王 茹

(江西省南昌市中航工业洪都集团，江西 南昌 330000）

1 引言

微电子机械系统[1](Micro-Electro-Mechanica Systems)，简称MEMS，也可称为微机电系统，是指可以批量制造的，一种将微型结构、微型传感器、微型执行器设计为一体，同时将信号处理电路、接口以及通讯和电源也置于其内部的微型器件或系统。采用微机电系统技术的惯性器件由于特性优异，已在汽车、 航空航天、制导炸弹等各大领域有了广泛的应用。随着技术不断进步，MEMS 惯性器件性能必将进一步得到提升，其应用范围和应用幅度必将继续扩大。本文阐述了MEMS 惯性器件特点、发展过程及应用现状，并对MEMS 惯性器件未来发展趋势进行了展望。

2 MEMS 惯性器件技术特点

2.1 MEMS 惯性器件性能特点

通常，MEMS 惯性器件包括微加速度计、微型陀螺和微惯性测量组合(MIMU)[2]。基于MEMS 的惯性器件一般采用硅基材料，同时在半导体集成电路制造工艺的基础上制造而成。它不但具有尺寸小、质量轻、功耗低的特点，而且其低成本、高可靠性、抗振动冲击能力强等优势更是其他惯性器件无法比拟。特别是其特征尺寸甚至到了微米量级，这使得它们可以实现传统传感器所不能完成的功能。

2.2 工作原理

MEMS 惯性器件的工作原理类似于传统的惯性器件，即牛顿定律，通过测量载体的质心运动（加速度）和姿态运动（角速度），从而可以实现对载体的控制和导航。与传统惯性器件相比，MEMS 惯性器件的体积、价格可降低几个数量级，在国防和军事应用上意义重大。如何利用MEMS 惯性器件来搭建一套低成本却能具有较高性能的微型惯导系统这个课题已经引起相关科研单位的极大重视和关注[3]。

3 基于MEMS 的加速度计发展

硅微加速度计的发展经历了叉指式、三明治式、谐振梁式等形式结构的技术方案，零位偏置和刻度因数由最初为10mg，到2005年就提高到了20μg。最早是由美国ADI 公司实现了加速度计结构外形和电子电路的一体化单片式集成，从1993年制造出第1 只采用了表面硅工艺的硅加速度计开始，到双轴单片式集成硅加速度计，量程达到1.7g，精度为5.0mg。德国Litef 公司B-290 硅加速度计，其摆片采用4 次双面掩膜技术，大小为6mm×6mm，放在KOH 溶液中通过控制硅片刻蚀的时间来完成，电路方案采用PMW、DO 和闭环控制，量程达到10g，刻度因数稳定性达到3×10-4，零位偏置稳定 性为250μg。2005年，Litton SiACTM 硅加速度计量程更是超过100g，零位偏置稳定性达到20μg，标度因数稳定性达到5×10-5。此加速度计采用了全硅结构设计，具有体积小、质量轻、功耗低的特点。此类加速度计在导航和制导领域如小型无人机、 近程战术武器制导等方面具有应用优势。

4 基于MEMS 的陀螺发展

从文献中看，目前国际上还没有正式研发出达到惯性级性能的微陀螺仪。在大部分商用研究中，其目的也只是为了提高速率级微陀螺的技术指标。只有少数的几个研究机构 （如美国的Draper 实验室和JPL 实验室）算是真正成功地研制出了达到战术级（0.1～10°/h）的陀螺仪。

MEMS 陀螺仪的发展先后经历振动框架式、谐振音叉式、振动轮式、振环陀螺、四叶式等结构形式。微机械陀螺的研究是从上世纪80年代开始的。1985年，Draper 实验室首先开始研制微机械陀螺，先后采用了框架式角振动方案、音叉式线振动方案和振动轮式方案，性能由1994年的零位漂移为4 000°/h 提高到2000年的零位漂移优于10°/h。2002年，ADI 公司研制成功世界上第1 个单片集成的商用陀螺仪产品ADXRS，该系列产品尺寸为7mm×7mm×3mm，质量小于1g。此芯片将检测电路与敏感结构集成设计，不但极大降低了噪声影响，而且使芯片的体积和功耗得到了有效减小，此类陀螺仪主要应用于工业传感领域［5］。针对导航和制导领域应用要求，从1996年开始Litton 公司就开始研制微机械陀螺仪SiGyTM，到2003年SiGyTM 漂移达到了1°/h～10°/h［6］。

5 军事和航天应用现状

5.1 军事领域

美国对MEMS 技术初期的发展定位就是在军事领域进行应用，每年投入的科研经费约5 000 万美元。目前已经有少量微型技术产品进入了美国军方武器库，按功能分有用于武器保养的分布式传感器技术、 武器惯性测量技术和飞行器导航与稳定技术。我们将MEMS 技术在导弹上的应用从导弹武器的系统组成角度归纳为以下几个方面:安全与引信、目标探测、飞行控制、导航定位、遥测通信、健康监测、发动机控制。目前主要成熟的应用项目主要有：“抗高过载弹药先进技术演示验证”（CMATD）项目、“增程制导弹药”（ERGM）演示验证计划、“通用制导惯性测量装置”（CGIMU）项目、“微机电惯测量装置”（mmIMU）计划。

5.2 航天领域

在航天领域，为保证宇航员安全，保障太空船导航系统在轨正常运行，MEMS 加速计、陀螺仪及其他专用惯性器件已在太空船中应用了十年之多。由于MEMS 惯性器件具有良好的抗振性以及很小的SWAP（NASA 对尺寸、质量和功率的简称）的特点，MEMS 惯性器件成为太空勘测的重要器件。现在，已经有SiTime 公司能够生产出高性能的MEMS 晶振，其体积是一般石英晶振的1/2，频率也高达125MHz。而且该公司正在开发能集成多个MEMS 谐振器的芯片的裸片，这样可以实现在-100～+100℃正常工作，适合太空勘测任务的NASA 超微型软件定义无线电所需的RF 滤波器组件。

6 未来发展趋势

MEMS 惯性器件是在惯性技术和微电子加工工艺技术的基础上发展起来并结合而成的，在MEMS 技术研究中占有非常重要的地位。随着MEMS 惯性器件性能指标不断提高，集成化程度和信号检测能力不断加强，工艺和封装技术日趋成熟，同时这些技术又在不断相互融合和促进，使得技术正向高精度、数字化、高可靠性方向发展，使其应用领域正不断扩大。目前，世界各国正不断加大对MEMS 惯性器件的研究力度，同时对基于MEMS的MIMU 也异常重视，甚至进行了小批量的投产。同样，MEMS惯性器件技术及其系统设计技术也将列为我国惯性技术领域的关键技术，在重点发展的推动下其技术研究取得了较大的进步。相信在不久的将来，当MEMS 惯性器件技术性能不断得到提升和突破，在飞航导弹等军用武器中的应用优势将越来越明显、前景愈加广阔，必将对未来飞行器向小型化、智能化、高可靠性发展将产生巨大的推动力。

[1]吕志清.微机电系统(MEMS)与微机械惯性器件[A].2000年中国电子学会第十一届电子元件学术年会论文集[C].2000.280-284.

[2]高钟毓.微机械惯性仪表的精度极限[A].中国惯性技术学会第四届学术年会论文集[C].1999.128-133.

[3]李荣冰，刘建业等.基于MEMS 技术的微型惯性导航系统的发展现状[J].中国惯性技术学报，2004.12(6)

[4]王勇.MEMS 技术发展及应用优势[J].飞航导弹，2011.5

[5]Wisniowski H.Analog devices introduces world’s first integrated gyroscope，2002-10-01.

[6]Matthews A，Paterson R，Gold-man A，Abbink H，Stewart R.Anew paradigm in guidance，navigation，and control systems based on bulk micromachined inertial sensors.Proceedings of the AIAA Conference on Guidance，Navigation and Control，2000-08:1-12.

[7]祝斌.MEMS 惯性制导系统的发展[J].中国航天，2010.1.