慣性測量單元(IMU)傳感器的應用

隨著新一輪科技革命和產業(yè)變革的加速演進，5G、人工智能、物聯(lián)網等基礎設施日趨完善，無人駕駛、無人機、VR/AR等終端應用技術商業(yè)化規(guī)模快速增長，而連接新一代信息技術的基礎技術與終端應用的——以MEMS為核心的智能傳感器，正處于爆發(fā)階段。MEMS傳感器的設計與制造依賴大規(guī)模微納制造技術，基于此，深圳市微納制造產業(yè)促進會開展MEMS微納制造系列調研，通過對核心器件市場應用的研究，分析其背后微納制造技術的應用，從而促進微納制造技術的應用及推廣。

本期簡報我們從慣性測量單元(IMU)傳感器的應用說起。

從JDAM制導炸彈說起

今年五月份爆發(fā)的巴以沖突，再一次向世人展示了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的可怕威力。以色列空軍戰(zhàn)機向加沙地帶一幢十四層高的大樓發(fā)射兩枚導彈，就將整幢大樓完全炸平了，是什么技術讓這導彈能如此精確制導?確切說這并不是導彈，而是美國研制的聯(lián)合直接攻擊彈藥(Joint Direct Attack Munition，字母簡稱JDAM)。JDAM制導炸彈采用自主式的衛(wèi)星定位和慣性導航的復合式制導，其中制導控制部件(GCU)是JDAM制導炸彈的核心部件，包括GPS接收機、慣性測量單元(IMU)、任務計算機和電源模塊。而IMU又是核心中的核心。

慣性測量單元(Inertial measurement unit，簡稱IMU)是測量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的裝置。IMU的核心裝置是陀螺儀和加速度計。通常情況下，每套慣性測量裝置包含三組陀螺儀和加速度計，分別測量三個自由度的角加速度和線加速度，通過對加速度的積分和初始速度、位置的疊加運算，得到物體在空間位置中的運動方向和速度，結合慣性導航系統(tǒng)內的運動軌跡設定，對航向和速度進行修正以實現(xiàn)導航功能。

▲圖：慣性導航系統(tǒng)工作原理圖

IMU消費級應用爆發(fā)

根據(jù)應用場景和精度要求不同，可以將慣性導航所需陀螺儀器件分為戰(zhàn)略級、導航級、戰(zhàn)術級和商業(yè)級(消費級)：

1、戰(zhàn)略級應用場景集中于航天和航海領域;

2、導航級應用場景多為各類導彈武器;

3、戰(zhàn)術級應用場景包括地面兵裝武器和飛行器;

4、商業(yè)級應用場景為民用。

慣性技術發(fā)展之初主要用于國防軍工領域，高精度、高靈敏度是面向軍工慣性技術產品的主要特征。因此國外對高精度慣性技術和器件嚴密封鎖、對任何國家都是禁運的。

▲圖：慣性導航系統(tǒng)應用場景 (來源：中信建投證券)

隨著技術進步，中低精度的慣性器件發(fā)展迅猛，其成本逐步降低，體積逐步減小，慣性技術在民用領域也開始得到應用，并為越來越多的行業(yè)所了解。尤其微機電慣性器件(MEMS IMU)大規(guī)模生產的實現(xiàn)，使得在較低精度即可滿足應用需求的民用領域，慣性技術產品開始得到廣泛使用，目前應用領域與規(guī)模正呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。下面列舉分析幾個IMU的重要應用市場。

慣性導航——自動駕駛核心中的核心

自動駕駛的核心包括定位、感知、決策、執(zhí)行四個部分，其中定位是決策和執(zhí)行的前提。定位系統(tǒng)主要作用是確定車輛所處的絕對位置;感知層的主要作用是收集和解析出周圍環(huán)境的信息;決策層基于對當前位置和周圍環(huán)境的理解，做出實時的安全有效的執(zhí)行計劃;執(zhí)行層則是按照決策層的計劃進行。

定位系統(tǒng)主要是以高精地圖為依托，通過慣性傳感器(IMU)和全球定位系統(tǒng)(GNSS)，來精確定位車輛所處絕對位置。慣性導航是不可替代的關鍵定位技術，將成為自動駕駛定位信息融合的中心。IMU具有輸出信息不間斷、不受外界干擾等獨特優(yōu)勢，可保證在任何時刻以高頻次輸出車輛運動參數(shù)，為決策中心提供連續(xù)的車輛位置、姿態(tài)信息，這是任何傳感器都無法比擬的。

慣性導航系統(tǒng)在自動駕駛中的應用屬于起步階段，短期內競爭力主要體現(xiàn)在算法上。算法包括了MEMS慣性傳感器的標定等硬件信息的處理，速度、加速度、航向及姿態(tài)的確定，以及與其他傳感器信息、車身信息的融合等主要模塊。算法的優(yōu)劣決定傳感器是否能發(fā)揮其最佳性能，也決定了慣性導航系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

從長遠看，慣性導航系統(tǒng)的競爭力在慣性傳感器芯片。隨著自動駕駛技術級別的提升，對MEMS慣性傳感器芯片的性能要求將持續(xù)提高;同時隨著慣性導航系統(tǒng)算法的不斷成熟，通過算法優(yōu)化來提升系統(tǒng)性能的空間越來越小，而對慣性傳感器芯片硬件性能的依賴程度則會相應提高。MEMS慣性傳感器芯片的設計、制造、封測及標定將成為慣性導航系統(tǒng)中比較關鍵的環(huán)節(jié)。

▲圖：無人駕駛市場規(guī)模預測(來源：Yole)

無人機

通過利用慣性器件及捷聯(lián)慣性導航技術，可以為無人機提供精確的速度、位置和姿態(tài)等信息，從而實現(xiàn)其精確的導航定位和姿態(tài)控制。目前無人機在軍事領域的應用最為成熟，同時隨著人們對無人機認知程度的加深，其在遙感測繪、邊海防、森林防火、管道巡線、應急救災、警務執(zhí)法等民用領域呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢。

▲圖：2016-2019年中國民用無人機市場規(guī)模及增速(來源：前瞻產業(yè)研究院)

我國民用無人機市場將繼續(xù)保持高速增長。根據(jù)前瞻產業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2019年中國民用無人機銷售規(guī)模為134.8億元，同比增長53.2%，近三年增速始終維持在50%以上，預計到2025年，我國民用無人機市場規(guī)模將達到560億元，平均增速將在30%左右，各應用領域也將逐漸形成規(guī)?；氖袌?，發(fā)展前景良好;其中，航拍及娛樂仍是最大的應用領域，市場規(guī)模有望達300億元。未來無人機領域的慣性導航產品將充分受益于無人機市場的高速增長，成為民用市場重要增長點之一。

VR/AR

VR/AR帶給用戶的沉浸感和真實感，也源于IMU的精度提高。在IMU刷新率和顯示刷新率同步提高的今天，VR內容得以實時適配頭部和身體的敏捷移動和旋轉，讓用戶察覺不到延遲和卡頓，進而減少暈車感。

根據(jù)國際數(shù)據(jù)分析公司IDC的數(shù)據(jù)，2020年全球VR頭顯出貨量達670萬臺，較2019年增長72%，AR眼鏡出貨量40萬臺，增長33%。2021年預計國內VR產業(yè)在消費端迎來變量和拐點，AR產業(yè)也將看到新的突破。

▲圖：AR/VR產業(yè)發(fā)展預測

IMU市場格局

全球慣性技術開發(fā)分為四個層次，目前我國居第三層次，具備部分研發(fā)能力。根據(jù)美國國防部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國防部把從事慣性技術領域研究和開發(fā)的國家分為4個層次：屬于第一層次的有美國、英國和法國，完全具備自主研究和開發(fā)慣性技術能力;屬于第二層次的有俄羅斯、德國、以色列和日本，具備大部分自主研發(fā)能力;屬于第三層次的有中國、澳大利亞、加拿大、瑞典、烏克蘭，具備部分研發(fā)能力;屬于第四層次的有韓國、印度、巴西、朝鮮、瑞士、意大利等，具備較為有限的慣性技術研發(fā)能力。

美國的霍尼韋爾、諾格和法國的賽峰為全球慣性技術領域頂尖公司。目前，美國主要的慣性導航技術公司包括：霍尼韋爾、諾格公司、大西洋慣性系統(tǒng)、亞諾德半導體(ADI)和吉爾福特等;法國主要的慣性導航技術公司包括賽峰、iXblue、泰雷茲集團等。其他國家主要的慣性技術公司包括：英國BAE系統(tǒng)公司;德國博世公司;俄羅斯物理光學、陀螺儀光學、拉明斯克儀表廠和Optolink;日本航空電子工業(yè)、三菱精密;挪威Sensonor等。

在專利申請及發(fā)文數(shù)量方面，據(jù)Yole發(fā)布的陀螺儀專利報告，美國、日本、德國、歐專局、法國等國家/機構的激光陀螺儀領域研究發(fā)文數(shù)量占總數(shù)量的近75%。德國博世公司 MEMS陀螺儀專利申請最多，行業(yè)龍頭占據(jù)了陀螺儀大部分核心基礎專利。

美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)迄今制定了約十余項慣性技術基礎及儀表標準?；竞w了慣性技術核心產品和通用技術，成為美國事實國家標準。

目前，我國已具備研制生產高、中、低精度不同慣性儀表及系統(tǒng)的能力和條件，可生產的陀螺儀包括氣浮、液浮、撓性、靜電到激光、光纖、MEMS以及原子陀螺儀。但是，與國外目前主流應用陀螺儀——包括光學陀螺儀(激光、光纖)和MEMS陀螺儀相比，在精度、可靠性等指標仍有一定差距。

MEMS制造之困

IMU的核心器件陀螺儀與加速計的MEMS制造在工業(yè)應用領域都形成替代趨勢。

MEMS技術基于已經相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。它與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光工藝等，但是有些復雜的微結構難以用IC工藝實現(xiàn)，必須采用微加工技術制造。

微加工技術包括硅的體微加工技術、表面微加工技術和特殊微加工技術。體加工技術是指沿著硅襯底的厚度方向對硅襯底進行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實現(xiàn)三維結構的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜，然后去除犧牲層釋放結構層實現(xiàn)可動結構。

▲圖：MEMS制造共性工藝、特殊工藝及最終產品(來源：上海微技術工研院)

目前我國產線僅能制備以壓力傳感器、MEMS麥克風、加速度計等為主的低端產品，制造工藝水平與國際領先代工廠的差距明顯，諸如壓電材料(AlN、PZT等)等高端制造工藝線尚未建立，無法生產薄膜體聲波濾波器、壓電式噴墨打印頭和超聲波傳感器等產品。盡管中國MEMS代工廠也擁有體微加工技術、表面微加工技術和CMOSMEMS技術，但由于產品出貨量都比較小，因此在量產良率、可靠性和穩(wěn)定性等方面存在不足。

中國MEMS產業(yè)面臨的最大問題是：缺乏開放、專業(yè)的規(guī)?；疢EMS代工廠，無法解決眾多MEMS設計企業(yè)的制造工藝問題。雖然傳統(tǒng)的IC代工廠，如中芯國際、華潤上華、華虹宏力等開展了MEMS代工業(yè)務，但是主要以壓力傳感器、MEMS麥克風、加速度計等成熟的中低端產品為主，制造工藝水平與國際領先代工廠的差距明顯，例如國內還沒有成熟的壓電MEMS代工服務。同時，蘇州、淄博、上海等城市紛紛建設了公共加工平臺，如蘇州納米所納米加工平臺、蘇州納米城MEMS中試平臺、上海微技術工研院“超越摩爾”研發(fā)中試平臺、淄博高新區(qū)MEMS中試平臺等，為MEMS創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供服務支撐，不過量產經驗較為匱乏。

產業(yè)化建議

國內MEMS陀螺儀的研發(fā)均處于工程樣機階段，國外高端陀螺儀對國內禁運，在軍事國防、汽車電子等領域有著很好的產業(yè)化空間。國外高端器件仍處于禁運狀態(tài)，若能實現(xiàn)MEMS陀螺儀的批量化生產，經濟效益可觀，僅以汽車電子為例，我國每年高端車的銷售超過數(shù)百萬輛，高端車均配備微機械陀螺儀，僅此一項的經濟效益已足夠。

一、加大公共研發(fā)、加工平臺的建設

MEMS傳感器的生產具有規(guī)模效應，規(guī)模越大，成本越低，競爭力越強?；趪鴥萂EMS傳感器市場分散、整體研發(fā)實力不強的特點，建立公共加工、中試平臺是關鍵，應加大相關公共研發(fā)、加工平臺的建設。

二、加強微納制造技術工藝的應用與推廣

高端精密器件的研發(fā)和生產，依賴微納制造技術和工藝。目前新的微納制造技術如3D打印、激光直寫、電子束光刻、納米壓印技術都處于技術不斷完善及應用推廣階段，業(yè)界應密切關注這些技術的研發(fā)和應用。

三、投入專利聯(lián)盟、專利池建設

在慣性傳感器等MEMS傳感器領域，我國絕大多數(shù)企業(yè)屬于跟進者。為降低知識產權侵權風險，消除專利實施中的授權障礙，降低獲得專利許可的交易成本，建議業(yè)內成立專利聯(lián)盟，建設MEMS傳感器專利池。同時企業(yè)需要重視MEMS知識產權的戰(zhàn)略布局，強化國際交往與合作，擴大國際知識產權交流合作。

審核編輯：湯梓紅