crossbow三軸加速度傳感器

圖2 Silicon Sensing三軸加速度傳感器

三軸組裝的另一種途徑是將採用不同加工工藝且敏感方向不同的三個單軸MEMS加速度計在平面內組裝到一起，用於敏感三個方向的加速度信號。和前一種組裝方案相比，該方法顯著降低了組裝的複雜性，但由於不同敏感方向的加速度計通常採用不同的工作原理和加工工藝，各軸之間的一致性很難保證，所以通常不被高精度三軸MEMS加速度計所採用。

對於單片集成三軸MEMS加速度計，實現途徑主要有兩種：一種方案是採用一個敏感質量來敏感三個方向的加速度信號。該方案的優點是芯片體積小；缺點是各軸之間的交叉耦合大、器件精度較低。主要用於振動、衝擊和傾角測量等工業領域。另一種方案是將三個分立結構製作在一個芯片上，三個芯片在工作中是相互獨立的，分別用於敏感X向、Y向和Z向的加速度信號，相當於三個單軸加速度計。該方案的優點是三個軸向之間的交叉耦合小; 缺點是三個結構製作在一個芯片上，芯片體積偏大，若減小芯片體積則會導致每個敏感結構的尺寸都很小，導致加速度計整體精度較低。這種方法制作出三軸加速度計產品尺寸非常小，可以達到2 mm×2 mm×1 mm，但技術指標很低，分辨力超過10mg，主要用於消費領域，如手機、玩具、無人機等。

目前，產量較大的是性能較差的MEMS加速度計，開發低成本、低噪音、長期穩定性好、低溫度靈敏度的高精度加速度計仍然是一個挑戰。其難點之一是開發低應力、低漂移的高精度封裝技術；另一個主要難點是接口電路，其中需要高靈敏度、低噪聲和大動態範圍的低漂移讀出/控制電路。

2 MEMS陀螺儀

自20世紀80年代以來，對角速率敏感的MEMS陀螺儀受到越來越多的關注。根據性能指標，MEMS陀螺儀可分為速率級、戰術級和慣性級。速率級陀螺儀可用於消費類電子產品、手機、數碼相機、遊戲機和無線鼠標；戰術級陀螺儀適用於工業控制、智能汽車、火車、汽船等領域；慣性級陀螺儀可用於衛星、航空航天的導航、制導和控制。

根據不完全統計，研究MEMS陀螺儀的機構如下：斯坦福大學、密歇根大學、加州大學伯克利分校、歐文、洛杉磯、中東技術大學、弗萊堡大學、南安普敦大學、首爾國立大學、根特大學、清華大學、北京大學、東南大學、上海交通大學、浙江大學、博世、ST、InvenSense、NXP、ADI、TI等。目前，對MEMS陀螺儀的研究主要集中在以下幾個方面：①新材料、新制備技術和新工藝；②ASIC單片集成電路；③高真空度封裝；④新的結構和工作原理；⑤模式匹配控制，噪聲抑制和耦合信號抑制；⑥驅動模式的閉環控制；⑦自校準和溫度補償；⑧可靠性測試、失效分析和可靠性設計。

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MEMS陀螺主要有線振動型陀螺和諧振環型陀螺，前者工藝簡單，利於大批量、低成本生產；後者具有更高的理論精度但結構及原理更為複雜。

線振動型MEMS陀螺採用了兩個機械結構：一個構件諧振並耦合能量到第二個構件，同時對第二個構件的運動進行測量。儘管該方法能滿足很多場合的要求，但要達到導航級的要求還須進一步提高其性能。

環形結構，由於採用高度對稱的設計，所以能方便地考慮軸間耦合，而且對干擾振動不敏感，因此陀螺儀的敏感度得到有效提高。

環形MEMS陀螺諧振子經歷了單環環形、實心盤和多環環形的發展過程，測控電路經歷了角速率開環模式、力平衡模式和全角模式的發展過程，加工工藝經歷了SOG到SOI的發展過程，其輸出性能逐步提高。

美國加州大學歐文分校A. M. Shkel團隊利用多環環形諧振子錨點設計靈活、電極擺放自由的優勢，設計了錨點在外、電極在內的多環環形陀螺，工作在3θ模態下，Q值達到10萬以上。角度隨機遊走為0.047 ( °) /√h，短期零偏不穩定性為0.65 ( °) /h。

美國斯坦福大學Thomas W. Kenny團隊也利用多環環形陀螺電極擺放自由的優勢，將電極安置在環與環之間，其優勢在於相比於外環安置電極方法電極數量有成倍的增長。隨著電極數量的增多，驅動電容量與檢測電容量也隨之增大，只需較低電壓便可完成驅動與控制，同時也可提高檢測靈敏度。在模態匹配工作模式下，標度為1.37 mV/( ( °) ·s⁻¹) ，角度隨機遊走為0.29 ( °) /√h。為提升多環環形陀螺性能，此團隊還採用了許多方法。例如為了提升諧振子的品質因數，降低振型位移的誤差，在多環環形諧振子表面覆蓋了薄薄的一層氧化物，使得諧振子的表面粗糙度降低了10倍，提升了諧振子幾何參數的均勻性，品質因數提升了30%，艾倫方差零偏不穩定性為1.43 ( °) /h，角度隨機遊走為0.18 ( °) /√h。

2008年，噴氣推進實驗室(JPL)聯合伯克利大學採用自動增益控制(AGC)驅動閉環和力平衡檢測閉環方案，在FPGA平臺上實現了對多環環形MEMS陀螺的控制。該方案可對環路中的FIR濾波器以及環路增益進行配置，以適應不同結構參數的陀螺和陀螺老化帶來的參數變化問題，相對於模擬電路，更加靈活，零偏穩定性達到0.25 ( °)/h。

2014年，波音公司報道了一種包含驅動閉環、力平衡檢測閉環與環境干擾補償的多環環形MEMS陀螺。該陀螺利用半實物仿真工具實現了原型樣機的快速設計。陀螺諧振子的直徑為8 mm，品質因數為50000～100000，採用誤差建模和補償技術實現了0.01 ( °) /h的艾倫方差零偏不穩定性，0.0023 ( °) /√h的角度隨機遊走以及0.04 ( °)/h 的上電重複性，為當時報道過的MEMS陀螺的最高性能。

Sensonor公司的三軸陀螺儀STIM210，陀螺量程為±400 ( °)/s，全溫零偏誤差為10 ( °)/h，角度隨機遊走為0.15 ( °)/√h，如圖3所示。另外，國外的VTI、ST和InvenSense等公司研製了三軸單芯片集成的MEMS陀螺產品，如圖4所示。這些產品的誤差多集中在零偏穩定性幾十到幾百度每小時以內，線性度0.1%以上，多用於手機、體感控制等消費類電子領域。

圖3 Sensonor公司的三軸MEMS陀螺儀

圖4 InvenSense公司的三軸MEMS陀螺儀

2018 年，在意大利召開的第五屆慣性傳感器與系統國際研討會上，發佈了很多關於MEMS加速度計和MEMS陀螺的最新進展，說明MEMS技術研究已成為慣性傳感器領域不可忽略的重要組成部分。人工智能、自主導航等新興技術給MEMS慣性傳感器的發展帶來了機遇，也讓其面臨著更多的挑戰。

3 微慣性測量組合

微慣性測量組合（MIMU）是基於MEMS技術的新型慣性測量器件，用來測量物體的三軸角速度和三軸加速度信息，是實現微小型無人機、交通工具等導航制導的核心部件。

從20世紀90年代開始，美國軍事部門就很重視MEMS慣性器件在武器制導領域的應用與發展。

DARPA資助了一系列旨在演示驗證MEMS慣性器件應用於制導彈藥( 如炮彈、火箭彈等) 領域的相關計劃，研製的 MEMS 慣性制導系統體積不斷減小、精度和集成度不斷提升。目前，國外微慣性測量組合MIMU的實現途徑主要有兩種，其中一種是將三個單軸加速度傳感器和三個單軸陀螺儀通過立體組裝到一起分別實現三個方向加速度信號和角速度信號的測量。主要的廠家包括美國Honeywell公司、美國UTC公司、挪威Sensonor公司等，都研製出了微慣性測量組合產品，並且在無人機、航空制導炸彈、精確制導導彈等為代表的戰術武器中得到了工程驗證和應用。

美國Honeywell公司在獲得了Draper實驗室振動陀螺和扭擺式加速度傳感器的技術授權的基礎上，制定了圍繞MEMS慣性傳感器展開小型化和超小型化IMU的發展計劃，主要應用於武器系統制導中。其較成熟的產品包括精度較高的HG1900型MEMS慣性測量組合產品和HG1930抗高過載MEMS慣性測量組合產品，如圖5所示。其中HG1930由三個MEMS加速度傳感器和三個MEMS陀螺儀組裝。三個加速度傳感器和三個陀螺儀均為單軸模塊，和電源模塊與信號處理模塊共同完成六軸測量。陀螺的量程最大可達7200 ( °) /h，零偏重複性20 ( °) /h，加速度傳感器最大量程達到85g，零偏重複性5mg，整個系統功耗小於3W。

Honeywell公司HG1900型MIMU

UTC公司的微慣性測量組合慣性系統SiIMU02如圖6所示。系統中的集成式硅基MEMS陀螺零偏不穩定性6.5 ( °) /h，角度隨機遊走0.5 ( °) /√h，該產品已經廣泛應用於各類制導炮彈、制導火箭彈中。

圖6 UTC公司SiIMU02型MIMU

微慣性測量組合的另一個實現途徑是將多個MEMS敏感結構製作在一個芯片上，MEMS芯片和ASIC電路芯片通過引線鍵合連接達到六軸測量的目的，實現了更高的集成度和更小的體積。該方案可以把六軸敏感芯片和ASIC芯片共同封裝在一個陶瓷管殼內，形成的MIMU和目前單軸慣性器件體積相當。主要的生產廠家包括ST、Bosch、InvenSense、Maxim等。ST公司研製的LSM330慣性模塊能夠同時測量三個方向的加速度信號和三個方向的角速度信號，如圖7所示，角速度測量通道最大量程為±2000 ( °) /s，噪聲為3.8 ( ( °) ·s⁻¹) / √Hz，加速度測量通道最大量程為±16g，噪聲為90 μg/√Hz，整個器件尺寸僅為2.5 mm×3 mm×0.83 mm。

圖7 ST公司LSM330型MIMU

和立體組裝方案相比，敏感結構單片集成方案在體積、功耗等方面具有突出優勢，但目前採用該方法研製的MIMU普遍精度比較低，多用於消費和工業領域。

目前，國內研製的微型慣性測量單元，主要技術路線還是採用三個單軸加速度計和三個陀螺儀立體組裝方式集成，雖然產品指標能夠滿足一些現有領域的使用要求，但還存在體積偏大、安裝精度差、成本較高等問題。開展敏感結構六軸單片集成MIMU的研究，解決現有微型慣性測量單元存在問題，在保持現有單軸慣性器件測量精度的前提下，提高六軸MIMU的集成度，減小體積，將更大程度地拓展微慣性MIMU的應用領域，極大地提高我國導航制導系統的技術水平。

總之，MIMU正朝著高精度、小體積、集成化、實用化、高可靠的方向發展，在系統中的應用也越來越普遍。對成本和體積敏感的應用領域，勢必取代體積大、成本高的傳統慣性測量單元。

4 慣性微系統

慣性微系統是利用3D異構集成技術，將MEMS陀螺、微加速度計、壓力傳感器、磁傳感器和信號處理電路等在硅基片上進行集成，並內置導航定位算法，實現芯片級精確制導、導航、定位等功能，同時能夠與衛星導航共同組成組合導航系統，是裝備制導、導航和定位的核心部件。

美國國防部在20世紀90年代末率先提出了採用異質異構集成技術，將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合集成在一起，開發集成微系統的新概念。它的核心是按裝備功能發展的需要，多種先進元器件通過異質異構集成技術，以三維集成的結構形式設計、製造具有複雜功能的芯片級規格的微小型電子系統。集成微系統的探測能力、帶寬、速度將比現有系統提高100倍以上；同時，它的結構進一步微小型化和低功耗化，預期它的體積、重量和功耗都將比目前的系統下降2～3個數量級，這將極大地提高系統的機動性和隱蔽性。微系統技術將是21世紀各種先進裝備系統的核心。美國權威專家評價這是一項引發新一輪革命性裝備變革的重大創舉。

微系統技術是實現各類微型系統的基礎和支撐，是“賦予未來能力”的核心技術，具有微型化、數字化、智能化、多功能、高可靠、多信息融合等特點；通過採用微系統製造和集成技術，將不同材質和不同功能的芯片立體集成融合，將“電子學、光子學、MEMS、架構、算法”五大技術與“傳感+處理+通信+執行+能源”五大功能融為一體。使系統功能倍增的同時，大幅度降低體積重量，以滿足未來裝備對於功能集成度和智能化、輕量化的迫切需求。

美國國防部將微系統技術列為六大軍用關鍵技術之一，在上世紀90年代就專門設立微系統技術辦公室（Microsystems Technology Office，MTO）負責實施微系統的發展研究。美國政府以DARPA MTO牽頭組織的微系統技術發展資本每年約6億美元左右，帶動了約20億美元商業資本的投入，建立支撐微系統技術的工業能力體系。

共性關鍵技術方面，美國利用硅集成電路和MEMS的強有力技術基礎，建立了支撐微系統產品發展的技術平臺。功能單元集成方面，正在通過發展IC工藝、三維SIP封裝、圓片級三維封裝、芯片級SIC封裝、異質集成等技術，將深亞微米晶體管、微米級傳感器、執行器等集成在同一芯片上，研製芯片級多功能集成單元，以發展全譜信號獲取、信息處理、通訊、信令執行等智能化的芯片。

DARPA在2010年1月啟動了“定位、導航和授時微系統技術”(Micro-PNT)項目的研發工作，如圖8所示，該研究旨在利用微系統技術實現微型慣性導航系統。

圖8 美國Micro-PNT微系統結構圖

該項目提出的芯片級複合原子導航儀體積不大於20立方厘米，功耗不超過1W。項目完成後慣性導航系統的體積比目前減小4個數量級，重量降低2個數量級，角速度精度提高2個量級，加速度精度提高1個多數量級，如圖9所示。

圖9 美國Micro-PNT微系統研究目標

Micro-PNT項目的研究成果可以應用於多種未來作戰環境中，包括從單兵導航到無人機、無人潛航器和導彈的導航、指引和控制(NGC) 。通過Micro-PNT的研究，美軍希望提升慣性傳感器的動態應用範圍，降低時鐘和慣性傳感器的長期漂移，開發可以提供位置、方向和時間信息的超小系統。微尺度上的集成技術是Micro-PNT的重要研究內容，為了實現Micro-PNT系統的集成和微型化，就必須採用微系統集成與互聯工藝。

慣性微系統集成與互聯工藝主要涉及硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技術、晶圓級封裝（Wafer Level Packaging，WLP）技術和無源集成器件（Integrated Passive Devices，IPD）技術。

TSV技術是針對多層芯片層間互聯要求，製備TSV通孔並實現金屬化，獲得的金屬化通孔可實現層間信號的低損耗傳輸。通過製備金屬化TSV通孔以實現結構層信號連接輸出，採用3D垂直集成技術，可獲得高集成度，提升性能。由於TSV技術能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、芯片間互聯線最短、外形尺寸最小，並且大大改善芯片速度和低功耗的性能，成為目前電子封裝技術中最引人矚目的一種技術。

WLP技術：直接在晶圓上進行器件的封裝和測試，切割後，實現具備完整功能的芯片單元，且無需額外的塑料封裝和陶瓷封裝外殼。採用WLP技術可以有效顯效芯片尺寸，節約芯片封裝成本；滿足系統對微型化傳感器、電路單元的迫切需求。

IPD技術：在硅基片上進行慣性微系統所需的電阻、電容、電感等無源元件的集成，減少分立元件，具有小型化和提高系統性能的優勢。無論是減小整個產品的尺寸與重量，還是在現有的產品體積內增加功能，集成無源元件技術都能發揮很大的作用。

5 結論

綜上所述，未來MEMS慣性傳感器的發展主要有四個方向：

1) 高精度

導航、自動駕駛和個人穿戴設備等對慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細化測量需求和智能化的發展也對傳感器的精度提出了越來越高的要求。

2) 微型化

器件的微型化可以實現設備便攜性，滿足分佈式應用要求。微型化是未來智能傳感設備的發展趨勢，是實現萬物互聯的基礎。

3) 高集成度

無論是慣性測量單元還是慣性微系統都是為了提高器件的集成度，進而實現在更小的體積內具備更多的測量功能，滿足裝備小體積、低功耗、多功能的需求。

4) 適應性強

隨著MEMS慣性傳感器的應用範圍越來越廣泛，工作環境也會越來越複雜，例如：高溫、高壓、大慣量和高衝擊等，適應複雜環境能夠進一步拓寬MEMS慣性傳感器的應用範圍。