MEMS慣性傳感器的趨勢分析

如何在災(zāi)難救援中，精準(zhǔn)定位受困人員的位置？如何在無人機(jī)操作中，提高系統(tǒng)精度？如何在人機(jī)交互中，更好的實(shí)現(xiàn)動(dòng)作檢測和姿勢識(shí)別？如何在自動(dòng)駕駛中，做到更精確的自主導(dǎo)航…種種場景中，都離不開MEMS慣性傳感器的作用。 MEMS技術(shù)擁有非常廣闊的市場前景，特別是進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，由于應(yīng)用場景種類繁多，再加上產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的多樣化，為企業(yè)帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。從我國MEMS各產(chǎn)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(duì)物理運(yùn)動(dòng)做出反應(yīng)的器件，如線性位移或角度旋轉(zhuǎn)，并將這種反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電子電路進(jìn)行放大和處理。其中，加速度計(jì)和陀螺儀是最常見的MEMS慣性傳感器，加速度計(jì)是敏感軸向加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器；陀螺儀則是能夠測量敏感運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速度的傳感器。此外，MEMS慣性組合測量單元由于可以實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航、減少誤差，也廣泛應(yīng)用于需要運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備上。MEMS慣性傳感器在1990年代開始規(guī)模應(yīng)用在汽車工業(yè)和國防工業(yè)，20世紀(jì)初開始應(yīng)用于手機(jī)等消費(fèi)電子領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)有望引領(lǐng)下一波增長浪潮。

圖：MEMS慣性傳感器發(fā)展浪潮 來簡言之，MEMS慣性傳感器的研究成果對(duì)于物體的制導(dǎo)、導(dǎo)航，各類型交通工具的自動(dòng)駕駛以及各種智能穿戴設(shè)備的應(yīng)用具有重要意義。MEMS加速度計(jì)加速度計(jì)是MEMS領(lǐng)域最早開始研究的傳感器之一。經(jīng)過多年的發(fā)展，MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。根據(jù)敏感機(jī)理不同，MEMS加速度計(jì)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(jì)容易受到壓阻材料影響，溫度效應(yīng)嚴(yán)重、靈敏度低，橫向靈敏度大，精度不高；熱流式加速度計(jì)由于受傳熱介質(zhì)本身的特性限制，器件頻率響應(yīng)慢、線性度差、容易受外界溫度影響。因此，這兩種加速度計(jì)主要用于對(duì)精度要求相對(duì)較低的民用領(lǐng)域或軍事領(lǐng)域中的高g值測量。而諧振式微加速度計(jì)理論上可以達(dá)到導(dǎo)航級(jí)的精度，但目前技術(shù)狀態(tài)還達(dá)不到實(shí)用化的要求。 此外，電容式硅微加速度計(jì)由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的MEMS加速度計(jì)。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(jì)的精度也在不斷提升。目前，硅微加速度計(jì)大部分采用集成化封裝，并在此基礎(chǔ)上不斷朝著高精度、數(shù)字化和高可靠性的方向發(fā)展。 根據(jù)美國Draper實(shí)驗(yàn)室對(duì)加速度計(jì)的預(yù)測，微機(jī)電MEMS加速度計(jì)將取代石英撓性和液浮加速度計(jì)；高精度機(jī)電加速度計(jì)仍保持原有應(yīng)用領(lǐng)域，部分領(lǐng)域會(huì)被微機(jī)電MEMS加速度計(jì)取代。

圖：2020年加速度計(jì)技術(shù)應(yīng)用預(yù)測 來源：美國Draper實(shí)驗(yàn)室MEMS陀螺儀自20世紀(jì)80年代以來，對(duì)角速率敏感的MEMS陀螺儀受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)性能指標(biāo)，MEMS陀螺儀通常可分為速率級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和慣性級(jí)。其中，速率級(jí)陀螺儀可用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)和無線鼠標(biāo)；戰(zhàn)術(shù)級(jí)陀螺儀適用于工業(yè)控制、智能汽車、火車、汽船等領(lǐng)域；慣性級(jí)陀螺儀則可用于衛(wèi)星、航空航天的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制等參數(shù)要求嚴(yán)苛的場景。 據(jù)美國Draper實(shí)驗(yàn)室對(duì)2020年陀螺儀的分析和預(yù)測，2020年，石英/硅微機(jī)電MEMS陀螺將占領(lǐng)中低精度應(yīng)用領(lǐng)域，即消費(fèi)級(jí)應(yīng)用。基本功能是測量物體的直線加速度、傾斜角度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、振動(dòng)頻率和力度等，這些基本的物理信號(hào)通過應(yīng)用程序的開發(fā)，可以衍生出各種各樣的功能。

圖：2020年陀螺儀技術(shù)應(yīng)用預(yù)測 來源：美國Draper實(shí)驗(yàn)室MEMS慣性測量組合單元這是是基于MEMS技術(shù)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(shí)現(xiàn)微小型無人機(jī)、交通工具等導(dǎo)航制導(dǎo)的核心部件。目前，MIMU 正朝著高精度、小體積、集成化、實(shí)用化、高可靠的方向發(fā)展，在系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越普遍。特別是在對(duì)成本和體積敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，MEMS慣性測量組合單元必將取代體積大、成本高的傳統(tǒng)慣性測量單元。 從目前的行業(yè)應(yīng)用來看，消費(fèi)類市場仍是慣性MEMS器件最大的細(xì)分市場，但是價(jià)格壓力巨大，競爭激烈。隨著智能汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用市場將會(huì)逐步打開，并有望超越消費(fèi)電子行業(yè)的需求。根據(jù)賽迪智庫數(shù)據(jù)顯示，2016-2021年我國MEMS慣性傳感器年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)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(guī)模 來源：賽迪智庫 從國內(nèi)外競爭狀況來看，目前國際大廠已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級(jí)九軸慣性傳感器封裝，并且在逐步向“九+”方向演進(jìn)，如九軸慣性傳感器與氣體、溫濕度傳感器集成產(chǎn)品，相比之下，國內(nèi)產(chǎn)品目前多數(shù)僅為六軸產(chǎn)品，且封裝尺寸較國際產(chǎn)品還存在不小差距。 近幾年來，MEMS慣性傳感器發(fā)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(jià)格低、體積小、重量輕，使得MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。未來隨著MEMS材料工藝與制造工藝不斷發(fā)展，MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度必將不斷提高，其成本也將不斷降低。 產(chǎn)品技術(shù)水平的提高會(huì)刺激需求的增長，需求的推動(dòng)也同樣會(huì)加速技術(shù)的進(jìn)步。導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛和個(gè)人穿戴設(shè)備等對(duì)慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細(xì)化測量需求和智能化的發(fā)展也對(duì)傳感器的精度也提出了越來越高的要求。再加上產(chǎn)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(fā)展。并且，隨著MEMS慣性傳感器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，工作環(huán)境越來越復(fù)雜，通過采用新工藝、新機(jī)理（如光學(xué)陀螺與原子陀螺結(jié)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(jī)械諧振式加速度計(jì)等），產(chǎn)品耐高溫、耐高壓、耐沖擊等應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的水平也將會(huì)越來越高。