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Msensor工程師談MEMS慣性傳感器

作者:admin | 發布時間:2020-11-06

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、加速度和振動測量。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Msensor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,Msensor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。

 

Msensor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。

 

Msensor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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