【核芯观察】IMU惯性传感器上下游产业梳理（三）

前言：【核芯观察】是电子发烧友编辑部出品的深度系列专栏，目的是用最直观的方式令读者尽快理解电子产业架构，理清上、中、下游的各个环节，同时迅速了解各大细分环节中的行业现状。本期【核芯观察】，将对IMU惯性传感器产业链上下游进行梳理，从市场现状、应用场景、产业链构成、产业链企业分布、发展趋势等几个部分剖析IMU产业。
 
MEMS IMU产业链
 
IMU产业链上游主要是设计、MEMS晶圆制造、封装测试等几个部分。在设计方面，国内企业在加速度计的领域具备较强设计研发能力，在消费电子端的单轴、二轴、三轴MEMS加速度计都有不少高端产品。MEMS IMU一般是由加速度计和陀螺仪组成，而在MEMS 陀螺仪方面，由于设计难度更大，国内能够推出高性能民用产品的厂商就比较少了。
 
在IMU产业链上游，国内主要厂商有明皜传感、矽睿科技、芯动联科、美新半导体、深迪半导体、美泰电子、士兰微等。其中美新半导体、美泰电子、士兰微走IDM模式，具备MEMS晶圆制造以及封测能力。
 
海外MEMS IMU上游厂商大多具备IDM能力，包括博世、ST、TDK、霍尼韦尔、ADI等。
 
IMU产业链下游主要是系统集成商，传感器芯片对外采购或自产。其中包括向下游终端应用提供IMU/惯导模块的厂商，主要是在汽车、工业等领域应用。国内厂商包括导远电子、经纬恒润、美泰电子、华依科技、原极科技等。另外消费电子领域，包括智能手机、VR/AR、游戏手柄、无人机、家用机器人等都会用到MEMS IMU。
 
主流MEMS IMU厂商产品线
 
在整理主流厂商的MEMS IMU产品线时，我们先来了解IMU的关键参数。
 
测量范围与灵敏度：测量范围是指陀螺仪正反方向输入角速率的最大值；灵敏度是指在规定的输入角速率下能测量到的最小输入角速率增量。一般来说，ADC精度一定时，测量范围越大，灵敏度越低，需要根据应用需求选择产品。加速度计中则是可以测量的加速度幅度范围，与灵敏度成正比，单位为g（地球重力）。
 
封装误差：陀螺仪装配精度相对于芯片内Z轴加速度计所测量的重力加速度方向误差，以及裸片对角线与封装对角线的夹角误差。
 
噪声：当陀螺仪处于零输入状态时，输出信号为白噪声和慢变随机函数的叠加。白噪声可以用角度随机游走系数来表示，这是指由白噪声产生的随时间积累的陀螺输出误差系数。
 
带宽：指陀螺仪能够精确测量输入角速度的频率范围，范围越大陀螺的动态响应能力越强。
 
分辨率：通常仅对数字输出加速度计或结合了模数转换器的系统给出加速度计的分辨
率。分辨率通常会指定为位，然后可用于计算加速度单位的分辨率。
 
温度敏感性：MEMS传感器由于是机械系统，材料受到温度影响会导致测量结果出现偏差或影响灵敏度，因此需要定义传感器灵敏度如何随温度变化，一般用每摄氏度的百分比偏移来表示。
 
从全球市场来看，目前MEMS IMU的头部厂商有博世、霍尼韦尔、ST、TDK、ADI等。
 
博世：
 
博世是全球最大的汽车Tier1供应商，同时在MEMS传感器领域也位于头部地位。博世的MEMS IMU产品覆盖汽车、智能手机、可穿戴设备、AR 和 VR、无人机、游戏和机器人等应用领域。
 
博世的IMU产品主要有面向消费电子的BMI系列和面向汽车应用的SMI系列，产品线非常丰富。以几个重点产品为例，BMI270是一款针对可穿戴设备优化的超低功耗IMU，适用于腕戴设备的集成即插即用计步器/检测器、助听器、智能服装、智能鞋、智能眼镜和脚踝带等等。BMI270作为6轴传感器，集成了一个16位三轴陀螺仪和一个16位三轴加速度计，采用博世汽车成熟的陀螺仪技术。
 
其中加速度计测量范围±2 g（灵敏度：16384 LSB/g）到±16 g（2048 LSB/g），分辨率为16位或0.06 mg/LSB；陀螺仪测量范围±125 dps（262.1 LSB/dps）到±2000 dps（16.4 LSB/dps），分辨率为16位或0.004 dps/LSB，灵敏度误差均为0.4%。BMI270在最高数据输出速率时的电流消耗是685µA。
 
BMI088主要针对无人机和机器人应用，由一个16位三轴加速计和16位三轴陀螺仪组成，主要特点是高抗震性和出色的温度稳定性，可以降低系统层面的设计工作量和成本。相比BMI272，BMI088由于应用场景不同，首先是测量范围更大，加速度计从3g到24g，陀螺仪从± 125°/s到2000°/s，但相对地功耗也更高，工作电流消耗最高是5.15mA。
 
在汽车ADAS应用中，对IMU的要求则更高。SMI270是博世推出用于半自动驾驶的ASIL B级6合1惯性传感器，可以实现对六个自由度（偏航、俯仰、翻滚速率以及x、y和z方向的加速度）的所有测量。典型应用包括L2级半自动驾驶、自动驾驶和定位应用，并可集成到摄像头、雷达或激光雷达设备中。
 
SMI270测量范围为±300或±500 °/s，±4 g或±16 g ，分辨率为16位，灵敏度为100 或50 LSB/°/s，8000 或2000 LSB/g误差均为±2 %，供电电压3.3V，电流小于5mA。另外由于是为汽车应用设计的产品，SMI270的工作温度范围也相比消费级更高，达到-40-125℃。
 
霍尼韦尔：
 
霍尼韦尔的惯性测量单元IMU产品在航空领域应用广泛，而基于航空领域积累的高端IMU产品技术优势，霍尼韦尔也将产品拓展至工业、无人机、机器人等领域，目前霍尼韦尔官网主要展示的也是工业应用的产品。
 
在霍尼韦尔官网上，IMU惯性测量单元产品主要是HG4930、i300、i400等，还有一些惯性传感器和GNSS组合的惯性导航系统。以HG4960为例，HG4930是一款高性能MEMS IMU，专为满足各种市场的应用需求设计，广泛用于农业、AUV、工业设备、机器人、勘测/测绘、稳定化平台、运输、无人机（UAV）和无人地面车辆（UGV）等领域。凭借行业标准通信接口，HG4930可轻松集成到各种架构中。
 
HG4930主要优势是在同等尺寸和价格下性能优良，具备先进的IMU开发、校准和补偿能力，对比光纤陀螺仪是尺寸更小、功耗更低、更有成本效益的替代产品。
 
HG4930还有更高端的S级配置，主要为满足平台稳定应用的需求设计，在保证精度的同时，优化延迟和带宽。HG4930 S级的典型应用包括相机等光学传感器，以及天线稳定等。
 
 
ST：
 
意法半导体在MEMS领域布局较早，产品线覆盖MEMS麦克风、压力传感器、加速度计、陀螺仪等。在IMU产品上，ST的产品应用场景覆盖汽车、工业、消费电子等，目前官网显示有15款IMU产品，包括消费电子应用的LSM6D系列、ISM系列工业应用IMU、和ASM系列汽车应用IMU。
 
2022年，ST推出了第三代MEMS传感器，新一代的MEMS传感器产品中有一个特性，就是加入了机器学习内核，可以用于AI应用。比如在工业产品中，通过边缘计算能力对设备进行预测性维护。
  
在汽车应用上，以型号为ASM330LHB的六轴IMU为例，符合AEC-Q100标准，工作温度范围达到-40℃至+105℃。其中加速度计用户可选满量程加速度范围为±2/±4/±8/±16 g，陀螺仪测量范围从±125到±4000 dps。同时ASM330LHB在所有设计环节都经过优化，可实现有利于传感器辅助应用（例如航迹推测和传感器融合）的更高输出稳定性、极低噪声和完全的数据同步。
 
消费应用上，以六轴IMU LSM6DSM为例，由于面向具有OIS / EIS和AR/VR系统的智能手机，因此低功耗、高精度、稳定性是主要的特性。在低功耗方面，LSM6DSM在高性能模式下以0.65 mA的电流工作，并且具有始终开启的低功耗特性。其中加速度计支持±2/±4/±8/±16 g满量程，陀螺仪支持角速度范围为±125/±250/±500/±1000/±2000 dps。
 
另外针对智能手机应用，LSM6DSM还支持智能嵌入式功能，比如计步器、步伐检测器、步伐计数器、大幅运动和倾斜度检测功能；同时支持标准中断，包括自由落体、唤醒、6D/4D方向检测、单击和双击；对机械冲击具有高度耐用性。
 
TDK（InvenSense）：
 
TDK的MEMS IMU产品线源自InvenSense，2016年TDK斥资13亿美元收购所有股份。InvenSense当时主要为苹果、三星等智能手机厂商供应IMU，在智能手机领域市场份额极高。
  
InvenSense的制造平台相比传统的MEMS工艺结构也有些区别，专利的Nasiri-Fabrication制程令其MEMS器件能够在晶圆层级直接整合MEMS机械结构与CMOS集成电路，使得芯片尺寸更小。
 
目前TDK官网上显示，从IMU产品来看，主要有六轴、七轴、九轴三大IMU产品系列，其中七轴是三轴陀螺仪+三轴加速度计+气压传感器，九轴IMU则是三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴罗盘。 
 
应用领域方面，主要有面向机器人应用的TDK RoboKit1 SmartRobotics平台，面向汽车应用的TDK SmartAutomotive产品，面向工业应用的TDK SmartIndustrial产品，当然也有面向智能手机和穿戴、IoT等市场的产品。
  
汽车应用的IMU主要是IAM系列的五款产品。
  
工业应用的IMU主要是IIM系列的两款产品，可应用于农业、建筑设备、高清地图测绘/测量和地理配准、工业/仓库和汽车机器人技术、高精度 GNSS/INS 导航系统与自主投递系统等。
 
ICM系列则面向消费电子产品，可应用于AR/VR、HMD、可穿戴设备、IoT设备、无人机、遥控器等。
 
 
ADI：
 
ADI在MEMS行业发展中起到了举足轻重的作用，早在1991年，ADI就推出了世界上第一款成功开发、制造并商用的MEMS加速度计ADXL50；到2002年ADI又推出了第一款集成式MEMS陀螺仪ADXRS150。
 
ADI的IMU产品目前有43款，其中ADXC系列用于汽车应用，比如ADXC1500。ADXC1500是针对汽车电子稳定系统、底盘控制等同时需要偏航角速度和加速度信号的高性能应用而设计，内部集成温度传感器可补偿偏移和灵敏度性能，在−40°C至+105°C温度范围内提供出色的稳定性。在整个工作温度范围内的加速度计偏置稳定性为±30 mg，陀螺仪零点稳定性为±2°/秒；加速度计噪声为2.5 mg rms（典型值，35.6 Hz时），陀螺仪噪声为0.1°/秒（典型值，35.6 Hz时），陀螺仪的线性加速度抑制0.03°/秒/g，加速度计则具备±32 g过载性能。
 
另外其他产品主要用于工业、农业、无人机、自动驾驶、导航、AR/VR、运动物联网等领域，甚至还包括战术级产品。以ADIS16495为例，战术级的主要特点是精度更高，ADI表示该IMU在工厂针对各传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速度（陀螺偏置）进行校准。因此，各传感器均有其自己的动态补偿公式，可提供精确的传感器测量。
 
ADIS16495陀螺仪轴到轴对齐误差仅为±0.05°，运动中偏置稳定度为0.8°/小时，角向随机游动为0.09°/√小时；加速度计的运动中偏置稳定度为3.2 μg。器件整体的抗冲击能力达到1500g。
 
美泰电子：
 
美泰电子是中国电科产业基础研究院下属公司，专注于MEMS器件和系统的研发、生产和销售，目前重点面向汽车领域和工业领域推出惯性MEMS器件以及压力器件。
 
据电子发烧友网了解，IMU是美泰电子第一款涉足汽车领域的产品，并在2017年与车企合作推出了高精度定位模块。截至2023年3月IMU出货量已破百万。
 
而目前美泰电子官网上有六款IMU产品，比如可应用在汽车无人驾驶、电子稳定系统、组合导航等的MSI313C。
 
可用于惯导、飞行控制、弹道修正、无人机、天线定向等应用的MSI370A。
 
 
明皜传感：
 
明皜传感主要从事MEMS传感器的研发、设计和生产，并提供相关技术服务。主要产品有：加速度传感器、陀螺仪、压力传感器和磁传感器，旨在为消费电子、汽车电子、工业自动化以及航空等领域提供所需的产品和集成方案。
 
明皜传感目前有两款IMU导航模块，MMC124和MMC127，可应用于路径识别、机器人自主导航、车辆导航、无人机、医疗导轨、平衡车、柜门开关角度检测、工业机器人等领域。
 
矽睿科技：
 
矽睿科技成立于2012年，专注于高质量传感器产品的设计、制造，以及增值应用与服务，致力于成为以应用为导向的多传感器平台，提供智能、集成、经济的传感器解决方案。公司产品包括多款MEMS传感器，如六轴IMU、加速度计、环境传感器、组合传感器等；磁性传感器芯片，如磁力计、磁编码器、电流传感器、霍尔传感器等；及汽车与物联网智能模组和系统。应用市场聚焦智能手机、智能穿戴、物联网、智能制造，汽车电子，并向智慧医疗、元宇宙、自动驾驶市场演进。
 
矽睿科技目前推出了一款IMU产品QMI8658，这是一款低噪声、高带宽的六轴惯性测量单元（IMU），包含一个三轴陀螺仪和一个三轴加速计，采用2.5 x 3.0 x 0.86 mm 14-pin LGA 封装。支持多种通讯接口：I3C、I2C和SPI。内置AttitudeEngine，可满足惯性导航高精度低功耗的要求，即使在低速率情况下的数据输出也可保持高精度。
 
其中陀螺仪动态范围±16°/s 至 ±2048°/s，加速度计动态范围±2 g 至 ±16 g。 可应用于：智慧手机、智慧可穿戴设备、TWS耳机、游戏手柄、空鼠、无人机、扫地机器人、摄像头、升降桌、二轮电动车、投影仪、平板、T-box等，实现运动姿态解算，手势或头部姿势识别与追踪，倾斜角度检测等作用。
 
美新半导体：
 
美新半导体于1999年成立， 拥有二十多年的MEMS传感器研发及生产技术积累，是中国最早的IDM模式惯性传感器供应商之一，因此在封测、晶圆制造上具备核心竞争力。美新半导体提供从MEMS传感芯片、软件算法和应用方案的一站式解决方案，产品包括热式加速度计、电容式加速度计、AMR地磁传感器、低功耗霍尔开关、六轴IMU等。
 
美新半导体的六轴IMU产品目前官网只展示了MIC6102AL一款产品，该产品集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计，支持游戏手柄及智能遥控器等体感互动系统。
 
深迪半导体
 
深迪成立于2008年，是中国首家研发设计商用消费级和汽车级微机电系统（MEMS）陀螺仪系列惯性传感器的公司。产品主要应用于IOT，手机智能终端，智能家居，人工智能，工业和智能驾舱等领域。
 
目前公司官网展出了三款六轴IMU产品，SH3001、SH3201、SH5001。
 
以SH3001为例，SH3001内部集成三轴陀螺仪以及三轴加速度计，采用14 Pins LGA封装，尺寸仅为2.5×3.0×1.0mm³，尺寸小，功耗低，适用于消费电子市场应用，能提供高精度的实时角速度与线加速度数据。其中陀螺仪量程(dps)为±125、 ±250、±500、±1000、±2000，灵敏度(LSB/°/s)为262、131、65.5、32.8、16.4；加速度计量程(g)为 ±2、±4、 ±8、 ±16，灵敏度(LSB/g)为16384，8192，4096，2048。
 
而SH5001是SH3001和SH3201的迭代产品，在原有的产品特性上增加了OIS光学防抖和双路SPI通讯，陀螺性能更高。
 
小结：
 
整体来看，海外大厂由于入局较早，目前已经具备较为完备的IMU产品线，产品规格数量、针对的应用领域等都较为丰富。目前国内的IMU产品在性能参数上也开始追赶海外厂商的产品，但在可靠性、稳定性上仍需要更多时间去验证和改善，同时产品线规模较小，产品覆盖的应用领域相对较小。当然，在自动驾驶、机器人、无人机等领域的需求增长下，国内IMU厂商将会迎来更大的市场机会，这也将持续带动国产IMU的产品升级。