MEMS慣性傳感器的趨勢分析

如何在災難救援中，精準定位受困人員的位置？如何在無人機操作中，提高系統精度？如何在人機交互中，更好的實現動作檢測和姿勢識別？如何在自動駕駛中，做到更精確的自主導航…種種場景中，都離不開MEMS慣性傳感器的作用。 MEMS技術擁有非常廣闊的市場前景，特別是進入物聯網時代，由于應用場景種類繁多，再加上產品生產技術的多樣化，為企業帶來了巨大的發展機遇。從我國MEMS各產品市場占比來看，MEMS慣性傳感器占有超過30%的份額。

慣性傳感器是針對物理運動做出反應的器件，如線性位移或角度旋轉，并將這種反應轉換成電信號，通過電子電路進行放大和處理。其中，加速度計和陀螺儀是最常見的MEMS慣性傳感器，加速度計是敏感軸向加速度并轉換成可用輸出信號的傳感器；陀螺儀則是能夠測量敏感運動體相對于慣性空間的運動角速度的傳感器。此外，MEMS慣性組合測量單元由于可以實現組合導航、減少誤差，也廣泛應用于需要運動控制的設備上。MEMS慣性傳感器在1990年代開始規模應用在汽車工業和國防工業，20世紀初開始應用于手機等消費電子領域，物聯網有望引領下一波增長浪潮。

圖：MEMS慣性傳感器發展浪潮 來簡言之，MEMS慣性傳感器的研究成果對于物體的制導、導航，各類型交通工具的自動駕駛以及各種智能穿戴設備的應用具有重要意義。MEMS加速度計加速度計是MEMS領域最早開始研究的傳感器之一。經過多年的發展，MEMS加速度計的設計和加工技術已經日趨成熟。根據敏感機理不同，MEMS加速度計可以分為壓阻式、熱流式、諧振式和電容式等。其中，壓阻式MEMS加速度計容易受到壓阻材料影響，溫度效應嚴重、靈敏度低，橫向靈敏度大，精度不高；熱流式加速度計由于受傳熱介質本身的特性限制，器件頻率響應慢、線性度差、容易受外界溫度影響。因此，這兩種加速度計主要用于對精度要求相對較低的民用領域或軍事領域中的高g值測量。而諧振式微加速度計理論上可以達到導航級的精度，但目前技術狀態還達不到實用化的要求。 此外，電容式硅微加速度計由于精度較高、技術成熟、且環境適應性強，是目前技術最為成熟、應用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計的精度也在不斷提升。目前，硅微加速度計大部分采用集成化封裝，并在此基礎上不斷朝著高精度、數字化和高可靠性的方向發展。 根據美國Draper實驗室對加速度計的預測，微機電MEMS加速度計將取代石英撓性和液浮加速度計；高精度機電加速度計仍保持原有應用領域，部分領域會被微機電MEMS加速度計取代。

圖：2020年加速度計技術應用預測 來源：美國Draper實驗室MEMS陀螺儀自20世紀80年代以來，對角速率敏感的MEMS陀螺儀受到越來越多的關注。根據性能指標，MEMS陀螺儀通?？煞譃樗俾始?、戰術級和慣性級。其中，速率級陀螺儀可用于消費類電子產品、手機、數碼相機、游戲機和無線鼠標；戰術級陀螺儀適用于工業控制、智能汽車、火車、汽船等領域；慣性級陀螺儀則可用于衛星、航空航天的導航、制導和控制等參數要求嚴苛的場景。 據美國Draper實驗室對2020年陀螺儀的分析和預測，2020年，石英/硅微機電MEMS陀螺將占領中低精度應用領域，即消費級應用?；竟δ苁菧y量物體的直線加速度、傾斜角度、轉動速度、振動頻率和力度等，這些基本的物理信號通過應用程序的開發，可以衍生出各種各樣的功能。

圖：2020年陀螺儀技術應用預測 來源：美國Draper實驗室MEMS慣性測量組合單元這是是基于MEMS技術的新型慣性測量器件，用來測量物體的角速度和加速度信息，是實現微小型無人機、交通工具等導航制導的核心部件。目前，MIMU 正朝著高精度、小體積、集成化、實用化、高可靠的方向發展，在系統中的應用也越來越普遍。特別是在對成本和體積敏感的應用領域，MEMS慣性測量組合單元必將取代體積大、成本高的傳統慣性測量單元。 從目前的行業應用來看，消費類市場仍是慣性MEMS器件最大的細分市場，但是價格壓力巨大，競爭激烈。隨著智能汽車產業的發展，其在汽車領域的應用市場將會逐步打開，并有望超越消費電子行業的需求。根據賽迪智庫數據顯示，2016-2021年我國MEMS慣性傳感器年復合增長率預計為15%，2020年將突破110億元。

圖：2016-2021年我國MEMS慣性傳感器市場規模 來源：賽迪智庫 從國內外競爭狀況來看，目前國際大廠已經能夠實現系統級九軸慣性傳感器封裝，并且在逐步向“九+”方向演進，如九軸慣性傳感器與氣體、溫濕度傳感器集成產品，相比之下，國內產品目前多數僅為六軸產品，且封裝尺寸較國際產品還存在不小差距。 近幾年來，MEMS慣性傳感器發展迅速，精度不斷提高。雖然相比光纖陀螺、激光陀螺仍有較大差距，但是其價格低、體積小、重量輕，使得MEMS慣性導航系統在慣性導航系統中發揮了重要作用。未來隨著MEMS材料工藝與制造工藝不斷發展，MEMS慣性導航系統精度必將不斷提高，其成本也將不斷降低。 產品技術水平的提高會刺激需求的增長，需求的推動也同樣會加速技術的進步。導航、自動駕駛和個人穿戴設備等對慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細化測量需求和智能化的發展也對傳感器的精度也提出了越來越高的要求。再加上產品裝備小體積、低功耗、多功能的需求，未來MEMS傳感器將朝著微型化、高集成度的方向發展。并且，隨著MEMS慣性傳感器的應用范圍越來越廣泛，工作環境越來越復雜，通過采用新工藝、新機理（如光學陀螺與原子陀螺結合MEMS 工藝制造的MEMS陀螺，以及利用SiC、SiN、聚合物等材料制作的微機械諧振式加速度計等），產品耐高溫、耐高壓、耐沖擊等應對復雜環境的水平也將會越來越高。