MEMS 慣性傳感器的發展歷程與主要路線

作者：丁衡高

本文來自中國工程院院士、中國人民解放軍上將丁衡高最新署名撰寫論文的部分摘要，發表于2023年，丁衡高院士是我國僅有的兩位同時身兼兩大頭銜的“上將院士”。

本文是根據丁衡高院士多年來與慣性技術界有關同志多次討論整理而成，主要論述近30年來我國 MEMS 慣性傳感器技術取得的巨大進步和未來發展。資料顯示丁衡高院士生于1931年，今年已93歲高齡，仍然心系我國慣性技術事業的發展。丁衡高院士既是中國工程院首批院士之一，也是我國著名的慣性技術和精密儀器專家。作為我國戰略導彈慣性技術奠基人之一，他還是我國慣性技術學科發展的主要推動者，也是中國MEMS等微米納米技術的主要倡導人。文章詳情見下文。

本文來自《導航與控制》，相關內容或有刪減，全部內容請訂閱期刊查看原文?！秾Ш脚c控制》創刊于2002年，是由中國航天科技集團有限公司主管，北京航天控制儀器研究所主辦，是反映海、陸、空、天以及民用領域慣性技術發展狀況的學術刊物，是我國慣性技術領域權威刊物。

丁衡高，慣性技術和精密儀器專家，1931年2月生于江蘇南京，中國人民解放軍上將，中國工程院院士。1952年畢業于東南大學機械系（現機械工程學院）。歷任國防科工委主任，中國工程院主席團成員，中國宇航學會名譽理事長…等職位。丁衡高是我國戰略導彈慣性技術奠基人之一，我國慣性技術學科發展的主要推動者，國家微米納米技術倡導人。長期從事制導武器的陀螺儀、加速度計、慣性平臺系統等的研制工作。

近三十年來，MEMS 慣性傳感器技術取得了巨大進步， 在人類生活、 工業和高端裝備等方面得到了廣泛應用。概述了MEMS 慣性傳感器在我國的發展歷程與主要路線， 并以車輛輔助駕駛為例， 總結了國內外 MEMS 慣性傳感技術的快速發展與典型應用情況， 研判了 MEMS慣性傳感器正在向高可靠、集成化、高融合與智能化等方向加速發展。

前言 ? P

1994年11月中旬， 首屆 “全國納米科學與技術學術會議” ，確定了專有學術名詞 “微米納米技術”。

“九五”期間，我國把研制高性能MEMS慣性傳感器作為發展軍用微米納米技術的戰略，緊緊圍繞微型慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)的需求開展技術攻關。

三十年彈指一揮間，MEMS 慣性傳感器已從實驗室探索研究走向工程應用，技術和產品都取得了巨大進步， 在消費電子、 車載導航、 物聯網、 工業裝備和高端裝備等方面得到了廣泛應用。

發展現狀和成就 ? ?

１. １ 高性能 ＭＥＭＳ 慣性傳感器產品已推廣應用?

當前， 全球高性能 ＭＥＭＳ慣性傳感器產品的市場集中度較高， 市場份額主要被Honeywell、ADI、Northrop Grumman以上。國產高性能 ＭＥＭＳ 陀螺產品的核心指標可以與國際大公司 等巨頭占據，份額在 50％Honeywell 對標， 已實現國內自主生產， 雖然市場滲透率有待進一步提升， 但是解決了裝備應用 “卡脖子” 的問題。

ＭＥＭＳ陀螺探索研究的主要方案有：質量塊振動陀螺、音叉陀螺、 四質量陀螺、環形陀螺等；ＭＥＭＳ 加速度計探索研究的主要方案有：蹺蹺板式加速度計、 三明治式加速度計、 梳齒式加速度計和諧振梁式加速度計等；采用 Top-Down 的方式， 以體硅工藝為主制造陀螺和加速度計敏感結構。

通過技術引進等手段， 建立了 6inch 硅基標準制造工藝平臺， 提高了加工水平， 保證了諸如深寬比、 垂直度、 底部鉆蝕等機械參數的尺寸精度， 進而大幅度提升了設計人員的認識水平。

2011年底， 國內開發出基于陶瓷外殼的 MEMS+ASIC 兩片式系統級封裝（System in a Package,SiP）的陀螺和加速度計。2019年，高性能MEMS 陀螺和 MEMS 加速度計實現規模量產。至此，國內掌握了 ＭＥＭＳ 慣性傳感器設計、制造、封裝和測試等主要技術環節， 具備了開發高性能 MEMS 慣性傳感器產品的能力 。

１. ２ 率先將 MEMS 慣性傳感器應用于智能輔助駕駛?

智能輔助駕駛和自動駕駛對定位系統的基本要求為高精度、 高可靠性、 高可用性， 同時需要滿足功能和安全的要求。僅依靠 GNSS 定位， 在復雜環境和極端天氣的情況下存在風險，而慣性導航則成為有效的安全冗余。與激光陀螺和光纖陀螺相比， MEMS 慣性傳感器在體積、質量、功耗、價格、壽命等方面具有無可替代的巨大優勢。然而， MEMS 慣性傳感器的零偏穩定性指標與激光陀螺和光纖陀螺相比， 差距巨大， 大約是2~3個數 量級。

因此，幾乎沒有人認為 ＭＥＭＳ 慣性傳感器可以應用于無人駕駛系統中感知車輛的位置信息。很多企業采用光纖慣導和衛星進行組合， 在車上進行試驗， 取得了較好的結果。但是，高昂的價格、 較低的生產效率和較長的生產周期使得這個方案難以在車輛上大規模應用。

在國內造車新勢力特別是小鵬汽車智能輔助駕駛方案的強力牽引下， 國內企業敢為天下先， 率先嘗試 MEMS 慣性傳感器 ＋ GNSS 組合上車試 驗， 取得了令人滿意的結果。

在保證產品質量和產品安全性的前提下， 車載 P?Box 的量產交付能力建設是實現規?；宪噾玫暮诵年P鍵。在此之前，國內還沒有哪個單位進行過類似的嘗試。

國內企業將 MEMS 六軸慣性傳感器應用于智能輔助駕駛， 在車載定位這個細分賽道蹚出了一條新路， 走在了國際前列。

１. ３ 消費級 MEMS 慣性傳感器嶄露頭角?

我國作為全球最大的電子產品生產基地，正消耗著全球四分之一的 MEMS傳感器， 需求和市場是巨大的。但是， 目前我國大部分 MEMS 傳感器仍然依賴于進口。Bosch、ST、TDK等 IDM 大公司擁有雄厚的技術實力和資金實力， 自己設計傳感器， 自己生產傳感器晶圓， 他們的產品無論在價格還是性能等方面均具有巨大的優勢。

消費領域同樣存在供應鏈安全的問題， 國產化替代的大背景下， 系統廠商對于 MEMS 陀螺和 MEMS 加速度計產品的需求量巨大， 國內企業迎來 了新的發展機遇。

發展方向

２. １ L3 及以上級自動駕駛需要安全可靠、低成本、高精度的 MEMS 慣性傳感器?

目前， 全球自動駕駛滲透率情況以 L1、L2 級為主， L3~L5 級滲透率較低。國內乘用車市場自動駕駛技術以 L2 級為主， L3 級尚未落地。根據 ICV 預測，2023年～2027年全球自動駕駛滲透率 L2 及以上級呈現增加的趨勢。其中， L2／L2＋級預計 2027年滲透率達 58％ ，L3 級預計2027 年滲透率達 25％ 。

從 L2 級到 L3 級， 自動駕駛的安全性非常突出， 譬如對自動駕駛車輛進行測試， 15萬公里測試能夠發現 99.9％ 的問題， 但是剩余 0.1％ 的問題可能在 １５ 億公里都未能發現和解決。這個 0.1％ 乘以每年上路的幾億輛車和行駛公里數， 那就是天文數字。因此， 如何讓自動駕駛汽車比飛機更安全？具有功能安全的、具有99.9999％ 可靠性的傳感器必不可少。

價格在 30 萬元以上的乘用車市場占有率很有限， 因此乘用車高精度定位產品的裝車率在 1.8％ 左右。未來高精度定位產品一定會往 20 萬元乃至10 萬等級的車滲透， 那么巨大的成本壓力就會隨之而來。在不影響安全和質量的前提下，MEMS 慣性傳感器降本是必然的，價格應非常低，而且性 能和可靠性要求還非常高。

２. ２ 人形機器人打開了 MEMS 慣性傳感器的成長空間?

MEMS 慣性傳感器可以獲取人形機器人的 MEMS IMU 可監測人形機器人的實時狀態、 位置信息以及運動軌跡， 維持人形機器人完成走、跑、蹲等動作的姿態平衡。單臺人形機器人采用 １ 顆或多顆MEMS IMU， 市場空間廣闊。MEMS IMU 與其他傳感器融合， 如立體聲攝像機、 關節編碼器、 力扭矩傳感器、 足部接觸傳感器等， 實現數據互補， 估計姿態足的質心位置、 速度、 方向、 角速率和角動量， 共同進行機器人狀態反饋并完成下一步動作， 應用于機器人的下蹲起立、前后行走、上下樓梯、回避障礙等場景。

２. ３ MEMS慣性傳感器朝著集成、融合、智能方向邁進?

隨著集成化程度越來越高，產品的成本將更具競爭力，芯片集成或成產品終極形態。先進的封裝技術特別是 3D 堆疊封裝技術， 可以將多個芯片組合封裝，可在有限的體積內集成更多的傳感芯片，實現更復雜、更強大的功能。

MEMS 慣性傳感器的零偏精度和標度誤差直接影響航跡推算的精度。因此，對慣性傳感器的誤差分析和補償是提高定位精度的主要方法。隨著 ASIC技術的不斷進步和成熟，傳感器的信號檢測與處理電路、閉環控制電路和計算單元將高度集成在一起，誤差補償算法、自校準、自標定以及功能安全算法都將在傳感器芯片層運行。

隨著 MEMS 慣性傳感器性能指標不斷提升，體積和功耗不斷減小，成本和價格不斷降低， 其應用領域將不斷擴大。在牢牢占據消費電子市場的同時，將緊跟人工智能（AI）技術的發展步伐， 在智能汽車、人形機器人、無人機、無人系統中得到廣泛應用。國內的高校、 研究所和創新企業必將獲得高速發展的機遇，國產 MEMS 慣性傳感器不僅將占據國內市場，還將在國際市場占有一席之地。

審核編輯：黃飛