【核芯觀察】IMU慣性傳感器上下游產業梳理（一）

前言：【核芯觀察】是電子發燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產業架構，理清上、中、下游的各個環節，同時迅速了解各大細分環節中的行業現狀。本期【核芯觀察】，將對IMU慣性傳感器產業鏈上下游進行梳理，從市場現狀、應用場景、產業鏈構成、產業鏈企業分布、發展趨勢等幾個部分剖析IMU產業。本期主要介紹MEMS IMU的概念，以及產業鏈上需要關注的制造難點。

MEMS IMU概念

IMU全稱Inertial Measurement Unit，即慣性測量單元，泛指空間姿態傳感器，是一種用于測量物體在三維空間內的姿態角以及加速度的裝置。一般來說，IMU由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成，也有少數應用在IMU中增加三軸磁力計。

其中加速度計時用于測量物體在各個方向的加速度，通過加速度可以計算出當前物體在三個軸方向上的速度。

陀螺儀用于測量物體的角速度，即物體繞軸旋轉的速率，根據這個數據可以計算出物體轉動角度。

磁力計是用于測量物體周圍的磁場，可以確定物體朝向在地球坐標系中的方向，本質上類似于指南針。

市面上的IMU可以分為3軸、6軸和9軸。3軸IMU是指只有三軸陀螺儀，也就是只能識別物體在x、y、z軸三個自由度上的姿態信息；六軸IMU則在三軸IMU的基礎上增加了三軸加速度計；九軸IMU在六軸IMU的基礎上再增加一個三軸磁力計。

IMU的實現形式有多種，比如陀螺儀有根據角動量守恒原理制造的機械陀螺儀，根據薩格納克效應制作的光纖陀螺等；加速度計可以由一個兩端連接彈簧的質量塊組成，根據質量塊的位移距離反推出質量塊被施加的力，從而根據牛頓第二定律F=ma計算出加速度a。

但顯然，采用以上結構的陀螺儀和加速度計，本身體積已經相當大，不可能再被集成到一些小型電子設備上。因此為了將IMU集成到電子設備上，就需要用到MEMS微機電技術了，簡單來說就是利用集成電路制造技術制作的機械結構部件。

MEMS器件的特征長度從一毫米到一微米不等，主要特點就是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成和大批量生產等，比如上面提到根據不同原理制造的傳感器。

在MEMS IMU中，主要包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計和ASIC信號處理芯片。

MEMS加速度計有幾種實現形式，一種就是類似于前面提到的機械加速度計，用MEMS制造技術打造一個微縮的質量塊和彈簧；二是通過測量振動單元頻率的變化來推算加速度，即將一個以特定頻率振動的懸臂固定在平臺上，懸臂另一端配備一個小質量塊，當測量的方向上有加速度時，懸臂就會彎曲，從而導致振動單元頻率發生改變，并間接計算出加速度。

MEMS陀螺儀則是使用壓電材料制作出一個在平面中進行往復振動的結構，基于科里奧利效應（即在旋轉的坐標系中移動物體發生偏轉的現象），當傳感器發生不同方向的旋轉時，該結構平行于平面的往復振動就會變成傾斜于平面。這個時候通過測量結構間電容的變化就可以估算出傳感器在某個軸方向上的角速度。

MEMS IMU的精度相對來說較低，它的誤差主要有幾種因素造成。首先當IMU靜止時，加速度計在z軸上應該輸出g，也就是重力加速度，陀螺儀三軸則都應該輸出0。但因為加工過程中不可避免的偏差，這些靜止的數據輸出會隨著時間逐漸發生變化，從而出現數據漂移。

其次是由于MEMS IMU本身尺寸極小，材料容易受到溫度或時間影響而出現變化，也就是會出現溫漂現象，當然這個可以通過算法在一定程度上進行修正。

最后是因為一般在MEMS IMU中加速度計和陀螺儀是分開制造和裝配，因為坐標系不重合，所以會出現可能的軸偏角誤差。

從上述的內容我們能夠大致了解到，MEMS IMU的技術難點主要就是如何降低誤差以及提高精度，具體包括MEMS制造工藝以及ASIC算法等。

MEMS IMU制造難點

前面提到MEMS IMU的技術難點主要就是如何降低誤差以及提高精度，具體包括MEMS制造工藝以及ASIC算法等。這里從制造工藝的角度來分析一下MEMS IMU的難點。

MEMS制造技術基于成熟的集成電路技術及其加工工藝，與我們熟知的傳統IC工藝有很多相似的地方，比如光刻、刻蝕、薄膜沉積、摻雜、刻蝕等等。不過也有一些區別。IC制造主要涉及半導體材料的加工，比如光刻、蒸發、離子注入等步驟，而MEMS制造核心在于微機械結構，一些復雜的微機械結構難以直接復用IC制造工藝實現。

因此MEMS制造的關鍵還在于微加工技術。MEMS微加工技術包括表面微加工、體微加工、激光加工、離子束加工技術等。其中表面微加工是指在材料表面進行微小尺度的加工和處理，包括薄膜沉積、光刻、腐蝕、離子注入等工藝，用于制造MEMS傳感器等微型器件。表面微加工的特點是加工精度高、對材料影響小、適用于制造微米級和納米級的結構。

體微加工技術是通過對整體材料進行離子刻蝕、濕法腐蝕等加工方法，制備微米級的孔洞、通道等結構，常用于制備MEMS慣性傳感器、壓力傳感器等器件。

激光加工技術則是利用激光束對材料進行精密加工，可以實現高精度的切割、打孔和表面改性，常用于制備微型光學器件和微流控器件。

離子束加工技術利用離子束對材料表面進行刻蝕和改性，可以實現微小尺寸結構的加工和制備，常用于制造微型光學元件和傳感器。

而這些加工技術的精度，對MEMS IMU的性能影響很大。在MEMS4.傳感器的制造過程中，結構層厚度的精確度對器件性能至關重要，不精確的厚度會直接影響MEMS設備的性能。此外，邊墻形貌不佳、內應力和黏附力問題等都會影響器件性能和良率。

除了制造工藝外，材料也是MEMS產業中極為重要的一環。首先是材料的選擇直接影響到MEMS器件的性能，包括傳感器的靈敏度、執行器的響應速度等。不同材料具有不同的物理特性，如導電性、耐腐蝕性、熱導率等，而不同的應用根據需求要選擇合適的材料。

同時，材料的穩定性和可靠性對MEMS器件的工作可靠性十分關鍵，一些材料可能會受到環境因素的影響而產生腐蝕或老化，從而影響MEMS器件的性能和壽命。

另外，制造工藝和成本也是MEMS器件選擇不同材料的考慮因素。首先材料選擇會影響到MEMS器件制造工藝，加工工藝不同對制造成本會有一定影響；其次是材料本身的價格，對于MEMS器件來說，需要考慮到材料所帶來的性能以及材料成本，兩者綜合考慮才能成為商業化量產產品。

在MEMS 器件封裝方面，材料也起到重要作用。一方面是封裝需要盡量避免給器件帶來的應力，封裝材料的熱導率、熱膨脹系數等熱特性對于MEMS器件的散熱和穩定性至關重要。選擇合適的熱特性匹配的封裝材料是一個挑戰，特別是在高溫或快速溫度變化的環境下。

因此，MEMS實際上是一項跨多個學科的技術，這涉及微電子、機械、材料、化學等多個學科，同時要求這些領域高度交叉融合，所需要的復合型人才少之又少，所以MEMS的產業鏈背后還需要成熟的人才教育和培養體系，這導致了整體迭代周期和研發周期都較長。