MEMS慣性傳感器——萬物姿態測控新技

MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀和MEMS加速度計，均包含一顆微機械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術實現物體運動姿態和運動軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統的基礎核心器件，其性能高低直接決定慣性系統的整體表現。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優勢，成為現代慣性傳感器的重要發展方向。

其中，陀螺儀用于感知物體運動的角速率，加速度計用于感知物體運動的線加速度，二者輔以時間維度進行運算后可得出物體相對于初始位置的偏離，進而獲得物體的運動狀態，包括當前位置、方向和速度。

1、MEMS陀螺儀

陀螺儀是測量角速率的一種器件，是慣性系統的重要組成部分，主要用于導航定位、姿態感知、狀態監測、平臺穩定等應用領域。MEMS陀螺儀的核心是一顆微機械（MEMS）芯片，一顆專用控制電路（ASIC）芯片及應力隔離封裝。其工作原理為：采用半導體加工技術在硅晶圓上制造出的MEMS芯片，在ASIC芯片的驅動控制下感應外部待測信號并將其轉化為電容、電阻、電荷等信號變化，ASIC芯片再將上述信號變化轉化成電學信號，最終通過封裝將芯片保護起來并將信號輸出，從而實現外部信息獲取與交互的功能。

采用半導體MEMS加工工藝制造的MEMS陀螺儀以科里奧利（Coriolis）效應為基本工作原理?？蓜淤|量塊在驅動電路控制下高速震蕩，當物體轉動時，質量塊發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，通過測量橫向位移實現對角速率的測量，從而實現MEMS陀螺儀的主要功能。為了使MEMS陀螺儀正常工作，需要驅動MEMS結構中的可動質量塊做高速震蕩，驅動方式主要有靜電式、壓電式和電磁式。振幅檢測方式分為電容檢測、壓電檢測、壓阻式檢測、光學檢測等。

2、MEMS加速度計

加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器件。加速度計的理論基礎是牛頓第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對質量塊所受慣性力的測量計算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過對時間積分得到線速度，再次積分即可計算出直線位移。加速度計已經廣泛應用于導航定位、姿態感知、狀態監測、平臺穩定等領域。

MEMS加速度計的核心是一顆MEMS芯片、一顆ASIC芯片及應力隔離封裝。其產品構造與前述陀螺儀基本相同。MEMS加速度計利用敏感結構將線加速度的變化轉換為電容的變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值的變化，得到物體運動的加速度值。產品主要包含加速度計敏感結構和ASIC芯片，ASIC芯片由電容/電壓變換電路和數字部分組成。

行業主要經營模式

集成電路行業根據是否自建晶圓生產線及封裝測試生產線，將經營模式主要分為IDM（IntegratedDeviceManufacturing，垂直分工模式）模式和Fabless模式（Fabless-foundrymodel，無晶圓廠制造模式）。IDM企業能獨立完成從芯片設計到產品制造的所有環節，對企業資產實力、技術水平和業務規模等方面具有較高的要求，因此只有少數國際大型半導體企業采用該種模式。在Fabless模式下，產業鏈各環節由不同企業專業化分工進行，Fabless芯片設計企業主要從事產品的研發設計和銷售，晶圓制造、封裝和測試環節交由第三方晶圓制造和封裝測試企業完成。Fabless模式對集成電路設計企業的資金及規模要求相對較低，因此大部分集成電路設計企業均采用Fabless模式。

一般ASIC芯片采用標準CMOS制造工藝，而MEMS芯片采用體硅加工工藝，相較于CMOS制造工藝標準化程度較低。

主要差異為：MEMS芯片內部包含了復雜的極微小型機械結構，具有較高定制化的特性，不同類型傳感器往往擁有不同的微機械結構，一款MEMS芯片通常對應一套加工工藝方案。因此相比于大規模標準CMOS工藝，MEMS晶圓代工廠一般只提供基本的工藝模塊。

MEMS行業概況

（1）MEMS行業概述

①MEMS技術概述

MEMS即微機電系統（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大規模集成電路制造技術和微加工技術，把微傳感器、微執行器、微結構、信號處理與控制電路、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。

MEMS器件種類眾多，主要分為MEMS傳感器和MEMS執行器。MEMS傳感器可以感知和測量物體的特定狀態和變化，并按一定規律將被測量的狀態和變化轉變為電信號或者其它可用信號，MEMS執行器則將控制信號轉變為微小機械運動或機械操作。

經過40多年的發展，MEMS從實驗室走向實用化，已廣泛應用于消費電子、汽車、工業與通信、醫療健康、高可靠等各個領域?；贛EMS技術的系統設備大大增強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行業發展歷程

MEMS技術被譽為21世紀具有革命性的高新技術之一，其誕生和發展是需求牽引和技術推動的綜合結果，亦是微電子技術和微機械技術的巧妙結合。

MEMS起源可追溯至20世紀50年代。硅的壓阻效應被發現后，學者們開始了對硅傳感器的研究。20世紀70年代末至90年代，安全氣囊、制動壓力、輪胎壓力檢測系統等汽車行業應用需求增長推動了MEMS行業發展的第一次浪潮，壓力傳感器和加速度計取得快速發展。1979年Roylance和Angell研制出壓阻式微加速度計，1983年Honeywell用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片研制出壓力傳感器。

20世紀90年代末至21世紀初，信息技術的興起和微光學器件的需求推動了MEMS行業發展的第二次浪潮，MEMS慣性傳感器與MEMS執行器取得共同發展。MEMS慣性傳感器方面，1991年，電容式微加速度計開始被研制，1998年美國Draper實驗室研制出了較早的MEMS陀螺儀。MEMS執行器方面，1994年德州儀器以光學MEMS微鏡為基礎推岀投影儀，21世紀初MEMS噴墨打印頭出現。

2010年至今，產品應用場景的日益豐富推動了MEMS行業發展的第三次浪潮，如高性能的MEMS陀螺儀在工業儀器、航空、機器人等多方面得到應用。MEMS商業化將MEMS技術從最早的汽車應用領域向航空、工業和消費電子等領域不斷擴展。

③MEMS行業的產業鏈

MEMS產業鏈一般可分為四個環節：芯片設計、晶圓制造、封裝測試以及系統應用。MEMS行業主要有Fabless和IDM兩種經營模式。采用Fabless模式的MEMS企業主要負責MEMS產品的設計與銷售，將生產、封裝、測試等環節外包。采用IDM模式的國際企業，如博世、意法半導體、亞德諾半導體、霍尼韋爾等，經營范圍覆蓋了芯片設計、晶圓制造和封裝測試等各環節。

MEMS產業鏈如下所示：

（2）MEMS行業市場現狀

①全球市場現狀

根據Yole的統計和預測，全球MEMS行業市場規模將從2021年的136億美元增長到2027年的223億美元，2021-2027年復合增長率為9.00%。

MEMS器件已經被廣泛應用于消費電子、汽車、醫療、工業、通信等多個領域。從2021年市場規模來看，消費電子、汽車和工業市場是MEMS行業最大的三個細分市場。

從全球競爭格局的角度看，目前少數巨頭企業占據了全球MEMS行業的主導地位，2021年前十大MEMS廠商市場占比達到了57.94%，市場集中度較高。

②國內市場現狀

受益于工業物聯網、智能制造、人工智能等戰略的實施，加之各級政府加速推動智慧城市建設、智能制造、智慧醫療發展，MEMS市場具有較大的發展機遇。根據賽迪顧問數據整理，2020年中國MEMS市場保持快速增長，整體市場規模達到736.70億元，同比增長23.24%，國內市場增速持續高于全球。預計2022年中國MEMS市場規模將突破1,000億元，2020-2022年復合增長率為19.06%。

2021年中國MEMS市場以國外廠商為主，中國廠商中歌爾股份有限公司、瑞聲科技控股有限公司、武漢高德紅外股份有限公司、臺灣積體電路制造股份有限公司進入了前30大廠商行列，發達國家在MEMS芯片設計和制造領域技術先進，在產品性能和可靠性等方面優勢更為明顯。

（3）MEMS產品類型與市場結構

MEMS產品主要分為MEMS傳感器和MEMS執行器，常見的MEMS器件如下表所示：

①MEMS傳感器和MEMS執行器的比較

MEMS傳感器是用來檢測物理、化學或生物現象的器件；而MEMS執行器是用來產生機械運動、力和轉矩的器件，兩者用途存在較大差異，因而技術路線和難點不同。

由于客戶應用MEMS產品的環境具有多樣性，需要檢測的外界信號種類較多，從而導致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，需開發合適的工藝方案；另外MEMS傳感器往往需要匹配復雜的ASIC芯片，所以MEMS傳感器的開發往往需要從系統的角度考慮。而MEMS執行器通常只是完成單一的動作，結構較為簡單，但對于材料制備，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執行器無需或只需要簡單的驅動電路即可，系統相對簡單。

②不同類型MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測量的外部信號不同，不同類型的MEMS傳感器技術差異較大。MEMS慣性傳感器主要檢測物體的運動，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測載體的運動，因此MEMS多為密閉式封裝。而壓力/光學/聲學傳感器需要通過直接接觸被測量，所以多為開放式封裝，同時需要結合使用環境設計有利于檢測信號的傳感器敏感單元表面結構。

MEMS慣性傳感器相對于壓力傳感器、聲學傳感器等其他類型的傳感器應用領域較廣，在高可靠領域及其他工業、消費領域均具備豐富的應用場景，不同應用場景對于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對于在工業及消費領域應用較廣的聲學傳感器、環境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應用于高可靠領域，復雜環境下對于產品性能要求高，因此對產品可靠性提出了更嚴格的需求，存在較高的技術門檻。

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，售價高，多用于儀表校驗等對精度要求高的領域。MEMS聲學傳感器和光學傳感器主要應用于消費類電子，例如智能手機中的MEMS麥克風和接近傳感器，產品具有體積小、成本低、功耗低的特點，對產品絕對性能要求相對不高，行業內廠商競爭相對激烈。

③MEMS傳感器的工作原理

MEMS傳感器是采用微電子和微機械技術工藝制造出來的微型傳感器，種類繁多，是使用最廣泛的MEMS產品。MEMS傳感器通過微傳感元件和傳輸單元，可將輸入的信號轉換，并導出另一種可監測信號。與傳統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、易于集成和實現智能化等特點。MEMS慣性傳感器屬于MEMS傳感器的重要分支，主要包括陀螺儀、加速度計等，并可通過組合形成慣性組合傳感器IMU。

④MEMS傳感器行業的產品結構

按照YoleDeveloppement統計的MEMS產品市場規模數據，2021年不同類型MEMS產品的市場份額如下所示：

MEMS慣性傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁力計、慣性傳感組合，2021年上述四類產品市場規模合計35.09億美元，占比25.81%，是MEMS行業中的主要產品類型。

MEMS慣性傳感器細分行業發展情況及市場規模

（1）MEMS陀螺儀的發展情況

①陀螺儀的發展歷史

最早的陀螺儀基于牛頓經典力學原理，利用高速旋轉的陀螺轉子來測量計算運動載體的旋轉角速率。經歷一百多年的漫長發展，人們又研制出了多種基于不同測量原理具有不同測量精度的陀螺儀。按不同測量原理和發明先后，慣性技術發展通常分為四代，MEMS陀螺儀是第三代陀螺儀的代表。

第一代，基于牛頓經典力學原理。典型代表為靜電陀螺以及動力調諧陀螺，其特點是種類多、精度高、體積質量大、系統組成結構復雜、性能受機械結構復雜性和極限精度制約、產品制造維護成本昂貴。

第二代，基于薩格奈克效應。典型代表是激光陀螺和光纖陀螺，其特點是反應時間短、動態范圍大、可靠性高、環境適應性強、易維護、壽命長。光學陀螺技術較為成熟，精度高，隨著產品迭代，光學陀螺及其系統應用從戰術級應用逐步拓展到導航級應用，在陸、海、空、天等多個領域中得到批量應用，但由于其成本高、體積大，應用領域受到一定限制。

第三代，基于哥氏振動效應和微納加工技術。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、航海等領域開展應用，但受限于結構及制造技術，市場上可規?；a的企業較少。MEMS陀螺儀具有體積小、重量輕、環境適應性強、價格低、易于大批量生產等特點，率先在汽車和消費電子領域得到了大量應用。隨著性能的進一步提高，MEMS陀螺儀應用也被拓展到了工業、航空航天等領域，使得慣性系統應用領域大為擴展。

第四代，基于現代量子力學技術。典型代表為核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目標是實現高精度、高可靠、小型化和更廣泛應用領域的導航系統，目前仍處于早期研究階段。MEMS陀螺儀具有小型化、高集成、低成本的優勢，解決了第一、二代陀螺儀體積質量大、成本高的不足，并隨著精度和穩定性的持續提升，在陀螺儀市場中占據了重要的位置。

②不同類型陀螺儀的應用情況及發展趨勢

目前，市場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，上述陀螺儀技術發展處于相對成熟的狀態，應用領域相對廣泛。激光陀螺儀和光纖陀螺儀分別屬于第一代光學陀螺儀和第二代光學陀螺儀，其中激光陀螺儀利用光程差的原理來測量角速度，兩束光波沿著同一個圓周路徑反向而行，當光源與圓周均發生旋轉時，兩束光的行進路程不同，產生了相位差，通過測量該相位差可以測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，但由于光纖可以進行繞制，因此光纖陀螺儀中激光回路的長度比激光陀螺儀增加，使得檢測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。隨著微機械電子系統（MEMS）等學科的興起，基于哥氏振動效應和微納加工技術的MEMS陀螺儀開始出現，MEMS陀螺儀具備小型化、高集成、低成本的特點，因此，雖然其精度較激光陀螺儀與光纖陀螺儀低，但仍具有廣闊的應用場景。

MEMS陀螺儀與激光陀螺儀、光纖陀螺儀（下稱“兩光陀螺”）的具體差異比較情況如下：

綜上來看，由于不同技術路線的陀螺儀可實現類似的功能，因此MEMS陀螺儀和兩光陀螺在部分無人系統、高端工業、高可靠等應用領域有所重合。隨著高性能MEMS陀螺儀的精度不斷提升，并依托成本的優勢，可逐步應用于中低精度兩光陀螺的應用領域。同時，由于高性能MEMS陀螺儀具有小體積、高集成、抗高過載的優勢，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、無人系統等領域智能化升級的要求，進一步拓展高性能MEMS陀螺儀的增量市場。

根據Yole發布的High-EndInertialSensing2022，高性能MEMS陀螺儀在工業級應用領域使用較為廣泛，占據了該應用領域86%的市場份額，具體應用場景包括資源勘探、測量測繪、光電吊艙等；在戰術級和導航級應用領域，兩光陀螺應用比較廣泛，分別占據了該應用領域78%和92%的市場份額，具體應用場景包括無人系統、衛星姿態控制系統、動中通等；在戰略級應用領域，激光陀螺儀的適用性較強，占據了該應用領域72%的市場份額，具體應用場景為航天航海等領域。

（2）MEMS加速度計

MEMS加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器件，通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。加速度計的理論基礎是牛頓第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對質量塊所受慣性力的測量計算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過加速度對時間積分得到線速度，再次通過線速度對時間積分可計算出直線位移。按工作原理劃分，MEMS加速度計可以分為以下類型：電容式、壓電式、熱感式、諧振式等。

其中，電容式MEMS加速度計是目前應用最多的類型。電容式MEMS加速度計具有檢測精度高、受溫度影響小、功耗低、寬動態范圍、以及可以測量靜態加速度等優點，被廣泛應用于消費電子、汽車、工業、高可靠等各個領域。公司MEMS加速度計即為電容式。

（3）MEMS慣性系統

從技術層次來看，慣性技術領域可以分為慣性器件與慣性系統兩個層級，慣性器件主要包括測量角速率的陀螺儀和測量線加速度的加速度計；慣性系統是以慣性器件為核心，利用集成技術實現的慣性測量、慣性導航以及慣性穩控系統，其中慣性導航應用領域最為廣泛。目前，MEMS慣性系統已由發展初期的消費、汽車領域擴展到工業、航空航天等高端應用領域。

產業鏈關系

MEMS慣性傳感器行業，屬于產業鏈較上游的芯片/組件領域，為產業鏈中游慣性模組廠商提供基礎核心慣性元器件，此類慣性元器件主要用于自主測量和反饋物體運動速度和角度的變化，并與衛星等其他導控模塊形成慣性導航系統、組合慣性系統等，經下游應用端客戶集成在相關設備中發揮慣性導航、慣性測量和慣性穩控的作用。

①慣性導航

慣性導航系統的核心器件是陀螺儀和加速度計。通常情況下，每套慣性系統包含三軸陀螺儀和三軸加速度計，分別測量三個自由度的角速率和線加速度；通過對角速率和線加速度按時間積分以及疊加運算，可以動態確定自身位置變化，從而確定自身移動軌跡以實現導航功能。慣性導航的工作原理如下圖所示：

慣性導航不借助外源信息，也不向外發送任何信號，因而不用借助其他設備，可免受外界干擾影響。除獨立使用外，慣性導航還可以與衛星導航結合使用，形成組合導航系統，具備以下主要優勢：一方面，在開放的外界環境中使用衛星定位導航確定絕對位置，可利用慣性導航提高位置更新速率；另一方面，在高架橋、山間隧道等衛星信號較弱甚至消失的場合，設備可自動切換至慣性導航來提供定位信息以繼續導航。

②慣性測量

慣性測量系統是利用陀螺儀、加速度計等慣性敏感元件和電子計算機測量載體相對于地面運動的角速率和加速度，以確定載體的位置和地球重力場參數的組合系統。目前已被應用于石油測斜、城市測繪、地質監測、尋北儀表等領域。例如，陀螺尋北儀通常采用陀螺儀和加速度計的組合方案，利用陀螺儀測量地球旋轉角速率的水平分量以獲得載體的北向信息，利用加速度計測量陀螺的姿態角，對陀螺信號進行補償。通過多位置法消除陀螺儀和加速度計的零偏影響，經過計算得到陀螺儀轉軸與正北方向的夾角，系統原理如下所示：

③慣性穩控

慣性穩控是通過連續監測系統姿態與位置變化，利用伺服機構動態調整系統姿態，使被穩定對象與設定目標保持相對穩定的裝置。慣性穩控利用陀螺儀敏感框架的角速率信號，利用控制算法進行伺服結構的控制，保持在外部干擾情況下平臺的穩定，提高平臺設備工作的性能。慣性穩控因其隔離載體干擾的能力，在各類運動平臺得到了廣泛的應用。常見的慣性穩控包括動中通天線，光電吊艙，攝像平臺等。隨著MEMS陀螺儀性能的不斷提高，MEMS陀螺儀在慣性穩控系統中得到了越來越多的應用。系統原理如下所示：

高性能MEMS慣性傳感器行業狀況、技術水平及市場競爭情況

高性能MEMS慣性傳感器行業，不同于其他MEMS慣性傳感器主要應用于消費電子領域，高性能MEMS慣性傳感器主要適用于高端工業、無人系統、高可靠等應用領域。目前高性能慣性傳感器主要通過三種技術實現，分別是激光慣性技術、光纖慣性技術和MEMS慣性技術。激光慣性技術和光纖慣性技術主要基于薩格奈克效應發揮作用，分別于20世紀90年代和21世紀初進入技術成熟期，技術特點是精度較高但體積和重量較大，生產成本高；MEMS慣性技術基于哥氏振動效應發揮作用，目前技術正逐漸進入成熟期，國際MEMS慣性技術代表性公司為Honeywell、ADI等，國內MEMS慣性技術代表性公司為芯動聯科等，上述公司均掌握先進的MEMS慣性傳感器技術體系，產品性能均為國際先進。目前，高性能MEMS陀螺儀的精度水平可以達到中低精度的激光陀螺儀和光纖陀螺儀，隨著MEMS慣性技術的愈發成熟，MEMS慣性傳感器在保持原有低成本、小體積、可批量生產的特點下，精度水平不斷提高，目前可在諸多戰術級應用場景替代激光陀螺和光纖陀螺，并逐漸滲透導航級應用場景。高性能MEMS加速度計接近石英加速計水平，可達到導航級水平。MEMS慣性技術作為慣性傳感器領域的主流技術之一，將在自動駕駛和高端工業等領域覆蓋更多新的應用場景，市場空間較為廣闊。

①高性能MEMS慣性傳感器行業狀況、市場競爭情況

根據Yole統計的數據，2021年，全世界高性能MEMS慣性傳感器市場規模約71,000萬美元（含MEMS慣性傳感器系統），約452,270萬元人民幣，世界MEMS慣性產品市場份額集中在Honeywell、ADI、NorthropGrumman/Litef等行業巨頭手中，市場份額前三的公司合計占有50%以上的份額。

②高性能MEMS慣性傳感器行業技術水平情況

A.高性能MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀的性能及技術水平是高性能MEMS慣性傳感器行業技術水平的集中體現，技術水平先進的國內外企業在MEMS結構設計、MEMS工藝、ASIC設計方面均具備較強實力。目前，行業內企業為實現MEMS陀螺儀的高靈敏度、強抗干擾和高精度，MEMS芯片設計結構從傳統雙質量塊方案向四質量塊結構、多環結構等新型對稱結構發展。MEMS工藝方面，加工工藝由傳統的硅-玻璃工藝過渡到全硅工藝，此外，為降低材料不匹配引起的測量偏差，行業內公司采用晶圓級高真空技術、薄膜吸氣技術等，實現高Q值，實現機械增益的大幅提升。電路設計方面多采用數?；旌螦SIC電路以滿足體積小、功耗低的要求。綜合上述技術，行業內企業逐步實現正交誤差補償，模態匹配，標度因數自補償，標度因數自校準，耦合消除等目標。

B.高性能MEMS加速度計

行業內技術水平先進的國際巨頭傳感器公司在加速度計MEMS結構設計、MEMS工藝、電路設計方面均具備較強實力。目前為實現加速度計高靈敏度、環境適應性好，高精度的特點，加速度計從傳統單質量塊技術方案向多質量塊陣列式結構技術方案演進，檢測機理從AM向FM演進，同時由于諧振式加速度計具有高精度潛能、準數字輸出等特點，諧振式技術方案愈發為客戶采納。MEMS工藝方面，加速度計工藝方案由傳統的硅-玻璃工藝過渡到全硅工藝，降低材料不匹配和走線引起的寄生和熱失配，并采用高深寬比的體硅深槽刻蝕等技術，實現機械增益的大幅提升。電路與算法方面，加速度計實現上由分立器件向數?；旌螦SIC過渡，滿足SWaP-C要求，并在算法上著力發展誤差在線補償和抑制等技術。

MEMS慣性傳感器應用領域

目前MEMS慣性傳感器已被廣泛應用于工業與通信、高可靠、汽車電子、醫療健康、消費電子等多個領域。MEMS慣性傳感器應用領域如下圖所示：

隨著MEMS慣性技術的持續進步，高性能MEMS慣性傳感器應用逐漸拓展到無人系統、自動駕駛、高端工業、高可靠等領域，而中低性能MEMS慣性傳感器主要應用于消費電子和汽車等領域。

高性能MEMS慣性傳感器的典型應用領域如下：

①無人系統

無人系統是指具有一定自治能力和自主性的無人控制系統，它是人工智能、機器人技術以及實時控制決策系統的結合產物。通過利用慣性器件及捷聯慣性導航技術，可以為無人系統提供精確的速度、位置和姿態等信息，從而實現其精確的導航定位和姿態控制。無人系統能廣泛替代人類于各種環境下獨立完成布置的任務，而不需要或者只需要極少操控人員的控制，大大擴充了人類的行為能力。無人系統包含無人機、無人車、無人船、無人潛航器以及機器人等多種無人平臺，其中尤以無人機的應用最為廣泛。根據DroneIndustryInsight數據，2020年全球無人機市場規模為209億美元，預計到2026年全球無人機市場規模將達413億美元，2020-2026年復合增長率為12.02%。

無人機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，在安防巡檢、消殺作業、物流配送、宣傳喊話、照明測溫、農業植保等方面發揮了重要的作用。Frost&Sullivan估計，2020年中國民用無人機行業整體市場規模達599億元，發展潛力巨大。

②自動駕駛

現代汽車系統已經搭載了多種MEMS慣性傳感器，如陀螺儀、加速度計、磁力計和慣性測量單元，以增強汽車的可靠性，提高駕駛的安全性。最早應用于汽車的是MEMS加速度計，用于監測汽車運行狀態，判斷突然減速過程中是否啟用安全氣囊，MEMS加速度計還被用于胎壓監測（TPMS）中監測車輛運動狀態以優化TPMS傳感器的電池壽命，MEMS陀螺儀也被大量用于車身穩定系統以增強行車安全性。如今，MEMS慣性測量單元正逐步被用于自動駕駛并輔助GPS導航，在衛星信號較弱甚至丟失的情況下，根據慣性測量單元實時測量的加速度和角速率信息，繼續利用慣性導航以推算出最新的位置，在短時間內仍可得到較高精度的位置信息，利用航跡推算實現短時導航，大大提高了用戶體驗。

根據iimedia估計，2025年全球無人駕駛汽車市場規模將突破1,200億美元，2021-2025年復合增長率為46.78%，增長潛力巨大。

③測量測繪

隨著衛星導航定位系統平臺、現代測繪基準體系基礎設施、航空航天遙感影像快速獲取平臺、先進野外測繪技術裝備、地理信息數據處理技術裝備以及地理信息數據交換傳輸服務網絡等測繪裝備體系完成構建，測繪行業進入信息化測繪階段。高精度MEMS慣性測量單元是信息化測繪體系的重要支撐。信息化測繪的數據采集方式包括傳統測量、航空攝影測量、衛星遙感以及激光雷達測量等。除傳統方式外，其他現代化測繪方式需要基于高精度慣性測量單元的飛行控制系統或光學穩定系統支撐，以便于載具在動態過程中采集到清晰的圖像。

根據中國地理信息產業協會數據，2021年我國地理信息產業總產值達到7,524億元，總產值較上年增長9.20%。預計未來高精度MEMS慣性測量單元將在信息化測繪體系中占據重要地位。

④通信–動中通

動中通是指通過天線基座對天線進行動態調整，使平臺保持和通訊衛星相對穩定的狀態，從而保證通訊質量。動中通共分四類：車載、船載、機載和全自動便攜站等產品，主要應用于應急通信、移動辦公、電視臺現場直播、航空寬帶、商船通信、游艇、漁船等領域。慣性傳感器是動中通的核心部件，在運動過程中根據慣性測量信息自動控制天線的方位、仰角和極化角，確保天線的波束中心始終精確指向衛星，使系統在靜態、高速、高動態下均可穩定運行，具有高機動性和高靈活性，具有一定的市場規模。

⑤工業物聯網

各類傳感器是工業物聯網的感知器官，高精度的傳感器才能保證系統長期穩定工作并提供高質量的數據。MEMS慣性傳感器已在工業物聯網中被廣泛應用，例如風力發電塔姿態監測、光伏發電太陽跟蹤系統、電網塔架安全監測、水電大壩監測、機器振動監測、礦井礦山監測、工程機械監測等。隨著工業領域對數字化需求的增長，物聯網一方面設備數量增速較快，另一方面物聯網設備對可靠性的要求也進一步提升。根據statista的數據，在2021年，全球工業物聯網（IIoT）市場規模超過了2,630億美元。預計未來幾年市場規模將大幅增長，到2028年將達到約1.11萬億美元，2021-2028年復合增長率將達到22.83%，市場前景廣闊。

⑥資源勘探

慣性技術在資源勘探中，主要用于測量井身軌跡和鉆頭的實際位置，從而保證井深達到預定位置。隨著石油資源日益枯竭，勘探和開發情況愈加復雜，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油測斜儀器。而慣性技術的應用，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量鉆井過程中井斜角、方位角及工具面角等工程參數，從而實現井身軌跡與鉆頭位置的實時監測。根據中華人民共和國自然資源部發布的《全國石油天然氣資源勘查開采情況通報（2020年度）》，2020年油氣勘查投資達到710.24億元，開采投資為2,249.48億元。國家統計局數據顯示，2021年原油產量同比增長約2.11%；天然氣產量同比增幅約7.84%。因此，在國內油氣消費持續穩定增長以及油氣勘查開采投資持續增加的背景下，石油鉆采專用設備作為石油勘探開發的重要設備，其市場需求將有望保持穩定增長。

⑦高速鐵路

MEMS慣性傳感器可以檢測和測量各種形式的機械運動，包括加速、傾斜、振動、沖擊和旋轉等，其在高速鐵路中的典型應用實例包括：轉向架安全性和舒適度的監測和診斷系統、改善乘客舒適性的高速列車傾斜控制系統、列車的位置監控、運輸過程中的振動監測、鐵路軌道安全和維護的監測系統、列車定位導航等。國家鐵路局發布的《2021年鐵道統計公報》顯示，2021年全國鐵路營業里程達到15萬公里，其中高速鐵路達到4萬公里，增長5.26%。全國鐵路客車擁有量為7.8萬輛，其中，動車組3.32萬輛，增長6.00%。隨著中國“新基建”的持續實施以及中國高鐵走向世界，高速鐵路還會保持快速發展態勢。

⑧高可靠MEMS慣導系統以其小型化、高集成、低成本的優勢，逐步適用于體積和重量受限的微小衛星等系統。微小衛星具有成本較低、發射靈活、適宜冗余組網等優點，衛星互聯網的興起大大促進了微小衛星的快速發展。目前，低軌道衛星空間軌位和頻譜資源日益緊張，各國紛紛部署星座計劃。在國家政策支持下，我國近年來多個近地軌道衛星星座計劃相繼啟動，各星座計劃部署情況合計超過1,200顆。根據賽迪顧問的統計，2019年全球衛星產業規模為2,860億美元，我國衛星互聯網市場規模約700億元，中國在軌衛星的數量位于世界前列。我國商業航天市場的逐步開放，將帶動通信小衛星研制、衛星通信系統終端設備與軟件應用市場發展，在全球高度關注衛星互聯網布局的背景下我國衛星互聯網市場規模預計將保持較高速度的增長。MEMS慣性傳感器具有小型化、高集成、低成本的優勢，隨著其精度的提升，MEMS慣性傳感器逐步適用于對精度要求較高的高可靠領域。我國高可靠領域市場應用場景廣泛，市場需求蓬勃增長，具備廣闊的市場空間。

MEMS產品在不同下游應用領域的市場空間、競爭格局及核心技術壁壘

國外市場方面，根據Yole報告的統計，預計未來全球高可靠領域MEMS產品的市場空間較大。國內市場方面，基于MEMS的慣性測量單元可大幅降低設備成本，并能在各種惡劣環境中穩定工作滿足可靠性要求，取代原本成本高昂、體積較大的其他慣性器件。根據公開資料及芯動聯科估算，預計慣性傳感器在此領域的市場空間較大。

MEMS產品用于高可靠領域的核心壁壘為需要根據產品最終應用領域設計、生產出對應性能的產品；例如平臺穩定需要超低噪聲和高帶寬處理技術做支撐；復雜環境導航需要抗高過載和溫度補償技術做支撐等。因此，行業內公司能否全面掌握上述技術以滿足客戶不同的要求成為其MEMS產品進入此領域的核心壁壘；此外，MEMS產品用于此領域的另一個核心壁壘主要為是否可在保證MEMS慣性傳感器高性能的同時，從系統級角度保證產品工程化、可測性及環境適應性。

此外，MEMS產品在高端工業領域應用較廣，市場較大。根據Yole發布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年全球高端工業領域中MEMS產品的市場規模為22.34億美元，預計到2027年全球高端工業領域中MEMS產品的市場規模將達33.40億美元，2021-2027年復合增長率為7.00%。

國際競爭格局方面，MEMS產品主要用于高端工業領域的資源勘探、壓力傳感等多個領域，應用場景相對分散，世界知名機構的產品在高端工業領域具有相對優勢。國內方面，芯動聯科是少數可以滿足高端工業客戶對于MEMS慣性傳感器精度要求的廠商，競爭力較強。

MEMS產品用于高端工業領域的核心壁壘在于產品在復雜、多變的環境中持續保持高精度感知和傳遞外部環境變化，其中，MEMS產品長時間在高溫及高振動的外部環節中保持有效工作成為衡量行業內公司技術先進性的重要依據，已成為MEMS產品進入高端工業領域的核心壁壘。

同時，MEMS產品在無人系統領域也有廣泛的應用場景及廣闊的市場空間。根據Yole發布的StatusofMEMSIndustry2022和High-EndInertialSensing2022，2021年全球無人系統領域中MEMS產品的市場規模為40.26億美元，預計到2027年全球無人系統領域中MEMS產品的市場規模將達64.21億美元，2021-2027年復合增長率為8.09%。

MEMS產品主要用于無人系統領域的無人機、無人駕駛車輛等領域，其中，無人駕駛市場份額在上述市場規模正逐漸占據愈發重要的地位，行業內的廠商正積極布局此類市場以獲取更強的市場競爭地位。

行業格局方面，從全球來看，得益于相關研究起步較早，以及半導體產業鏈發展成熟，無人系統市場中的MEMS產品市場份額基本被國際知名企業瓜分。我國以深迪半導體、矽?？萍?、芯動聯科為代表的國內廠商相繼推出無人系統領域產品，但在中高端產品線上差距明顯。

MEMS產品用于無人系統領域的核心壁壘主要為MEMS傳感器與其他無人系統技術的有機融合，即在保證無人系統高性能、低成本的前提下，減少對通信損耗、提高響應速度，最終達到降低成本、提升整體效率的目的。

（8）高性能MEMS慣性傳感器行業的周期性

從行業增長周期來看，高性能MEMS慣性傳感器應用領域已逐漸由汽車和消費電子領域拓展到工業、航空航天、高可靠等領域，上述市場業務結構相對完善，且受國際政治經濟環境影響，整體處于溫和增長的趨勢；此外微納衛星、自動駕駛等新興應用場景的出現，也將促進高性能MEMS慣性傳感器行業規模的進一步擴大。

從行業技術周期來看，慣性技術大約20-30年出現一輪技術迭代，新技術會與原有技術共存一段時間后占據市場主導地位。20世紀80年代左右，激光陀螺技術和光纖陀螺技術開始成熟并替代原有機械陀螺技術；21世紀初葉，MEMS技術開始加速發展并走向成熟，在保持慣性傳感器高性能的前提下，通過縮小慣性測量系統的尺寸和功耗，在一定程度上分享了部分兩光陀螺的市場，并擴大了慣性系統的應用領域。

未來發展趨勢

（1）MEMS行業發展需要更精準可靠的傳感器

各類智能設備作為信息獲取和交互的關鍵器件，對傳感器收集數據的豐富程度和精準程度要求越來越高。對于可以主動感知、自主決策的無人系統，準確的環境感知能力和高精度定姿定位能力至關重要。MEMS傳感器精度提升有助于將應用場景擴展至高性能領域。同時，MEMS慣性傳感器的應用范圍越來越廣泛，行業內公司需要采用新技術、新工藝使MEMS慣性傳感器在復雜的環境中保持精準可靠。

（2）MEMS傳感器微型化、集成化的發展趨勢

隨著MEMS加工工藝的進步，以及CMOS工藝和MEMS工藝的集成，MEMS傳感器可以在更小面積的芯片上集成更強大的運算與存儲能力，更好地滿足系統應用對低成本、小體積、高性能的全面要求。同時，先進的封裝技術，如多芯片模塊可以將多個芯片組合封裝，特別是3D堆疊封裝技術，代表著MEMS產品不斷向微型化和高集成化的發展趨勢邁進，預示著其可在有限的體積內集成更多的組件，實現更復雜更強大的功能。

（3）多傳感器融合與協同

多傳感器融合技術有助于增加可獲得的數據數量，顯著提高系統的冗余度和容錯性，從而保證決策的快速性和正確性。隨著設備智能化程度的提升，單個設備中搭載的傳感器數量不斷增加，多傳感器的融合和協同提升了信號識別與收集效果。自動駕駛的安全性需要多傳感器的冗余支持，也需要通過多傳感器融合提升傳感器組合的性能和容錯率。在智能化加速和萬物互聯的時代，多傳感器融合技術未來將進一步廣泛應用于復雜工業過程控制、機器人、智慧交通、海洋監視和管理、智慧農業、遙感、醫療診斷等諸多領域，成為傳感器產業未來主要發展趨勢之一。

（4）應用場景多元化，行業規模不斷擴大

MEMS傳感器是智能設備重要的基礎硬件之一，已被廣泛應用到消費電子、汽車、工業、高可靠等各個領域，新的應用場景亦層出不窮。隨著傳感、5G通信連接、計算技術的快速進步和聯網節點的不斷增長，對于智能傳感器數量和智能化程度的要求將進一步提升。未來，工業物聯網、車聯網、智能城市、智能家居等新產業領域都將成為MEMS傳感器行業廣闊的應用空間，尤其是自動駕駛汽車需要多種高精度、高可靠性的傳感器，將創造巨大的行業空間，引領MEMS傳感器的下一次應用浪潮。

審核編輯 ：李倩