MEMS傳感器市場分析

MEMS技術(shù)最早由Richard Pfeynman（1965年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)）在1959年提出設(shè)想。1962年硅微型壓力傳感器問世。1979年Roylance和Angell開始?jí)鹤枋轿⒓铀儆?jì)的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計(jì)的研制。

慣性傳感器包括加速度計(jì)（或加速度傳感計(jì)）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測(cè)量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。

MEMS加速度計(jì)是利用傳感質(zhì)量的慣性力測(cè)量的傳感器，一般由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（傳感元件）和檢測(cè)電路組成。根據(jù)傳感原理不同，主要有壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式、諧振式、熱電耦合式和電磁式等。

1998年，美國CSDL設(shè)計(jì)研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor實(shí)驗(yàn)室研制了另一種形式的MEMS陀螺。

MEMS陀螺是利用震動(dòng)質(zhì)量塊被基座（殼體）帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏效應(yīng)來傳感角速度的原理制成，主要形式有框架驅(qū)動(dòng)式（內(nèi)、外框架兩種）梳狀驅(qū)動(dòng)式、電磁驅(qū)動(dòng)式等。

IMU由于是MEMS技術(shù)組合的微型慣性測(cè)量單元，所以很多地方稱為MIMU。主要由三個(gè)MEMS加速度傳感器及三個(gè)陀螺及解算電路組成。

AHRS則為包括三個(gè)磁傳感器的IMU，并且依據(jù)四元素法進(jìn)行了解算，直接可輸出一個(gè)運(yùn)動(dòng)體的俯仰角、橫滾角和航向角。

低精度MEMS慣性傳感器作為消費(fèi)電子類產(chǎn)品主要用在手機(jī)、游戲機(jī)、音樂播放器、無線鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、PD、硬盤保護(hù)器、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航等便攜式。由于具有加速度測(cè)量、傾斜測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量等基本測(cè)量功能，有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)。

中級(jí)MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級(jí)及汽車級(jí)產(chǎn)品，則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP或ESC）GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測(cè)量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等。

高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用；飛機(jī)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用、遠(yuǎn)程飛行器船舶儀器、戰(zhàn)場機(jī)器人等。

用作消費(fèi)電子類的MEMS慣性傳感器，主要要求是單價(jià)低、尺寸小、溫度范圍窄、因而精度要求低，甚至是功能性產(chǎn)品。加速度傳感器重量輕、功耗小、一般測(cè)量范圍1～10g～50g，分辨率2mg～10mg，陀螺一般量程在±300°/s，零偏在500°/h～1000°/h，因此有些公司的產(chǎn)品不給出零偏指標(biāo)或給出0.1°/s～0.5°/s。
目前可以生產(chǎn)MEMS加速度傳感器的公司比較多，大多數(shù)為半導(dǎo)體、如美國的ADI、Invensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI(ICSensor)

MEMSIC（生產(chǎn)地在中國無錫）歐洲的VTI、Infine，生產(chǎn)MEMS陀螺的公司美國的ADI、Knoix、ST，歐洲的Infine、Methes，日本的Murata、National、沖電氣、富士通。目前，中國上海深迪半導(dǎo)體有限公司發(fā)布了消費(fèi)類的MEMS陀螺，無錫一家公司也在研發(fā)中。

工業(yè)級(jí)的慣性傳感器大多以模塊形式出現(xiàn)，對(duì)于應(yīng)用于工業(yè)級(jí)芯片級(jí)產(chǎn)品，還必須進(jìn)行處理，包括軟件和硬件電路，以及對(duì)不同工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，大多數(shù)要求價(jià)格適中，精度一定優(yōu)于消費(fèi)類應(yīng)用加速度傳感器的量程選擇比較寬1～500g，分辨率1mg～3mg，陀螺量程大多250°/s以內(nèi)，零偏在50°/h～200°/h，汽車級(jí)可作為一個(gè)工業(yè)應(yīng)用的特殊產(chǎn)品，對(duì)其可靠性要求高，同時(shí)由于需求數(shù)量大，和一般工業(yè)要求不一樣的是單價(jià)要低。生產(chǎn)這些產(chǎn)品的公司有美國的BEI、ADI、Silicon design、Honeywell、Delphi、MSI、Crossbow、Microstrain、歐洲的VTI、Colibry、Bosch、Sensonor，日本的北陸電氣、SSS公司，中國的西安中星測(cè)控。

軍工級(jí)或宇航級(jí)的MEMS慣性傳感器精度要求高、工作溫度范圍寬（-45°～125°），某些兵器產(chǎn)品要求抗沖擊能力強(qiáng)（10000g～20000g）尺寸要比光纖和機(jī)械類產(chǎn)品要小。加速度傳感器量程范圍寬1g～5000g，分辨率要0.1～1mg，甚至更高。陀螺量程要求范圍寬20°/s～1000°/s,頻響高，50Hz～1000Hz，零偏穩(wěn)定性為1 °/h～50°/h。目前制造商有美國BEI、Crossbow、Silicon design、Honeywell、Drapor,，歐洲公司有Xsens、Sorsonor、Colibry、BAE，日本有SSS公司，中國有西安中星測(cè)控、電子26所、航天704所。

最近六、七年以來，國內(nèi)對(duì)MEMS慣性傳感器的研發(fā)熱度很高，尤其是2005年～2008年，而且大多集中在國內(nèi)的頂尖研究機(jī)構(gòu)。據(jù)初步了解，研發(fā)加速度傳感器的機(jī)構(gòu)有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、中北大學(xué)、哈爾濱電子49所、石家莊電子13所、航天704所、重慶電子26所、重慶電子24所、西安航空618所、西安航天771所、中科院上海微系統(tǒng)所、綿陽中國工物院。研發(fā)陀螺及組合的機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)、北京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京信息工程大學(xué)、長沙國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶電子26所、航天704所。

表1 MEMS慣性傳感器研發(fā)、制造商一覽表

過去三年，全球MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢(shì)正向兩級(jí)化發(fā)展，一方面消費(fèi)電子類應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展、需求迅速提高，引來制造商不斷增加，競爭加劇，單價(jià)不斷下降；另一方面，軍用級(jí)應(yīng)用，精度不斷提高，單價(jià)上升很快。

MEMS慣性傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀是消費(fèi)類產(chǎn)品向大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展、單價(jià)越來越低，量產(chǎn)后，僅售不足一美元，而軍用與宇航級(jí)產(chǎn)品向高精度發(fā)展，一個(gè)單軸陀螺售價(jià)可在3～4千美元。而工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)產(chǎn)品更追求高品質(zhì)和高可靠性，同時(shí)兼顧售價(jià)。

MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

技術(shù)方面：精度將不斷提高，以陀螺為例，有替代低精度光纖陀螺的趨勢(shì)。對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用，更尋求進(jìn)一步簡化制造工藝，降低成本的趨勢(shì)。同時(shí)，集成化也是未來發(fā)展的趨勢(shì)，不僅模塊制造商走軟件、硬件集成的路子，越來越多的上游芯片廠家也走集成塊的技術(shù)路線。因而不斷有雙軸、三軸加計(jì)、陀螺芯片問世。
競爭力方面：消費(fèi)類將競爭最為慘烈，新廠家將不斷涌進(jìn)，比投資、比規(guī)模將是必然趨勢(shì)。上下游相互傾軋、收購、重組將會(huì)上演。

合作方面：由于產(chǎn)品細(xì)分的緣故全球競爭與合作成為必然結(jié)果。上游廠家希望找到下游客戶，下游希望尋找合適的供應(yīng)商，因而產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可能出現(xiàn)。

應(yīng)用方面：無論是消費(fèi)類應(yīng)用，還是工業(yè)級(jí)軍工級(jí)應(yīng)用，市場都會(huì)急驟擴(kuò)大，應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。