【導讀】卡西歐早年就以電機馬達、繼電器等機電產品聞名。如今的卡西歐本身就是MEMS的制造商之一，用MEMS的思路解決傳統(tǒng)機械手表遇到的問題是卡西歐的拿手好戲。
顯微鏡下的MEMS結構（注意圖片上的刻度，是微米哦）
卡西歐早年就以電機馬達、繼電器等機電產品聞名。如今的卡西歐本身就是MEMS的制造商之一，用MEMS的思路解決傳統(tǒng)機械手表遇到的問題是卡西歐的拿手好戲。所以，PRO TREK嚴格來說是一塊真正電子表，它的三重感應器的功能也是以電路的形態(tài)集成到SoC芯片里面的。
PRO TREK內部的傳感器元件
根據卡西歐官方提供的資料，第三代“三重感應器”的壓力、溫度、地磁傳感器均使用了MEMS技術，其中最重要的地磁傳感器集成到了一顆芯片里面（SoC），傳感器的本體結構和微執(zhí)行器、信號處理器、控制電路、通訊接口和電源等部件通過電路緊密的聯(lián)系在一起，一次性就能完成數(shù)據的采集、處理和傳輸，并將準確的結果通過表盤上的各種指示反饋給用戶，大幅度提高了系統(tǒng)的自動化、智能化水平。
MEMS應用范圍很廣，封裝應根據實際終端應用要求（如保護性、氣密性、散熱性等）進行設計。
消費電子/移動應用驅動MEMS市場快速成長，復合年增長率可達13%。
未來5年通信和醫(yī)療應用增長最快，復合年增長率高達20%。
工業(yè)MEMS應用也不錯，復合年增長率為13%。
智能手機中的MEMS和傳感器
智能手機中使用到很多MEMS器件，如加速度計、陀螺儀、電子羅盤、壓力傳感器、硅麥克風、圖像傳感器、MEMS微鏡、BAW濾波器和雙工器、射頻開關、TCXO振蕩器/諧振器等。
隨著智能手機出貨量的迅速增長，移動產業(yè)正逐步轉向一個復雜的遙感平臺，而MEMS和傳感器是該系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，每個MEMS器件的增長都是令人印象深刻的。
對MEMS封裝、組裝和測試的影響
MEMS的封裝、組裝、測試和校準（包括基底成本）占整個MEMS模塊成本的35%-60%。
MEMS封裝類型比標準IC封裝更為復雜，因為MEMS封裝需要“System-in-Package”。
此外，大多數(shù)MEMS封裝需要符合最終應用環(huán)境。
MEMS封裝從定制化小批量發(fā)展到量產必須標準化，這樣才能保證降低MEMS傳感器成本、實現(xiàn)大批量出貨。
MEMS加速度計成本分析
消費類加速度計成本分析
汽車類加速度計成本分析
慣性MEMS封裝的技術演進
MEMS定律正在改變
MEMS麥克風封裝的關鍵要素
MEMS模塊封裝：關鍵制造步驟
MEMS封裝趨勢
組合傳感器封裝發(fā)展趨勢
通過SOC/SiP組合所有運動傳感功能：
MEMS測試介紹
MEMS產業(yè)的特異性：電學測試+機械測試
MEMS慣性傳感器最后階段的測試和校準
根據IHS Markit（消費者和移動設備運動傳感器——2017年）的數(shù)據，無人機和玩具直升機中MEMS運動傳感器（即加速度計、陀螺儀、IMU和壓力傳感器）的市場至2021年預計將達到約7000萬臺，而其2018至2021復合年增長率可達到17％。
MEMS傳感器對無人機飛行性能的影響
得益于采用慣性MEMS傳感器，無人機可確保其方向穩(wěn)定，并可由用戶精確控制，甚至可自主飛行。然而，一些挑戰(zhàn)使無人機系統(tǒng)設計變得十分復雜，例如電機未完美校準，系統(tǒng)動態(tài)可能根據有效載荷而變化，操作條件可能出現(xiàn)突變，或傳感器存在誤差。這些挑戰(zhàn)會造成定位處理偏差，并最終導致導航期間的位置偏差，甚至造成無人機失效。
要使無人機超越玩具的范疇，高品質MEMS傳感器和先進軟件至關重要。無人機的慣性測量單元（IMU）、氣壓傳感器、地磁傳感器、應用特定型傳感器節(jié)點（ASSN）和傳感器數(shù)據融合的精度對其飛行性能有著直接和實質的影響。
尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和操作條件（如溫度變化和振動）將對傳感器的要求提升到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供精確、可靠的測量。
有多種方法可以實現(xiàn)出色的飛行性能：軟件算法，如傳感器校準和數(shù)據融合；機械系統(tǒng)設計，例如減少振動，以及根據無人機制造商自己的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面就讓我們仔細研究一下MEMS傳感器并參考部分示例。
無人機的核心在于其姿態(tài)航向參照系統(tǒng)（AHRS），其中包括慣性傳感器、磁力計和處理單元。AHRS估算設備定位，例如滾動、俯仰和偏航角。傳感器誤差（如偏移、靈敏度誤差或熱漂移）會導致定位錯誤。圖1顯示了加速度計偏移函數(shù)形式的定位誤差（滾動、俯仰角），這通常是造成傳感器連續(xù)誤差的核心根源。例如，僅20 mg的加速度計偏移便會導致設備方向出現(xiàn)1度誤差。
圖：加速度計偏移引起的傾斜誤差
慣性測量單元（IMU）
IMU包括加速度傳感器和陀螺儀，以及相應的嵌入式處理程序。這使其能夠在線性移動和旋轉方面識別運動。
Bosch Sensortec的BMI088是一款六軸IMU，具有低噪聲16位加速度計和低漂移16位陀螺儀。這種高精度設備的技術源自高端汽車傳感器，因此可在長時間內提供出色的偏置和溫度穩(wěn)定性，并具有高振動穩(wěn)定性，使其成為無人機應用的理想選擇。
圖顯示了BMI088在不同溫度下的典型偏移漂移。
圖：BMI088在不同溫度下的典型零重力和零速率偏移漂移
所示的加速度計偏移漂移范圍僅為10 mg，而陀螺儀傳感器的偏移漂移則小于0.5 dps。此外，BMI088隨溫度變化呈現(xiàn)線性趨勢，且滯后非常小。這使得BMI088十分適用于無人機和機器人應用。
氣壓傳感器
無人機內置的高性能氣壓傳感器可精確測量高度，并與IMU的高度控制讀數(shù)結合使用。氣壓傳感器必須盡可能避免外部影響和不準確性。
如今，結合諸如GPS和光流等附加傳感器，距離傳感器可用于提高系統(tǒng)的可靠性并減少位置誤差。
Bosch Sensortec的新型BMP388氣壓傳感器提供高度信息，以改善飛行穩(wěn)定性、高度控制、起飛和著陸性能。這使得無人機控制輕而易舉，由此吸引更廣泛的用戶。
對無人機中壓力傳感器的要求通常非?？量?。由于受到不理想天氣和溫度條件的影響，高度精度必須保持在嚴格的公差范圍內，而且傳感器必須具有低延遲性，以及在長時間下的極低漂移。BMP388滿足這些苛刻要求，相對精度達+/-0.08 hPa（+/- 0.66m），絕對精度為300至1100 hPa +/- 0.5 hPa，低TCO通常低于0.75 Pa/K。它具有極具吸引力的性價比、低功耗和僅為2.0 x 2.0 x 0.75mm³的極小封裝尺寸。
除了TCO改進之外，還有多種因素有助于提高整體精度：相對準確度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對精度。從笨拙的玩具到高精度飛機；只要工程師想得到，目前創(chuàng)新工業(yè)和商業(yè)無人機的應用潛力可以說無邊無際。
磁力計
磁力計如同一部指南針，可以根據地球的磁場實現(xiàn)無人機的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一個例子，這是一部三軸數(shù)字地磁傳感器。
BMM150與BMI088型IMU結合使用，可提供九自由度（DoF）解決方案，用于航向估算和導航。在寬泛溫度范圍內的穩(wěn)定性能、16位分辨率和抗強磁場的能力（無磁性可實現(xiàn)穩(wěn)定的傳感器偏移）使BMM150非常適合無人機應用，并最大限度地減少了傳感器偏移校準所需的工作量。
應用特定型傳感器節(jié)點
應用特定型傳感器節(jié)點（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個傳感器組合在一個封裝中，并配有可編程微控制器。它為運動傳感應用提供靈活的低功耗解決方案。
例如，Bosch Sensortec的BMF055是一款帶有集成加速度計、陀螺儀、磁力計和32位Cortex M0 +微控制器的ASSN，用于包括傳感器輸出在內的軟件管理。BMF055與定位處理軟件相結合可用作AHRS。該設備采用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封裝，節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無人機應用提供了一體化封裝。圖3展示了BMF055在無人機應用中作為具有集成傳感器融合算法的定位處理單元的使用。
圖：BMF055（ASSN）在無人機應用中用作AHRS。
