MEMS惯性相关介绍
惯性传感器在MEMS中的应用最为广泛，其中MEMS加速度计、陀螺仪、惯性测量仪等智能传感器在智能手机、平板电脑、穿戴式智能硬件中得到了广泛的应用，其发展方向为新一代电子产品构架、多功能集成和高精度。《IEEE1451标准》将智能传感器定义为具有小型存储器和标准物理连接的传感器，可以与处理器和数据网络进行通信，并由传感器、内嵌的信号调制算法和数字接口等组成。
在2016年，R.L.Leal和他的团队将当前传感器的发展分为五代，其中第三至第五代是智能传感器。在第一代传感器中，没有电子元件；在第二代传感器中，没有电子元件，并且使用传感器的远程控制；在第三代传感器中，没有电子元件，并且使用传感器的远程控制；在第四代传感器中，没有电子元件，并且可以通过传感器和微处理器之间的通信来进行自我评估；在第五代传感器中，有多种MEMS传感器，包括多种MEMS传感器，信号调节，微控制器，数字端口和ADC等，它们可以双向通信指令和数据，全数字化传输，局部数字处理，自我测试，用户定义算法和补偿算法等。
当前，新一代MEMS惯性智能传感器应运而生，以迎接多传感器数据融合的新挑战。Ducouret报道，2011年，由飞思卡尔半导体公司开发的新一代智能传感器MMA9550L采用了MMA9550L三轴MEMS加速度计，其电子学方面的设计特点是增加嵌入式32位微处理器、Flash、RAM和ROM等IC，用于低成本处理数据，并可灵活重新配置嵌入功能，融合外部传感器数据。
2013年，S.Finkbeiner报道了Bosch公司开发的九轴MEMS智能传感器BNO055，其尺寸为3.0mmx4.5mmx0.95mm，采用系统级封装(SiP)技术，采用系统级封装(SiP)BNO055，采用传感器BNO055，传感器传感部分由三轴12位加速度计、三轴16位陀螺仪和三轴地磁传感器组成，其电子学部分包括32位可运行的传感器数据融合软件BSX3.0；其中BSX3.0可以将多个传感器的原始数据融合到一起，具有支持九轴传感器、嵌入式微控制器和外部应用处理器等运行的功能，可以与微软、安卓等软件兼容，并具有可扩展的架构。
为了满足可穿戴设备和物联网对结构紧凑、多功能传感器的需求，F.Y.Kuo等人于2017年报道了一种基于谐振型MEMS结构的单片多传感器设计，其采用0.18um1P6MCMOS/MEMS工艺，以谐振器为基础构件，其中多个MEMS传感器由环境温度传感器、环境压力传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器组成，并且可以通过单个ASIC/MEMS标准的读出电路和一个嵌入式MCU实现单片集成，其中多个MCU负责数据转换和多传感器融合。
由于没有GPS系统，精确的个人惯性导航系统对消防、营救等高要求的应用非常重要。2018,Q.B.GHO等报道了个人惯导系统，它采用MEMS可穿戴地面反应传感器阵列和ASIC接口。MEMSIMU由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器组成，两者相结合可以提供定位信息，通过时间累积的加速度数据可以获得距离信息。要实现高性能的导航，准确地设定IMU每一步的时间积分对于脚触地时的导航非常重要。使用了一组MEMS地面反应传感器和一个接口ASIC，可以精确地检测到地面的时间。利用高系统集成的方法，设计了低功耗CMOS集成电路，并结合高效的系统校准技术和传感器数据融合处理算法，实现了该惯性导航系统3km步行距离时，不用GPS的位置精度达到5.5m。
高精度MEMS惯性智能传感器是满足装备导航级应用需求的重要发展方向。在这些技术中，MEMS加速度计的创新技术包括：对闭环MEMS加速度计传感器和电子学闭环系统结构进行了创新设计；对亚心偏差不稳定的低功耗MEMS硅谐振加速度计进行了设计；对低成本、低成本、石英摆式和配置在闭环上的电子伺服回路进行了设计；对CMOSMEMS加速度计进行了具有自恢复信噪比功能的地震检测。
2016年，B.Grinberg和其他人报道了闭环MEMS加速度计的设计和生产，以满足对惯导等级加速度计性能的要求。该传感器采用SOI芯片内平面技术，具有全桥电容感应，能抑制寄生效应；采用高度对称的机械结构，保证温度稳定，无需真空封装；采用大质量块设计，提高灵敏度。电子闭环系统结构采用4级△Σ调制器，把外部加速转换成高频和位数字信号；其设计侧重于精确的时钟，高稳定参考电压，以及管理配置各种系统参数的微控制器，以提高噪声、线性化和稳定性。通过对MAXL-CL-3030闭环加速度计的测试，证实了该导航仪是一种导航级设计，其稳定度为20ug，典型非线性为0.01%，振动校正在20~2000Hz频段的误差小于10ug/g²。
MEMS加速度计实现导航应用的关键任务是一个重大挑战。硅谐加速度计具有线性范围大、定标因子稳定等优点，同时还具有准数字特性的频率调制输出特性，使系统能较好地识别电路模块参数的变化。在2016年，J.Zhao等人报道了一种具有亚ug偏移不稳定性和30g全量程的低功耗MEMS硅谐振加速计。利用80um厚度的SOI工艺，在圆片级真空封装下，实现了含质量块、两杆、两共振的MEMS传感器结构。微机电系统的谐振器嵌入了振荡环路，振荡维持电路包括低噪的前端放大，VGA，低噪自动放大控制电路等。实验结果表明，该硅谐振加速度计在±30g范围内，偏置不稳定度小于1ug，以随机方式游动速度为2.5ug/√Hz，谐振频率为15kHz，功率消耗在1.5V以下3.5mw。
加速计是捷联式惯导系统的关键设备之一，它可以测量部分的加速度，独立地为主机提供指导和飞行控制参数。2017年，J.Beitia和其他人报道了用于高动态，精确制导的小型加速度计，以满足高动态，精确制导系统的需求。这种小型低成本精密石英摆式加速度计，由一种高纯熔融石英晶片，直径12mm，通过两个15um厚铰链连接在一个硬盘状结构的外框上，质量块与两个对称磁性结构间的气隙为20um。为减小偏振修正误差，采用了闭环电子伺服回路，通过适当的优化增益设计和加速度计优化设计，减小了因电极气隙中气体的不对称性而造成的转动刚度失配。试验结果表明，石英摆式加速度计在80g的动态范围内，50200Hz和7502000Hz频段的振动校正误差分别小于10和25ug/g²rms，温度因子稳定性系数在100ppm以下，振幅大小在18mm，高度11mm，质量25g。
2018年，C.T.Chiang报告了在物联网设备中使用CMOSMEMS地震探测系统的设计。利用0.35um2P4M的3V电源CMOS技术实现了单片集成，电容式加速度计的质量块和梳状结构的电极都是由SiO2制成，为了减少残余应力，设计了应力补偿框架。该CMOS传感器电路包括：电容一电压转换器，解调斩波器，5级开关电容低通滤波器，程控增益放大器，4级△Σ调制器。另外，DSM还具有由整流器、峰值检波器和静电传感器组成的反馈环。试验表明，该加速度计连续时间电压模拟敏感电路的灵敏度为131.99毫伏/g，最大非线性值为0.25毫伏至6.75毫伏之间的为1.21%，背景噪声为0.579mg/√Hz,y和z轴非线性值分别小于0.05%和1.38%。经过三个星期的持续颤动试验，加速度计的峰值信噪比降至49.1dB，但在0.5秒内它将自动清除，使传感器的峰值SNDR降至75.2dB。在3030umx2997um的芯片面积和3V下的5.2mW功率。
改进MEMS陀螺仪的设计方法有：采用非零频率间隔驱动方式和感应方式，DSP电子学调谐叉齿式MEMS陀螺仪；低功耗、低偏置不稳定度CT-△ΣMEMS陀螺仪读出系统；频率调制工作采用低功耗、低相位噪声的IC和具有偏航率和俯仰率的双传感器系统；采用高尺度因子精度和高偏置稳定度的速率斩波到数字的调频陀螺仪和基于神经网络的MEMS惯性传感器的温度补偿模型。
2015年，B.Johnson等人报道了一种用于精确寻北的调谐叉齿MEMS陀螺仪，以实现重量轻、成本低、精度高的寻北系统。在此基础上，利用驱动模式和传感器模式之间的非零频率间隔设计和DSP电子学原理，实现了一种具有0.03°/h的稳定偏置和0.002°/√h的导航级谐振梳状MEMS陀螺仪。MEMS陀螺要满足高性能、稳定性的要求，必须采用闭环控制方案，与开环控制方案相比，MEMS陀螺的复杂度更高，功耗更大。
为了满足移动产品对低功耗的需求，M-Marx和其他人在2017年报告了一种功率为1.71mW，每小时0.9°/h的CT-△ΣMEMS陀螺仪读出系统。它的传感器为驱动和传感双谐振MEMS陀螺仪，读出系统采用低功耗CT-△Σ机械-电子结构。环形环形锁相(PLL)环形环，由电荷泵、驱动器、AGC、c/v变换、带电流控制振荡器的PLL等组成；由CT-△Σ组成的环形环，由一个2阶Gm-CBPF变换、一个噪声观测频率调谐电路(NOFT)、9位电流DAC和反馈环组成。设计要点是将机电式CT-△Σ结构的电4子带通滤波器(BPF)作为输入，嵌入一个基于噪声观测的调频电路；使陀螺工作时的角速度带宽与驱动频率匹配精度优于0.25%，其耗电量和面积分别只有27uW和0.06mm²。测试表明，MEMS陀螺在-30~85℃范围内平均点噪声为0.002°/s/√Hz，偏振不稳定度为0.9°/h。实现廉价稳定的振动MEMS陀螺仪，不需要昂贵而又费时的校准程序，也是一项技术攻关。
Minotti等人在2018年报道了高比例因子稳定性FM频率系统陀螺的三轴传感器和综合电子设计。利用IC电路进行低功耗、低相位噪声的频率调制，并设计了一种具有偏航率和俯仰率的双传感器系统，以实现高尺度因子稳定的3轴频率调制MEMS陀螺仪。本文提出了一种利用厚膜外延多晶硅表面微机械工艺实现24um厚内平面结构与24um厚外平面结构相结合的偏航率传感器陀螺。该芯片采用0.35umCMOS工艺，由电容-电压放大器、90°移相器、硬限制器、H桥电路和自动增益控制电路组成，实现了低功耗、低相位噪声反馈振荡结构。实验结果表明，该MEMS陀螺在20~70℃时，具有0.5%的重复性标度系数，35ppm/K的温度稳定性，而耗电只有160uA，且其噪声性能在10mdps/√Hz左右。
MEMS陀螺的测速现在被转换成了频偏测量。比例因子是传感器和读出电路的复杂功能，任何基本参数的改变都会引起测量误差。在2018年，Eminoglu等报告了频率调制陀螺仪，其精度为40ppm，其斩波率为1.2°/h，并具有稳定度为/h的偏置稳定性。它的整体解决方案是直接测量与速率有关的频率，然后把频率和精确的时钟基准相比较，然后转换成数字输出。该传感器用两个正交谐振器构成质量块，其谐振频率由两个维持电路所激励。当移动到x-y通道中的每90°时，质量块的移动都遵循一个循环模式。质量块振荡频率的偏移与频率的输入有关。它的读出电路包括：跨电容放大器、相移器、幅值检测器和可变增益放大器，它们通过A/D双通道和DSP实现频域数字转换。试验结果表明，该MEMS陀螺在24小时内不受控制的环境温度影响，偏置稳定度为1.2°/h，标度因子经一级补偿后误差小于40ppm。为充分发挥MEMS惯导系统的潜力，提高其精度，有必要建立一种温度相关模型进行误差补偿。常规的温度补偿方法是基于多项式回归的，没有考虑传感器误差固有的非线性。
