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高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)，均包含一顆微機(jī)械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的感知。陀螺儀和加速度計(jì)是慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件，其性能高低直接決定慣性系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代慣性傳感器的重要發(fā)展方向。

(資料圖片)

產(chǎn)品主要應(yīng)用于慣性系統(tǒng)，慣性系統(tǒng)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航、定位和測(cè)量系統(tǒng)，在國(guó)家工業(yè)建設(shè)等諸多領(lǐng)域均能發(fā)揮重要作用。

其中，陀螺儀用于感知物體運(yùn)動(dòng)的角速率，加速度計(jì)用于感知物體運(yùn)動(dòng)的線加速度，二者輔以時(shí)間維度進(jìn)行運(yùn)算后可得出物體相對(duì)于初始位置的偏離，進(jìn)而獲得物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括當(dāng)前位置、方向和速度。

1、MEMS陀螺儀

陀螺儀是測(cè)量角速率的一種器件，是慣性系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于導(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定等應(yīng)用領(lǐng)域。MEMS陀螺儀的核心是一顆微機(jī)械（MEMS）芯片，一顆專用控制電路（ASIC）芯片及應(yīng)力隔離封裝。其工作原理為：采用半導(dǎo)體加工技術(shù)在硅晶圓上制造出的MEMS芯片，在ASIC芯片的驅(qū)動(dòng)控制下感應(yīng)外部待測(cè)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電容、電阻、電荷等信號(hào)變化，ASIC芯片再將上述信號(hào)變化轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號(hào)，最終通過封裝將芯片保護(hù)起來并將信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)外部信息獲取與交互的功能。

采用半導(dǎo)體MEMS加工工藝制造的MEMS陀螺儀以科里奧利（Coriolis）效應(yīng)為基本工作原理?？蓜?dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)電路控制下高速震蕩，當(dāng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊發(fā)生垂直于震蕩方向的橫向位移，橫向位移的大小與輸入角速率的大小成正比，通過測(cè)量橫向位移實(shí)現(xiàn)對(duì)角速率的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀的主要功能。為了使MEMS陀螺儀正常工作，需要驅(qū)動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)中的可動(dòng)質(zhì)量塊做高速震蕩，驅(qū)動(dòng)方式主要有靜電式、壓電式和電磁式。振幅檢測(cè)方式分為電容檢測(cè)、壓電檢測(cè)、壓阻式檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)等。

MEMS陀螺儀可以采用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的開環(huán)閉環(huán)兼容的工作模式。采用多質(zhì)量塊差分解耦結(jié)構(gòu)，能具有優(yōu)良的正交誤差抑制能力、抗振動(dòng)特性以及溫度特性，有利于保持陀螺儀運(yùn)行中的穩(wěn)定性和測(cè)量精準(zhǔn)性；ASIC芯片可以實(shí)現(xiàn)微小電容檢測(cè)，使陀螺儀具有較高的靈敏度。同時(shí)，兼容開環(huán)和閉環(huán)檢測(cè)的ASIC芯片可以根據(jù)應(yīng)用要求配置成合適的模式，應(yīng)用適應(yīng)性強(qiáng)。此外，ASIC芯片可以集成電源管理、溫度傳感、模態(tài)匹配、正交誤差補(bǔ)償、溫度校準(zhǔn)及自診斷等電路，一方面可以實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)部自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償，使系統(tǒng)應(yīng)用更簡(jiǎn)單、精度更高、重復(fù)性更好，另一方面可以對(duì)陀螺儀的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高輸出數(shù)據(jù)的可靠性。

傳統(tǒng)的慣性器件主要應(yīng)用于系統(tǒng)復(fù)雜、高價(jià)值平臺(tái)（如衛(wèi)星、車輛、高鐵、艦船、石油開采設(shè)備），但由于其體積大、價(jià)格高、抗機(jī)械沖擊能力弱，不具備大規(guī)模量產(chǎn)能力，同時(shí)也制約上述應(yīng)用平臺(tái)向小型化、低成本化、智能化發(fā)展。

MEMS陀螺儀借助半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，可以具有智能化程度更高和成本更低的優(yōu)勢(shì)?；赟OI體硅工藝采用獨(dú)特的多質(zhì)量塊全對(duì)稱解耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及自校準(zhǔn)自補(bǔ)償電極，在保持高性能的前提下易生產(chǎn)，對(duì)溫度不敏感，同時(shí)能夠起到對(duì)沖擊和振動(dòng)的抑制作用。MEMS陀螺儀的數(shù)模混合ASIC具備自校準(zhǔn)、自診斷、自標(biāo)定、自適應(yīng)等智能算法，使本產(chǎn)品相比傳統(tǒng)慣性器件易使用、低成本、更智能。

2、MEMS加速度計(jì)

加速度計(jì)是一種能夠測(cè)量物體線加速度的器件。加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量計(jì)算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過對(duì)時(shí)間積分得到線速度，再次積分即可計(jì)算出直線位移。加速度計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定等領(lǐng)域。

MEMS加速度計(jì)的核心是一顆MEMS芯片、一顆ASIC芯片及應(yīng)力隔離封裝。其產(chǎn)品構(gòu)造與前述陀螺儀基本相同。MEMS加速度計(jì)利用敏感結(jié)構(gòu)將線加速度的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值的變化，得到物體運(yùn)動(dòng)的加速度值。產(chǎn)品主要包含加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)和ASIC芯片，ASIC芯片由電容/電壓變換電路和數(shù)字部分組成。

MEMS加速度計(jì)可以通過分散式多單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使MEMS敏感結(jié)構(gòu)具有高靈敏度、低漂移、低溫度系數(shù)、良好的重復(fù)性等特性。MEMS加速度計(jì)采用基于SOI體硅工藝制造，配以高性能ASIC電路，可以實(shí)現(xiàn)μg級(jí)加速度測(cè)量精度。

MEMS行業(yè)概況

①M(fèi)EMS技術(shù)概述

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和微加工技術(shù)，把微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理與控制電路、電源以及通信接口等集成在一片或者多片芯片上的微型器件或系統(tǒng)。MEMS器件種類眾多，主要分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。MEMS傳感器可以感知和測(cè)量物體的特定狀態(tài)和變化，并按一定規(guī)律將被測(cè)量的狀態(tài)和變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或者其它可用信號(hào)，MEMS執(zhí)行器則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿C(jī)械運(yùn)動(dòng)或機(jī)械操作。經(jīng)過40多年的發(fā)展，MEMS從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?，已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)與通信、醫(yī)療健康、高可靠等各個(gè)領(lǐng)域?；贛EMS技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)備大大增強(qiáng)了人們與物理世界交互的能力，極大地改變了人們的生活方式。

②MEMS行業(yè)發(fā)展歷程

MEMS技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)具有革命性的高新技術(shù)之一，其誕生和發(fā)展是需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的綜合結(jié)果，亦是微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)的巧妙結(jié)合。MEMS起源可追溯至20世紀(jì)50年代。硅的壓阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，學(xué)者們開始了對(duì)硅傳感器的研究。20世紀(jì)70年代末至90年代，安全氣囊、制動(dòng)壓力、輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)等汽車行業(yè)應(yīng)用需求增長(zhǎng)推動(dòng)了MEMS行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮，壓力傳感器和加速度計(jì)取得快速發(fā)展。1979年Roylance和Angell研制出壓阻式微加速度計(jì)，1983年Honeywell用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片研制出壓力傳感器。

20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，信息技術(shù)的興起和微光學(xué)器件的需求推動(dòng)了MEMS行業(yè)發(fā)展的第二次浪潮，MEMS慣性傳感器與MEMS執(zhí)行器取得共同發(fā)展。MEMS慣性傳感器方面，1991年，電容式微加速度計(jì)開始被研制，1998年美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室研制出了較早的MEMS陀螺儀。MEMS執(zhí)行器方面，1994年德州儀器以光學(xué)MEMS微鏡為基礎(chǔ)推岀投影儀，21世紀(jì)初MEMS噴墨打印頭出現(xiàn)。2010年至今，產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景的日益豐富推動(dòng)了MEMS行業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，如高性能的MEMS陀螺儀在工業(yè)儀器、航空、機(jī)器人等多方面得到應(yīng)用。MEMS商業(yè)化將MEMS技術(shù)從最早的汽車應(yīng)用領(lǐng)域向航空、工業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。

③MEMS行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈

MEMS產(chǎn)業(yè)鏈一般可分為四個(gè)環(huán)節(jié)：芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試以及系統(tǒng)應(yīng)用。MEMS行業(yè)主要有Fabless和IDM兩種經(jīng)營(yíng)模式。采用Fabless模式的MEMS企業(yè)主要負(fù)責(zé)MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與銷售，將生產(chǎn)、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)外包。采用IDM模式的國(guó)際企業(yè)，如博世、意法半導(dǎo)體、亞德諾半導(dǎo)體、霍尼韋爾等，經(jīng)營(yíng)范圍覆蓋了芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測(cè)試等各環(huán)節(jié)。

MEMS產(chǎn)品類型與市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

MEMS產(chǎn)品主要分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器，常見的MEMS器件如下表所示：

①M(fèi)EMS傳感器和MEMS執(zhí)行器的比較

MEMS傳感器是用來檢測(cè)物理、化學(xué)或生物現(xiàn)象的器件；而MEMS執(zhí)行器是用來產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)、力和轉(zhuǎn)矩的器件，兩者用途存在較大差異，因而技術(shù)路線和難點(diǎn)不同。由于客戶應(yīng)用MEMS產(chǎn)品的環(huán)境具有多樣性，需要檢測(cè)的外界信號(hào)種類較多，從而導(dǎo)致MEMS傳感器種類眾多，需求差異大，不同類型的MEMS傳感器的工藝差異大，需開發(fā)合適的工藝方案；另外MEMS傳感器往往需要匹配復(fù)雜的ASIC芯片，所以MEMS傳感器的開發(fā)往往需要從系統(tǒng)的角度考慮。而MEMS執(zhí)行器通常只是完成單一的動(dòng)作，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但對(duì)于材料制備，以及加工工藝的一致性要求較高，如MEMS射頻濾波器等；另外，MEMS執(zhí)行器無需或只需要簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路即可，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。

②不同類型MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測(cè)量的外部信號(hào)不同，不同類型的MEMS傳感器技術(shù)差異較大。MEMS慣性傳感器主要檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)，因此MEMS多為密閉式封裝。而壓力/光學(xué)/聲學(xué)傳感器需要通過直接接觸被測(cè)量，所以多為開放式封裝，同時(shí)需要結(jié)合使用環(huán)境設(shè)計(jì)有利于檢測(cè)信號(hào)的傳感器敏感單元表面結(jié)構(gòu)。MEMS慣性傳感器相對(duì)于壓力傳感器、聲學(xué)傳感器等其他類型的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域較廣，在高可靠領(lǐng)域及其他工業(yè)、消費(fèi)領(lǐng)域均具備豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對(duì)于在工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的聲學(xué)傳感器、環(huán)境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應(yīng)用于高可靠領(lǐng)域，復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于產(chǎn)品性能要求高，因此對(duì)產(chǎn)品可靠性提出了更嚴(yán)格的需求，存在較高的技術(shù)門檻。MEMS壓力傳感器主要是壓阻式和電容式，使用廣泛，成本低；部分高端壓力傳感器采用諧振式原理，精度高，售價(jià)高，多用于儀表校驗(yàn)等對(duì)精度要求高的領(lǐng)域。MEMS聲學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器主要應(yīng)用于消費(fèi)類電子，例如智能手機(jī)中的MEMS麥克風(fēng)和接近傳感器，產(chǎn)品具有體積小、成本低、功耗低的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品絕對(duì)性能要求相對(duì)不高，行業(yè)內(nèi)廠商競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)激烈。

③MEMS傳感器的工作原理

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械技術(shù)工藝制造出來的微型傳感器，種類繁多，是使用最廣泛的MEMS產(chǎn)品。MEMS傳感器通過微傳感元件和傳輸單元，可將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)出另一種可監(jiān)測(cè)信號(hào)。與傳統(tǒng)工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。MEMS慣性傳感器屬于MEMS傳感器的重要分支，主要包括陀螺儀、加速度計(jì)等，并可通過組合形成慣性組合傳感器IMU。

MEMS陀螺儀的發(fā)展情況

①陀螺儀的發(fā)展歷史

最早的陀螺儀基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子來測(cè)量計(jì)算運(yùn)動(dòng)載體的旋轉(zhuǎn)角速率。經(jīng)歷一百多年的漫長(zhǎng)發(fā)展，人們又研制出了多種基于不同測(cè)量原理具有不同測(cè)量精度的陀螺儀。按不同測(cè)量原理和發(fā)明先后，慣性技術(shù)發(fā)展通常分為四代，MEMS陀螺儀是第三代陀螺儀的代表。

第一代，基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理。典型代表為靜電陀螺以及動(dòng)力調(diào)諧陀螺，其特點(diǎn)是種類多、精度高、體積質(zhì)量大、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能受機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和極限精度制約、產(chǎn)品制造維護(hù)成本昂貴。

第二代，基于薩格奈克效應(yīng)。典型代表是激光陀螺和光纖陀螺，其特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維護(hù)、壽命長(zhǎng)。光學(xué)陀螺技術(shù)較為成熟，精度高，隨著產(chǎn)品迭代，光學(xué)陀螺及其系統(tǒng)應(yīng)用從戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用逐步拓展到導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用，在陸、海、空、天等多個(gè)領(lǐng)域中得到批量應(yīng)用，但由于其成本高、體積大，應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制。

第三代，基于哥氏振動(dòng)效應(yīng)和微納加工技術(shù)。典型代表是半球諧振陀螺和MEMS陀螺。半球諧振陀螺是哥式振動(dòng)陀螺儀中的一種高精度陀螺儀，正逐步在空間、航空、航海等領(lǐng)域開展應(yīng)用，但受限于結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)，市場(chǎng)上可規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)較少。MEMS陀螺儀具有體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，率先在汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。隨著性能的進(jìn)一步提高，MEMS陀螺儀應(yīng)用也被拓展到了工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，使得慣性系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展。

第四代，基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)。典型代表為核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、小型化和更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)，目前仍處于早期研究階段。MEMS陀螺儀具有小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢(shì)，解決了第一、二代陀螺儀體積質(zhì)量大、成本高的不足，并隨著精度和穩(wěn)定性的持續(xù)提升，在陀螺儀市場(chǎng)中占據(jù)了重要的位置。

②不同類型陀螺儀的應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢(shì)

目前，市場(chǎng)上大量使用的陀螺儀主要包括激光陀螺儀、光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀，上述陀螺儀技術(shù)發(fā)展處于相對(duì)成熟的狀態(tài)，應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)廣泛。激光陀螺儀和光纖陀螺儀分別屬于第一代光學(xué)陀螺儀和第二代光學(xué)陀螺儀，其中激光陀螺儀利用光程差的原理來測(cè)量角速度，兩束光波沿著同一個(gè)圓周路徑反向而行，當(dāng)光源與圓周均發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光的行進(jìn)路程不同，產(chǎn)生了相位差，通過測(cè)量該相位差可以測(cè)出激光陀螺的角速度。光纖陀螺儀使用與激光陀螺儀相同的基本原理，但由于光纖可以進(jìn)行繞制，因此光纖陀螺儀中激光回路的長(zhǎng)度比激光陀螺儀增加，使得檢測(cè)靈敏度和分辨率也提高，從而有效地克服了激光陀螺儀的閉鎖問題。隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）等學(xué)科的興起，基于哥氏振動(dòng)效應(yīng)和微納加工技術(shù)的MEMS陀螺儀開始出現(xiàn)，MEMS陀螺儀具備小型化、高集成、低成本的特點(diǎn)，因此，雖然其精度較激光陀螺儀與光纖陀螺儀低，但仍具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

由于不同技術(shù)路線的陀螺儀可實(shí)現(xiàn)類似的功能，因此MEMS陀螺儀和兩光陀螺在部分無人系統(tǒng)、高端工業(yè)、高可靠等應(yīng)用領(lǐng)域有所重合。隨著高性能MEMS陀螺儀的精度不斷提升，并依托成本的優(yōu)勢(shì)，可逐步應(yīng)用于中低精度兩光陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，由于高性能MEMS陀螺儀具有小體積、高集成、抗高過載的優(yōu)勢(shì)，可以解決光纖陀螺和激光陀螺由于體積較大、抗沖擊能力弱的問題，滿足高可靠、無人系統(tǒng)等領(lǐng)域智能化升級(jí)的要求，進(jìn)一步拓展高性能MEMS陀螺儀的增量市場(chǎng)。

MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)是一種能夠測(cè)量物體線加速度的器件，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量計(jì)算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過加速度對(duì)時(shí)間積分得到線速度，再次通過線速度對(duì)時(shí)間積分可計(jì)算出直線位移。按工作原理劃分，MEMS加速度計(jì)可以分為以下類型：電容式、壓電式、熱感式、諧振式等。其中，電容式MEMS加速度計(jì)是目前應(yīng)用最多的類型。電容式MEMS加速度計(jì)具有檢測(cè)精度高、受溫度影響小、功耗低、寬動(dòng)態(tài)范圍、以及可以測(cè)量靜態(tài)加速度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、高可靠等各個(gè)領(lǐng)域。公司MEMS加速度計(jì)即為電容式。

MEMS慣性系統(tǒng)

從技術(shù)層次來看，慣性技術(shù)領(lǐng)域可以分為慣性器件與慣性系統(tǒng)兩個(gè)層級(jí)，慣性器件主要包括測(cè)量角速率的陀螺儀和測(cè)量線加速度的加速度計(jì)；慣性系統(tǒng)是以慣性器件為核心，利用集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的慣性測(cè)量、慣性導(dǎo)航以及慣性穩(wěn)控系統(tǒng)，其中慣性導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。目前，MEMS慣性系統(tǒng)已由發(fā)展初期的消費(fèi)、汽車領(lǐng)域擴(kuò)展到工業(yè)、航空航天等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況

高性能MEMS慣性傳感器行業(yè)，屬于產(chǎn)業(yè)鏈較上游的芯片/組件領(lǐng)域，為產(chǎn)業(yè)鏈中游慣性模組廠商提供基礎(chǔ)核心慣性元器件，此類慣性元器件主要用于自主測(cè)量和反饋物體運(yùn)動(dòng)速度和角度的變化，并與衛(wèi)星等其他導(dǎo)控模塊形成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、組合慣性系統(tǒng)等，經(jīng)下游應(yīng)用端客戶集成在相關(guān)設(shè)備中發(fā)揮慣性導(dǎo)航、慣性測(cè)量和慣性穩(wěn)控的作用。

①慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件是陀螺儀和加速度計(jì)。通常情況下，每套慣性系統(tǒng)包含三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，分別測(cè)量三個(gè)自由度的角速率和線加速度；通過對(duì)角速率和線加速度按時(shí)間積分以及疊加運(yùn)算，可以動(dòng)態(tài)確定自身位置變化，從而確定自身移動(dòng)軌跡以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。慣性導(dǎo)航的工作原理如下圖所示：

慣性導(dǎo)航不借助外源信息，也不向外發(fā)送任何信號(hào)，因而不用借助其他設(shè)備，可免受外界干擾影響。除獨(dú)立使用外，慣性導(dǎo)航還可以與衛(wèi)星導(dǎo)航結(jié)合使用，形成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，具備以下主要優(yōu)勢(shì)：一方面，在開放的外界環(huán)境中使用衛(wèi)星定位導(dǎo)航確定絕對(duì)位置，可利用慣性導(dǎo)航提高位置更新速率；另一方面，在高架橋、山間隧道等衛(wèi)星信號(hào)較弱甚至消失的場(chǎng)合，設(shè)備可自動(dòng)切換至慣性導(dǎo)航來提供定位信息以繼續(xù)導(dǎo)航。

②慣性測(cè)量

慣性測(cè)量系統(tǒng)是利用陀螺儀、加速度計(jì)等慣性敏感元件和電子計(jì)算機(jī)測(cè)量載體相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)的角速率和加速度，以確定載體的位置和地球重力場(chǎng)參數(shù)的組合系統(tǒng)。目前已被應(yīng)用于石油測(cè)斜、城市測(cè)繪、地質(zhì)監(jiān)測(cè)、尋北儀表等領(lǐng)域。例如，陀螺尋北儀通常采用陀螺儀和加速度計(jì)的組合方案，利用陀螺儀測(cè)量地球旋轉(zhuǎn)角速率的水平分量以獲得載體的北向信息，利用加速度計(jì)測(cè)量陀螺的姿態(tài)角，對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。通過多位置法消除陀螺儀和加速度計(jì)的零偏影響，經(jīng)過計(jì)算得到陀螺儀轉(zhuǎn)軸與正北方向的夾角，系統(tǒng)原理如下所示：

③慣性穩(wěn)控

慣性穩(wěn)控是通過連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)姿態(tài)與位置變化，利用伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)，使被穩(wěn)定對(duì)象與設(shè)定目標(biāo)保持相對(duì)穩(wěn)定的裝置。慣性穩(wěn)控利用陀螺儀敏感框架的角速率信號(hào)，利用控制算法進(jìn)行伺服結(jié)構(gòu)的控制，保持在外部干擾情況下平臺(tái)的穩(wěn)定，提高平臺(tái)設(shè)備工作的性能。慣性穩(wěn)控因其隔離載體干擾的能力，在各類運(yùn)動(dòng)平臺(tái)得到了廣泛的應(yīng)用。常見的慣性穩(wěn)控包括動(dòng)中通天線，光電吊艙，攝像平臺(tái)等。隨著MEMS陀螺儀性能的不斷提高，MEMS陀螺儀在慣性穩(wěn)控系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。系統(tǒng)原理如下所示：

MEMS慣性傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

目前MEMS慣性傳感器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與通信、高可靠、汽車電子、醫(yī)療健康、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。MEMS慣性傳感器應(yīng)用領(lǐng)域如下圖所示：

隨著MEMS慣性技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，高性能MEMS慣性傳感器應(yīng)用逐漸拓展到無人系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛、高端工業(yè)、高可靠等領(lǐng)域，而中低性能MEMS慣性傳感器主要應(yīng)用于消費(fèi)電子和汽車等領(lǐng)域。高性能MEMS慣性傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域如下：

①無人系統(tǒng)

無人系統(tǒng)是指具有一定自治能力和自主性的無人控制系統(tǒng)，它是人工智能、機(jī)器人技術(shù)以及實(shí)時(shí)控制決策系統(tǒng)的結(jié)合產(chǎn)物。通過利用慣性器件及捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以為無人系統(tǒng)提供精確的速度、位置和姿態(tài)等信息，從而實(shí)現(xiàn)其精確的導(dǎo)航定位和姿態(tài)控制。無人系統(tǒng)能廣泛替代人類于各種環(huán)境下獨(dú)立完成布置的任務(wù)，而不需要或者只需要極少操控人員的控制，大大擴(kuò)充了人類的行為能力。無人系統(tǒng)包含無人機(jī)、無人車、無人船、無人潛航器以及機(jī)器人等多種無人平臺(tái)，其中尤以無人機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

無人機(jī)作為智能無人化工作的代表，具有高效無休、零接觸的工作特點(diǎn)，在安防巡檢、消殺作業(yè)、物流配送、宣傳喊話、照明測(cè)溫、農(nóng)業(yè)植保等方面發(fā)揮了重要的作用。

②自動(dòng)駕駛

現(xiàn)代汽車系統(tǒng)已經(jīng)搭載了多種MEMS慣性傳感器，如陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和慣性測(cè)量單元，以增強(qiáng)汽車的可靠性，提高駕駛的安全性。最早應(yīng)用于汽車的是MEMS加速度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)汽車運(yùn)行狀態(tài)，判斷突然減速過程中是否啟用安全氣囊，MEMS加速度計(jì)還被用于胎壓監(jiān)測(cè)（TPMS）中監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以優(yōu)化TPMS傳感器的電池壽命，MEMS陀螺儀也被大量用于車身穩(wěn)定系統(tǒng)以增強(qiáng)行車安全性。如今，MEMS慣性測(cè)量單元正逐步被用于自動(dòng)駕駛并輔助GPS導(dǎo)航，在衛(wèi)星信號(hào)較弱甚至丟失的情況下，根據(jù)慣性測(cè)量單元實(shí)時(shí)測(cè)量的加速度和角速率信息，繼續(xù)利用慣性導(dǎo)航以推算出最新的位置，在短時(shí)間內(nèi)仍可得到較高精度的位置信息，利用航跡推算實(shí)現(xiàn)短時(shí)導(dǎo)航，大大提高了用戶體驗(yàn)。

③測(cè)量測(cè)繪

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)平臺(tái)、現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施、航空航天遙感影像快速獲取平臺(tái)、先進(jìn)野外測(cè)繪技術(shù)裝備、地理信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)裝備以及地理信息數(shù)據(jù)交換傳輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等測(cè)繪裝備體系完成構(gòu)建，測(cè)繪行業(yè)進(jìn)入信息化測(cè)繪階段。高精度MEMS慣性測(cè)量單元是信息化測(cè)繪體系的重要支撐。信息化測(cè)繪的數(shù)據(jù)采集方式包括傳統(tǒng)測(cè)量、航空攝影測(cè)量、衛(wèi)星遙感以及激光雷達(dá)測(cè)量等。除傳統(tǒng)方式外，其他現(xiàn)代化測(cè)繪方式需要基于高精度慣性測(cè)量單元的飛行控制系統(tǒng)或光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)支撐，以便于載具在動(dòng)態(tài)過程中采集到清晰的圖像。

④通信–動(dòng)中通

動(dòng)中通是指通過天線基座對(duì)天線進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使平臺(tái)保持和通訊衛(wèi)星相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而保證通訊質(zhì)量。動(dòng)中通共分四類：車載、船載、機(jī)載和全自動(dòng)便攜站等產(chǎn)品，主要應(yīng)用于應(yīng)急通信、移動(dòng)辦公、電視臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)直播、航空寬帶、商船通信、游艇、漁船等領(lǐng)域。慣性傳感器是動(dòng)中通的核心部件，在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)慣性測(cè)量信息自動(dòng)控制天線的方位、仰角和極化角，確保天線的波束中心始終精確指向衛(wèi)星，使系統(tǒng)在靜態(tài)、高速、高動(dòng)態(tài)下均可穩(wěn)定運(yùn)行，具有高機(jī)動(dòng)性和高靈活性，具有一定的市場(chǎng)規(guī)模。

⑤工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

各類傳感器是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的感知器官，高精度的傳感器才能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作并提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。MEMS慣性傳感器已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用，例如風(fēng)力發(fā)電塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)、光伏發(fā)電太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)、電網(wǎng)塔架安全監(jiān)測(cè)、水電大壩監(jiān)測(cè)、機(jī)器振動(dòng)監(jiān)測(cè)、礦井礦山監(jiān)測(cè)、工程機(jī)械監(jiān)測(cè)等。隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)字化需求的增長(zhǎng)，物聯(lián)網(wǎng)一方面設(shè)備數(shù)量增速較快，另一方面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)可靠性的要求也進(jìn)一步提升。

⑥資源勘探

慣性技術(shù)在資源勘探中，主要用于測(cè)量井身軌跡和鉆頭的實(shí)際位置，從而保證井深達(dá)到預(yù)定位置。隨著石油資源日益枯竭，勘探和開發(fā)情況愈加復(fù)雜，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油測(cè)斜儀器。而慣性技術(shù)的應(yīng)用，使得這種需求得以滿足，通過采用高精度、高分辨率的慣性及磁傳感器來精確測(cè)量鉆井過程中井斜角、方位角及工具面角等工程參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)井身軌跡與鉆頭位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

⑦高速鐵路

MEMS慣性傳感器可以檢測(cè)和測(cè)量各種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，包括加速、傾斜、振動(dòng)、沖擊和旋轉(zhuǎn)等，其在高速鐵路中的典型應(yīng)用實(shí)例包括：轉(zhuǎn)向架安全性和舒適度的監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)、改善乘客舒適性的高速列車傾斜控制系統(tǒng)、列車的位置監(jiān)控、運(yùn)輸過程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、鐵路軌道安全和維護(hù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、列車定位導(dǎo)航等。

⑧高可靠

MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)以其小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢(shì)，逐步適用于體積和重量受限的微小衛(wèi)星等系統(tǒng)。微小衛(wèi)星具有成本較低、發(fā)射靈活、適宜冗余組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的興起大大促進(jìn)了微小衛(wèi)星的快速發(fā)展。目前，低軌道衛(wèi)星空間軌位和頻譜資源日益緊張，各國(guó)紛紛部署星座計(jì)劃。

在國(guó)家政策支持下，我國(guó)近年來多個(gè)近地軌道衛(wèi)星星座計(jì)劃相繼啟動(dòng)，各星座計(jì)劃部署情況合計(jì)超過1,200顆。根據(jù)賽迪顧問的統(tǒng)計(jì)，2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模為2,860億美元，我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模約700億元，中國(guó)在軌衛(wèi)星的數(shù)量位于世界前列。我國(guó)商業(yè)航天市場(chǎng)的逐步開放，將帶動(dòng)通信小衛(wèi)星研制、衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端設(shè)備與軟件應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展，在全球高度關(guān)注衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)布局的背景下我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將保持較高速度的增長(zhǎng)。MEMS慣性傳感器具有小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢(shì)，隨著其精度的提升，MEMS慣性傳感器逐步適用于對(duì)精度要求較高的高可靠領(lǐng)域。我國(guó)高可靠領(lǐng)域市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，市場(chǎng)需求蓬勃增長(zhǎng)，具備廣闊的市場(chǎng)空間。

主要企業(yè)

A.Honeywell

Honeywell由聯(lián)合訊號(hào)公司及霍尼韋爾公司合并而成，是在多元化技術(shù)和制造業(yè)方面占世界領(lǐng)導(dǎo)地位的跨國(guó)公司。該公司主要產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、自主式水下航行器、通信、工業(yè)設(shè)備、船舶及潛航器、石油和天然氣、機(jī)器人、地圖測(cè)繪、穩(wěn)定平臺(tái)、交通運(yùn)輸、無人機(jī)、地面無人車輛等領(lǐng)域。目前Honeywell在MEMS陀螺儀的研制開發(fā)領(lǐng)域是世界最高水平的公司之一，其高性能硅基MEMS慣性傳感器銷售額位居世界前列。

B.ADI

ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于為客戶解決復(fù)雜的工程難題。ADI將MEMS技術(shù)應(yīng)用于傳感器和執(zhí)行器產(chǎn)品中，其MEMS產(chǎn)品組合包括用于感測(cè)線加速度的加速度計(jì)、用于感測(cè)旋轉(zhuǎn)的陀螺儀、用于感測(cè)多個(gè)自由度（沿多個(gè)軸組合多種感測(cè)類型）的慣性測(cè)量單元，以及適用于無線電和儀器系統(tǒng)的寬帶開關(guān)，其高性能硅基MEMS慣性傳感器出貨量位居世界前列。

C.Sensonor

Sensonor是MEMS技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，在開發(fā)和制造高性能傳感器方面擁有30多年的經(jīng)驗(yàn)。該公司設(shè)計(jì)和制造高精度戰(zhàn)術(shù)級(jí)陀螺儀傳感器、MEMS陀螺儀模塊和慣性測(cè)量單元，為工業(yè)和商業(yè)市場(chǎng)等領(lǐng)域客戶提供服務(wù)。

D.SiliconSensing

SiliconSensing是一家陀螺儀和慣性系統(tǒng)工程開發(fā)公司。該公司的產(chǎn)品包括MEMS陀螺儀傳感器、加速度計(jì)、慣性傳感器模塊等，廣泛應(yīng)用于航空、測(cè)繪、鉆井、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、導(dǎo)航輔助、自動(dòng)駕駛等多個(gè)領(lǐng)域。

E.Colibrys

Colibrys是基于MEMS技術(shù)加速度傳感器的全球領(lǐng)先的供應(yīng)商之一，一直在開發(fā)和生產(chǎn)用于航空和安全關(guān)鍵應(yīng)用的MEMS加速度計(jì)，具有完備的MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研究開發(fā)、芯片生產(chǎn)、封裝和混合機(jī)電元件測(cè)試技術(shù)。高性能硅基MEMS慣性傳感器

編輯：黃飛