隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速演進(jìn)，5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，無人駕駛、無人機(jī)、VR／AR等終端應(yīng)用技術(shù)商業(yè)化規(guī)模快速增長(zhǎng)，而連接新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)與終端應(yīng)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(shè)計(jì)與制造依賴大規(guī)模微納制造技術(shù)，基于此，深圳市微納制造產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(huì)開展MEMS微納制造系列調(diào)研，通過對(duì)核心器件市場(chǎng)應(yīng)用的研究，分析其背后微納制造技術(shù)的應(yīng)用，從而促進(jìn)微納制造技術(shù)的應(yīng)用及推廣。

本期簡(jiǎn)報(bào)我們從慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器的應(yīng)用說起。

從JDAM制導(dǎo)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(zhēng)的可怕威力。以色列空軍戰(zhàn)機(jī)向加沙地帶一幢十四層高的大樓發(fā)射兩枚導(dǎo)彈，就將整幢大樓完全炸平了，是什么技術(shù)讓這導(dǎo)彈能如此精確制導(dǎo)？確切說這并不是導(dǎo)彈，而是美國(guó)研制的聯(lián)合直接攻擊彈藥（Joint Direct Attack Munition，字母簡(jiǎn)稱JDAM）。JDAM制導(dǎo)炸彈采用自主式的衛(wèi)星定位和慣性導(dǎo)航的復(fù)合式制導(dǎo)，其中制導(dǎo)控制部件（GCU）是JDAM制導(dǎo)炸彈的核心部件，包括GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量單元（IMU）、任務(wù)計(jì)算機(jī)和電源模塊。而IMU又是核心中的核心。

慣性測(cè)量單元（Inertial measurement unit，簡(jiǎn)稱IMU）是測(cè)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(jì)。通常情況下，每套慣性測(cè)量裝置包含三組陀螺儀和加速度計(jì)，分別測(cè)量三個(gè)自由度的角加速度和線加速度，通過對(duì)加速度的積分和初始速度、位置的疊加運(yùn)算，得到物體在空間位置中的運(yùn)動(dòng)方向和速度，結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)定，對(duì)航向和速度進(jìn)行修正以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。

▲圖：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖

IMU消費(fèi)級(jí)應(yīng)用爆發(fā)

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和精度要求不同，可以將慣性導(dǎo)航所需陀螺儀器件分為戰(zhàn)略級(jí)、導(dǎo)航級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和商業(yè)級(jí)（消費(fèi)級(jí)）：

1、戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景集中于航天和航海領(lǐng)域；

2、導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景多為各類導(dǎo)彈武器；

3、戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景包括地面兵裝武器和飛行器；

4、商業(yè)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景為民用。

慣性技術(shù)發(fā)展之初主要用于國(guó)防軍工領(lǐng)域，高精度、高靈敏度是面向軍工慣性技術(shù)產(chǎn)品的主要特征。因此國(guó)外對(duì)高精度慣性技術(shù)和器件嚴(yán)密封鎖、對(duì)任何國(guó)家都是禁運(yùn)的。

▲圖：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景 （來源：中信建投證券）

隨著技術(shù)進(jìn)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(shù)在民用領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用，并為越來越多的行業(yè)所了解。尤其微機(jī)電慣性器件（MEMS IMU）大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，使得在較低精度即可滿足應(yīng)用需求的民用領(lǐng)域，慣性技術(shù)產(chǎn)品開始得到廣泛使用，目前應(yīng)用領(lǐng)域與規(guī)模正呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。下面列舉分析幾個(gè)IMU的重要應(yīng)用市場(chǎng)。

慣性導(dǎo)航——自動(dòng)駕駛核心中的核心

自動(dòng)駕駛的核心包括定位、感知、決策、執(zhí)行四個(gè)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(duì)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(duì)當(dāng)前位置和周圍環(huán)境的理解，做出實(shí)時(shí)的安全有效的執(zhí)行計(jì)劃；執(zhí)行層則是按照決策層的計(jì)劃進(jìn)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(duì)位置。慣性導(dǎo)航是不可替代的關(guān)鍵定位技術(shù)，將成為自動(dòng)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，可保證在任何時(shí)刻以高頻次輸出車輛運(yùn)動(dòng)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(dǎo)航系統(tǒng)在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用屬于起步階段，短期內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)力主要體現(xiàn)在算法上。算法包括了MEMS慣性傳感器的標(biāo)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(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力在慣性傳感器芯片。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)級(jí)別的提升，對(duì)MEMS慣性傳感器芯片的性能要求將持續(xù)提高；同時(shí)隨著慣性導(dǎo)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(duì)慣性傳感器芯片硬件性能的依賴程度則會(huì)相應(yīng)提高。MEMS慣性傳感器芯片的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)及標(biāo)定將成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

▲圖：無人駕駛市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（來源：Yole）

無人機(jī)

通過利用慣性器件及捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以為無人機(jī)提供精確的速度、位置和姿態(tài)等信息，從而實(shí)現(xiàn)其精確的導(dǎo)航定位和姿態(tài)控制。目前無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用最為成熟，同時(shí)隨著人們對(duì)無人機(jī)認(rèn)知程度的加深，其在遙感測(cè)繪、邊海防、森林防火、管道巡線、應(yīng)急救災(zāi)、警務(wù)執(zhí)法等民用領(lǐng)域呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

▲圖：2016－2019年中國(guó)民用無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模及增速（來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）

我國(guó)民用無人機(jī)市場(chǎng)將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2019年中國(guó)民用無人機(jī)銷售規(guī)模為134．8億元，同比增長(zhǎng)53．2％，近三年增速始終維持在50％以上，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)民用無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到560億元，平均增速將在30％左右，各應(yīng)用領(lǐng)域也將逐漸形成規(guī)?；氖袌?chǎng)，發(fā)展前景良好；其中，航拍及娛樂仍是最大的應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)300億元。未來無人機(jī)領(lǐng)域的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品將充分受益于無人機(jī)市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)，成為民用市場(chǎng)重要增長(zhǎng)點(diǎn)之一。

VR／AR

VR／AR帶給用戶的沉浸感和真實(shí)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(nèi)容得以實(shí)時(shí)適配頭部和身體的敏捷移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，讓用戶察覺不到延遲和卡頓，進(jìn)而減少暈車感。

根據(jù)國(guó)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(dá)670萬(wàn)臺(tái)，較2019年增長(zhǎng)72％，AR眼鏡出貨量40萬(wàn)臺(tái)，增長(zhǎng)33％。2021年預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)VR產(chǎn)業(yè)在消費(fèi)端迎來變量和拐點(diǎn)，AR產(chǎn)業(yè)也將看到新的突破。

▲圖：AR／VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)

IMU市場(chǎng)格局

全球慣性技術(shù)開發(fā)分為四個(gè)層次，目前我國(guó)居第三層次，具備部分研發(fā)能力。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國(guó)防部把從事慣性技術(shù)領(lǐng)域研究和開發(fā)的國(guó)家分為4個(gè)層次：屬于第一層次的有美國(guó)、英國(guó)和法國(guó)，完全具備自主研究和開發(fā)慣性技術(shù)能力；屬于第二層次的有俄羅斯、德國(guó)、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(guó)、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(guó)、印度、巴西、朝鮮、瑞士、意大利等，具備較為有限的慣性技術(shù)研發(fā)能力。

▲圖：全球慣性技術(shù)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)分布（來源：中信建投證券）

美國(guó)的霍尼韋爾、諾格和法國(guó)的賽峰為全球慣性技術(shù)領(lǐng)域頂尖公司。目前，美國(guó)主要的慣性導(dǎo)航技術(shù)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(dǎo)體（ADI）和吉爾福特等；法國(guó)主要的慣性導(dǎo)航技術(shù)公司包括賽峰、iXblue、泰雷茲集團(tuán)等。其他國(guó)家主要的慣性技術(shù)公司包括：英國(guó)BAE系統(tǒng)公司；德國(guó)博世公司；俄羅斯物理光學(xué)、陀螺儀光學(xué)、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(qǐng)及發(fā)文數(shù)量方面，據(jù)Yole發(fā)布的陀螺儀專利報(bào)告，美國(guó)、日本、德國(guó)、歐專局、法國(guó)等國(guó)家／機(jī)構(gòu)的激光陀螺儀領(lǐng)域研究發(fā)文數(shù)量占總數(shù)量的近75％。德國(guó)博世公司 MEMS陀螺儀專利申請(qǐng)最多，行業(yè)龍頭占據(jù)了陀螺儀大部分核心基礎(chǔ)專利。

美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）迄今制定了約十余項(xiàng)慣性技術(shù)基礎(chǔ)及儀表標(biāo)準(zhǔn)?；竞w了慣性技術(shù)核心產(chǎn)品和通用技術(shù)，成為美國(guó)事實(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國(guó)已具備研制生產(chǎn)高、中、低精度不同慣性儀表及系統(tǒng)的能力和條件，可生產(chǎn)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(guó)外目前主流應(yīng)用陀螺儀——包括光學(xué)陀螺儀（激光、光纖）和MEMS陀螺儀相比，在精度、可靠性等指標(biāo)仍有一定差距。

MEMS制造之困

IMU的核心器件陀螺儀與加速計(jì)的MEMS制造在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都形成替代趨勢(shì)。

MEMS技術(shù)基于已經(jīng)相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)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(xué)機(jī)械拋光工藝等，但是有些復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)難以用IC工藝實(shí)現(xiàn)，必須采用微加工技術(shù)制造。

微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)可動(dòng)結(jié)構(gòu)。

▲圖：MEMS制造共性工藝、特殊工藝及最終產(chǎn)品（來源：上海微技術(shù)工研院）

目前我國(guó)產(chǎn)線僅能制備以壓力傳感器、MEMS麥克風(fēng)、加速度計(jì)等為主的低端產(chǎn)品，制造工藝水平與國(guó)際領(lǐng)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(chǎn)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(chǎn)品。盡管中國(guó)MEMS代工廠也擁有體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和CMOSMEMS技術(shù)，但由于產(chǎn)品出貨量都比較小，因此在量產(chǎn)良率、可靠性和穩(wěn)定性等方面存在不足。

中國(guó)MEMS產(chǎn)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(shè)計(jì)企業(yè)的制造工藝問題。雖然傳統(tǒng)的IC代工廠，如中芯國(guó)際、華潤(rùn)上華、華虹宏力等開展了MEMS代工業(yè)務(wù)，但是主要以壓力傳感器、MEMS麥克風(fēng)、加速度計(jì)等成熟的中低端產(chǎn)品為主，制造工藝水平與國(guó)際領(lǐng)先代工廠的差距明顯，例如國(guó)內(nèi)還沒有成熟的壓電MEMS代工服務(wù)。同時(shí)，蘇州、淄博、上海等城市紛紛建設(shè)了公共加工平臺(tái)，如蘇州納米所納米加工平臺(tái)、蘇州納米城MEMS中試平臺(tái)、上海微技術(shù)工研院“超越摩爾”研發(fā)中試平臺(tái)、淄博高新區(qū)MEMS中試平臺(tái)等，為MEMS創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供服務(wù)支撐，不過量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)較為匱乏。

產(chǎn)業(yè)化建議

國(guó)內(nèi)MEMS陀螺儀的研發(fā)均處于工程樣機(jī)階段，國(guó)外高端陀螺儀對(duì)國(guó)內(nèi)禁運(yùn)，在軍事國(guó)防、汽車電子等領(lǐng)域有著很好的產(chǎn)業(yè)化空間。國(guó)外高端器件仍處于禁運(yùn)狀態(tài)，若能實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀的批量化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益可觀，僅以汽車電子為例，我國(guó)每年高端車的銷售超過數(shù)百萬(wàn)輛，高端車均配備微機(jī)械陀螺儀，僅此一項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)效益已足夠。

一、加大公共研發(fā)、加工平臺(tái)的建設(shè)

MEMS傳感器的生產(chǎn)具有規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大，成本越低，競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)?；趪?guó)內(nèi)MEMS傳感器市場(chǎng)分散、整體研發(fā)實(shí)力不強(qiáng)的特點(diǎn)，建立公共加工、中試平臺(tái)是關(guān)鍵，應(yīng)加大相關(guān)公共研發(fā)、加工平臺(tái)的建設(shè)。

二、加強(qiáng)微納制造技術(shù)工藝的應(yīng)用與推廣

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

三、投入專利聯(lián)盟、專利池建設(shè)

在慣性傳感器等MEMS傳感器領(lǐng)域，我國(guó)絕大多數(shù)企業(yè)屬于跟進(jìn)者。為降低知識(shí)產(chǎn)權(quán)侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，消除專利實(shí)施中的授權(quán)障礙，降低獲得專利許可的交易成本，建議業(yè)內(nèi)成立專利聯(lián)盟，建設(shè)MEMS傳感器專利池。同時(shí)企業(yè)需要重視MEMS知識(shí)產(chǎn)權(quán)的戰(zhàn)略布局，強(qiáng)化國(guó)際交往與合作，擴(kuò)大國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)交流合作。

參考資料

［1］《慣性導(dǎo)航：以元器件為產(chǎn)業(yè)核心，軍民應(yīng)用市場(chǎng)廣闊》中信建投證券．20180828

［2］薛連莉，翟峻儀，葛悅濤．2020年國(guó)外慣性技術(shù)發(fā)展與回顧［J］．導(dǎo)航定位與授時(shí)，2021，8（03）：59－67．

［3］《MEMS制造工藝》麥姆斯咨詢．2021

?原文標(biāo)題:MEMS微納制造系列簡(jiǎn)報(bào)——慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器?