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淺談MEMS慣性傳感器

振動傳感器 2020-06-01 278 0

據麥姆斯咨詢報道,高精度慣性傳感器主要用于工業、國防和航空航天領域的傾角、加速度振動測量。慣性傳感器作為MEMS器件,以單晶硅傳感器元件為基礎,采用最新的微機械加工技術制造。各種慣性傳感器產品采用的微機械加工工藝可能有所不同,但都各有特點。由First Sensor公司開發的用于MEMS產品的微機械加工工藝,推出的創新產品系列包括加速度計等慣性傳感器,并結合了以前版本的優點。這將有利于提高MEMS產品性能,高度改善性價比,用于更多的新應用,如地質工程、狀態監測、導航和機器人等。高精度MEMS加速度計可以做什么?微型MEMS加速度計可以測量物體在空間三個維度的加速度。

MEMS慣性傳感器是經證明為非常堅固、可靠、快速且溫度穩定的先進產品,還能夠檢測位置和加速度的最小變化。

上圖中的傾角計可以達到的極高分辨率,甚至可以檢測直徑為100μm的單根頭發通過10米長木板引起的偏轉,相當于僅0.0005°(2弧秒或10μm/ m)的偏轉。數字化未來物聯網的關鍵技術包括MEMS傳感器。持續的數字化推動MEMS加速度計和傾角計也加入其中。例如,未來慣性傳感器將可以實現智能編程,并將配備微控制器、微型電池或微型無線射頻芯片,以便在線發送測量數據。

目前,First Sensor推出的高精度慣性傳感器的應用領域有:

(1)監測建筑物狀態;(2)監測風力發電廠、太陽能發電廠、高壓線路、水壩、管道等;(3)監測石油和天然氣陸上/海上基礎設施、核電站、天然氣站和水電站等;(4)穩定和對準系統;(5)基礎設施和運輸;(6)導航。電容式慣性傳感器及其背后的技術概念:小尺寸、低生產成本、低運行功耗MEMS慣性傳感器可以對傾斜角度、加速度和振動進行電容式測量,主要依賴于先進的MEMS工藝和微型硅基傳感器。形成的彈簧質量塊寬度僅為幾微米。在加速過程中,懸掛在彈簧上的質量塊發生變化,從而可以測量電容變化。ASIC讀取此電容變化值并提供測量值。在傳感器生產過程中,質量塊和彈簧與硅襯底分離。這樣的結構厚度通常僅為千分之一毫米。由于尺寸小,MEMS可以實現量產并且消耗很少的能量。

MEMS慣性傳感器的核心技術

(1)單晶硅傳感器芯片;(2)高性能ASIC(專用集成電路)芯片;(2)上述兩顆芯片的外殼。First Sensor的MEMS慣性傳感器性能數據

慣性傳感器核心:單晶硅傳感器芯片

幾乎所有MEMS器件的核心都是硅基傳感器芯片,通常采用體微加工或表面微加工工藝制造。然而,First Sensor公司已經采用HARMS(高寬比微結構)工藝和AIM(氣隙絕緣微結構)工藝的新技術。前者通過實現具有高寬比的微結構來最小化交叉軸靈敏度。后者通過使用氣隙隔離組件,因此使寄生電容最小化。因此,MEMS技術能提供比所有傳統制造的慣性傳感器組合更多優勢。First Sensor慣性傳感器在測量加速度、傾角和振動方面的優勢(1)靈活的MEMS設計:測量范圍為 1~15 g;(2)四款標準傳感器:四種不同測量范圍,最佳適用范圍(彈簧質量原理);(3)一顆傳感器測量兩個軸:易于使用;(4)具有高寬比的硅基微結構:超低X軸靈敏度;抗疲勞;長期穩定;(5)氣隙絕緣微結構:有限的寄生電容;由于缺少SiO2層,機械應力有限;出色的溫度穩定性,易于校準。不同加工工藝的比較結果

傳感器大腦:高性能ASIC芯片如上所述,硅基傳感器芯片是MEMS慣性傳感器的核心,ASIC芯片則是大腦。ASIC芯片讀取硅基傳感器芯片的電容信號并以數字方式傳輸測量值。高性能ASIC芯片的特點有:(1)極低噪聲的電容檢測;(2)在高動態范圍具有高分辨率;(3)對標稱和差分電容范圍的最佳支持;(4)靈活的信號濾波器;(5)數字SPI接口(可配置型傳感器ASIC系統,讀出傳感器數據)。傳感器外殼:密封外殼將兩顆芯片進行封裝的外殼不僅要允許傳感器執行,還必須具有成本效益,以便生產和實施。MEMS外殼的特點有:(1)內部設計可根據各種應用進行調整;(2)密封外殼;(3)陶瓷基板;(4)經濟高效的中小批量生產。

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