自上世紀(jì)90年代以來，針對(duì)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(duì)部分MEMS慣性傳感器國(guó)內(nèi)外的新近研究成果進(jìn)行了分類與歸納，分別對(duì)MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀和微慣性測(cè)量組合以及慣性微系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析，對(duì)MEMS慣性傳感器發(fā)展趨勢(shì)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(jiǎn)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(jiǎn)稱為3M。隨著人類社會(huì)的消費(fèi)升級(jí)，MEMS技術(shù)迎來的爆發(fā)式增長(zhǎng)，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(duì)物理運(yùn)動(dòng)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(hào)，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(hào)的傳感器；陀螺儀是能夠敏感運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)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(cè)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(hào)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(jí)制導(dǎo)、導(dǎo)航、定位等功能。

MEMS慣性傳感器的研究成果對(duì)于物體的制導(dǎo)、導(dǎo)航，各類型交通工具的自動(dòng)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(duì)MEMS慣性傳感器進(jìn)行了研究現(xiàn)狀的綜述和發(fā)展趨勢(shì)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(duì)精度要求不高的民用領(lǐng)域或軍事領(lǐng)域中的高g值測(cè)量。諧振式微加速度計(jì)理論上可以達(dá)到導(dǎo)航級(jí)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(cè)能力提高，電容式MEMS加速度計(jì)的精度也在不斷提升。

國(guó)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(guó)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(guó)Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco公司、瑞士的Colibrys公司、英國(guó)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(shì)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(cè)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(cè)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(cè)量應(yīng)用中，通常需要測(cè)量空間三個(gè)方向的加速度信號(hào)。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(hào)測(cè)量。隨著測(cè)量設(shè)備進(jìn)一步朝著微型化方向發(fā)展，對(duì)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(cè)量三個(gè)方向加速度信號(hào)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(dòng)、沖擊測(cè)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。

將三個(gè)單軸高精度加速度計(jì)組裝實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的加速度信號(hào)測(cè)量，該方案的優(yōu)點(diǎn)是三個(gè)方向精度高，對(duì)單軸加速度計(jì)的敏感方向沒有要求，并且三個(gè)方向的敏感結(jié)構(gòu)可以采用完全相同的工藝加工，因此一致性好、對(duì)微機(jī)電敏感結(jié)構(gòu)的加工工藝要求不高，可以采用任何一種工藝路線；缺點(diǎn)是體積和功耗大，對(duì)組裝精度要求高，否則會(huì)導(dǎo)致各軸之間的交叉耦合系數(shù)很大，影響三軸加速度計(jì)的整體精度。典型產(chǎn)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(chǎn)品量程從±2g到±10g，噪聲20μg/√Hz，交叉耦合1% 。

三軸組裝的另一種途徑是將采用不同加工工藝且敏感方向不同的三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)在平面內(nèi)組裝到一起，用于敏感三個(gè)方向的加速度信號(hào)。和前一種組裝方案相比，該方法顯著降低了組裝的復(fù)雜性，但由于不同敏感方向的加速度計(jì)通常采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(jì)所采用。

對(duì)于單片集成三軸MEMS加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)途徑主要有兩種：

一種方案是采用一個(gè)敏感質(zhì)量來敏感三個(gè)方向的加速度信號(hào)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是芯片體積??；缺點(diǎn)是各軸之間的交叉耦合大、器件精度較低。主要用于振動(dòng)、沖擊和傾角測(cè)量等工業(yè)領(lǐng)域。

另一種方案是將三個(gè)分立結(jié)構(gòu)制作在一個(gè)芯片上，三個(gè)芯片在工作中是相互獨(dú)立的，分別用于敏感X向、Y向和Z向的加速度信號(hào)，相當(dāng)于三個(gè)單軸加速度計(jì)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是三個(gè)軸向之間的交叉耦合小; 缺點(diǎn)是三個(gè)結(jié)構(gòu)制作在一個(gè)芯片上，芯片體積偏大，若減小芯片體積則會(huì)導(dǎo)致每個(gè)敏感結(jié)構(gòu)的尺寸都很小，導(dǎo)致加速度計(jì)整體精度較低。這種方法制作出三軸加速度計(jì)產(chǎn)品尺寸非常小，可以達(dá)到2mm×2mm×1mm，但技術(shù)指標(biāo)很低，分辨力超過10mg，主要用于消費(fèi)領(lǐng)域，如手機(jī)、玩具、無人機(jī)等。

目前，產(chǎn)量較大的是性能較差的MEMS加速度計(jì)，開發(fā)低成本、低噪音、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、低溫度靈敏度的高精度加速度計(jì)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。其難點(diǎn)之一是開發(fā)低應(yīng)力、低漂移的高精度封裝技術(shù)；另一個(gè)主要難點(diǎn)是接口電路，其中需要高靈敏度、低噪聲和大動(dòng)態(tài)范圍的低漂移讀出/控制電路。

2、MEMS陀螺儀

自20世紀(jì)80年代以來，對(duì)角速率敏感的MEMS陀螺儀受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)性能指標(biāo)，MEMS陀螺儀可分為速率級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和慣性級(jí)。速率級(jí)陀螺儀可用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)和無線鼠標(biāo)；戰(zhàn)術(shù)級(jí)陀螺儀適用于工業(yè)控制、智能汽車、火車、汽船等領(lǐng)域；慣性級(jí)陀螺儀可用于衛(wèi)星、航空航天的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制。

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，研究MEMS陀螺儀的機(jī)構(gòu)如下：斯坦福大學(xué)、密歇根大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、歐文、洛杉磯、中東技術(shù)大學(xué)、弗萊堡大學(xué)、南安普敦大學(xué)、首爾國(guó)立大學(xué)、根特大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、博世、ST、InvenSense、NXP、ADI、TI等。目前，對(duì)MEMS陀螺儀的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：①新材料、新制備技術(shù)和新工藝；②ASIC單片集成電路；③高真空度封裝；④新的結(jié)構(gòu)和工作原理；⑤模式匹配控制，噪聲抑制和耦合信號(hào)抑制；⑥驅(qū)動(dòng)模式的閉環(huán)控制；⑦自校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償；⑧可靠性測(cè)試、失效分析和可靠性設(shè)計(jì)。

MEMS陀螺主要有線振動(dòng)型陀螺和諧振環(huán)型陀螺，前者工藝簡(jiǎn)單，利于大批量、低成本生產(chǎn)；后者具有更高的理論精度但結(jié)構(gòu)及原理更為復(fù)雜。

線振動(dòng)型MEMS陀螺采用了兩個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)：一個(gè)構(gòu)件諧振并耦合能量到第二個(gè)構(gòu)件，同時(shí)對(duì)第二個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。盡管該方法能滿足很多場(chǎng)合的要求，但要達(dá)到導(dǎo)航級(jí)的要求還須進(jìn)一步提高其性能。

環(huán)形結(jié)構(gòu)，由于采用高度對(duì)稱的設(shè)計(jì)，所以能方便地考慮軸間耦合，而且對(duì)干擾振動(dòng)不敏感，因此陀螺儀的敏感度得到有效提高。

環(huán)形MEMS陀螺諧振子經(jīng)歷了單環(huán)環(huán)形、實(shí)心盤和多環(huán)環(huán)形的發(fā)展過程，測(cè)控電路經(jīng)歷了角速率開環(huán)模式、力平衡模式和全角模式的發(fā)展過程，加工工藝經(jīng)歷了SOG到SOI的發(fā)展過程，其輸出性能逐步提高。

美國(guó)加州大學(xué)歐文分校A.M.Shkel團(tuán)隊(duì)利用多環(huán)環(huán)形諧振子錨點(diǎn)設(shè)計(jì)靈活、電極擺放自由的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了錨點(diǎn)在外、電極在內(nèi)的多環(huán)環(huán)形陀螺，工作在3θ模態(tài)下，Q值達(dá)到10萬以上。角度隨機(jī)游走為0.047（°）/√h，短期零偏不穩(wěn)定性為0.65（°）/h。

美國(guó)斯坦福大學(xué)Thomas W.Kenny團(tuán)隊(duì)也利用多環(huán)環(huán)形陀螺電極擺放自由的優(yōu)勢(shì)，將電極安置在環(huán)與環(huán)之間，其優(yōu)勢(shì)在于相比于外環(huán)安置電極方法電極數(shù)量有成倍的增長(zhǎng)。隨著電極數(shù)量的增多，驅(qū)動(dòng)電容量與檢測(cè)電容量也隨之增大，只需較低電壓便可完成驅(qū)動(dòng)與控制，同時(shí)也可提高檢測(cè)靈敏度。在模態(tài)匹配工作模式下，標(biāo)度為1.37 mV/（（°）·s?1） ，角度隨機(jī)游走為0.29（°）/√h。為提升多環(huán)環(huán)形陀螺性能，此團(tuán)隊(duì)還采用了許多方法。例如為了提升諧振子的品質(zhì)因數(shù)，降低振型位移的誤差，在多環(huán)環(huán)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(shù)的均勻性，品質(zhì)因數(shù)提升了30%，艾倫方差零偏不穩(wěn)定性為1.43（°）/h，角度隨機(jī)游走為0.18（°）/√h。

2008年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）聯(lián)合伯克利大學(xué)采用自動(dòng)增益控制（AGC）驅(qū)動(dòng)閉環(huán)和力平衡檢測(cè)閉環(huán)方案，在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)多環(huán)環(huán)形MEMS陀螺的控制。該方案可對(duì)環(huán)路中的FIR濾波器以及環(huán)路增益進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的陀螺和陀螺老化帶來的參數(shù)變化問題，相對(duì)于模擬電路，更加靈活，零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.25（°）/h。

2014年，波音公司報(bào)道了一種包含驅(qū)動(dòng)閉環(huán)、力平衡檢測(cè)閉環(huán)與環(huán)境干擾補(bǔ)償?shù)亩喹h(huán)環(huán)形MEMS陀螺。該陀螺利用半實(shí)物仿真工具實(shí)現(xiàn)了原型樣機(jī)的快速設(shè)計(jì)。陀螺諧振子的直徑為8 mm，品質(zhì)因數(shù)為50000～100000，采用誤差建模和補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)了0.01（°）/h的艾倫方差零偏不穩(wěn)定性，0.0023（°）/√h的角度隨機(jī)游走以及0.04（°）/h 的上電重復(fù)性，為當(dāng)時(shí)報(bào)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(jī)游走為0.15（°）/√h，如圖3所示。另外，國(guó)外的VTI、ST和InvenSense等公司研制了三軸單芯片集成的MEMS陀螺產(chǎn)品，如圖4所示。這些產(chǎn)品的誤差多集中在零偏穩(wěn)定性幾十到幾百度每小時(shí)以內(nèi)，線性度0.1%以上，多用于手機(jī)、體感控制等消費(fèi)類電子領(lǐng)域。

2018 年，在意大利召開的第五屆慣性傳感器與系統(tǒng)國(guó)際研討會(huì)上，發(fā)布了很多關(guān)于MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺的最新進(jìn)展，說明MEMS技術(shù)研究已成為慣性傳感器領(lǐng)域不可忽略的重要組成部分。人工智能、自主導(dǎo)航等新興技術(shù)給MEMS慣性傳感器的發(fā)展帶來了機(jī)遇，也讓其面臨著更多的挑戰(zhàn)。

3、微慣性測(cè)量組合

微慣性測(cè)量組合（MIMU）是基于MEMS技術(shù)的新型慣性測(cè)量器件，用來測(cè)量物體的三軸角速度和三軸加速度信息，是實(shí)現(xiàn)微小型無人機(jī)、交通工具等導(dǎo)航制導(dǎo)的核心部件。

從20世紀(jì)90年代開始，美國(guó)軍事部門就很重視MEMS慣性器件在武器制導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

DARPA資助了一系列旨在演示驗(yàn)證MEMS慣性器件應(yīng)用于制導(dǎo)彈藥（如炮彈、火箭彈等）領(lǐng)域的相關(guān)計(jì)劃，研制的 MEMS 慣性制導(dǎo)系統(tǒng)體積不斷減小、精度和集成度不斷提升。

目前，國(guó)外微慣性測(cè)量組合MIMU的實(shí)現(xiàn)途徑主要有兩種，其中一種是將三個(gè)單軸加速度傳感器和三個(gè)單軸陀螺儀通過立體組裝到一起分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向加速度信號(hào)和角速度信號(hào)的測(cè)量。主要的廠家包括美國(guó)Honeywell公司、美國(guó)UTC公司、挪威Sensonor公司等，都研制出了微慣性測(cè)量組合產(chǎn)品，并且在無人機(jī)、航空制導(dǎo)炸彈、精確制導(dǎo)導(dǎo)彈等為代表的戰(zhàn)術(shù)武器中得到了工程驗(yàn)證和應(yīng)用。

美國(guó)Honeywell公司在獲得了Draper實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)陀螺和扭擺式加速度傳感器的技術(shù)授權(quán)的基礎(chǔ)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(fā)展計(jì)劃，主要應(yīng)用于武器系統(tǒng)制導(dǎo)中。其較成熟的產(chǎn)品包括精度較高的HG1900型MEMS慣性測(cè)量組合產(chǎn)品和HG1930抗高過載MEMS慣性測(cè)量組合產(chǎn)品，如圖5所示。其中HG1930由三個(gè)MEMS加速度傳感器和三個(gè)MEMS陀螺儀組裝。三個(gè)加速度傳感器和三個(gè)陀螺儀均為單軸模塊，和電源模塊與信號(hào)處理模塊共同完成六軸測(cè)量。陀螺的量程最大可達(dá)7200（°）/h，零偏重復(fù)性20（°）/h，加速度傳感器最大量程達(dá)到85g，零偏重復(fù)性5mg，整個(gè)系統(tǒng)功耗小于3W。

UTC公司的微慣性測(cè)量組合慣性系統(tǒng)SiIMU02如圖6所示。系統(tǒng)中的集成式硅基MEMS陀螺零偏不穩(wěn)定性6.5（°）/h，角度隨機(jī)游走0.5（°）/√h，該產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類制導(dǎo)炮彈、制導(dǎo)火箭彈中。

微慣性測(cè)量組合的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)途徑是將多個(gè)MEMS敏感結(jié)構(gòu)制作在一個(gè)芯片上，MEMS芯片和ASIC電路芯片通過引線鍵合連接達(dá)到六軸測(cè)量的目的，實(shí)現(xiàn)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(gè)陶瓷管殼內(nèi)，形成的MIMU和目前單軸慣性器件體積相當(dāng)。主要的生產(chǎn)廠家包括ST、Bosch、InvenSense、Maxim等。ST公司研制的LSM330慣性模塊能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)方向的加速度信號(hào)和三個(gè)方向的角速度信號(hào)，如圖7所示，角速度測(cè)量通道最大量程為±2000（°）/s，噪聲為3.8（（ °）·s?1）/√Hz，加速度測(cè)量通道最大量程為±16g，噪聲為90μg/√Hz，整個(gè)器件尺寸僅為2.5 mm×3 mm×0.83 mm。

和立體組裝方案相比，敏感結(jié)構(gòu)單片集成方案在體積、功耗等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，但目前采用該方法研制的MIMU普遍精度比較低，多用于消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域。

目前，國(guó)內(nèi)研制的微型慣性測(cè)量單元，主要技術(shù)路線還是采用三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀立體組裝方式集成，雖然產(chǎn)品指標(biāo)能夠滿足一些現(xiàn)有領(lǐng)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(jié)構(gòu)六軸單片集成MIMU的研究，解決現(xiàn)有微型慣性測(cè)量單元存在問題，在保持現(xiàn)有單軸慣性器件測(cè)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(yīng)用領(lǐng)域，極大地提高我國(guó)導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)的技術(shù)水平。

總之，MIMU正朝著高精度、小體積、集成化、實(shí)用化、高可靠的方向發(fā)展，在系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越普遍。對(duì)成本和體積敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，勢(shì)必取代體積大、成本高的傳統(tǒng)慣性測(cè)量單元。

4、慣性微系統(tǒng)

慣性微系統(tǒng)是利用3D異構(gòu)集成技術(shù)，將MEMS陀螺、微加速度計(jì)、壓力傳感器、磁傳感器和信號(hào)處理電路等在硅基片上進(jìn)行集成，并內(nèi)置導(dǎo)航定位算法，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)精確制導(dǎo)、導(dǎo)航、定位等功能，同時(shí)能夠與衛(wèi)星導(dǎo)航共同組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是裝備制導(dǎo)、導(dǎo)航和定位的核心部件。

美國(guó)國(guó)防部在20世紀(jì)90年代末率先提出了采用異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)，將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合集成在一起，開發(fā)集成微系統(tǒng)的新概念。它的核心是按裝備功能發(fā)展的需要，多種先進(jìn)元器件通過異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)，以三維集成的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、制造具有復(fù)雜功能的芯片級(jí)規(guī)格的微小型電子系統(tǒng)。集成微系統(tǒng)的探測(cè)能力、帶寬、速度將比現(xiàn)有系統(tǒng)提高100倍以上；同時(shí)，它的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步微小型化和低功耗化，預(yù)期它的體積、重量和功耗都將比目前的系統(tǒng)下降2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，這將極大地提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性。微系統(tǒng)技術(shù)將是21世紀(jì)各種先進(jìn)裝備系統(tǒng)的核心。美國(guó)權(quán)威專家評(píng)價(jià)這是一項(xiàng)引發(fā)新一輪革命性裝備變革的重大創(chuàng)舉。

微系統(tǒng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各類微型系統(tǒng)的基礎(chǔ)和支撐，是“賦予未來能力”的核心技術(shù)，具有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能、高可靠、多信息融合等特點(diǎn)；通過采用微系統(tǒng)制造和集成技術(shù)，將不同材質(zhì)和不同功能的芯片立體集成融合，將“電子學(xué)、光子學(xué)、MEMS、架構(gòu)、算法”五大技術(shù)與“傳感+處理+通信+執(zhí)行+能源”五大功能融為一體。使系統(tǒng)功能倍增的同時(shí)，大幅度降低體積重量，以滿足未來裝備對(duì)于功能集成度和智能化、輕量化的迫切需求。

美國(guó)國(guó)防部將微系統(tǒng)技術(shù)列為六大軍用關(guān)鍵技術(shù)之一，在上世紀(jì)90年代就專門設(shè)立微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（Microsystems Technology Office，MTO）負(fù)責(zé)實(shí)施微系統(tǒng)的發(fā)展研究。美國(guó)政府以DARPA MTO牽頭組織的微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展資本每年約6億美元左右，帶動(dòng)了約20億美元商業(yè)資本的投入，建立支撐微系統(tǒng)技術(shù)的工業(yè)能力體系。

共性關(guān)鍵技術(shù)方面，美國(guó)利用硅集成電路和MEMS的強(qiáng)有力技術(shù)基礎(chǔ)，建立了支撐微系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展的技術(shù)平臺(tái)。功能單元集成方面，正在通過發(fā)展IC工藝、三維SIP封裝、圓片級(jí)三維封裝、芯片級(jí)SIC封裝、異質(zhì)集成等技術(shù)，將深亞微米晶體管、微米級(jí)傳感器、執(zhí)行器等集成在同一芯片上，研制芯片級(jí)多功能集成單元，以發(fā)展全譜信號(hào)獲取、信息處理、通訊、信令執(zhí)行等智能化的芯片。

DARPA在2010年1月啟動(dòng)了“定位、導(dǎo)航和授時(shí)微系統(tǒng)技術(shù)”（Micro-PNT）項(xiàng)目的研發(fā)工作，如圖8所示，該研究旨在利用微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

該項(xiàng)目提出的芯片級(jí)復(fù)合原子導(dǎo)航儀體積不大于20立方厘米，功耗不超過1W。項(xiàng)目完成后慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的體積比目前減小4個(gè)數(shù)量級(jí)，重量降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，角速度精度提高2個(gè)量級(jí)，加速度精度提高1個(gè)多數(shù)量級(jí)，如圖9所示。

Micro-PNT項(xiàng)目的研究成果可以應(yīng)用于多種未來作戰(zhàn)環(huán)境中，包括從單兵導(dǎo)航到無人機(jī)、無人潛航器和導(dǎo)彈的導(dǎo)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(dòng)態(tài)應(yīng)用范圍，降低時(shí)鐘和慣性傳感器的長(zhǎng)期漂移，開發(fā)可以提供位置、方向和時(shí)間信息的超小系統(tǒng)。微尺度上的集成技術(shù)是Micro-PNT的重要研究?jī)?nèi)容，為了實(shí)現(xiàn)Micro-PNT系統(tǒng)的集成和微型化，就必須采用微系統(tǒng)集成與互聯(lián)工藝。

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

TSV技術(shù)是針對(duì)多層芯片層間互聯(lián)要求，制備TSV通孔并實(shí)現(xiàn)金屬化，獲得的金屬化通孔可實(shí)現(xiàn)層間信號(hào)的低損耗傳輸。通過制備金屬化TSV通孔以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層信號(hào)連接輸出，采用3D垂直集成技術(shù)，可獲得高集成度，提升性能。由于TSV技術(shù)能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、芯片間互聯(lián)線最短、外形尺寸最小，并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(shù)中最引人矚目的一種技術(shù)。

WLP技術(shù)：直接在晶圓上進(jìn)行器件的封裝和測(cè)試，切割后，實(shí)現(xiàn)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。采用WLP技術(shù)可以有效顯效芯片尺寸，節(jié)約芯片封裝成本；滿足系統(tǒng)對(duì)微型化傳感器、電路單元的迫切需求。

IPD技術(shù)：在硅基片上進(jìn)行慣性微系統(tǒng)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(tǒng)性能的優(yōu)勢(shì)。無論是減小整個(gè)產(chǎn)品的尺寸與重量，還是在現(xiàn)有的產(chǎn)品體積內(nèi)增加功能，集成無源元件技術(shù)都能發(fā)揮很大的作用。

5、結(jié)論

綜上所述，未來MEMS慣性傳感器的發(fā)展主要有四個(gè)方向：

1） 高精度

導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛和個(gè)人穿戴設(shè)備等對(duì)慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細(xì)化測(cè)量需求和智能化的發(fā)展也對(duì)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(shí)現(xiàn)設(shè)備便攜性，滿足分布式應(yīng)用要求。微型化是未來智能傳感設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)。

3）高集成度

無論是慣性測(cè)量單元還是慣性微系統(tǒng)都是為了提高器件的集成度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在更小的體積內(nèi)具備更多的測(cè)量功能，滿足裝備小體積、低功耗、多功能的需求。

4）適應(yīng)性強(qiáng)

隨著MEMS慣性傳感器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，工作環(huán)境也會(huì)越來越復(fù)雜，例如：高溫、高壓、大慣量和高沖擊等，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能夠進(jìn)一步拓寬MEMS慣性傳感器的應(yīng)用范圍。

作者：卞玉民1， 胡英杰2， 李博1，徐淑靜1，楊擁軍1

作者單位：1、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 2、河北美泰電子科技有限公司