随着新一轮科技革命和产业变革的加速发展，5G、无人驾驶、无人机、物联网等基础设施日益完善VR／AR等终端应用技术商业化规模快速增长，连接新一代信息技术的基础技术和终端应用MEMS正处于爆发阶段，是核心智能传感器。MEMS传感器的设计和制造依赖于大规模的微纳制造技术。基于此，深圳市微纳制造业促进会将开展MEMS通过对核心设备市场应用的研究，分析微纳制造技术背后的应用，促进微纳制造技术的应用和推广。
我们从惯性测量单元（IMU）说起传感器的应用。
今年5月爆发的巴以冲突再次向世界展示了现代战争的可怕力量。以色列空军战斗机向加沙地区一座14层的建筑发射了两枚导弹，使整个建筑完全平坦。是什么技术使导弹如此精确？确切地说，这不是导弹，而是美国开发的联合攻击弹药（Joint Direct Attack Munition，字母简称JDAM）。JDAM制导炸弹采用自主卫星定位和惯性导航复合制导，其中制导控制部件（GCU）是JDAM制导炸弹的核心部件包括GPS接收机、惯性测量单元（IMU）、而任务计算机和电源模块。IMU也是核心的核心。
惯性测量单元（Inertial measurement unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角(或角速率)和加速度的装置。IMU核心装置为陀螺仪和加速度计。一般来说，每套惯性测量装置包括三组陀螺仪和加速度计，分别测量三个自由度的角加速度和线加速度。通过加速度的积分、初始速度和位置的叠加，可以得到空间位置中物体的运动方向和速度。
▲惯性导航系统工作原理图：
惯性导航所需的陀螺仪器件可根据不同的应用场景和精度要求分为战略、导航、战术和商业（消费）：
1略应用场景集中在航天和航海领域；
2.导航级应用场景多为各种导弹武器；
3.战术应用场景包括地面武器和飞机；
4.商业应用场景为民用。
惯性技术发展之初主要用于国防军工领域，高精度、高灵敏度是面向军工惯性技术产品的主要特征。因此国外对高精度惯性技术和器件严密封锁、对任何国家都是禁运的。
▲图:惯性导航系统应用场景 (来源:中信建投证券)
随着技术的进步，中低精度惯性设备发展迅速，成本和体积逐渐降低。惯性技术也开始应用于民用领域，并被越来越多的行业所了解。特别是微机电惯性设备（MEMS IMU）随着大规模生产的实现，惯性技术产品开始广泛应用于精度低、能够满足应用需求的民用领域。目前，应用领域和规模呈现快速增长趋势。以下是一些分析IMU重要的应用市场。
自动驾驶的核心包括四个部分：定位、感知、决策和执行，其中定位是决策和执行的前提。定位系统的主要功能是确定车辆的绝对位置；感知层的主要功能是收集和分析周围环境的信息；决策层根据对当前位置和周围环境的理解制定实时、安全、有效的执行计划；执行层按决策层计划执行。
通过惯性传感器，定位系统主要基于高精度地图（IMU）和全球定位系统（GNSS），准确定位车辆的绝对位置。惯性导航是一种不可替代的关键定位技术，将成为自动驾驶定位信息集成的中心。IMU它具有输出信息不间断、不受外部干扰等独特优点，可以保证在任何时候为决策中心提供连续的车辆位置和姿态信息，无法与任何传感器相比。
惯性导航系统在自动驾驶中的应用属于起步阶段，短期竞争力主要体现在算法上。算法包括MEMS惯性传感器处理，如惯性传感器的校准、速度、加速度、方向和姿势的确定，以及与其他传感器信息和车身信息的集成。算法的优缺点决定了传感器是否能发挥其最佳性能，以及惯性导航系统的稳定性和可靠性。
从长远来看，惯性导航系统的竞争力在于惯性传感器芯片。随着自动驾驶技术水平的提高，MEMS惯性传感器芯片的性能要求将继续提高；随着惯性导航系统算法的不断成熟，通过算法优化提高系统性能的空间越来越小，对惯性传感器芯片硬件性能的依赖也会相应提高。MEMS惯性传感器芯片的设计、制造、密封和校准将成为惯性导航系统的关键环节。
▲图:无人驾驶市场规模预测(来源:Yole）
利用惯性设备和捷联惯性导航技术，可以为无人机提供准确的速度、位置和姿态信息，实现其准确的导航定位和姿态控制。目前，无人机在军事领域的应用最为成熟。同时，随着人们对无人机意识的加深，它在遥感测绘、边防、森林防火、管道巡逻、应急救灾、警察执法等民用领域呈现出快速的发展趋势。
▲图:2016-2019年中国民用无人机市场规模及增速(来源:前瞻性产业研究院)
中国民用无人机市场将继续保持快速增长。根据前瞻性产业研究所的数据，2019年中国民用无人机销售规模为134.8亿元，同比增长53.2%，近三年增速一直保持在50%以上。预计到2025年，中国民用无人机市场规模将达到560亿元，平均增速将达到30%左右，各应用领域将逐步形成规模化市场，具有良好的发展前景；其中，航空摄影和娱乐仍是最大的应用领域，预计市场规模将达到300亿元。未来，无人机领域的惯性导航产品将充分受益于无人机市场的快速增长，成为民用市场的重要增长点之一。
VR／AR沉浸感和真实感也源于用户IMU提高精度IMU今天刷新率和显示刷新率同步提高，VR内容可以实时适应头部和身体的敏捷运动和旋转，使用户无法察觉延迟和卡住，从而减少晕车感。
根据国际数据分析公司IDC2020年全球数据VR与2019年相比，头显出货量达到670万台，增长72%。AR眼镜出货量40万台，增长33%。预计2021年国内VR产业在消费端迎来了变量和拐点，AR该行业也将看到新的突破。
▲图：AR／VR工业发展预测
全球惯性技术的发展分为四个层次。目前，中国处于第三个层次，具有部分研发能力。根据美国国防部的统计，美国国防部将从事惯性技术研发的国家分为四个层次：美国、英国和法国，完全具有自主研发惯性技术的能力；俄罗斯、德国、以色列和日本属于第二层次，具有大部分自主研发能力；中国、澳大利亚、加拿大、瑞典、乌克兰属于第三层次，具有部分研发能力；韩国、印度、巴西、朝鲜、瑞士、意大利属于第四层次，惯性技术研发能力相对有限。
▲图：全球惯性技术企业和科研机构分布（来源：中信建投证券）
霍尼韦尔、诺格和法国赛峰是全球惯性技术领域的顶级公司。目前，美国的主要惯性导航技术公司包括：霍尼韦尔、诺格、大西洋惯性系统和亚诺德半导体（ADI）和吉尔福特等；法国主要惯性导航技术公司包括赛峰iXblue、泰雷兹集团等。其他国家的主要惯性技术公司包括：英国BAE系统公司；德国博世公司；俄罗斯物理光学、陀螺仪光学、拉明斯克仪表厂和Optolink；挪威Sensonor等。
根据专利申请和发文数量，Yole美国、日本、德国、欧洲特别行政管理局、法国等国家/机构发布的陀螺仪专利报告占激光陀螺仪领域75%。德国博世公司 MEMS陀螺仪专利申请最多，行业领导者占据了陀螺仪大部分核心基础专利。
电气与电子工程师协会（IEEE）到目前为止，已经制定了大约10个惯性技术基础和仪表标准。它基本上涵盖了惯性技术的核心产品和通用技术，成为美国事实的国家标准。
目前，我国具有开发和生产高、中、低精度不同惯性仪器和系统的能力和条件。可生产的陀螺仪包括气浮、液浮、柔性、静电激光、光纤MEMS以及原子陀螺仪。然而，目前国外主流应用陀螺仪，包括光学陀螺仪（激光、光纤）和MEMS陀螺仪在精度、可靠性等指标上仍存在一定差距。
IMU陀螺仪和加速计的核心器件MEMS在工业应用领域，制造业形成了替代趋势。
MEMS该技术基于相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。它与传统相结合IC该工艺有许多相似之处，如光刻、膜沉积、掺杂、蚀刻、化学机械抛光工艺等，但一些复杂的微结构难以使用IC微加工技术必须用于实现工艺。
微加工技术包括硅体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。体加工技术是指沿硅衬底厚度方向对硅衬底进行蚀刻的过程，包括湿法蚀刻和干法蚀刻，是实现三维结构的重要途径。表面微加工是通过在牺牲层膜上沉积结构层膜，然后去除牺牲层释放结构层来实现可移动结构的薄膜沉积、光刻和蚀刻工艺。
▲图：MEMS制造共性工艺、特殊工艺及最终产品（来源：上海微技术工研院）
目前我国产线仅能制备以压力传感器、MEMS麦克风、加速度计等为主的低端产品，制造工艺水平与国际领先代工厂的差距明显，诸如压电材料（AlN、PZT等）等高端制造工艺线尚未建立，无法生产薄膜体声波滤波器、压电式喷墨打印头和超声波传感器等产品。尽管中国MEMS代工厂也拥有体微加工技术、表面微加工技术和CMOSMEMS技术，但由于产品出货量都比较小，因此在量产良率、可靠性和稳定性等方面存在不足。
中国MEMS产业面临的最大问题是：缺乏开放、专业的规模化MEMS代工厂，无法解决众多MEMS设计企业的制造工艺问题。虽然传统的IC代工厂，如中芯国际、华润上华、华虹宏力等开展了MEMS代工业务，但是主要以压力传感器、MEMS麦克风、加速度计等成熟的中低端产品为主，制造工艺水平与国际领先代工厂的差距明显，例如国内还没有成熟的压电MEMS代工服务。同时，苏州、淄博、上海等城市纷纷建设了公共加工平台，如苏州纳米所纳米加工平台、苏州纳米城MEMS中试平台、上海微技术工研院“超越摩尔”研发中试平台、淄博高新区MEMS中试平台等，为MEMS创新创业提供服务支撑，不过量产经验较为匮乏。
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