MEMS惯性传感器技术升级,高性能导航定位应用开启
2022-12-25 19:05:32   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

近些年,随着MEMS及人工智能(AI)技术的发展,惯性传感器开始步入“小尺寸、低成本、高集成度、高可靠性、多功能、智能化”的新时代。以低成本和高性能集成的新功能驱动了MEMS惯性传感器在工业自动化和自动驾驶领域的兴起。

近些年,随着MEMS及人工智能(AI)技术的发展,惯性传感器开始步入“小尺寸、低成本、高集成度、高可靠性、多功能、智能化”的新时代。以低成本和高性能集成的新功能驱动了MEMS惯性传感器在工业自动化和自动驾驶领域的兴起,例如激光雷达可以搭配MEMS IMU以获得姿态(横滚、俯仰和偏航)及地理坐标信息,助力自动驾驶汽车实现更加安全的导航和定位功能。

为了把握MEMS惯性传感器核心技术与产业发展趋势,麦姆斯咨询特邀请来自知名高校与研究院所的专家和学者,以及企业技术专家,于2022年11月18日至20日开设了《第47期“见微知著”培训课程:MEMS惯性传感器》,为学员们深入剖析了MEMS惯性传感器的新技术、新业态、新机遇和新挑战!

中国科学院空天信息创新研究院研究员邹旭东:高端MEMS惯性传感器综述

课程一:高端MEMS惯性传感器综述

老师:中国科学院空天信息创新研究院 研究员 邹旭东

高端惯性传感器通常具有较高的关键性能指标,并且能够稳定工作数十年,主要面向航空航天和军事国防,不过产品价格昂贵,限制了其应用领域。随着MEMS技术的兴起,以较低的成本批量生产高端惯性传感器成为可能,高端MEMS陀螺仪也逐步在某些工业和战术应用中取代光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪。本次《高端MEMS惯性传感器综述》课程,中国科学院空天信息创新研究院研究员邹旭东老师围绕面向高端应用的MEMS惯性传感器进行了全面的综述分析,针对MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、IMU等关键技术及发展趋势做了详细解析。目前,高稳定性仍是MEMS加速度计和陀螺仪“卡脖子”关键问题,由于相对复杂的材料工艺体系和细微敏感结构,MEMS加速度计的稳定性存在“天然”缺陷,研究开发长期稳定性和在较大加速度下稳定工作的陀螺仪也是亟须解决的重点。邹老师指出,需要从设计、工艺等角度不断优化,此外,MEMS技术与各种新兴技术的融合,例如基于冷原子、核磁共振、光量子等,也有望进一步赋能新型MEMS惯性传感器快速发展。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员陈方:多轴MEMS惯性传感器

课程二:多轴MEMS惯性传感器

老师:中国科学院上海微系统与信息技术研究所 副研究员 陈方

多轴MEMS惯性传感器的发展经历了从“器件组装”到“芯片组合”,再到“单芯片集成”的三个阶段,在微型化、成品率和规模制造成本等方面不断优化发展。本次《多轴MEMS惯性传感器》课程,中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员陈方老师重点剖析了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计的关键技术,综述了多轴MEMS惯性传感器的研究进展,并分享了上海微系统所在高频响三轴MEMS加速度计方面独辟蹊径的“微创手术(MIS)”技术路线。随着微小型无人机和机器人等新兴应用的需求增长,对多轴MEMS惯性传感器提出了更高的要求。对于工业级多轴MEMS惯性传感器而言,亟需从以下几方面加以改进:包括多轴高频响、精度和小体积兼顾的设计技术,单片一体化高良率加工艺及封装制造技术,低噪声延时ASIC测控电路集成技术,以及多轴传感器标准化批量生产及测试等方面,从而有效突破制约多轴MEMS惯性传感器发展的瓶颈。

华中科技大学副研究员刘骅锋:高精度MEMS加速度计技术详解

课程三:高精度MEMS加速度计技术详解

老师:华中科技大学 副研究员 刘骅锋

高精度MEMS加速度计在地球物理、航空航天等领域有非常高的应用价值。2019年4月,国际上研制的10⁻¹⁰g级高精度MEMS加速度计,作为洞察号火星探测器的有效载荷,在火星表面首次监测到火星震信号。本次《高精度MEMS加速度计技术详解》课程,华中科技大学副研究员刘骅锋老师系统梳理了MEMS加速度计的多样性以及不同的技术路线,分析了高精度MEMS加速度计设计过程中的关键难点及解决方案。针对面向地球物理应用的高精度MEMS惯性传感器,刘老师以近些年多项代表性成果为例进行了讲解,通过对两个典型案例(MEMS相对重力仪和MEMS火星微震加速度计)的分析解读,让学员们领略了高精度MEMS加速度计的创新发展态势。随着精密器件、超大规模集成电路、数字微处理器技术的发展,未来MEMS加速度计将在灵敏度、精度与集成度方面取得更大突破,满足更多精细化、智能化的应用需求。

苏州捷杰传感技术有限公司高级振动分析师朱晨亮:基于加速度计的振动监测与故障诊断

课程四:基于加速度计的振动监测与故障诊断

老师:苏州捷杰传感技术有限公司 高级振动分析师 朱晨亮

预测性维护能够借助各种传感器技术、通信物联技术以及大数据管理平台,实现对设备运行故障的自动预警以及全周期维护管理,加速度计则是振动监测领域最常用的传感器。本次《基于加速度计的振动监测与故障诊断》课程,苏州捷杰传感技术有限公司高级振动分析师朱晨亮老师详细讲解了基于加速度计的振动监测技术、系统集成方案以及典型故障诊断应用案例。朱老师悉数了各种振动传感器的工作原理、优缺点及应用场景,基于波形频谱在线监测的加速度传感器被认为是最佳的监测手段,其通过积分可以从加速度信号中获得震动速度和位移的详细信息。目前,捷杰传感多款无线监测传感器及系统集成方案已实现大规模市场部署,朱老师结合MEMS无线智能温振复合传感器、便携式智能振动分析仪以及软硬件系统集成案例,分析了主流的技术方案,并对未来发展趋势进行了展望。

中北大学教授曹慧亮:双质量线振动(音叉式)MEMS陀螺仪

课程五:双质量线振动(音叉式)MEMS陀螺仪

老师:中北大学 教授 曹慧亮

陀螺仪按振动结构形式可分为线振动式和旋转振动式。其中,线振动式还可根据质量块的数量进一步细分为单质量线振动式、双质量线振动式等。采用双质量块结构设计,可以有效消除轴向加速度等共模干扰的影响,提高MEMS陀螺仪的环境适应性,并有效减少驱动模态运动对检测模态的影响,使得正交分量降到最低。本次《双质量线振动(音叉式)MEMS陀螺仪》课程,中北大学教授曹慧亮全面讲授了双质量线振动MEMS陀螺仪结构设计及制造、电气及系统建模、静电补偿控制、封装及测试等内容,重点分析了如何在现有制造工艺基础上减小正交误差,解决灵敏度和带宽矛盾,并提高陀螺仪静态和动态性能。曹老师分析道,为了满足更高精度的应用需求,双质量线振动MEMS陀螺仪技术演进之路仍需应对诸多挑战,需要加速推进MEMS陀螺仪批量化标定和校准技术、极端环境陀螺仪精度保持技术、低成本陀螺仪制造技术、陀螺仪个体差异化补偿及精度优化、基于MEMS陀螺仪的精细化机电模型构建技术以及陀螺故障诊断和自修复技术,从而实现跨越式发展。

南京理工大学副教授姜波:高精度固体波动(环形)MEMS陀螺仪

课程六:高精度固体波动(环形)MEMS陀螺仪

老师:南京理工大学 副教授 姜波

发达国家始终未停止对高性能环形全对称结构MEMS惯性传感器的研制步伐,已在实战中经过检验,实现了以全对称环形固体波动陀螺仪的“中高精度、低成本、高可靠、大批量、中端军用”应用设想。本次《高精度固体波动(环形)MEMS陀螺仪》课程,南京理工大学副教授姜波老师首先对比分析了各类高精度MEMS陀螺仪的结构、材料、性能及特点,进而以高精度环形MEMS陀螺仪为重点,综述了其从单环向多环的发展历程,通过深度解析国内外前沿研究进展与典型应用,为学员们梳理了高精度环形MEMS陀螺仪的主流技术路线、当前亟待解决的技术难点以及有望实现突破的关键点。目前,国内新一代高精度环形MEMS陀螺仪正在兴起,未来仍需在结构设计制造、非线性工作模式、新材料等方面继续探索,通过引入更多使能技术,实现小成本下的高精度导航定位,推动国产化高精度环形MEMS陀螺仪优势进一步凸显。

西北工业大学副研究员申强:基于声光效应的行波陀螺仪

课程七:基于声光效应的行波陀螺仪

老师:西北工业大学 副研究员 申强

基于声光效应的陀螺仪在抗冲击性、抗振动性和带宽方面具有一定优势,能够有效应对极端环境下陀螺仪芯片冲击过载的问题。近些年,各种新型声光陀螺仪逐渐涌现,西北工业大学研究团队结合SAW技术和光学探测方法,提出一种基于声光效应的高灵敏度行波陀螺仪。本次《基于声光效应的行波陀螺仪》课程,西北工业大学副研究员申强老师针对这种新型行波陀螺仪做了全面解析。从声光效应基本原理到行波陀螺仪结构设计、工艺制备与性能测试,申老师详述了各环节核心要点,以及如何权衡零位漂移、标度因数、分辨率、动态范围、带宽等性能指标,为学员们揭秘了这种新型行波陀螺仪的“诞生”过程。未来,随着技术的不断迭代,以及结构设计的不断优化,基于声光效应的行波陀螺仪各方面性能将会进一步提升,从而在弹药浸彻、石油钻探、火箭发射、地质勘探等高冲击过载和高动态特性环境中发挥卓越的性能优势。

西北工业大学教授乔大勇:MEMS陀螺仪真空封装技术

课程八:MEMS陀螺仪真空封装技术

老师:西北工业大学 教授 乔大勇

真空封装技术对于MEMS陀螺仪性能而言至关重要,它决定了MEMS陀螺仪的可靠性、长期稳定性及成本。本次《MEMS陀螺仪真空封装技术》课程,西北工业大学教授乔大勇老师从MEMS器件真空封装知识出发,以惯性传感器为例,剖析了晶圆级和器件级两大类真空封装技术,并结合多个典型案例加以讲解。针对器件级真空封装的释放、探针测试、减薄/喷金、划片、上芯、压焊、封帽、可靠性评估等关键工艺步骤,以及晶圆级真空封装过程中的关键工艺点,包括晶圆级键合、硅通孔(TSV)以及如何为不同类型器件提供不同真空度等问题逐一进行了细致解析。展望未来,MEMS惯性传感器的全硅化工艺技术以及晶圆级真空封装工艺技术无疑是下一代微型惯性产品的必然发展方向,将推动MEMS惯性传感器朝向更高集成度、更小体积、更低功耗、更低成本的道路演进。

南京理工大学副研究员赵阳:基于MEMS陀螺仪的寻北定向关键技术

课程九:基于MEMS陀螺仪的寻北定向关键技术

老师:南京理工大学 副研究员 赵阳

寻北定向是惯性技术应用中的“皇冠”,是确保现代导航系统快速、精确定向的关键技术。其中,基于MEMS陀螺仪的捷联式寻北仪更适合于基站感知等体积、成本受限的应用领域。本次《基于MEMS陀螺仪的寻北定向关键技术》课程,南京理工大学副研究员赵阳老师从捷联式寻北定向原理出发,分析了如何根据陀螺特性平衡寻北精度与测量时间,并重点讲解了寻北用MEMS陀螺仪的关键技术。针对寻北用MEMS陀螺仪面临的超低噪声检测、背景误差抑制、低成本自标定等技术瓶颈,赵老师基于C-SwaP准则,并结合具体案例,为学员们解析了可行的技术路线。由于当前MEMS陀螺仪的零位综合误差,基于MEMS陀螺仪的静态寻北定向技术难以满足实际应用需求,必须辅助转台进行多位置测量抵消漂移误差,但这种方式不符合MEMS技术C-SWaP特征。未来,通过全链条MEMS技术改进,有望真正释放静态寻北MEMS技术的C-SWaP优势。

北京大学 教授/无锡北微传感科技有限公司CTO时广轶:MEMS惯性传感系统设计及应用

课程十:MEMS惯性传感系统设计及应用

老师:北京大学 教授/无锡北微传感科技有限公司 CTO 时广轶

在各类导航应用中,为了提高精确制导、导航和定位等功能,多传感融合是必要手段,通过集成惯性传感系统可有效提高导航的可靠性与稳定性。本次《MEMS惯性传感系统设计及应用》课程,北京大学教授、无锡北微传感科技有限公司CTO时广轶老师结合其多年科研与产业化经验,为学员们梳理了惯性导航的发展趋势,并详解了MEMS惯性传感微系统核心技术以及典型应用。结合北微传感在高精度集成惯性测量单元(IMU)传感器研制方面取得的创新成果,时老师分析了如何通过多传感融合技术提高灵敏度,基于系统级多物理场仿真进行优化设计,以及通过补偿与自校正方法提高器件的可靠性与稳定性。展望未来,MEMS惯性传感微系统还需要在环境适应性、多传感融合接入与提升、深耦合算法研究、器件性价比等方面进一步提升,以开拓更多新的产品和应用边界。

东南大学副研究员王磊:MEMS惯性传感器可靠性分析

课程十一:MEMS惯性传感器可靠性分析

老师:东南大学 副研究员 王磊

在制造、安装、运输和使用过程中,MEMS惯性传感器会遭到剧烈冲击或振动应力的影响,环境条件变化也会对器件性能造成影响,确保MEMS器件的可靠性,是使其实现商业化应用的必要条件。本期《MEMS惯性传感器可靠性分析》课程,东南大学副研究员王磊老师从MEMS可靠性基础知识出发,针对MEMS器件可靠性问题,对冲击、振动、碎屑、键合、静电放电(ESD)等不同环境应力条件下的MEMS惯性器件典型失效模式及失效机理进行了分析和总结。在系统梳理了国标级、军工级、消费级相关惯性器件可靠性测试标准及相关分析技术之后,王老师围绕MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的可靠性测试做了重点讲解。谈及如何有效提升MEMS惯性器件的可靠性,王老师从设计、工艺角度给出了其经验见解,为学员后续开展MEMS惯性器件失效分析和可靠性设计提供有益借鉴与指导。

老师们倾囊相授,学员们求知若渴。“芬芳四溢”的《第47期“见微知著”培训课程:MEMS惯性传感器》令人心驰神往。如今,MEMS惯性传感器无处不在:从“智能手机和平板电脑”到“可穿戴设备和体感游戏机”,从“工业控制和振动监测”到“无人机和汽车”,从“航空航天”到“国防军工”……我们的“见微知著”也会与您相伴相随。

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