隨著(zhù)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)等基礎設施日趨完善，無(wú)人駕駛、無(wú)人機、VR/AR等終端應用技術(shù)商業(yè)化規?？焖僭鲩L(cháng)，而連接新一代信息技術(shù)的基礎技術(shù)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(lài)大規模微納制造技術(shù)，基于此，深圳市微納制造產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(huì )開(kāi)展MEMS微納制造系列調研，通過(guò)對核心器件市場(chǎng)應用的研究，分析其背后微納制造技術(shù)的應用，從而促進(jìn)微納制造技術(shù)的應用及推廣。
本期簡(jiǎn)報我們從慣性測量單元（IMU）傳感器的應用說(shuō)起。
從JDAM制導炸彈說(shuō)起
今年五月份爆發(fā)的巴以沖突，再一次向世人展示了現代戰爭的可怕威力。以色列空軍戰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(shù)讓這導彈能如此精確制導？確切說(shuō)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(jiǎn)稱(chēng)JDAM）。JDAM制導炸彈采用自主式的衛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(wù)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(jiǎn)稱(chēng)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(gè)自由度的角加速度和線(xiàn)加速度，通過(guò)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(dòng)方向和速度，結合慣性導航系統內的運動(dòng)軌跡設定，對航向和速度進(jìn)行修正以實(shí)現導航功能。
▲圖：慣性導航系統工作原理圖
IMU消費級應用爆發(fā)
根據應用場(chǎng)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略級、導航級、戰術(shù)級和商業(yè)級（消費級）：
1、戰略級應用場(chǎng)景集中于航天和航海領(lǐng)域；
2、導航級應用場(chǎng)景多為各類(lèi)導彈武器；
3、戰術(shù)級應用場(chǎng)景包括地面兵裝武器和飛行器；
4、商業(yè)級應用場(chǎng)景為民用。
慣性技術(shù)發(fā)展之初主要用于國防軍工領(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。因此國外對高精度慣性技術(shù)和器件嚴密封鎖、對任何國家都是禁運的。
▲圖：慣性導航系統應用場(chǎng)景 （來(lái)源：中信建投證券）
隨著(zhù)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(kāi)始得到應用，并為越來(lái)越多的行業(yè)所了解。尤其微機電慣性器件（MEMS IMU）大規模生產(chǎn)的實(shí)現，使得在較低精度即可滿(mǎn)足應用需求的民用領(lǐng)域，慣性技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)始得到廣泛使用，目前應用領(lǐng)域與規模正呈現快速增長(cháng)的態(tài)勢。下面列舉分析幾個(gè)IMU的重要應用市場(chǎng)。
慣性導航——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、執行四個(gè)部分，其中定位是決策和執行的前提。定位系統主要作用是確定車(chē)輛所處的絕對位置；感知層的主要作用是收集和解析出周?chē)h(huán)境的信息；決策層基于對當前位置和周?chē)h(huán)境的理解，做出實(shí)時(shí)的安全有效的執行計劃；執行層則是按照決策層的計劃進(jìn)行。
定位系統主要是以高精地圖為依托，通過(guò)慣性傳感器（IMU）和全球定位系統（GNSS），來(lái)精確定位車(chē)輛所處絕對位置。慣性導航是不可替代的關(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、不受外界干擾等獨特優(yōu)勢，可保證在任何時(shí)刻以高頻次輸出車(chē)輛運動(dòng)參數，為決策中心提供連續的車(chē)輛位置、姿態(tài)信息，這是任何傳感器都無(wú)法比擬的。
慣性導航系統在自動(dòng)駕駛中的應用屬于起步階段，短期內競爭力主要體現在算法上。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(chē)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的穩定性和可靠性。
從長(cháng)遠看，慣性導航系統的競爭力在慣性傳感器芯片。隨著(zhù)自動(dòng)駕駛技術(shù)級別的提升，對MEMS慣性傳感器芯片的性能要求將持續提高；同時(shí)隨著(zhù)慣性導航系統算法的不斷成熟，通過(guò)算法優(yōu)化來(lái)提升系統性能的空間越來(lái)越小，而對慣性傳感器芯片硬件性能的依賴(lài)程度則會(huì )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中比較關(guān)鍵的環(huán)節。
▲圖：無(wú)人駕駛市場(chǎng)規模預測（來(lái)源：Yole）
無(wú)人機
通過(guò)利用慣性器件及捷聯(lián)慣性導航技術(shù)，可以為無(wú)人機提供精確的速度、位置和姿態(tài)等信息，從而實(shí)現其精確的導航定位和姿態(tài)控制。目前無(wú)人機在軍事領(lǐng)域的應用最為成熟，同時(shí)隨著(zhù)人們對無(wú)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(xiàn)、應急救災、警務(wù)執法等民用領(lǐng)域呈現出迅猛的發(fā)展態(tài)勢。
▲圖：2016-2019年中國民用無(wú)人機市場(chǎng)規模及增速（來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）
我國民用無(wú)人機市場(chǎng)將繼續保持高速增長(cháng)。根據前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數據，2019年中國民用無(wú)人機銷(xiāo)售規模為134.8億元，同比增長(cháng)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(wú)人機市場(chǎng)規模將達到560億元，平均增速將在30%左右，各應用領(lǐng)域也將逐漸形成規?；氖袌?chǎng)，發(fā)展前景良好；其中，航拍及娛樂(lè )仍是最大的應用領(lǐng)域，市場(chǎng)規模有望達300億元。未來(lái)無(wú)人機領(lǐng)域的慣性導航產(chǎn)品將充分受益于無(wú)人機市場(chǎng)的高速增長(cháng)，成為民用市場(chǎng)重要增長(cháng)點(diǎn)之一。
VR/AR
VR/AR帶給用戶(hù)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內容得以實(shí)時(shí)適配頭部和身體的敏捷移動(dòng)和旋轉，讓用戶(hù)察覺(jué)不到延遲和卡頓，進(jìn)而減少暈車(chē)感。
根據國際數據分析公司IDC的數據，2020年全球VR頭顯出貨量達670萬(wàn)臺，較2019年增長(cháng)72%，AR眼鏡出貨量40萬(wàn)臺，增長(cháng)33%。2021年預計國內VR產(chǎn)業(yè)在消費端迎來(lái)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)展預測
IMU市場(chǎng)格局
全球慣性技術(shù)開(kāi)發(fā)分為四個(gè)層次，目前我國居第三層次，具備部分研發(fā)能力。根據美國國防部的統計數據，美國防部把從事慣性技術(shù)領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的國家分為4個(gè)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(kāi)發(fā)慣性技術(shù)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(shù)研發(fā)能力。
▲圖：全球慣性技術(shù)企業(yè)和科研機構分布（來(lái)源：中信建投證券）
美國的霍尼韋爾、諾格和法國的賽峰為全球慣性技術(shù)領(lǐng)域頂尖公司。目前，美國主要的慣性導航技術(shù)公司包括：霍尼韋爾、諾格公司、大西洋慣性系統、亞諾德半導體(ADI)和吉爾福特等；法國主要的慣性導航技術(shù)公司包括賽峰、iXblue、泰雷茲集團等。其他國家主要的慣性技術(shù)公司包括：英國B(niǎo)AE系統公司；德國博世公司；俄羅斯物理光學(xué)、陀螺儀光學(xué)、拉明斯克儀表廠(chǎng)和Optolink；日本航空電子工業(yè)、三菱精密；挪威Sensonor等。
在專(zhuān)利申請及發(fā)文數量方面，據Yole發(fā)布的陀螺儀專(zhuān)利報告，美國、日本、德國、歐專(zhuān)局、法國等國家/機構的激光陀螺儀領(lǐng)域研究發(fā)文數量占總數量的近75%。德國博世公司 MEMS陀螺儀專(zhuān)利申請最多，行業(yè)龍頭占據了陀螺儀大部分核心基礎專(zhuān)利。
美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）迄今制定了約十余項慣性技術(shù)基礎及儀表標準?；竞w了慣性技術(shù)核心產(chǎn)品和通用技術(shù)，成為美國事實(shí)國家標準。
目前，我國已具備研制生產(chǎn)高、中、低精度不同慣性?xún)x表及系統的能力和條件，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，與國外目前主流應用陀螺儀——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(lǐng)域都形成替代趨勢。
MEMS技術(shù)基于已經(jīng)相當成熟的微電子技術(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)機械拋光工藝等，但是有些復雜的微結構難以用IC工藝實(shí)現，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(zhù)硅襯底的厚度方向對硅襯底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現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(guò)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(shí)現可動(dòng)結構。
▲圖：MEMS制造共性工藝、特殊工藝及最終產(chǎn)品（來(lái)源：上海微技術(shù)工研院）
目前我國產(chǎn)線(xiàn)僅能制備以壓力傳感器、MEMS麥克風(fēng)、加速度計等為主的低端產(chǎn)品，制造工藝水平與國際領(lǐng)先代工廠(chǎng)的差距明顯，諸如壓電材料(AlN、PZT等)等高端制造工藝線(xiàn)尚未建立，無(wú)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MEMS代工廠(chǎng)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、可靠性和穩定性等方面存在不足。
中國MEMS產(chǎn)業(yè)面臨的最大問(wèn)題是：缺乏開(kāi)放、專(zhuān)業(yè)的規?；疢EMS代工廠(chǎng)，無(wú)法解決眾多MEMS設計企業(yè)的制造工藝問(wèn)題。雖然傳統的IC代工廠(chǎng)，如中芯國際、華潤上華、華虹宏力等開(kāi)展了MEMS代工業(yè)務(wù)，但是主要以壓力傳感器、MEMS麥克風(fēng)、加速度計等成熟的中低端產(chǎn)品為主，制造工藝水平與國際領(lǐng)先代工廠(chǎng)的差距明顯，例如國內還沒(méi)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(shù)工研院超越摩爾研發(fā)中試平臺、淄博高新區MEMS中試平臺等，為MEMS創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)提供服務(wù)支撐，不過(guò)量產(chǎn)經(jīng)驗較為匱乏。
產(chǎn)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(chē)電子等領(lǐng)域有著(zhù)很好的產(chǎn)業(yè)化空間。國外高端器件仍處于禁運狀態(tài)，若能實(shí)現MEMS陀螺儀的批量化生產(chǎn)，經(jīng)濟效益可觀(guān)，僅以汽車(chē)電子為例，我國每年高端車(chē)的銷(xiāo)售超過(guò)數百萬(wàn)輛，高端車(chē)均配備微機械陀螺儀，僅此一項的經(jīng)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(chǎn)具有規模效應，規模越大，成本越低，競爭力越強?；趪鴥萂EMS傳感器市場(chǎng)分散、整體研發(fā)實(shí)力不強的特點(diǎn)，建立公共加工、中試平臺是關(guān)鍵，應加大相關(guān)公共研發(fā)、加工平臺的建設。
二、加強微納制造技術(shù)工藝的應用與推廣
高端精密器件的研發(fā)和生產(chǎn)，依賴(lài)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(xiě)、電子束光刻、納米壓印技術(shù)都處于技術(shù)不斷完善及應用推廣階段，業(yè)界應密切關(guān)注這些技術(shù)的研發(fā)和應用。
三、投入專(zhuān)利聯(lián)盟、專(zhuān)利池建設
在慣性傳感器等MEMS傳感器領(lǐng)域，我國絕大多數企業(yè)屬于跟進(jìn)者。為降低知識產(chǎn)權侵權風(fēng)險，消除專(zhuān)利實(shí)施中的授權障礙，降低獲得專(zhuān)利許可的交易成本，建議業(yè)內成立專(zhuān)利聯(lián)盟，建設MEMS傳感器專(zhuān)利池。同時(shí)企業(yè)需要重視MEMS知識產(chǎn)權的戰略布局，強化國際交往與合作，擴大國際知識產(chǎn)權交流合作。
