MEMS惯性传感器——万物姿态测控新技
MEMS惯性传感器，包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，均包含一颗微机械（MEMS）芯片和一颗专用控制电路（ASIC）芯片，并通过惯性技术实现物体运动姿态和运动轨迹的感知。陀螺仪和加速度计是惯性系统的基础核心器件，其性能高低直接决定惯性系统的整体表现。硅基MEMS惯性传感器因小型化、高集成、低成本的优势，成为现代惯性传感器的重要发展方向。
其中，陀螺仪用于感知物体运动的角速率，加速度计用于感知物体运动的线加速度，二者辅以时间维度进行运算后可得出物体相对于初始位置的偏离，进而获得物体的运动状态，包括当前位置、方向和速度。
1、MEMS陀螺仪
陀螺仪是测量角速率的一种器件，是惯性系统的重要组成部分，主要用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等应用领域。MEMS陀螺仪的核心是一颗微机械（MEMS）芯片，一颗专用控制电路（ASIC）芯片及应力隔离封装。其工作原理为：采用半导体加工技术在硅晶圆上制造出的MEMS芯片，在ASIC芯片的驱动控制下感应外部待测信号并将其转化为电容、电阻、电荷等信号变化，ASIC芯片再将上述信号变化转化成电学信号，最终通过封装将芯片保护起来并将信号输出，从而实现外部信息获取与交互的功能。
采用半导体MEMS加工工艺制造的MEMS陀螺仪以科里奥利（Coriolis）效应为基本工作原理。可动质量块在驱动电路控制下高速震荡，当物体转动时，质量块发生垂直于震荡方向的横向位移，横向位移的大小与输入角速率的大小成正比，通过测量横向位移实现对角速率的测量，从而实现MEMS陀螺仪的主要功能。为了使MEMS陀螺仪正常工作，需要驱动MEMS结构中的可动质量块做高速震荡，驱动方式主要有静电式、压电式和电磁式。振幅检测方式分为电容检测、压电检测、压阻式检测、光学检测等。
2、MEMS加速度计
加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件。加速度计的理论基础是牛顿第二定律，传感器在加速过程中，可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值。如果初速度已知，就可以通过对时间积分得到线速度，再次积分即可计算出直线位移。加速度计已经广泛应用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等领域。
MEMS加速度计的核心是一颗MEMS芯片、一颗ASIC芯片及应力隔离封装。其产品构造与前述陀螺仪基本相同。MEMS加速度计利用敏感结构将线加速度的变化转换为电容的变化量，最终通过专用集成电路读出电容值的变化，得到物体运动的加速度值。产品主要包含加速度计敏感结构和ASIC芯片，ASIC芯片由电容/电压变换电路和数字部分组成。
行业主要经营模式
集成电路行业根据是否自建晶圆生产线及封装测试生产线，将经营模式主要分为IDM（IntegratedDeviceManufacturing，垂直分工模式）模式和Fabless模式（Fabless-foundrymodel，无晶圆厂制造模式）。IDM企业能独立完成从芯片设计到产品制造的所有环节，对企业资产实力、技术水平和业务规模等方面具有较高的要求，因此只有少数国际大型半导体企业采用该种模式。在Fabless模式下，产业链各环节由不同企业专业化分工进行，Fabless芯片设计企业主要从事产品的研发设计和销售，晶圆制造、封装和测试环节交由第三方晶圆制造和封装测试企业完成。Fabless模式对集成电路设计企业的资金及规模要求相对较低，因此大部分集成电路设计企业均采用Fabless模式。
一般ASIC芯片采用标准CMOS制造工艺，而MEMS芯片采用体硅加工工艺，相较于CMOS制造工艺标准化程度较低。
主要差异为：MEMS芯片内部包含了复杂的极微小型机械结构，具有较高定制化的特性，不同类型传感器往往拥有不同的微机械结构，一款MEMS芯片通常对应一套加工工艺方案。因此相比于大规模标准CMOS工艺，MEMS晶圆代工厂一般只提供基本的工艺模块。
MEMS行业概况
（1）MEMS行业概述
①MEMS技术概述
MEMS即微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大规模集成电路制造技术和微加工技术，把微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、电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统。
MEMS器件种类众多，主要分为MEMS传感器和MEMS执行器。MEMS传感器可以感知和测量物体的特定状态和变化，并按一定规律将被测量的状态和变化转变为电信号或者其它可用信号，MEMS执行器则将控制信号转变为微小机械运动或机械操作。
经过40多年的发展，MEMS从实验室走向实用化，已广泛应用于消费电子、汽车、工业与通信、医疗健康、高可靠等各个领域。基于MEMS技术的系统设备大大增强了人们与物理世界交互的能力，极大地改变了人们的生活方式。
②MEMS行业发展历程
MEMS技术被誉为21世纪具有革命性的高新技术之一，其诞生和发展是需求牵引和技术推动的综合结果，亦是微电子技术和微机械技术的巧妙结合。
MEMS起源可追溯至20世纪50年代。硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。20世纪70年代末至90年代，安全气囊、制动压力、轮胎压力检测系统等汽车行业应用需求增长推动了MEMS行业发展的第一次浪潮，压力传感器和加速度计取得快速发展。1979年Roylance和Angell研制出压阻式微加速度计，1983年Honeywell用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片研制出压力传感器。
20世纪90年代末至21世纪初，信息技术的兴起和微光学器件的需求推动了MEMS行业发展的第二次浪潮，MEMS惯性传感器与MEMS执行器取得共同发展。MEMS惯性传感器方面，1991年，电容式微加速度计开始被研制，1998年美国Draper实验室研制出了较早的MEMS陀螺仪。MEMS执行器方面，1994年德州仪器以光学MEMS微镜为基础推岀投影仪，21世纪初MEMS喷墨打印头出现。
2010年至今，产品应用场景的日益丰富推动了MEMS行业发展的第三次浪潮，如高性能的MEMS陀螺仪在工业仪器、航空、机器人等多方面得到应用。MEMS商业化将MEMS技术从最早的汽车应用领域向航空、工业和消费电子等领域不断扩展。
③MEMS行业的产业链
MEMS产业链一般可分为四个环节：芯片设计、晶圆制造、封装测试以及系统应用。MEMS行业主要有Fabless和IDM两种经营模式。采用Fabless模式的MEMS企业主要负责MEMS产品的设计与销售，将生产、封装、测试等环节外包。采用IDM模式的国际企业，如博世、意法半导体、亚德诺半导体、霍尼韦尔等，经营范围覆盖了芯片设计、晶圆制造和封装测试等各环节。
MEMS产业链如下所示：
（2）MEMS行业市场现状
①全球市场现状
根据Yole的统计和预测，全球MEMS行业市场规模将从2021年的136亿美元增长到2027年的223亿美元，2021-2027年复合增长率为9.00%。
MEMS器件已经被广泛应用于消费电子、汽车、医疗、工业、通信等多个领域。从2021年市场规模来看，消费电子、汽车和工业市场是MEMS行业最大的三个细分市场。
从全球竞争格局的角度看，目前少数巨头企业占据了全球MEMS行业的主导地位，2021年前十大MEMS厂商市场占比达到了57.94%，市场集中度较高。
②国内市场现状
受益于工业物联网、智能制造、人工智能等战略的实施，加之各级政府加速推动智慧城市建设、智能制造、智慧医疗发展，MEMS市场具有较大的发展机遇。根据赛迪顾问数据整理，2020年中国MEMS市场保持快速增长，整体市场规模达到736.70亿元，同比增长23.24%，国内市场增速持续高于全球。预计2022年中国MEMS市场规模将突破1,000亿元，2020-2022年复合增长率为19.06%。
2021年中国MEMS市场以国外厂商为主，中国厂商中歌尔股份有限公司、瑞声科技控股有限公司、武汉高德红外股份有限公司、台湾积体电路制造股份有限公司进入了前30大厂商行列，发达国家在MEMS芯片设计和制造领域技术先进，在产品性能和可靠性等方面优势更为明显。
（3）MEMS产品类型与市场结构
MEMS产品主要分为MEMS传感器和MEMS执行器，常见的MEMS器件如下表所示：
①MEMS传感器和MEMS执行器的比较
MEMS传感器是用来检测物理、化学或生物现象的器件；而MEMS执行器是用来产生机械运动、力和转矩的器件，两者用途存在较大差异，因而技术路线和难点不同。
由于客户应用MEMS产品的环境具有多样性，需要检测的外界信号种类较多，从而导致MEMS传感器种类众多，需求差异大，不同类型的MEMS传感器的工艺差异大，需开发合适的工艺方案；另外MEMS传感器往往需要匹配复杂的ASIC芯片，所以MEMS传感器的开发往往需要从系统的角度考虑。而MEMS执行器通常只是完成单一的动作，结构较为简单，但对于材料制备，以及加工工艺的一致性要求较高，如MEMS射频滤波器等；另外，MEMS执行器无需或只需要简单的驱动电路即可，系统相对简单。
②不同类型MEMS传感器的比较
由于MEMS传感器测量的外部信号不同，不同类型的MEMS传感器技术差异较大。MEMS惯性传感器主要检测物体的运动，需要将传感器安装在载体上用于检测载体的运动，因此MEMS多为密闭式封装。而压力/光学/声学传感器需要通过直接接触被测量，所以多为开放式封装，同时需要结合使用环境设计有利于检测信号的传感器敏感单元表面结构。
MEMS惯性传感器相对于压力传感器、声学传感器等其他类型的传感器应用领域较广，在高可靠领域及其他工业、消费领域均具备丰富的应用场景，不同应用场景对于性能、成本、功耗、体积的要求差异较大。相对于在工业及消费领域应用较广的声学传感器、环境传感器等，高性能MEMS惯性传感器多应用于高可靠领域，复杂环境下对于产品性能要求高，因此对产品可靠性提出了更严格的需求，存在较高的技术门槛。
MEMS压力传感器主要是压阻式和电容式，使用广泛，成本低；部分高端压力传感器采用谐振式原理，精度高，售价高，多用于仪表校验等对精度要求高的领域。MEMS声学传感器和光学传感器主要应用于消费类电子，例如智能手机中的MEMS麦克风和接近传感器，产品具有体积小、成本低、功耗低的特点，对产品绝对性能要求相对不高，行业内厂商竞争相对激烈。
③MEMS传感器的工作原理
MEMS传感器是采用微电子和微机械技术工艺制造出来的微型传感器，种类繁多，是使用最广泛的MEMS产品。MEMS传感器通过微传感元件和传输单元，可将输入的信号转换，并导出另一种可监测信号。与传统工艺制造的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。MEMS惯性传感器属于MEMS传感器的重要分支，主要包括陀螺仪、加速度计等，并可通过组合形成惯性组合传感器IMU。
④MEMS传感器行业的产品结构
按照YoleDeveloppement统计的MEMS产品市场规模数据，2021年不同类型MEMS产品的市场份额如下所示：
MEMS惯性传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计、惯性传感组合，2021年上述四类产品市场规模合计35.09亿美元，占比25.81%，是MEMS行业中的主要产品类型。
MEMS惯性传感器细分行业发展情况及市场规模
（1）MEMS陀螺仪的发展情况
①陀螺仪的发展历史
最早的陀螺仪基于牛顿经典力学原理，利用高速旋转的陀螺转子来测量计算运动载体的旋转角速率。经历一百多年的漫长发展，人们又研制出了多种基于不同测量原理具有不同测量精度的陀螺仪。按不同测量原理和发明先后，惯性技术发展通常分为四代，MEMS陀螺仪是第三代陀螺仪的代表。
第一代，基于牛顿经典力学原理。典型代表为静电陀螺以及动力调谐陀螺，其特点是种类多、精度高、体积质量大、系统组成结构复杂、性能受机械结构复杂性和极限精度制约、产品制造维护成本昂贵。
第二代，基于萨格奈克效应。典型代表是激光陀螺和光纤陀螺，其特点是反应时间短、动态范围大、可靠性高、环境适应性强、易维护、寿命长。光学陀螺技术较为成熟，精度高，随着产品迭代，光学陀螺及其系统应用从战术级应用逐步拓展到导航级应用，在陆、海、空、天等多个领域中得到批量应用，但由于其成本高、体积大，应用领域受到一定限制。
第三代，基于哥氏振动效应和微纳加工技术。典型代表是半球谐振陀螺和MEMS陀螺。半球谐振陀螺是哥式振动陀螺仪中的一种高精度陀螺仪，正逐步在空间、航空、航海等领域开展应用，但受限于结构及制造技术，市场上可规模化生产的企业较少。MEMS陀螺仪具有体积小、重量轻、环境适应性强、价格低、易于大批量生产等特点，率先在汽车和消费电子领域得到了大量应用。随着性能的进一步提高，MEMS陀螺仪应用也被拓展到了工业、航空航天等领域，使得惯性系统应用领域大为扩展。
第四代，基于现代量子力学技术。典型代表为核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目标是实现高精度、高可靠、小型化和更广泛应用领域的导航系统，目前仍处于早期研究阶段。MEMS陀螺仪具有小型化、高集成、低成本的优势，解决了第一、二代陀螺仪体积质量大、成本高的不足，并随着精度和稳定性的持续提升，在陀螺仪市场中占据了重要的位置。
②不同类型陀螺仪的应用情况及发展趋势
目前，市场上大量使用的陀螺仪主要包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪，上述陀螺仪技术发展处于相对成熟的状态，应用领域相对广泛。激光陀螺仪和光纤陀螺仪分别属于第一代光学陀螺仪和第二代光学陀螺仪，其中激光陀螺仪利用光程差的原理来测量角速度，两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺的角速度。光纤陀螺仪使用与激光陀螺仪相同的基本原理，但由于光纤可以进行绕制，因此光纤陀螺仪中激光回路的长度比激光陀螺仪增加，使得检测灵敏度和分辨率也提高，从而有效地克服了激光陀螺仪的闭锁问题。随着微机械电子系统（MEMS）等学科的兴起，基于哥氏振动效应和微纳加工技术的MEMS陀螺仪开始出现，MEMS陀螺仪具备小型化、高集成、低成本的特点，因此，虽然其精度较激光陀螺仪与光纤陀螺仪低，但仍具有广阔的应用场景。
MEMS陀螺仪与激光陀螺仪、光纤陀螺仪（下称“两光陀螺”）的具体差异比较情况如下：
综上来看，由于不同技术路线的陀螺仪可实现类似的功能，因此MEMS陀螺仪和两光陀螺在部分无人系统、高端工业、高可靠等应用领域有所重合。随着高性能MEMS陀螺仪的精度不断提升，并依托成本的优势，可逐步应用于中低精度两光陀螺的应用领域。同时，由于高性能MEMS陀螺仪具有小体积、高集成、抗高过载的优势，可以解决光纤陀螺和激光陀螺由于体积较大、抗冲击能力弱的问题，满足高可靠、无人系统等领域智能化升级的要求，进一步拓展高性能MEMS陀螺仪的增量市场。
根据Yole发布的High-EndInertialSensing2022，高性能MEMS陀螺仪在工业级应用领域使用较为广泛，占据了该应用领域86%的市场份额，具体应用场景包括资源勘探、测量测绘、光电吊舱等；在战术级和导航级应用领域，两光陀螺应用比较广泛，分别占据了该应用领域78%和92%的市场份额，具体应用场景包括无人系统、卫星姿态控制系统、动中通等；在战略级应用领域，激光陀螺仪的适用性较强，占据了该应用领域72%的市场份额，具体应用场景为航天航海等领域。
（2）MEMS加速度计
MEMS加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。加速度计的理论基础是牛顿第二定律，传感器在加速过程中，可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值。如果初速度已知，就可以通过加速度对时间积分得到线速度，再次通过线速度对时间积分可计算出直线位移。按工作原理划分，MEMS加速度计可以分为以下类型：电容式、压电式、热感式、谐振式等。
其中，电容式MEMS加速度计是目前应用最多的类型。电容式MEMS加速度计具有检测精度高、受温度影响小、功耗低、宽动态范围、以及可以测量静态加速度等优点，被广泛应用于消费电子、汽车、工业、高可靠等各个领域。公司MEMS加速度计即为电容式。
（3）MEMS惯性系统
从技术层次来看，惯性技术领域可以分为惯性器件与惯性系统两个层级，惯性器件主要包括测量角速率的陀螺仪和测量线加速度的加速度计；惯性系统是以惯性器件为核心，利用集成技术实现的惯性测量、惯性导航以及惯性稳控系统，其中惯性导航应用领域最为广泛。目前，MEMS惯性系统已由发展初期的消费、汽车领域扩展到工业、航空航天等高端应用领域。
产业链关系
MEMS惯性传感器行业，属于产业链较上游的芯片/组件领域，为产业链中游惯性模组厂商提供基础核心惯性元器件，此类惯性元器件主要用于自主测量和反馈物体运动速度和角度的变化，并与卫星等其他导控模块形成惯性导航系统、组合惯性系统等，经下游应用端客户集成在相关设备中发挥惯性导航、惯性测量和惯性稳控的作用。
①惯性导航
惯性导航系统的核心器件是陀螺仪和加速度计。通常情况下，每套惯性系统包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，分别测量三个自由度的角速率和线加速度；通过对角速率和线加速度按时间积分以及叠加运算，可以动态确定自身位置变化，从而确定自身移动轨迹以实现导航功能。惯性导航的工作原理如下图所示：
惯性导航不借助外源信息，也不向外发送任何信号，因而不用借助其他设备，可免受外界干扰影响。除独立使用外，惯性导航还可以与卫星导航结合使用，形成组合导航系统，具备以下主要优势：一方面，在开放的外界环境中使用卫星定位导航确定绝对位置，可利用惯性导航提高位置更新速率；另一方面，在高架桥、山间隧道等卫星信号较弱甚至消失的场合，设备可自动切换至惯性导航来提供定位信息以继续导航。
②惯性测量
惯性测量系统是利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机测量载体相对于地面运动的角速率和加速度，以确定载体的位置和地球重力场参数的组合系统。目前已被应用于石油测斜、城市测绘、地质监测、寻北仪表等领域。例如，陀螺寻北仪通常采用陀螺仪和加速度计的组合方案，利用陀螺仪测量地球旋转角速率的水平分量以获得载体的北向信息，利用加速度计测量陀螺的姿态角，对陀螺信号进行补偿。通过多位置法消除陀螺仪和加速度计的零偏影响，经过计算得到陀螺仪转轴与正北方向的夹角，系统原理如下所示：
③惯性稳控
惯性稳控是通过连续监测系统姿态与位置变化，利用伺服机构动态调整系统姿态，使被稳定对象与设定目标保持相对稳定的装置。惯性稳控利用陀螺仪敏感框架的角速率信号，利用控制算法进行伺服结构的控制，保持在外部干扰情况下平台的稳定，提高平台设备工作的性能。惯性稳控因其隔离载体干扰的能力，在各类运动平台得到了广泛的应用。常见的惯性稳控包括动中通天线，光电吊舱，摄像平台等。随着MEMS陀螺仪性能的不断提高，MEMS陀螺仪在惯性稳控系统中得到了越来越多的应用。系统原理如下所示：
高性能MEMS惯性传感器行业状况、技术水平及市场竞争情况
高性能MEMS惯性传感器行业，不同于其他MEMS惯性传感器主要应用于消费电子领域，高性能MEMS惯性传感器主要适用于高端工业、无人系统、高可靠等应用领域。目前高性能惯性传感器主要通过三种技术实现，分别是激光惯性技术、光纤惯性技术和MEMS惯性技术。激光惯性技术和光纤惯性技术主要基于萨格奈克效应发挥作用，分别于20世纪90年代和21世纪初进入技术成熟期，技术特点是精度较高但体积和重量较大，生产成本高；MEMS惯性技术基于哥氏振动效应发挥作用，目前技术正逐渐进入成熟期，国际MEMS惯性技术代表性公司为Honeywell、ADI等，国内MEMS惯性技术代表性公司为芯动联科等，上述公司均掌握先进的MEMS惯性传感器技术体系，产品性能均为国际先进。目前，高性能MEMS陀螺仪的精度水平可以达到中低精度的激光陀螺仪和光纤陀螺仪，随着MEMS惯性技术的愈发成熟，MEMS惯性传感器在保持原有低成本、小体积、可批量生产的特点下，精度水平不断提高，目前可在诸多战术级应用场景替代激光陀螺和光纤陀螺，并逐渐渗透导航级应用场景。高性能MEMS加速度计接近石英加速计水平，可达到导航级水平。MEMS惯性技术作为惯性传感器领域的主流技术之一，将在自动驾驶和高端工业等领域覆盖更多新的应用场景，市场空间较为广阔。
①高性能MEMS惯性传感器行业状况、市场竞争情况
根据Yole统计的数据，2021年，全世界高性能MEMS惯性传感器市场规模约71,000万美元（含MEMS惯性传感器系统），约452,270万元人民币，世界MEMS惯性产品市场份额集中在Honeywell、ADI、NorthropGrumman/Litef等行业巨头手中，市场份额前三的公司合计占有50%以上的份额。
②高性能MEMS惯性传感器行业技术水平情况
A.高性能MEMS陀螺仪
MEMS陀螺仪的性能及技术水平是高性能MEMS惯性传感器行业技术水平的集中体现，技术水平先进的国内外企业在MEMS结构设计、MEMS工艺、ASIC设计方面均具备较强实力。目前，行业内企业为实现MEMS陀螺仪的高灵敏度、强抗干扰和高精度，MEMS芯片设计结构从传统双质量块方案向四质量块结构、多环结构等新型对称结构发展。MEMS工艺方面，加工工艺由传统的硅-玻璃工艺过渡到全硅工艺，此外，为降低材料不匹配引起的测量偏差，行业内公司采用晶圆级高真空技术、薄膜吸气技术等，实现高Q值，实现机械增益的大幅提升。电路设计方面多采用数模混合ASIC电路以满足体积小、功耗低的要求。综合上述技术，行业内企业逐步实现正交误差补偿，模态匹配，标度因数自补偿，标度因数自校准，耦合消除等目标。
B.高性能MEMS加速度计
行业内技术水平先进的国际巨头传感器公司在加速度计MEMS结构设计、MEMS工艺、电路设计方面均具备较强实力。目前为实现加速度计高灵敏度、环境适应性好，高精度的特点，加速度计从传统单质量块技术方案向多质量块阵列式结构技术方案演进，检测机理从AM向FM演进，同时由于谐振式加速度计具有高精度潜能、准数字输出等特点，谐振式技术方案愈发为客户采纳。MEMS工艺方面，加速度计工艺方案由传统的硅-玻璃工艺过渡到全硅工艺，降低材料不匹配和走线引起的寄生和热失配，并采用高深宽比的体硅深槽刻蚀等技术，实现机械增益的大幅提升。电路与算法方面，加速度计实现上由分立器件向数模混合ASIC过渡，满足SWaP-C要求，并在算法上着力发展误差在线补偿和抑制等技术。
MEMS惯性传感器应用领域
目前MEMS惯性传感器已被广泛应用于工业与通信、高可靠、汽车电子、医疗健康、消费电子等多个领域。MEMS惯性传感器应用领域如下图所示：
随着MEMS惯性技术的持续进步，高性能MEMS惯性传感器应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能MEMS惯性传感器主要应用于消费电子和汽车等领域。
高性能MEMS惯性传感器的典型应用领域如下：
①无人系统
无人系统是指具有一定自治能力和自主性的无人控制系统，它是人工智能、机器人技术以及实时控制决策系统的结合产物。通过利用惯性器件及捷联惯性导航技术，可以为无人系统提供精确的速度、位置和姿态等信息，从而实现其精确的导航定位和姿态控制。无人系统能广泛替代人类于各种环境下独立完成布置的任务，而不需要或者只需要极少操控人员的控制，大大扩充了人类的行为能力。无人系统包含无人机、无人车、无人船、无人潜航器以及机器人等多种无人平台，其中尤以无人机的应用最为广泛。根据DroneIndustryInsight数据，2020年全球无人机市场规模为209亿美元，预计到2026年全球无人机市场规模将达413亿美元，2020-2026年复合增长率为12.02%。
无人机作为智能无人化工作的代表，具有高效无休、零接触的工作特点，在安防巡检、消杀作业、物流配送、宣传喊话、照明测温、农业植保等方面发挥了重要的作用。Frost&Sullivan估计，2020年中国民用无人机行业整体市场规模达599亿元，发展潜力巨大。
②自动驾驶
现代汽车系统已经搭载了多种MEMS惯性传感器，如陀螺仪、加速度计、磁力计和惯性测量单元，以增强汽车的可靠性，提高驾驶的安全性。最早应用于汽车的是MEMS加速度计，用于监测汽车运行状态，判断突然减速过程中是否启用安全气囊，MEMS加速度计还被用于胎压监测（TPMS）中监测车辆运动状态以优化TPMS传感器的电池寿命，MEMS陀螺仪也被大量用于车身稳定系统以增强行车安全性。如今，MEMS惯性测量单元正逐步被用于自动驾驶并辅助GPS导航，在卫星信号较弱甚至丢失的情况下，根据惯性测量单元实时测量的加速度和角速率信息，继续利用惯性导航以推算出最新的位置，在短时间内仍可得到较高精度的位置信息，利用航迹推算实现短时导航，大大提高了用户体验。
根据iimedia估计，2025年全球无人驾驶汽车市场规模将突破1,200亿美元，2021-2025年复合增长率为46.78%，增长潜力巨大。
③测量测绘
随着卫星导航定位系统平台、现代测绘基准体系基础设施、航空航天遥感影像快速获取平台、先进野外测绘技术装备、地理信息数据处理技术装备以及地理信息数据交换传输服务网络等测绘装备体系完成构建，测绘行业进入信息化测绘阶段。高精度MEMS惯性测量单元是信息化测绘体系的重要支撑。信息化测绘的数据采集方式包括传统测量、航空摄影测量、卫星遥感以及激光雷达测量等。除传统方式外，其他现代化测绘方式需要基于高精度惯性测量单元的飞行控制系统或光学稳定系统支撑，以便于载具在动态过程中采集到清晰的图像。
根据中国地理信息产业协会数据，2021年我国地理信息产业总产值达到7,524亿元，总产值较上年增长9.20%。预计未来高精度MEMS惯性测量单元将在信息化测绘体系中占据重要地位。
④通信–动中通
动中通是指通过天线基座对天线进行动态调整，使平台保持和通讯卫星相对稳定的状态，从而保证通讯质量。动中通共分四类：车载、船载、机载和全自动便携站等产品，主要应用于应急通信、移动办公、电视台现场直播、航空宽带、商船通信、游艇、渔船等领域。惯性传感器是动中通的核心部件，在运动过程中根据惯性测量信息自动控制天线的方位、仰角和极化角，确保天线的波束中心始终精确指向卫星，使系统在静态、高速、高动态下均可稳定运行，具有高机动性和高灵活性，具有一定的市场规模。
⑤工业物联网
各类传感器是工业物联网的感知器官，高精度的传感器才能保证系统长期稳定工作并提供高质量的数据。MEMS惯性传感器已在工业物联网中被广泛应用，例如风力发电塔姿态监测、光伏发电太阳跟踪系统、电网塔架安全监测、水电大坝监测、机器振动监测、矿井矿山监测、工程机械监测等。随着工业领域对数字化需求的增长，物联网一方面设备数量增速较快，另一方面物联网设备对可靠性的要求也进一步提升。根据statista的数据，在2021年，全球工业物联网（IIoT）市场规模超过了2,630亿美元。预计未来几年市场规模将大幅增长，到2028年将达到约1.11万亿美元，2021-2028年复合增长率将达到22.83%，市场前景广阔。
⑥资源勘探
惯性技术在资源勘探中，主要用于测量井身轨迹和钻头的实际位置，从而保证井深达到预定位置。随着石油资源日益枯竭，勘探和开发情况愈加复杂，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油测斜仪器。而惯性技术的应用，使得这种需求得以满足，通过采用高精度、高分辨率的惯性及磁传感器来精确测量钻井过程中井斜角、方位角及工具面角等工程参数，从而实现井身轨迹与钻头位置的实时监测。根据中华人民共和国自然资源部发布的《全国石油天然气资源勘查开采情况通报（2020年度）》，2020年油气勘查投资达到710.24亿元，开采投资为2,249.48亿元。国家统计局数据显示，2021年原油产量同比增长约2.11%；天然气产量同比增幅约7.84%。因此，在国内油气消费持续稳定增长以及油气勘查开采投资持续增加的背景下，石油钻采专用设备作为石油勘探开发的重要设备，其市场需求将有望保持稳定增长。
⑦高速铁路
MEMS惯性传感器可以检测和测量各种形式的机械运动，包括加速、倾斜、振动、冲击和旋转等，其在高速铁路中的典型应用实例包括：转向架安全性和舒适度的监测和诊断系统、改善乘客舒适性的高速列车倾斜控制系统、列车的位置监控、运输过程中的振动监测、铁路轨道安全和维护的监测系统、列车定位导航等。国家铁路局发布的《2021年铁道统计公报》显示，2021年全国铁路营业里程达到15万公里，其中高速铁路达到4万公里，增长5.26%。全国铁路客车拥有量为7.8万辆，其中，动车组3.32万辆，增长6.00%。随着中国“新基建”的持续实施以及中国高铁走向世界，高速铁路还会保持快速发展态势。
⑧高可靠MEMS惯导系统以其小型化、高集成、低成本的优势，逐步适用于体积和重量受限的微小卫星等系统。微小卫星具有成本较低、发射灵活、适宜冗余组网等优点，卫星互联网的兴起大大促进了微小卫星的快速发展。目前，低轨道卫星空间轨位和频谱资源日益紧张，各国纷纷部署星座计划。在国家政策支持下，我国近年来多个近地轨道卫星星座计划相继启动，各星座计划部署情况合计超过1,200颗。根据赛迪顾问的统计，2019年全球卫星产业规模为2,860亿美元，我国卫星互联网市场规模约700亿元，中国在轨卫星的数量位于世界前列。我国商业航天市场的逐步开放，将带动通信小卫星研制、卫星通信系统终端设备与软件应用市场发展，在全球高度关注卫星互联网布局的背景下我国卫星互联网市场规模预计将保持较高速度的增长。MEMS惯性传感器具有小型化、高集成、低成本的优势，随着其精度的提升，MEMS惯性传感器逐步适用于对精度要求较高的高可靠领域。我国高可靠领域市场应用场景广泛，市场需求蓬勃增长，具备广阔的市场空间。
MEMS产品在不同下游应用领域的市场空间、竞争格局及核心技术壁垒
国外市场方面，根据Yole报告的统计，预计未来全球高可靠领域MEMS产品的市场空间较大。国内市场方面，基于MEMS的惯性测量单元可大幅降低设备成本，并能在各种恶劣环境中稳定工作满足可靠性要求，取代原本成本高昂、体积较大的其他惯性器件。根据公开资料及芯动联科估算，预计惯性传感器在此领域的市场空间较大。
MEMS产品用于高可靠领域的核心壁垒为需要根据产品最终应用领域设计、生产出对应性能的产品；例如平台稳定需要超低噪声和高带宽处理技术做支撑；复杂环境导航需要抗高过载和温度补偿技术做支撑等。因此，行业内公司能否全面掌握上述技术以满足客户不同的要求成为其MEMS产品进入此领域的核心壁垒；此外，MEMS产品用于此领域的另一个核心壁垒主要为是否可在保证MEMS惯性传感器高性能的同时，从系统级角度保证产品工程化、可测性及环境适应性。
此外，MEMS产品在高端工业领域应用较广，市场较大。根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模为22.34亿美元，预计到2027年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模将达33.40亿美元，2021-2027年复合增长率为7.00%。
国际竞争格局方面，MEMS产品主要用于高端工业领域的资源勘探、压力传感等多个领域，应用场景相对分散，世界知名机构的产品在高端工业领域具有相对优势。国内方面，芯动联科是少数可以满足高端工业客户对于MEMS惯性传感器精度要求的厂商，竞争力较强。
MEMS产品用于高端工业领域的核心壁垒在于产品在复杂、多变的环境中持续保持高精度感知和传递外部环境变化，其中，MEMS产品长时间在高温及高振动的外部环节中保持有效工作成为衡量行业内公司技术先进性的重要依据，已成为MEMS产品进入高端工业领域的核心壁垒。
同时，MEMS产品在无人系统领域也有广泛的应用场景及广阔的市场空间。根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022和High-EndInertialSensing2022，2021年全球无人系统领域中MEMS产品的市场规模为40.26亿美元，预计到2027年全球无人系统领域中MEMS产品的市场规模将达64.21亿美元，2021-2027年复合增长率为8.09%。
MEMS产品主要用于无人系统领域的无人机、无人驾驶车辆等领域，其中，无人驾驶市场份额在上述市场规模正逐渐占据愈发重要的地位，行业内的厂商正积极布局此类市场以获取更强的市场竞争地位。
行业格局方面，从全球来看，得益于相关研究起步较早，以及半导体产业链发展成熟，无人系统市场中的MEMS产品市场份额基本被国际知名企业瓜分。我国以深迪半导体、矽睿科技、芯动联科为代表的国内厂商相继推出无人系统领域产品，但在中高端产品线上差距明显。
MEMS产品用于无人系统领域的核心壁垒主要为MEMS传感器与其他无人系统技术的有机融合，即在保证无人系统高性能、低成本的前提下，减少对通信损耗、提高响应速度，最终达到降低成本、提升整体效率的目的。
（8）高性能MEMS惯性传感器行业的周期性
从行业增长周期来看，高性能MEMS惯性传感器应用领域已逐渐由汽车和消费电子领域拓展到工业、航空航天、高可靠等领域，上述市场业务结构相对完善，且受国际政治经济环境影响，整体处于温和增长的趋势；此外微纳卫星、自动驾驶等新兴应用场景的出现，也将促进高性能MEMS惯性传感器行业规模的进一步扩大。
从行业技术周期来看，惯性技术大约20-30年出现一轮技术迭代，新技术会与原有技术共存一段时间后占据市场主导地位。20世纪80年代左右，激光陀螺技术和光纤陀螺技术开始成熟并替代原有机械陀螺技术；21世纪初叶，MEMS技术开始加速发展并走向成熟，在保持惯性传感器高性能的前提下，通过缩小惯性测量系统的尺寸和功耗，在一定程度上分享了部分两光陀螺的市场，并扩大了惯性系统的应用领域。
未来发展趋势
（1）MEMS行业发展需要更精准可靠的传感器
各类智能设备作为信息获取和交互的关键器件，对传感器收集数据的丰富程度和精准程度要求越来越高。对于可以主动感知、自主决策的无人系统，准确的环境感知能力和高精度定姿定位能力至关重要。MEMS传感器精度提升有助于将应用场景扩展至高性能领域。同时，MEMS惯性传感器的应用范围越来越广泛，行业内公司需要采用新技术、新工艺使MEMS惯性传感器在复杂的环境中保持精准可靠。
（2）MEMS传感器微型化、集成化的发展趋势
随着MEMS加工工艺的进步，以及CMOS工艺和MEMS工艺的集成，MEMS传感器可以在更小面积的芯片上集成更强大的运算与存储能力，更好地满足系统应用对低成本、小体积、高性能的全面要求。同时，先进的封装技术，如多芯片模块可以将多个芯片组合封装，特别是3D堆叠封装技术，代表着MEMS产品不断向微型化和高集成化的发展趋势迈进，预示着其可在有限的体积内集成更多的组件，实现更复杂更强大的功能。
（3）多传感器融合与协同
多传感器融合技术有助于增加可获得的数据数量，显著提高系统的冗余度和容错性，从而保证决策的快速性和正确性。随着设备智能化程度的提升，单个设备中搭载的传感器数量不断增加，多传感器的融合和协同提升了信号识别与收集效果。自动驾驶的安全性需要多传感器的冗余支持，也需要通过多传感器融合提升传感器组合的性能和容错率。在智能化加速和万物互联的时代，多传感器融合技术未来将进一步广泛应用于复杂工业过程控制、机器人、智慧交通、海洋监视和管理、智慧农业、遥感、医疗诊断等诸多领域，成为传感器产业未来主要发展趋势之一。
（4）应用场景多元化，行业规模不断扩大
MEMS传感器是智能设备重要的基础硬件之一，已被广泛应用到消费电子、汽车、工业、高可靠等各个领域，新的应用场景亦层出不穷。随着传感、5G通信连接、计算技术的快速进步和联网节点的不断增长，对于智能传感器数量和智能化程度的要求将进一步提升。未来，工业物联网、车联网、智能城市、智能家居等新产业领域都将成为MEMS传感器行业广阔的应用空间，尤其是自动驾驶汽车需要多种高精度、高可靠性的传感器，将创造巨大的行业空间，引领MEMS传感器的下一次应用浪潮。
审核编辑 ：李倩
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原文标题：技术前沿：MEMS惯性传感器——万物姿态测控新技
文章出处：【微信号：AIOT大数据，微信公众号：AIOT大数据】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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