MEMS惯性传感器的趋势分析

如何在灾难救援中，精准定位受困人员的位置？如何在无人机操作中，提高系统精度？如何在人机交互中，更好的实现动作检测和姿势识别？如何在自动驾驶中，做到更精确的自主导航…种种场景中，都离不开MEMS惯性传感器的作用。 MEMS技术拥有非常广阔的市场前景，特别是进入物联网时代，由于应用场景种类繁多，再加上产品生产技术的多样化，为企业带来了巨大的发展机遇。从我国MEMS各产品市场占比来看，MEMS惯性传感器占有超过30%的份额。

惯性传感器是针对物理运动做出反应的器件，如线性位移或角度旋转，并将这种反应转换成电信号，通过电子电路进行放大和处理。其中，加速度计和陀螺仪是最常见的MEMS惯性传感器，加速度计是敏感轴向加速度并转换成可用输出信号的传感器；陀螺仪则是能够测量敏感运动体相对于惯性空间的运动角速度的传感器。此外，MEMS惯性组合测量单元由于可以实现组合导航、减少误差，也广泛应用于需要运动控制的设备上。MEMS惯性传感器在1990年代开始规模应用在汽车工业和国防工业，20世纪初开始应用于手机等消费电子领域，物联网有望引领下一波增长浪潮。

图：MEMS惯性传感器发展浪潮 来简言之，MEMS惯性传感器的研究成果对于物体的制导、导航，各类型交通工具的自动驾驶以及各种智能穿戴设备的应用具有重要意义。MEMS加速度计加速度计是MEMS领域最早开始研究的传感器之一。经过多年的发展，MEMS加速度计的设计和加工技术已经日趋成熟。根据敏感机理不同，MEMS加速度计可以分为压阻式、热流式、谐振式和电容式等。其中，压阻式MEMS加速度计容易受到压阻材料影响，温度效应严重、灵敏度低，横向灵敏度大，精度不高；热流式加速度计由于受传热介质本身的特性限制，器件频率响应慢、线性度差、容易受外界温度影响。因此，这两种加速度计主要用于对精度要求相对较低的民用领域或军事领域中的高g值测量。而谐振式微加速度计理论上可以达到导航级的精度，但目前技术状态还达不到实用化的要求。 此外，电容式硅微加速度计由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强，是目前技术最为成熟、应用最为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高，电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。目前，硅微加速度计大部分采用集成化封装，并在此基础上不断朝着高精度、数字化和高可靠性的方向发展。 根据美国Draper实验室对加速度计的预测，微机电MEMS加速度计将取代石英挠性和液浮加速度计；高精度机电加速度计仍保持原有应用领域，部分领域会被微机电MEMS加速度计取代。

图：2020年加速度计技术应用预测 来源：美国Draper实验室MEMS陀螺仪自20世纪80年代以来，对角速率敏感的MEMS陀螺仪受到越来越多的关注。根据性能指标，MEMS陀螺仪通常可分为速率级、战术级和惯性级。其中，速率级陀螺仪可用于消费类电子产品、手机、数码相机、游戏机和无线鼠标；战术级陀螺仪适用于工业控制、智能汽车、火车、汽船等领域；惯性级陀螺仪则可用于卫星、航空航天的导航、制导和控制等参数要求严苛的场景。 据美国Draper实验室对2020年陀螺仪的分析和预测，2020年，石英/硅微机电MEMS陀螺将占领中低精度应用领域，即消费级应用。基本功能是测量物体的直线加速度、倾斜角度、转动速度、振动频率和力度等，这些基本的物理信号通过应用程序的开发，可以衍生出各种各样的功能。

图：2020年陀螺仪技术应用预测 来源：美国Draper实验室MEMS惯性测量组合单元这是是基于MEMS技术的新型惯性测量器件，用来测量物体的角速度和加速度信息，是实现微小型无人机、交通工具等导航制导的核心部件。目前，MIMU 正朝着高精度、小体积、集成化、实用化、高可靠的方向发展，在系统中的应用也越来越普遍。特别是在对成本和体积敏感的应用领域，MEMS惯性测量组合单元必将取代体积大、成本高的传统惯性测量单元。 从目前的行业应用来看，消费类市场仍是惯性MEMS器件最大的细分市场，但是价格压力巨大，竞争激烈。随着智能汽车产业的发展，其在汽车领域的应用市场将会逐步打开，并有望超越消费电子行业的需求。根据赛迪智库数据显示，2016-2021年我国MEMS惯性传感器年复合增长率预计为15%，2020年将突破110亿元。

图：2016-2021年我国MEMS惯性传感器市场规模 来源：赛迪智库 从国内外竞争状况来看，目前国际大厂已经能够实现系统级九轴惯性传感器封装，并且在逐步向“九+”方向演进，如九轴惯性传感器与气体、温湿度传感器集成产品，相比之下，国内产品目前多数仅为六轴产品，且封装尺寸较国际产品还存在不小差距。 近几年来，MEMS惯性传感器发展迅速，精度不断提高。虽然相比光纤陀螺、激光陀螺仍有较大差距，但是其价格低、体积小、重量轻，使得MEMS惯性导航系统在惯性导航系统中发挥了重要作用。未来随着MEMS材料工艺与制造工艺不断发展，MEMS惯性导航系统精度必将不断提高，其成本也将不断降低。 产品技术水平的提高会刺激需求的增长，需求的推动也同样会加速技术的进步。导航、自动驾驶和个人穿戴设备等对惯性传感器的精度需求逐渐提高，精细化测量需求和智能化的发展也对传感器的精度也提出了越来越高的要求。再加上产品装备小体积、低功耗、多功能的需求，未来MEMS传感器将朝着微型化、高集成度的方向发展。并且，随着MEMS惯性传感器的应用范围越来越广泛，工作环境越来越复杂，通过采用新工艺、新机理（如光学陀螺与原子陀螺结合MEMS 工艺制造的MEMS陀螺，以及利用SiC、SiN、聚合物等材料制作的微机械谐振式加速度计等），产品耐高温、耐高压、耐冲击等应对复杂环境的水平也将会越来越高。