93歲上將院士最新論文：三十年不斷發(fā)展的MEMS慣性傳感器

來源：《導(dǎo)航與控制》，謝謝

編輯：感知芯視界 萬仞

本文來自中國工程院院士、中國人民解放軍上將丁衡高最新署名撰寫論文的部分摘要，發(fā)表于2023年，丁衡高院士是我國僅有的兩位同時身兼兩大頭銜的“上將院士”。

本文是根據(jù)丁衡高院士多年來與慣性技術(shù)界有關(guān)同志多次討論整理而成，主要論述近30年來我國 MEMS 慣性傳感器技術(shù)取得的巨大進(jìn)步和未來發(fā)展。資料顯示丁衡高院士生于1931年，今年已93歲高齡，仍然心系我國慣性技術(shù)事業(yè)的發(fā)展。丁衡高院士既是中國工程院首批院士之一，也是我國著名的慣性技術(shù)和精密儀器專家。作為我國戰(zhàn)略導(dǎo)彈慣性技術(shù)奠基人之一，他還是我國慣性技術(shù)學(xué)科發(fā)展的主要推動者，也是中國MEMS等微米納米技術(shù)的主要倡導(dǎo)人。文章詳情見下文。

本文來自《導(dǎo)航與控制》，相關(guān)內(nèi)容或有刪減，全部內(nèi)容請訂閱期刊查看原文?！秾?dǎo)航與控制》創(chuàng)刊于2002年，是由中國航天科技集團(tuán)有限公司主管，北京航天控制儀器研究所主辦，是反映海、陸、空、天以及民用領(lǐng)域慣性技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r的學(xué)術(shù)刊物，是我國慣性技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威刊物。

丁衡高，慣性技術(shù)和精密儀器專家，1931年2月生于江蘇南京，中國人民解放軍上將，中國工程院院士。1952年畢業(yè)于東南大學(xué)機(jī)械系（現(xiàn)機(jī)械工程學(xué)院）。歷任國防科工委主任，中國工程院主席團(tuán)成員，中國宇航學(xué)會名譽(yù)理事長…等職位。丁衡高是我國戰(zhàn)略導(dǎo)彈慣性技術(shù)奠基人之一，我國慣性技術(shù)學(xué)科發(fā)展的主要推動者，國家微米納米技術(shù)倡導(dǎo)人。長期從事制導(dǎo)武器的陀螺儀、加速度計、慣性平臺系統(tǒng)等的研制工作。

原標(biāo)題：三十年不斷發(fā)展的 MEMS 慣性傳感器

作者：丁衡高

近三十年來，MEMS 慣性傳感器技術(shù)取得了巨大進(jìn)步， 在人類生活、 工業(yè)和高端裝備等方面得到了廣泛應(yīng)用。概述了MEMS 慣性傳感器在我國的發(fā)展歷程與主要路線， 并以車輛輔助駕駛為例， 總結(jié)了國內(nèi)外 MEMS 慣性傳感技術(shù)的快速發(fā)展與典型應(yīng)用情況， 研判了 MEMS慣性傳感器正在向高可靠、集成化、高融合與智能化等方向加速發(fā)展。

前言

1994年11月中旬， 首屆 “全國納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)會議” ，確定了專有學(xué)術(shù)名詞 “微米納米技術(shù)”。

“九五”期間，我國把研制高性能MEMS慣性傳感器作為發(fā)展軍用微米納米技術(shù)的戰(zhàn)略，緊緊圍繞微型慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)的需求開展技術(shù)攻關(guān)。

三十年彈指一揮間，MEMS 慣性傳感器已從實(shí)驗(yàn)室探索研究走向工程應(yīng)用，技術(shù)和產(chǎn)品都取得了巨大進(jìn)步， 在消費(fèi)電子、 車載導(dǎo)航、 物聯(lián)網(wǎng)、 工業(yè)裝備和高端裝備等方面得到了廣泛應(yīng)用。

01、發(fā)展現(xiàn)狀和成就

１. １ 高性能 ＭＥＭＳ 慣性傳感器產(chǎn)品已推廣應(yīng)用

當(dāng)前， 全球高性能 ＭＥＭＳ慣性傳感器產(chǎn)品的市場集中度較高， 市場份額主要被Honeywell、ADI、Northrop Grumman

以上。國產(chǎn)高性能 ＭＥＭＳ 陀螺產(chǎn)品的核心指標(biāo)可以與國際大公司 等巨頭占據(jù)，份額在 50％Honeywell 對標(biāo)， 已實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自主生產(chǎn)， 雖然市場滲透率有待進(jìn)一步提升， 但是解決了裝備應(yīng)用 “卡脖子” 的問題。

ＭＥＭＳ陀螺探索研究的主要方案有：質(zhì)量塊振動陀螺、音叉陀螺、 四質(zhì)量陀螺、環(huán)形陀螺等；ＭＥＭＳ 加速度計探索研究的主要方案有：蹺蹺板式加速度計、 三明治式加速度計、 梳齒式加速度計和諧振梁式加速度計等；采用 Top-Down 的方式， 以體硅工藝為主制造陀螺和加速度計敏感結(jié)構(gòu)。

通過技術(shù)引進(jìn)等手段， 建立了 6inch 硅基標(biāo)準(zhǔn)制造工藝平臺， 提高了加工水平， 保證了諸如深寬比、 垂直度、 底部鉆蝕等機(jī)械參數(shù)的尺寸精度， 進(jìn)而大幅度提升了設(shè)計人員的認(rèn)識水平。

2011年底， 國內(nèi)開發(fā)出基于陶瓷外殼的 MEMS+ASIC 兩片式系統(tǒng)級封裝（System in a Package,SiP）的陀螺和加速度計。2019年，高性能MEMS 陀螺和 MEMS 加速度計實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。至此，國內(nèi)掌握了 ＭＥＭＳ 慣性傳感器設(shè)計、制造、封裝和測試等主要技術(shù)環(huán)節(jié)， 具備了開發(fā)高性能 MEMS 慣性傳感器產(chǎn)品的能力 。

１. ２ 率先將 MEMS 慣性傳感器應(yīng)用于智能輔助駕駛

智能輔助駕駛和自動駕駛對定位系統(tǒng)的基本要求為高精度、 高可靠性、 高可用性， 同時需要滿足功能和安全的要求。僅依靠 GNSS 定位， 在復(fù)雜環(huán)境和極端天氣的情況下存在風(fēng)險，而慣性導(dǎo)航則成為有效的安全冗余。與激光陀螺和光纖陀螺相比， MEMS 慣性傳感器在體積、質(zhì)量、功耗、價格、壽命等方面具有無可替代的巨大優(yōu)勢。然而， MEMS 慣性傳感器的零偏穩(wěn)定性指標(biāo)與激光陀螺和光纖陀螺相比， 差距巨大， 大約是2~3個數(shù) 量級。

因此，幾乎沒有人認(rèn)為 ＭＥＭＳ 慣性傳感器可以應(yīng)用于無人駕駛系統(tǒng)中感知車輛的位置信息。很多企業(yè)采用光纖慣導(dǎo)和衛(wèi)星進(jìn)行組合， 在車上進(jìn)行試驗(yàn)， 取得了較好的結(jié)果。但是，高昂的價格、 較低的生產(chǎn)效率和較長的生產(chǎn)周期使得這個方案難以在車輛上大規(guī)模應(yīng)用。

在國內(nèi)造車新勢力特別是小鵬汽車智能輔助駕駛方案的強(qiáng)力牽引下， 國內(nèi)企業(yè)敢為天下先， 率先嘗試 MEMS 慣性傳感器 ＋ GNSS 組合上車試 驗(yàn)， 取得了令人滿意的結(jié)果。

在保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品安全性的前提下， 車載 P?Box 的量產(chǎn)交付能力建設(shè)是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；宪噾?yīng)用的核心關(guān)鍵。在此之前，國內(nèi)還沒有哪個單位進(jìn)行過類似的嘗試。

國內(nèi)企業(yè)將 MEMS 六軸慣性傳感器應(yīng)用于智能輔助駕駛， 在車載定位這個細(xì)分賽道蹚出了一條新路， 走在了國際前列。

１. ３ 消費(fèi)級 MEMS 慣性傳感器嶄露頭角

我國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，正消耗著全球四分之一的 MEMS傳感器， 需求和市場是巨大的。但是， 目前我國大部分 MEMS 傳感器仍然依賴于進(jìn)口。Bosch、ST、TDK等 IDM 大公司擁有雄厚的技術(shù)實(shí)力和資金實(shí)力， 自己設(shè)計傳感器， 自己生產(chǎn)傳感器晶圓， 他們的產(chǎn)品無論在價格還是性能等方面均具有巨大的優(yōu)勢。

消費(fèi)領(lǐng)域同樣存在供應(yīng)鏈安全的問題， 國產(chǎn)化替代的大背景下， 系統(tǒng)廠商對于 MEMS 陀螺和 MEMS 加速度計產(chǎn)品的需求量巨大， 國內(nèi)企業(yè)迎來 了新的發(fā)展機(jī)遇。

02、發(fā)展方向

２. １ L3 及以上級自動駕駛需要安全可靠、低成本、高精度的 MEMS 慣性傳感器

目前， 全球自動駕駛滲透率情況以 L1、L2 級為主， L3~L5 級滲透率較低。國內(nèi)乘用車市場自動駕駛技術(shù)以 L2 級為主， L3 級尚未落地。根據(jù) ICV 預(yù)測，2023年～2027年全球自動駕駛滲透率 L2 及以上級呈現(xiàn)增加的趨勢。其中， L2／L2＋級預(yù)計 2027年滲透率達(dá) 58％ ，L3 級預(yù)計2027 年滲透率達(dá) 25％ 。

從 L2 級到 L3 級， 自動駕駛的安全性非常突出， 譬如對自動駕駛車輛進(jìn)行測試， 15萬公里測試能夠發(fā)現(xiàn) 99.9％ 的問題， 但是剩余 0.1％ 的問題可能在 １５ 億公里都未能發(fā)現(xiàn)和解決。這個 0.1％ 乘以每年上路的幾億輛車和行駛公里數(shù)， 那就是天文數(shù)字。因此， 如何讓自動駕駛汽車比飛機(jī)更安全？具有功能安全的、具有99.9999％ 可靠性的傳感器必不可少。

價格在 30 萬元以上的乘用車市場占有率很有限， 因此乘用車高精度定位產(chǎn)品的裝車率在 1.8％ 左右。未來高精度定位產(chǎn)品一定會往 20 萬元乃至10 萬等級的車滲透， 那么巨大的成本壓力就會隨之而來。在不影響安全和質(zhì)量的前提下，MEMS 慣性傳感器降本是必然的，價格應(yīng)非常低，而且性 能和可靠性要求還非常高。

２. ２ 人形機(jī)器人打開了 MEMS 慣性傳感器的成長空間

MEMS 慣性傳感器可以獲取人形機(jī)器人的 MEMS IMU 可監(jiān)測人形機(jī)器人的實(shí)時狀態(tài)、 位置信息以及運(yùn)動軌跡， 維持人形機(jī)器人完成走、跑、蹲等動作的姿態(tài)平衡。單臺人形機(jī)器人采用 １ 顆或多顆MEMS IMU， 市場空間廣闊。MEMS IMU 與其他傳感器融合， 如立體聲攝像機(jī)、 關(guān)節(jié)編碼器、 力扭矩傳感器、 足部接觸傳感器等， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互補(bǔ)， 估計姿態(tài)足的質(zhì)心位置、 速度、 方向、 角速率和角動量， 共同進(jìn)行機(jī)器人狀態(tài)反饋并完成下一步動作， 應(yīng)用于機(jī)器人的下蹲起立、前后行走、上下樓梯、回避障礙等場景。

２. ３ MEMS慣性傳感器朝著集成、融合、智能方向邁進(jìn)

隨著集成化程度越來越高，產(chǎn)品的成本將更具競爭力，芯片集成或成產(chǎn)品終極形態(tài)。先進(jìn)的封裝技術(shù)特別是 3D 堆疊封裝技術(shù)， 可以將多個芯片組合封裝，可在有限的體積內(nèi)集成更多的傳感芯片，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更強(qiáng)大的功能。

MEMS 慣性傳感器的零偏精度和標(biāo)度誤差直接影響航跡推算的精度。因此，對慣性傳感器的誤差分析和補(bǔ)償是提高定位精度的主要方法。隨著 ASIC技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，傳感器的信號檢測與處理電路、閉環(huán)控制電路和計算單元將高度集成在一起，誤差補(bǔ)償算法、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定以及功能安全算法都將在傳感器芯片層運(yùn)行。

03、展望

隨著 MEMS 慣性傳感器性能指標(biāo)不斷提升，體積和功耗不斷減小，成本和價格不斷降低， 其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。在牢牢占據(jù)消費(fèi)電子市場的同時，將緊跟人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展步伐， 在智能汽車、人形機(jī)器人、無人機(jī)、無人系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)的高校、 研究所和創(chuàng)新企業(yè)必將獲得高速發(fā)展的機(jī)遇，國產(chǎn) MEMS 慣性傳感器不僅將占據(jù)國內(nèi)市場，還將在國際市場占有一席之地。

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審核編輯 黃宇