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浅谈MEMS惯性传感器

振动传感器 2020-06-01 67 0

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加速度计可以做什么?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。

目前,First Sensor推出的高精度惯性传感器的应用领域有:

(1)监测建筑物状态;(2)监测风力发电厂、太阳能发电厂、高压线路、水坝、管道等;(3)监测石油和天然气陆上/海上基础设施、核电站、天然气站和水电站等;(4)稳定和对准系统;(5)基础设施和运输;(6)导航。电容式惯性传感器及其背后的技术概念:小尺寸、低生产成本、低运行功耗MEMS惯性传感器可以对倾斜角度、加速度和振动进行电容式测量,主要依赖于先进的MEMS工艺和微型硅基传感器。形成的弹簧质量块宽度仅为几微米。在加速过程中,悬挂在弹簧上的质量块发生变化,从而可以测量电容变化。ASIC读取此电容变化值并提供测量值。在传感器生产过程中,质量块和弹簧与硅衬底分离。这样的结构厚度通常仅为千分之一毫米。由于尺寸小,MEMS可以实现量产并且消耗很少的能量。

MEMS惯性传感器的核心技术

(1)单晶硅传感器芯片;(2)高性能ASIC(专用集成电路)芯片;(2)上述两颗芯片的外壳。First Sensor的MEMS惯性传感器性能数据

惯性传感器核心:单晶硅传感器芯片

几乎所有MEMS器件的核心都是硅基传感器芯片,通常采用体微加工或表面微加工工艺制造。然而,First Sensor公司已经采用HARMS(高宽比微结构)工艺和AIM(气隙绝缘微结构)工艺的新技术。前者通过实现具有高宽比的微结构来最小化交叉轴灵敏度。后者通过使用气隙隔离组件,因此使寄生电容最小化。因此,MEMS技术能提供比所有传统制造的惯性传感器组合更多优势。First Sensor惯性传感器在测量加速度、倾角和振动方面的优势(1)灵活的MEMS设计:测量范围为 1~15 g;(2)四款标准传感器:四种不同测量范围,最佳适用范围(弹簧质量原理);(3)一颗传感器测量两个轴:易于使用;(4)具有高宽比的硅基微结构:超低X轴灵敏度;抗疲劳;长期稳定;(5)气隙绝缘微结构:有限的寄生电容;由于缺少SiO2层,机械应力有限;出色的温度稳定性,易于校准。不同加工工艺的比较结果

传感器大脑:高性能ASIC芯片如上所述,硅基传感器芯片是MEMS惯性传感器的核心,ASIC芯片则是大脑。ASIC芯片读取硅基传感器芯片的电容信号并以数字方式传输测量值。高性能ASIC芯片的特点有:(1)极低噪声的电容检测;(2)在高动态范围具有高分辨率;(3)对标称和差分电容范围的最佳支持;(4)灵活的信号滤波器;(5)数字SPI接口(可配置型传感器ASIC系统,读出传感器数据)。传感器外壳:密封外壳将两颗芯片进行封装的外壳不仅要允许传感器执行,还必须具有成本效益,以便生产和实施。MEMS外壳的特点有:(1)内部设计可根据各种应用进行调整;(2)密封外壳;(3)陶瓷基板;(4)经济高效的中小批量生产。

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