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，更好的實現(xiàn)動作檢測和姿勢識別？如何在自動駕駛中，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。

慣性傳感器是針對物理運動做出反應(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，通過電子電路進(jìn)行放大和處理。其中，加速度計和陀螺儀是最常見的MEMS慣性傳感器，加速度計是敏感軸向加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器；陀螺儀則是能夠測量敏感運動體相對于慣性空間的運動角速度的傳感器。此外，MEMS慣性組合測量單元由于可以實現(xiàn)組合導(dǎo)航、減少誤差，也廣泛應(yīng)用于需要運動控制的設(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

簡言之，MEMS慣性傳感器的研究成果對于物體的制導(dǎo)、導(dǎo)航，各類型交通工具的自動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

加速度計是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加速度計的設(shè)計和加工技術(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，這兩種加速度計主要用于對精度要求相對較低的民用領(lǐng)域或軍事領(lǐng)域中的高g值測量。而諧振式微加速度計理論上可以達(dá)到導(dǎo)航級的精度，但目前技術(shù)狀態(tài)還達(dá)不到實用化的要求。

此外，電容式硅微加速度計由于精度較高、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。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計的精度也在不斷提升。目前，硅微加速度計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實驗室對加速度計的預(yù)測，微機(jī)電MEMS加速度計將取代石英撓性和液浮加速度計；高精度機(jī)電加速度計仍保持原有應(yīng)用領(lǐng)域，部分領(lǐng)域會被微機(jī)電MEMS加速度計取代。

圖：2020年加速度計技術(shù)應(yīng)用預(yù)測

MEMS陀螺儀

自20世紀(jì)80年代以來，對角速率敏感的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?？煞譃樗俾始?、戰(zhàn)術(shù)級和慣性級。其中，速率級陀螺儀可用于消費類電子產(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實驗室對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，即消費級應(yīng)用?；竟δ苁菧y量物體的直線加速度、傾斜角度、轉(zhuǎn)動速度、振動頻率和力度等，這些基本的物理信號通過應(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

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，消費類市場仍是慣性MEMS器件最大的細(xì)分市場，但是價格壓力巨大，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)用市場將會逐步打開，并有望超越消費電子行業(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)水平的提高會刺激需求的增長，需求的推動也同樣會加速技術(shù)的進(jìn)步。導(dǎo)航、自動駕駛和個人穿戴設(shè)備等對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)械諧振式加速度計等），產(chǎn)品耐高溫、耐高壓、耐沖擊等應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的水平也將會越來越高。