高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀和MEMS加速度計，均包含一顆微機(jī)械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術(shù)實現(xiàn)物體運動姿態(tài)和運動軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件，其性能高低直接決定慣性系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，成為現(xiàn)代慣性傳感器的重要發(fā)展方向。

產(chǎn)品主要應(yīng)用于慣性系統(tǒng)，慣性系統(tǒng)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航、定位和測量系統(tǒng)，在國家工業(yè)建設(shè)等諸多領(lǐng)域均能發(fā)揮重要作用。

其中，陀螺儀用于感知物體運動的角速率，加速度計用于感知物體運動的線加速度，二者輔以時間維度進(jìn)行運算后可得出物體相對于初始位置的偏離，進(jìn)而獲得物體的運動狀態(tài)，包括當(dāng)前位置、方向和速度。

1、MEMS陀螺儀

陀螺儀是測量角速率的一種器件，是慣性系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于導(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等應(yīng)用領(lǐng)域。MEMS陀螺儀的核心是一顆微機(jī)械（MEMS）芯片，一顆專用控制電路（ASIC）芯片及應(yīng)力隔離封裝。其工作原理為：采用半導(dǎo)體加工技術(shù)在硅晶圓上制造出的MEMS芯片，在ASIC芯片的驅(qū)動控制下感應(yīng)外部待測信號并將其轉(zhuǎn)化為電容、電阻、電荷等信號變化，ASIC芯片再將上述信號變化轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號，最終通過封裝將芯片保護(hù)起來并將信號輸出，從而實現(xiàn)外部信息獲取與交互的功能。

采用半導(dǎo)體MEMS加工工藝制造的MEMS陀螺儀以科里奧利（Coriolis）效應(yīng)為基本工作原理。可動質(zhì)量塊在驅(qū)動電路控制下高速震蕩，當(dāng)物體轉(zhuǎn)動時，質(zhì)量塊發(fā)生垂直于震蕩方向的橫向位移，橫向位移的大小與輸入角速率的大小成正比，通過測量橫向位移實現(xiàn)對角速率的測量，從而實現(xiàn)MEMS陀螺儀的主要功能。為了使MEMS陀螺儀正常工作，需要驅(qū)動MEMS結(jié)構(gòu)中的可動質(zhì)量塊做高速震蕩，驅(qū)動方式主要有靜電式、壓電式和電磁式。振幅檢測方式分為電容檢測、壓電檢測、壓阻式檢測、光學(xué)檢測等。

MEMS陀螺儀可以采用靜電驅(qū)動、電容檢測的開環(huán)閉環(huán)兼容的工作模式。采用多質(zhì)量塊差分解耦結(jié)構(gòu)，能具有優(yōu)良的正交誤差抑制能力、抗振動特性以及溫度特性，有利于保持陀螺儀運行中的穩(wěn)定性和測量精準(zhǔn)性；ASIC芯片可以實現(xiàn)微小電容檢測，使陀螺儀具有較高的靈敏度。同時，兼容開環(huán)和閉環(huán)檢測的ASIC芯片可以根據(jù)應(yīng)用要求配置成合適的模式，應(yīng)用適應(yīng)性強(qiáng)。此外，ASIC芯片可以集成電源管理、溫度傳感、模態(tài)匹配、正交誤差補(bǔ)償、溫度校準(zhǔn)及自診斷等電路，一方面可以實現(xiàn)傳感器內(nèi)部自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償，使系統(tǒng)應(yīng)用更簡單、精度更高、重復(fù)性更好，另一方面可以對陀螺儀的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，提高輸出數(shù)據(jù)的可靠性。

傳統(tǒng)的慣性器件主要應(yīng)用于系統(tǒng)復(fù)雜、高價值平臺（如衛(wèi)星、車輛、高鐵、艦船、石油開采設(shè)備），但由于其體積大、價格高、抗機(jī)械沖擊能力弱，不具備大規(guī)模量產(chǎn)能力，同時也制約上述應(yīng)用平臺向小型化、低成本化、智能化發(fā)展。

MEMS陀螺儀借助半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，可以具有智能化程度更高和成本更低的優(yōu)勢。基于SOI體硅工藝采用獨特的多質(zhì)量塊全對稱解耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計及自校準(zhǔn)自補(bǔ)償電極，在保持高性能的前提下易生產(chǎn)，對溫度不敏感，同時能夠起到對沖擊和振動的抑制作用。MEMS陀螺儀的數(shù)模混合ASIC具備自校準(zhǔn)、自診斷、自標(biāo)定、自適應(yīng)等智能算法，使本產(chǎn)品相比傳統(tǒng)慣性器件易使用、低成本、更智能。

2、MEMS加速度計

加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器件。加速度計的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量計算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過對時間積分得到線速度，再次積分即可計算出直線位移。加速度計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等領(lǐng)域。

MEMS加速度計的核心是一顆MEMS芯片、一顆ASIC芯片及應(yīng)力隔離封裝。其產(chǎn)品構(gòu)造與前述陀螺儀基本相同。MEMS加速度計利用敏感結(jié)構(gòu)將線加速度的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值的變化，得到物體運動的加速度值。產(chǎn)品主要包含加速度計敏感結(jié)構(gòu)和ASIC芯片，ASIC芯片由電容/電壓變換電路和數(shù)字部分組成。

MEMS加速度計可以通過分散式多單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使MEMS敏感結(jié)構(gòu)具有高靈敏度、低漂移、低溫度系數(shù)、良好的重復(fù)性等特性。MEMS加速度計采用基于SOI體硅工藝制造，配以高性能ASIC電路，可以實現(xiàn)μg級加速度測量精度。

MEMS行業(yè)概況

①MEMS技術(shù)概述

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和微加工技術(shù)，把微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)、信號處理與控制電路、電源以及通信接口等集成在一片或者多片芯片上的微型器件或系統(tǒng)。MEMS器件種類眾多，主要分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。MEMS傳感器可以感知和測量物體的特定狀態(tài)和變化，并按一定規(guī)律將被測量的狀態(tài)和變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛘咂渌捎眯盘枺琈EMS執(zhí)行器則將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿C(jī)械運動或機(jī)械操作。經(jīng)過40多年的發(fā)展，MEMS從實驗室走向?qū)嵱没褟V泛應(yīng)用于消費電子、汽車、工業(yè)與通信、醫(yī)療健康、高可靠等各個領(lǐng)域。基于MEMS技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)備大大增強(qiáng)了人們與物理世界交互的能力，極大地改變了人們的生活方式。

②MEMS行業(yè)發(fā)展歷程

MEMS技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)具有革命性的高新技術(shù)之一，其誕生和發(fā)展是需求牽引和技術(shù)推動的綜合結(jié)果，亦是微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)的巧妙結(jié)合。MEMS起源可追溯至20世紀(jì)50年代。硅的壓阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，學(xué)者們開始了對硅傳感器的研究。20世紀(jì)70年代末至90年代，安全氣囊、制動壓力、輪胎壓力檢測系統(tǒng)等汽車行業(yè)應(yīng)用需求增長推動了MEMS行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮，壓力傳感器和加速度計取得快速發(fā)展。1979年Roylance和Angell研制出壓阻式微加速度計，1983年Honeywell用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片研制出壓力傳感器。

20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，信息技術(shù)的興起和微光學(xué)器件的需求推動了MEMS行業(yè)發(fā)展的第二次浪潮，MEMS慣性傳感器與MEMS執(zhí)行器取得共同發(fā)展。MEMS慣性傳感器方面，1991年，電容式微加速度計開始被研制，1998年美國Draper實驗室研制出了較早的MEMS陀螺儀。MEMS執(zhí)行器方面，1994年德州儀器以光學(xué)MEMS微鏡為基礎(chǔ)推岀投影儀，21世紀(jì)初MEMS噴墨打印頭出現(xiàn)。2010年至今，產(chǎn)品應(yīng)用場景的日益豐富推動了MEMS行業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，如高性能的MEMS陀螺儀在工業(yè)儀器、航空、機(jī)器人等多方面得到應(yīng)用。MEMS商業(yè)化將MEMS技術(shù)從最早的汽車應(yīng)用領(lǐng)域向航空、工業(yè)和消費電子等領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。

③MEMS行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈

MEMS產(chǎn)業(yè)鏈一般可分為四個環(huán)節(jié)：芯片設(shè)計、晶圓制造、封裝測試以及系統(tǒng)應(yīng)用。MEMS行業(yè)主要有Fabless和IDM兩種經(jīng)營模式。采用Fabless模式的MEMS企業(yè)主要負(fù)責(zé)MEMS產(chǎn)品的設(shè)計與銷售，將生產(chǎn)、封裝、測試等環(huán)節(jié)外包。采用IDM模式的國際企業(yè)，如博世、意法半導(dǎo)體、亞德諾半導(dǎo)體、霍尼韋爾等，經(jīng)營范圍覆蓋了芯片設(shè)計、晶圓制造和封裝測試等各環(huán)節(jié)。

MEMS產(chǎn)品類型與市場結(jié)構(gòu)

MEMS產(chǎn)品主要分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器，常見的MEMS器件如下表所示：

①MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器的比較

MEMS傳感器是用來檢測物理、化學(xué)或生物現(xiàn)象的器件；而MEMS執(zhí)行器是用來產(chǎn)生機(jī)械運動、力和轉(zhuǎn)矩的器件，兩者用途存在較大差異，因而技術(shù)路線和難點不同。由于客戶應(yīng)用MEMS產(chǎn)品的環(huán)境具有多樣性，需要檢測的外界信號種類較多，從而導(dǎo)致MEMS傳感器種類眾多，需求差異大，不同類型的MEMS傳感器的工藝差異大，需開發(fā)合適的工藝方案；另外MEMS傳感器往往需要匹配復(fù)雜的ASIC芯片，所以MEMS傳感器的開發(fā)往往需要從系統(tǒng)的角度考慮。而MEMS執(zhí)行器通常只是完成單一的動作，結(jié)構(gòu)較為簡單，但對于材料制備，以及加工工藝的一致性要求較高，如MEMS射頻濾波器等；另外，MEMS執(zhí)行器無需或只需要簡單的驅(qū)動電路即可，系統(tǒng)相對簡單。

②不同類型MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測量的外部信號不同，不同類型的MEMS傳感器技術(shù)差異較大。MEMS慣性傳感器主要檢測物體的運動，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測載體的運動，因此MEMS多為密閉式封裝。而壓力/光學(xué)/聲學(xué)傳感器需要通過直接接觸被測量，所以多為開放式封裝，同時需要結(jié)合使用環(huán)境設(shè)計有利于檢測信號的傳感器敏感單元表面結(jié)構(gòu)。MEMS慣性傳感器相對于壓力傳感器、聲學(xué)傳感器等其他類型的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域較廣，在高可靠領(lǐng)域及其他工業(yè)、消費領(lǐng)域均具備豐富的應(yīng)用場景，不同應(yīng)用場景對于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對于在工業(yè)及消費領(lǐng)域應(yīng)用較廣的聲學(xué)傳感器、環(huán)境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應(yīng)用于高可靠領(lǐng)域，復(fù)雜環(huán)境下對于產(chǎn)品性能要求高，因此對產(chǎn)品可靠性提出了更嚴(yán)格的需求，存在較高的技術(shù)門檻。MEMS壓力傳感器主要是壓阻式和電容式，使用廣泛，成本低；部分高端壓力傳感器采用諧振式原理，精度高，售價高，多用于儀表校驗等對精度要求高的領(lǐng)域。MEMS聲學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器主要應(yīng)用于消費類電子，例如智能手機(jī)中的MEMS麥克風(fēng)和接近傳感器，產(chǎn)品具有體積小、成本低、功耗低的特點，對產(chǎn)品絕對性能要求相對不高，行業(yè)內(nèi)廠商競爭相對激烈。

③MEMS傳感器的工作原理

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械技術(shù)工藝制造出來的微型傳感器，種類繁多，是使用最廣泛的MEMS產(chǎn)品。MEMS傳感器通過微傳感元件和傳輸單元，可將輸入的信號轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)出另一種可監(jiān)測信號。與傳統(tǒng)工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化等特點。MEMS慣性傳感器屬于MEMS傳感器的重要分支，主要包括陀螺儀、加速度計等，并可通過組合形成慣性組合傳感器IMU。

MEMS陀螺儀的發(fā)展情況

①陀螺儀的發(fā)展歷史

最早的陀螺儀基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子來測量計算運動載體的旋轉(zhuǎn)角速率。經(jīng)歷一百多年的漫長發(fā)展，人們又研制出了多種基于不同測量原理具有不同測量精度的陀螺儀。按不同測量原理和發(fā)明先后，慣性技術(shù)發(fā)展通常分為四代，MEMS陀螺儀是第三代陀螺儀的代表。

第一代，基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理。典型代表為靜電陀螺以及動力調(diào)諧陀螺，其特點是種類多、精度高、體積質(zhì)量大、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能受機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和極限精度制約、產(chǎn)品制造維護(hù)成本昂貴。

第二代，基于薩格奈克效應(yīng)。典型代表是激光陀螺和光纖陀螺，其特點是反應(yīng)時間短、動態(tài)范圍大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維護(hù)、壽命長。光學(xué)陀螺技術(shù)較為成熟，精度高，隨著產(chǎn)品迭代，光學(xué)陀螺及其系統(tǒng)應(yīng)用從戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用逐步拓展到導(dǎo)航級應(yīng)用，在陸、海、空、天等多個領(lǐng)域中得到批量應(yīng)用，但由于其成本高、體積大，應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制。

第三代，基于哥氏振動效應(yīng)和微納加工技術(shù)。典型代表是半球諧振陀螺和MEMS陀螺。半球諧振陀螺是哥式振動陀螺儀中的一種高精度陀螺儀，正逐步在空間、航空、航海等領(lǐng)域開展應(yīng)用，但受限于結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)，市場上可規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)較少。MEMS陀螺儀具有體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、價格低、易于大批量生產(chǎn)等特點，率先在汽車和消費電子領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。隨著性能的進(jìn)一步提高，MEMS陀螺儀應(yīng)用也被拓展到了工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，使得慣性系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展。

第四代，基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)。典型代表為核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目標(biāo)是實現(xiàn)高精度、高可靠、小型化和更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)，目前仍處于早期研究階段。MEMS陀螺儀具有小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，解決了第一、二代陀螺儀體積質(zhì)量大、成本高的不足，并隨著精度和穩(wěn)定性的持續(xù)提升，在陀螺儀市場中占據(jù)了重要的位置。

②不同類型陀螺儀的應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢

目前，市場上大量使用的陀螺儀主要包括激光陀螺儀、光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀，上述陀螺儀技術(shù)發(fā)展處于相對成熟的狀態(tài)，應(yīng)用領(lǐng)域相對廣泛。激光陀螺儀和光纖陀螺儀分別屬于第一代光學(xué)陀螺儀和第二代光學(xué)陀螺儀，其中激光陀螺儀利用光程差的原理來測量角速度，兩束光波沿著同一個圓周路徑反向而行，當(dāng)光源與圓周均發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，兩束光的行進(jìn)路程不同，產(chǎn)生了相位差，通過測量該相位差可以測出激光陀螺的角速度。光纖陀螺儀使用與激光陀螺儀相同的基本原理，但由于光纖可以進(jìn)行繞制，因此光纖陀螺儀中激光回路的長度比激光陀螺儀增加，使得檢測靈敏度和分辨率也提高，從而有效地克服了激光陀螺儀的閉鎖問題。隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）等學(xué)科的興起，基于哥氏振動效應(yīng)和微納加工技術(shù)的MEMS陀螺儀開始出現(xiàn)，MEMS陀螺儀具備小型化、高集成、低成本的特點，因此，雖然其精度較激光陀螺儀與光纖陀螺儀低，但仍具有廣闊的應(yīng)用場景。

由于不同技術(shù)路線的陀螺儀可實現(xiàn)類似的功能，因此MEMS陀螺儀和兩光陀螺在部分無人系統(tǒng)、高端工業(yè)、高可靠等應(yīng)用領(lǐng)域有所重合。隨著高性能MEMS陀螺儀的精度不斷提升，并依托成本的優(yōu)勢，可逐步應(yīng)用于中低精度兩光陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域。同時，由于高性能MEMS陀螺儀具有小體積、高集成、抗高過載的優(yōu)勢，可以解決光纖陀螺和激光陀螺由于體積較大、抗沖擊能力弱的問題，滿足高可靠、無人系統(tǒng)等領(lǐng)域智能化升級的要求，進(jìn)一步拓展高性能MEMS陀螺儀的增量市場。

MEMS加速度計

MEMS加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器件，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。加速度計的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量計算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過加速度對時間積分得到線速度，再次通過線速度對時間積分可計算出直線位移。按工作原理劃分，MEMS加速度計可以分為以下類型：電容式、壓電式、熱感式、諧振式等。其中，電容式MEMS加速度計是目前應(yīng)用最多的類型。電容式MEMS加速度計具有檢測精度高、受溫度影響小、功耗低、寬動態(tài)范圍、以及可以測量靜態(tài)加速度等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車、工業(yè)、高可靠等各個領(lǐng)域。公司MEMS加速度計即為電容式。

MEMS慣性系統(tǒng)

從技術(shù)層次來看，慣性技術(shù)領(lǐng)域可以分為慣性器件與慣性系統(tǒng)兩個層級，慣性器件主要包括測量角速率的陀螺儀和測量線加速度的加速度計；慣性系統(tǒng)是以慣性器件為核心，利用集成技術(shù)實現(xiàn)的慣性測量、慣性導(dǎo)航以及慣性穩(wěn)控系統(tǒng)，其中慣性導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。目前，MEMS慣性系統(tǒng)已由發(fā)展初期的消費、汽車領(lǐng)域擴(kuò)展到工業(yè)、航空航天等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況

高性能MEMS慣性傳感器行業(yè)，屬于產(chǎn)業(yè)鏈較上游的芯片/組件領(lǐng)域，為產(chǎn)業(yè)鏈中游慣性模組廠商提供基礎(chǔ)核心慣性元器件，此類慣性元器件主要用于自主測量和反饋物體運動速度和角度的變化，并與衛(wèi)星等其他導(dǎo)控模塊形成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、組合慣性系統(tǒng)等，經(jīng)下游應(yīng)用端客戶集成在相關(guān)設(shè)備中發(fā)揮慣性導(dǎo)航、慣性測量和慣性穩(wěn)控的作用。

①慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件是陀螺儀和加速度計。通常情況下，每套慣性系統(tǒng)包含三軸陀螺儀和三軸加速度計，分別測量三個自由度的角速率和線加速度；通過對角速率和線加速度按時間積分以及疊加運算，可以動態(tài)確定自身位置變化，從而確定自身移動軌跡以實現(xiàn)導(dǎo)航功能。慣性導(dǎo)航的工作原理如下圖所示：

慣性導(dǎo)航不借助外源信息，也不向外發(fā)送任何信號，因而不用借助其他設(shè)備，可免受外界干擾影響。除獨立使用外，慣性導(dǎo)航還可以與衛(wèi)星導(dǎo)航結(jié)合使用，形成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，具備以下主要優(yōu)勢：一方面，在開放的外界環(huán)境中使用衛(wèi)星定位導(dǎo)航確定絕對位置，可利用慣性導(dǎo)航提高位置更新速率；另一方面，在高架橋、山間隧道等衛(wèi)星信號較弱甚至消失的場合，設(shè)備可自動切換至慣性導(dǎo)航來提供定位信息以繼續(xù)導(dǎo)航。

②慣性測量

慣性測量系統(tǒng)是利用陀螺儀、加速度計等慣性敏感元件和電子計算機(jī)測量載體相對于地面運動的角速率和加速度，以確定載體的位置和地球重力場參數(shù)的組合系統(tǒng)。目前已被應(yīng)用于石油測斜、城市測繪、地質(zhì)監(jiān)測、尋北儀表等領(lǐng)域。例如，陀螺尋北儀通常采用陀螺儀和加速度計的組合方案，利用陀螺儀測量地球旋轉(zhuǎn)角速率的水平分量以獲得載體的北向信息，利用加速度計測量陀螺的姿態(tài)角，對陀螺信號進(jìn)行補(bǔ)償。通過多位置法消除陀螺儀和加速度計的零偏影響，經(jīng)過計算得到陀螺儀轉(zhuǎn)軸與正北方向的夾角，系統(tǒng)原理如下所示：

③慣性穩(wěn)控

慣性穩(wěn)控是通過連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)姿態(tài)與位置變化，利用伺服機(jī)構(gòu)動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)，使被穩(wěn)定對象與設(shè)定目標(biāo)保持相對穩(wěn)定的裝置。慣性穩(wěn)控利用陀螺儀敏感框架的角速率信號，利用控制算法進(jìn)行伺服結(jié)構(gòu)的控制，保持在外部干擾情況下平臺的穩(wěn)定，提高平臺設(shè)備工作的性能。慣性穩(wěn)控因其隔離載體干擾的能力，在各類運動平臺得到了廣泛的應(yīng)用。常見的慣性穩(wěn)控包括動中通天線，光電吊艙，攝像平臺等。隨著MEMS陀螺儀性能的不斷提高，MEMS陀螺儀在慣性穩(wěn)控系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。系統(tǒng)原理如下所示：

MEMS慣性傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

目前MEMS慣性傳感器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與通信、高可靠、汽車電子、醫(yī)療健康、消費電子等多個領(lǐng)域。MEMS慣性傳感器應(yīng)用領(lǐng)域如下圖所示：

隨著MEMS慣性技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，高性能MEMS慣性傳感器應(yīng)用逐漸拓展到無人系統(tǒng)、自動駕駛、高端工業(yè)、高可靠等領(lǐng)域，而中低性能MEMS慣性傳感器主要應(yīng)用于消費電子和汽車等領(lǐng)域。高性能MEMS慣性傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域如下：

①無人系統(tǒng)

無人系統(tǒng)是指具有一定自治能力和自主性的無人控制系統(tǒng)，它是人工智能、機(jī)器人技術(shù)以及實時控制決策系統(tǒng)的結(jié)合產(chǎn)物。通過利用慣性器件及捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以為無人系統(tǒng)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(dǎo)航定位和姿態(tài)控制。無人系統(tǒng)能廣泛替代人類于各種環(huán)境下獨立完成布置的任務(wù)，而不需要或者只需要極少操控人員的控制，大大擴(kuò)充了人類的行為能力。無人系統(tǒng)包含無人機(jī)、無人車、無人船、無人潛航器以及機(jī)器人等多種無人平臺，其中尤以無人機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

無人機(jī)作為智能無人化工作的代表，具有高效無休、零接觸的工作特點，在安防巡檢、消殺作業(yè)、物流配送、宣傳喊話、照明測溫、農(nóng)業(yè)植保等方面發(fā)揮了重要的作用。

②自動駕駛

現(xiàn)代汽車系統(tǒng)已經(jīng)搭載了多種MEMS慣性傳感器，如陀螺儀、加速度計、磁力計和慣性測量單元，以增強(qiáng)汽車的可靠性，提高駕駛的安全性。最早應(yīng)用于汽車的是MEMS加速度計，用于監(jiān)測汽車運行狀態(tài)，判斷突然減速過程中是否啟用安全氣囊，MEMS加速度計還被用于胎壓監(jiān)測（TPMS）中監(jiān)測車輛運動狀態(tài)以優(yōu)化TPMS傳感器的電池壽命，MEMS陀螺儀也被大量用于車身穩(wěn)定系統(tǒng)以增強(qiáng)行車安全性。如今，MEMS慣性測量單元正逐步被用于自動駕駛并輔助GPS導(dǎo)航，在衛(wèi)星信號較弱甚至丟失的情況下，根據(jù)慣性測量單元實時測量的加速度和角速率信息，繼續(xù)利用慣性導(dǎo)航以推算出最新的位置，在短時間內(nèi)仍可得到較高精度的位置信息，利用航跡推算實現(xiàn)短時導(dǎo)航，大大提高了用戶體驗。

③測量測繪

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)平臺、現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施、航空航天遙感影像快速獲取平臺、先進(jìn)野外測繪技術(shù)裝備、地理信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)裝備以及地理信息數(shù)據(jù)交換傳輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等測繪裝備體系完成構(gòu)建，測繪行業(yè)進(jìn)入信息化測繪階段。高精度MEMS慣性測量單元是信息化測繪體系的重要支撐。信息化測繪的數(shù)據(jù)采集方式包括傳統(tǒng)測量、航空攝影測量、衛(wèi)星遙感以及激光雷達(dá)測量等。除傳統(tǒng)方式外，其他現(xiàn)代化測繪方式需要基于高精度慣性測量單元的飛行控制系統(tǒng)或光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)支撐，以便于載具在動態(tài)過程中采集到清晰的圖像。

④通信–動中通

動中通是指通過天線基座對天線進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使平臺保持和通訊衛(wèi)星相對穩(wěn)定的狀態(tài)，從而保證通訊質(zhì)量。動中通共分四類：車載、船載、機(jī)載和全自動便攜站等產(chǎn)品，主要應(yīng)用于應(yīng)急通信、移動辦公、電視臺現(xiàn)場直播、航空寬帶、商船通信、游艇、漁船等領(lǐng)域。慣性傳感器是動中通的核心部件，在運動過程中根據(jù)慣性測量信息自動控制天線的方位、仰角和極化角，確保天線的波束中心始終精確指向衛(wèi)星，使系統(tǒng)在靜態(tài)、高速、高動態(tài)下均可穩(wěn)定運行，具有高機(jī)動性和高靈活性，具有一定的市場規(guī)模。

⑤工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

各類傳感器是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的感知器官，高精度的傳感器才能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作并提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。MEMS慣性傳感器已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用，例如風(fēng)力發(fā)電塔姿態(tài)監(jiān)測、光伏發(fā)電太陽跟蹤系統(tǒng)、電網(wǎng)塔架安全監(jiān)測、水電大壩監(jiān)測、機(jī)器振動監(jiān)測、礦井礦山監(jiān)測、工程機(jī)械監(jiān)測等。隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)字化需求的增長，物聯(lián)網(wǎng)一方面設(shè)備數(shù)量增速較快，另一方面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對可靠性的要求也進(jìn)一步提升。

⑥資源勘探

慣性技術(shù)在資源勘探中，主要用于測量井身軌跡和鉆頭的實際位置，從而保證井深達(dá)到預(yù)定位置。隨著石油資源日益枯竭，勘探和開發(fā)情況愈加復(fù)雜，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油測斜儀器。而慣性技術(shù)的應(yīng)用，使得這種需求得以滿足，通過采用高精度、高分辨率的慣性及磁傳感器來精確測量鉆井過程中井斜角、方位角及工具面角等工程參數(shù)，從而實現(xiàn)井身軌跡與鉆頭位置的實時監(jiān)測。

⑦高速鐵路

MEMS慣性傳感器可以檢測和測量各種形式的機(jī)械運動，包括加速、傾斜、振動、沖擊和旋轉(zhuǎn)等，其在高速鐵路中的典型應(yīng)用實例包括：轉(zhuǎn)向架安全性和舒適度的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)、改善乘客舒適性的高速列車傾斜控制系統(tǒng)、列車的位置監(jiān)控、運輸過程中的振動監(jiān)測、鐵路軌道安全和維護(hù)的監(jiān)測系統(tǒng)、列車定位導(dǎo)航等。

⑧高可靠

MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)以其小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，逐步適用于體積和重量受限的微小衛(wèi)星等系統(tǒng)。微小衛(wèi)星具有成本較低、發(fā)射靈活、適宜冗余組網(wǎng)等優(yōu)點，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的興起大大促進(jìn)了微小衛(wèi)星的快速發(fā)展。目前，低軌道衛(wèi)星空間軌位和頻譜資源日益緊張，各國紛紛部署星座計劃。

在國家政策支持下，我國近年來多個近地軌道衛(wèi)星星座計劃相繼啟動，各星座計劃部署情況合計超過1,200顆。根據(jù)賽迪顧問的統(tǒng)計，2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模為2,860億美元，我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模約700億元，中國在軌衛(wèi)星的數(shù)量位于世界前列。我國商業(yè)航天市場的逐步開放，將帶動通信小衛(wèi)星研制、衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端設(shè)備與軟件應(yīng)用市場發(fā)展，在全球高度關(guān)注衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)布局的背景下我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模預(yù)計將保持較高速度的增長。MEMS慣性傳感器具有小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，隨著其精度的提升，MEMS慣性傳感器逐步適用于對精度要求較高的高可靠領(lǐng)域。我國高可靠領(lǐng)域市場應(yīng)用場景廣泛，市場需求蓬勃增長，具備廣闊的市場空間。

主要企業(yè)

A.Honeywell

Honeywell由聯(lián)合訊號公司及霍尼韋爾公司合并而成，是在多元化技術(shù)和制造業(yè)方面占世界領(lǐng)導(dǎo)地位的跨國公司。該公司主要產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、自主式水下航行器、通信、工業(yè)設(shè)備、船舶及潛航器、石油和天然氣、機(jī)器人、地圖測繪、穩(wěn)定平臺、交通運輸、無人機(jī)、地面無人車輛等領(lǐng)域。目前Honeywell在MEMS陀螺儀的研制開發(fā)領(lǐng)域是世界最高水平的公司之一，其高性能硅基MEMS慣性傳感器銷售額位居世界前列。

B.ADI

ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于為客戶解決復(fù)雜的工程難題。ADI將MEMS技術(shù)應(yīng)用于傳感器和執(zhí)行器產(chǎn)品中，其MEMS產(chǎn)品組合包括用于感測線加速度的加速度計、用于感測旋轉(zhuǎn)的陀螺儀、用于感測多個自由度（沿多個軸組合多種感測類型）的慣性測量單元，以及適用于無線電和儀器系統(tǒng)的寬帶開關(guān)，其高性能硅基MEMS慣性傳感器出貨量位居世界前列。

C.Sensonor

Sensonor是MEMS技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，在開發(fā)和制造高性能傳感器方面擁有30多年的經(jīng)驗。該公司設(shè)計和制造高精度戰(zhàn)術(shù)級陀螺儀傳感器、MEMS陀螺儀模塊和慣性測量單元，為工業(yè)和商業(yè)市場等領(lǐng)域客戶提供服務(wù)。

D.SiliconSensing

SiliconSensing是一家陀螺儀和慣性系統(tǒng)工程開發(fā)公司。該公司的產(chǎn)品包括MEMS陀螺儀傳感器、加速度計、慣性傳感器模塊等，廣泛應(yīng)用于航空、測繪、鉆井、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、導(dǎo)航輔助、自動駕駛等多個領(lǐng)域。

E.Colibrys

Colibrys是基于MEMS技術(shù)加速度傳感器的全球領(lǐng)先的供應(yīng)商之一，一直在開發(fā)和生產(chǎn)用于航空和安全關(guān)鍵應(yīng)用的MEMS加速度計，具有完備的MEMS產(chǎn)品設(shè)計、研究開發(fā)、芯片生產(chǎn)、封裝和混合機(jī)電元件測試技術(shù)。高性能硅基MEMS慣性傳感器

編輯：黃飛

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