自上世紀(jì)90年代以來，針對MEMS慣性器件的研究也越來越多，MEMS慣性傳感器開始得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。本文對部分MEMS慣性傳感器國內(nèi)外的新近研究成果進(jìn)行了分類與歸納，分別對MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀和微慣性測量組合以及慣性微系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析，對MEMS慣性傳感器發(fā)展趨勢進(jìn)行了初步推斷，認(rèn)為未來MEMS慣性傳感器的發(fā)展主要有四個(gè)方向：

高精度，以滿足日益精細(xì)化、智能化的應(yīng)用需求；

微型化，以實(shí)現(xiàn)便攜、分布式應(yīng)用要求；

高集成度，以完成多種功能高密度組合；

適應(yīng)性強(qiáng)，以適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，拓寬應(yīng)用范圍。

引言

MEMS，簡稱“微機(jī)電系統(tǒng)”，一般被認(rèn)為是由微型傳感器、微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)和微電子電路組成的微型系統(tǒng)。由于微電子技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)達(dá)的技術(shù)，MEMS的研究和開發(fā)主要集中在微型傳感器和執(zhí)行器的研究和開發(fā)。MEMS器件和微加工技術(shù)具有三個(gè)特點(diǎn)，即小型化（Miniaturization）、微電子集成（Microelectronics integration）及高精度的批量制造（Mass fabrication with precision），簡稱為3M。隨著人類社會的消費(fèi)升級，MEMS技術(shù)迎來的爆發(fā)式增長，各種類型的MEMS傳感器也被廣泛地應(yīng)用于航空航天、石油化工、船舶汽車、生活家居以及醫(yī)療健康等領(lǐng)域。

慣性傳感器是對物理運(yùn)動做出反應(yīng)的器件，如線性位移或角度旋轉(zhuǎn)，并將這種反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號，通過電子電路進(jìn)行放大和處理。加速度計(jì)和陀螺儀是最常見的兩大類MEMS慣性傳感器。加速度計(jì)是敏感軸向加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器；陀螺儀是能夠敏感運(yùn)動體相對于慣性空間的運(yùn)動角速度的傳感器。三個(gè)MEMS加速度計(jì)和三個(gè)MEMS陀螺儀組合形成可以敏感載體3個(gè)方向的線加速度和3個(gè)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(tǒng)利用三維異構(gòu)集成技術(shù)，將MEMS加速度計(jì)、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(nèi)，并內(nèi)置算法，實(shí)現(xiàn)芯片級制導(dǎo)、導(dǎo)航、定位等功能。

MEMS慣性傳感器的研究成果對于物體的制導(dǎo)、導(dǎo)航，各類型交通工具的自動駕駛以及各種智能穿戴設(shè)備的應(yīng)用具有重要意義，本文針對MEMS慣性傳感器進(jìn)行了研究現(xiàn)狀的綜述和發(fā)展趨勢的分析，旨在為MEMS慣性傳感器的未來發(fā)展提供參考。

1、MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)是MEMS領(lǐng)域最早開始研究的傳感器之一。經(jīng)過多年的發(fā)展，MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。根據(jù)敏感機(jī)理不同，MEMS加速度計(jì)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(jì)容易受到壓阻材料影響，溫度效應(yīng)嚴(yán)重、靈敏度低，橫向靈敏度大，精度不高。熱流式加速度計(jì)受傳熱介質(zhì)本身的特性限制，器件頻率響應(yīng)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(jì)主要用于對精度要求不高的民用領(lǐng)域或軍事領(lǐng)域中的高g值測量。諧振式微加速度計(jì)理論上可以達(dá)到導(dǎo)航級的精度，但目前技術(shù)狀態(tài)還達(dá)不到實(shí)用化。而電容式硅微加速度計(jì)由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的MEMS加速度計(jì)。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(jì)的精度也在不斷提升。

國外眾多研究機(jī)構(gòu)和慣性器件廠商都開展了MEMS加速度計(jì)技術(shù)研究，如美國的Draper實(shí)驗(yàn)室、Michigan大學(xué)、加州大學(xué)Berkley分校、瑞士Neuchatel大學(xué)、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(shí)驗(yàn)室為代表的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的主要工作在于提升MEMS加速度計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。能夠提供實(shí)用化MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品的主要廠家有ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco和瑞士的Colibrys公司。

目前，硅微加速度計(jì)的主要發(fā)展趨勢是高精度、集成化和小型化，大部分采用集成化封裝，并在此基礎(chǔ)上不斷朝著高精度、數(shù)字化和高可靠性的方向發(fā)展。這主要得益于MEMS加工工藝的快速發(fā)展和數(shù)字ASIC電路檢測能力的不斷提升。MEMS敏感結(jié)構(gòu)采用硅硅鍵合，敏感結(jié)構(gòu)厚度不斷增加，ASIC采用數(shù)字化電路，不僅檢測能力提高，還可以在后續(xù)環(huán)路中增加各種補(bǔ)償環(huán)節(jié)，有利于提高M(jìn)EMS加速度計(jì)的性能。

在慣性測量應(yīng)用中，通常需要測量空間三個(gè)方向的加速度信號。為了保證MEMS加速度計(jì)的精度，大多采用三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)立體組裝的形式來實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的加速度信號測量。隨著測量設(shè)備進(jìn)一步朝著微型化方向發(fā)展，對三軸MEMS加速度計(jì)的集成度提出了更高的需求，采用三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)測量三個(gè)方向加速度信號的方案已經(jīng)不能滿足設(shè)備小型化的要求。目前已經(jīng)有眾多公司開展了三軸單片集成MEMS加速度計(jì)的研究，但主要集中在低精度領(lǐng)域，研制的三軸MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品主要用于振動、沖擊測量、手機(jī)、游戲等工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域，不能滿足高端裝備在精度方面的要求。