基于惯性及相关测量原理的MEMS惯性传感器

惯性传感器是一类基于惯性及相关测量原理将物体运动量转换成电信号的装置，包括加速度计、陀螺仪及其组合式传感器，主要用于检测加速、旋转、振动、冲击、倾斜。惯性传感技术多种多样，以陀螺仪为例，包括机械陀螺仪、环形激光陀螺仪（RLG）、光纤陀螺仪（FOG）、半球谐振陀螺仪（HRG）、MEMS陀螺仪、硅光子光学陀螺仪（SiPhOG）、量子陀螺仪等。其中，MEMS技术引领惯性传感器进入“小尺寸、低成本、高集成度、多功能、智能化”的新时代。如今，MEMS惯性传感器无处不在：从“智能手机和平板电脑”到“可穿戴设备和体感游戏机”，从“工业控制和振动监测”到“无人机和汽车”，从“航空航天”到“国防军工”……

 

左：博世MEMS惯性传感器产品示例；右：MEMS惯性传感器主要用于检测五类运动

目前，分立式惯性传感器市场趋于饱和、价格不断侵蚀，而组合式惯性传感器市场蓬勃发展。以博世（Bosch）、意法半导体（STMicroelectronics）、TDK InvenSense为代表的全球领先MEMS惯性传感器厂商持续开发组合式惯性传感器产品，例如：3轴加速度计与3轴陀螺仪组合为6轴惯性测量单元（IMU），参考报告《消费类MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2022版》；3轴加速度计+3轴磁力计组合为6轴电子罗盘（eCompass）。组合式传感器拥有一些分立式传感器无法比拟的优势，例如：采用同一颗ASIC（专用集成电路）处理信号，并将多个传感器芯片封装在一起，可降低成本；如果两种传感器芯片工艺相同或相近，可以做成单芯片，极大减小传感器尺寸；将滤波、数据融合和人工智能（机器学习）等算法集成，提高产品附加值，竞争对手难以模仿。

 

意法半导体和博世的新战略：惯性传感器+人工智能⇒智能传感器

意法半导体于2022年推出智能传感器处理单元（Intelligent Sensor Processing Unit，ISPU），在MEMS惯性传感器内部进一步整合数字信号处理器（DSP）和人工智能算法，为系统级封装（SiP）器件注入本地决策，同时显著节省空间和功耗，并通过将数据保持在本地增强隐私安全性。ISPU在四个“P”方面提供了实质性的优势：功耗（Power Consumption）、封装（Packaging）、性能（Performance）和价格（Price），助力各种终端实现边缘智能，而无需唤醒系统或将数据传输到MCU和网关/云端。借助ISPU分析惯性传感数据，能够确保活动识别和异常检测等任务的准确性和高效率。

意法半导体将ISPU集成于惯性传感器ASIC，实现边缘智能数据处理

高端惯性传感器涉及众多应用领域，例如：单轴、低成本配置用于工业控制；多轴、高集成度、高性能配置用于航空航天和军事国防。高端组合式惯性传感器通常嵌入多种算法，以惯性测量单元（IMU）、垂直参考单元（VRU）、姿态和航向参考系统（AHRS）和惯性导航系统（INS）等形式出现。2021年全球高端惯性传感器（模组级）市场超过31亿美元，预计2027年将达到45亿美元。军事现代化、国防“定位、导航和授时（PNT）”等传统市场，以及商业太空应用、机器人技术、工业自动化、自动/无人驾驶汽车等新兴市场推动高端惯性系统市场发展。

IMU、VRU、AHRS、INS功能结构图示例（来源：Xsens）

2021~2027年高端惯性传感器市场（来源：Yole）

高端惯性传感器应用领域分散，但市场份额却集中于三大知名巨头：霍尼韦尔（Honeywell）、诺斯洛普·格鲁曼（Northrop Grumman）和赛峰（Safran）。许多较小的厂商专注于特定的技术、市场和应用，难以与巨头正面交锋。尽管竞争格局多年来一直保持稳定，但在过去几年中的投资和并购速度加快，例如：赛峰（Safran）于2021年收购MEMS惯性传感器厂商Sensonor，并于2022年将Colibrys与Sensonor合并为赛峰传感（Safran Sensing）；ECA集团于2022年收购高端惯性传感器制造商iXblue，双方合并为ECA-iXblue集团。此外，以Anello、OSCP为代表的初创公司正在募集资金以开发基于硅光集成技术的光学陀螺仪。

为了把握惯性传感器产业及技术趋势，满足广大从业人员对知识的渴求，麦姆斯咨询特开设本次培训课程，邀请著名高校与研究院所的专家和学者，为大家讲授：（1）高端MEMS惯性传感器综述；（2）多轴MEMS惯性传感器；（3）高精度MEMS加速度计技术详解；（4）基于加速度计的振动监测与故障诊断；（5）双质量线振动（音叉式）MEMS陀螺仪；（6）高精度固体波动（环形）MEMS陀螺仪；（7）基于声光效应的行波陀螺仪；（8）MEMS陀螺仪真空封装技术；（9）基于MEMS陀螺仪的寻北定向关键技术；（10）MEMS惯性传感系统设计及应用；（11）MEMS惯性传感器可靠性分析。

编辑：黄飞