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南理工MEMS传感器研究获突破 已达国际最高水平

发明科技控中国仪表网2015年10月13日 11:07人气:33568

  【中国仪表网 发明科技控】近日,南京理工大学苏岩团队在JSSC上发表了关于微电子机械系统(MEMS)的研究成果。该成果大大提高传感器的稳定性(精度),其性能已达到国际已知最高水平。这是南京理工大学首次以第一作者单位在JSSC上发表论文, 同时也是国内首次在该期刊上发表物理传感器方面的文章。自2004年清华大学在JSSC发表第一篇论文以来,迄今中国大陆地区仅有清华大学、复旦大学、中科院等少数几家单位在该期刊上发表过21篇论文。
  

  惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动的传感器。采用MEMS工艺制造的惯性传感器通常只有几毫米甚至更小;而专用集成电路(ASIC)则可以将成千上万的晶体管电路集成于一块芯片,同样具有尺寸小的特点。两者都可大批量生产,成本极低。
  
  论文阐述了首个零偏不稳定性小于1μg的MEMS谐振梁加速度计的专用信号处理电路,该电路采用一种新型积分器级联微分器结构的跨阻式前置放大器,解决了传统跨阻式放大器设计中增益带宽积与噪声间的制约关系,实现了6.6fA/√Hz的输入电流噪声,为已报道过的应用于MEMS领域跨阻放大器的最低值。采用该电路构成的芯片式MEMS谐振梁加速度计实现了±20g的量程,0.6μg的零偏不稳定性,1.5V低电压供电,3.5mW的极低功耗。专用集成电路技术可以使传感器的信号检测、处理和控制电路芯片化、微小型化、低功耗和低成本,促使传感器降低功耗、降低成本、减小体积、批量制造。该类型加速度计在军用及民用导航领域中具有广阔的应用前景。
  
  因此,专用集成电路技术和MEMS技术将极大地降低惯性传感器的成本、体积和功耗,使得该类型传感器可广泛应用于消费电子类产品中。此外采用高性能ASIC后,还可降低环境因素及寄生参数对传感器性能的影响,大幅提升MEMS惯性传感器的精度,使该类型传感器可以在高精度导航制导领域得到应用。谐振式MEMS加速度计则实现了机械敏感结构与ASIC的对接,该传感器实现了小于1微克的零偏不稳定性,为已报道的最高性能。
  
  该传感器适用于船舶、潜艇等高精度导航系统中,也可应用于无人机导航、可穿戴个人室内导航设备以及汽车稳定系统、安全气囊、游戏手柄、智能手机中。
  
  MEMS团队负责人苏岩教授介绍说,研究团队与新加坡国立大学的许永平教授在MEMS传感器CMOS专用集成电路方面开展了长期的、富有成效的合作研究。论文第一和第二作者赵阳、赵健同学受团队委派于2012年至2014年期间赴新加坡国立大学进行联合培养,开展MEMS谐振梁加速度计CMOS专用集成电路的研究。研究成果发表于JSSC,彰显了南京理工大学在MEMS传感器专用集成电路设计方面取得了突破性进展,具备了较高的研究水平和能力,提升了学校的国际知名度。
  
  (感谢南京理工大学提供的资料)
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