93歲上將院士最新論文：三十年不斷發(fā)展的MEMS慣性傳感器（推薦）

本文來自中國工程院院士、中國人民解放軍上將丁衡高最新署名撰寫論文，發(fā)表于2023年，丁衡高院士是我國僅有的兩位同時身兼兩大頭銜的“上將院士”。 本文是根據(jù)丁衡高院士多年來與慣性技術(shù)界有關(guān)同志多次討論整理而成，主要論述近30年來我國MEMS 慣性傳感器技術(shù)取得的巨大進步和未來發(fā)展。資料顯示丁衡高院士生于1931年，今年已93歲高齡，仍然心系我國慣性技術(shù)事業(yè)的發(fā)展。丁衡高院士既是中國工程院首批院士之一，也是我國著名的慣性技術(shù)和精密儀器專家。作為我國戰(zhàn)略導彈慣性技術(shù)奠基人之一，他還是我國慣性技術(shù)學科發(fā)展的主要推動者，也是中國MEMS等微米納米技術(shù)的主要倡導人。文章詳情見下文。 本文來自《導航與控制》，相關(guān)內(nèi)容或有刪減，全部內(nèi)容請訂閱期刊查看原文。《導航與控制》創(chuàng)刊于2002年，是由中國航天科技集團有限公司主管，北京航天控制儀器研究所主辦，是反映海、陸、空、天以及民用領(lǐng)域慣性技術(shù)發(fā)展狀況的學術(shù)刊物，是我國慣性技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威刊物。 獲取傳感器知識、報告，請點擊藍字查看《傳感器專業(yè)知識資料100+，總有一份適合你~》內(nèi)容，匯聚多篇權(quán)威傳感器知識資料，持續(xù)更新ing……

專家檔案

丁衡高，慣性技術(shù)和精密儀器專家，1931年2月生于江蘇南京，中國人民解放軍上將，中國工程院院士。1952年畢業(yè)于東南大學機械系（現(xiàn)機械工程學院）。歷任國防科工委主任，中國工程院主席團成員，中國宇航學會名譽理事長…等職位。丁衡高是我國戰(zhàn)略導彈慣性技術(shù)奠基人之一，我國慣性技術(shù)學科發(fā)展的主要推動者，國家微米納米技術(shù)倡導人。長期從事制導武器的陀螺儀、加速度計、慣性平臺系統(tǒng)等的研制工作。 原標題：三十年不斷發(fā)展的 MEMS 慣性傳感器 作者：丁衡高 近三十年來，MEMS 慣性傳感器技術(shù)取得了巨大進步， 在人類生活、 工業(yè)和高端裝備等方面得到了廣泛應用。概述了MEMS 慣性傳感器在我國的發(fā)展歷程與主要路線，并以車輛輔助駕駛為例， 總結(jié)了國內(nèi)外 MEMS 慣性傳感技術(shù)的快速發(fā)展與典型應用情況， 研判了 MEMS慣性傳感器正在向高可靠、集成化、高融合與智能化等方向加速發(fā)展。

前言

1994年11月中旬， 首屆 “全國納米科學與技術(shù)學術(shù)會議” 在北京香山召開，會議從我國實際出發(fā)，在考慮近期需求又兼顧長遠發(fā)展的基礎(chǔ)上，確定了專有學術(shù)名詞 “微米納米技術(shù)”。在此之前，中央領(lǐng)導同志對開展微米納米技術(shù)研究作了重要批示，肯定了微米納米技術(shù)將在未來國民經(jīng)濟和國家安全建設(shè)中發(fā)揮重大作用。

“九五”期間，我國把研制高性能MEMS慣性傳感器作為發(fā)展軍用微米納米技術(shù)的戰(zhàn)略，緊緊圍繞微型慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)的需求開展技術(shù)攻關(guān)，帶動了國內(nèi)相關(guān)單位建立研究隊伍、設(shè)立相關(guān)實驗室、建設(shè)工藝制造平臺，突破了若干關(guān)鍵技術(shù)，奠定了技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)。

三十年彈指一揮間，MEMS 慣性傳感器已從實驗室探索研究走向工程應用，技術(shù)和產(chǎn)品都取得了巨大進步， 在消費電子、 車載導航、 物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)裝備和高端裝備等方面得到了廣泛應用。

1、發(fā)展現(xiàn)狀和成就

１. １ 高性能 ＭＥＭＳ 慣性傳感器產(chǎn)品已推廣應用

當前， 全球高性能 ＭＥＭＳ慣性傳感器產(chǎn)品的市場集中度較高， 市場份額主要被Honeywell、ADI、Northrop Grumman等巨頭占據(jù)，份額在 50％以上。國產(chǎn)高性能 ＭＥＭＳ 陀螺產(chǎn)品的核心指標可以與國際大公司 Honeywell 對標， 已實現(xiàn)國內(nèi)自主生產(chǎn)，雖然市場滲透率有待進一步提升， 但是解決了裝備應用 “卡脖子” 的問題。

從 “九五” 開始， 在國家有關(guān)部門的推動和需求牽引下， 高等院校和科研院所紛紛設(shè)立研究隊伍， 圍繞高性能 ＭＥＭＳ 陀螺和 ＭＥＭＳ 加速度計開展研究。ＭＥＭＳ陀螺探索研究的主要方案有：質(zhì)量塊振動陀螺、音叉陀螺、 四質(zhì)量陀螺、環(huán)形陀螺等；ＭＥＭＳ 加速度計探索研究的主要方案有：蹺蹺板式加速度計、 三明治式加速度計、 梳齒式加速度計和諧振梁式加速度計等；采用 Top-Down的方式， 以體硅工藝為主制造陀螺和加速度計敏感結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)早期的研究在比較困難的條件下展開，經(jīng)費、設(shè)備、經(jīng)驗、人才等比較匱乏， 但是研究人員克服種種困難， 逐步建立了仿真設(shè)計手段、制造工藝平臺和測試評估實驗室， 具備了開展研究的相關(guān)條件和能力。

后來，通過技術(shù)引進等手段， 建立了 6inch 硅基標準制造工藝平臺， 提高了加工水平， 保證了諸如深寬比、 垂直度、 底部鉆蝕等機械參數(shù)的尺寸精度， 進而大幅度提升了設(shè)計人員的認識水平。

2011年底， 國內(nèi)開發(fā)出基于陶瓷外殼的 MEMS+ASIC 兩片式系統(tǒng)級封裝（System in a Package,SiP）的陀螺和加速度計。2019年，高性能MEMS 陀螺和 MEMS 加速度計實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。至此，國內(nèi)掌握了 ＭＥＭＳ 慣性傳感器設(shè)計、制造、封裝和測試等主要技術(shù)環(huán)節(jié)， 具備了開發(fā)高性能 MEMS 慣性傳感器產(chǎn)品的能力 。

１. ２ 率先將 MEMS 慣性傳感器應用于智能輔助駕駛

自 2009 年谷歌研發(fā) Waymo 無人駕駛車開始，全球自動駕駛產(chǎn)業(yè)逐漸開啟。2016 年國內(nèi)企業(yè)開始發(fā)力，大力發(fā)展具有智能輔助駕駛功能的新能源汽車。

在獲取車輛位置信息的技術(shù)方法和傳感器方案方面， 不同廠商之間出現(xiàn)了發(fā)展路徑上的差異。以特斯拉為代表的純視覺方案， 采用車載攝像頭為主要感知設(shè)備， 結(jié)合算法確定車輛的位置信息；以小鵬汽車為代表的 “中國方案”， 即多傳感器融合方案，采用車載攝像頭、車載超聲波雷達、衛(wèi)慣組合導航系統(tǒng)等多種感知設(shè)備，實現(xiàn)多源融合定位；最后是車路協(xié)同方案， 將車載的部分感知能力移到道路側(cè)，通過車輛對外界的信息交換(Vehicleto Everything，V2X) 實現(xiàn)車輛位置信息的獲取和交互。

智能輔助駕駛和自動駕駛對定位系統(tǒng)的基本要求為高精度、 高可靠性、 高可用性， 同時需要滿足功能和安全的要求。僅依靠 GNSS 定位， 在復雜環(huán)境和極端天氣的情況下存在風險，而慣性導航則成為有效的安全冗余。與激光陀螺和光纖陀螺相比， MEMS 慣性傳感器在體積、質(zhì)量、功耗、價格、壽命等方面具有無可替代的巨大優(yōu)勢。然而， MEMS 慣性傳感器的零偏穩(wěn)定性指標與激光陀螺和光纖陀螺相比，差距巨大， 大約是2~3個數(shù)量級。

因此，幾乎沒有人認為 ＭＥＭＳ 慣性傳感器可以應用于無人駕駛系統(tǒng)中感知車輛的位置信息。很多企業(yè)采用光纖慣導和衛(wèi)星進行組合， 在車上進行試驗， 取得了較好的結(jié)果。但是，高昂的價格、 較低的生產(chǎn)效率和較長的生產(chǎn)周期使得這個方案難以在車輛上大規(guī)模應用。

在國內(nèi)造車新勢力特別是小鵬汽車智能輔助駕駛方案的強力牽引下，國內(nèi)企業(yè)敢為天下先，率先嘗試 MEMS 慣性傳感器 ＋ GNSS 組合上車試驗，取得了令人滿意的結(jié)果。車載高精度定位盒子(Positioning Box，P?Box) 對于位置精度、 安全性以及成本把控和量產(chǎn)交付能力有很高的要求， 其主要難點在于：

１) MEMS 慣性傳感器芯片的設(shè)計、制造、 封裝和批量測試等能力和工藝；

２) ＭＥＭＳ 慣性傳感器的精度和標定算法；

３) 成熟的大規(guī)模量產(chǎn)能力；

４) ＡＥＣＱ１００ 車規(guī)級器件認證和 ＩＳＯ２６２６２ 車規(guī)功能安全認證。

在保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品安全性的前提下， 車載 P?Box 的量產(chǎn)交付能力建設(shè)是實現(xiàn)規(guī)模化上車應用的核心關(guān)鍵。在此之前，國內(nèi)還沒有哪個單位進行過類似的嘗試。為了滿足車企的交付需求，車載 P?Box定點企業(yè)不得不轉(zhuǎn)變思路， 以數(shù)字化為基礎(chǔ)， 整合供應鏈、制造、交付、物流、資金周轉(zhuǎn)和現(xiàn)金管理等體系， 形成高效的數(shù)字化業(yè)務流程， ９０％ 以上的設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)， 生產(chǎn)過程所有數(shù)據(jù)實時采集上云， 構(gòu)建了高效的數(shù)字化交付體系。

國內(nèi)企業(yè)將 MEMS 六軸慣性傳感器應用于智能輔助駕駛， 在車載定位這個細分賽道蹚出了一條新路， 走在了國際前列。

１. ３ 消費級 MEMS 慣性傳感器嶄露頭角

我國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，正消耗著全球四分之一的 MEMS傳感器， 需求和市場是巨大的。但是，目前我國大部分 MEMS 傳感器仍然依賴于進口。Bosch、ST、TDK等 IDM 大公司擁有雄厚的技術(shù)實力和資金實力， 自己設(shè)計傳感器， 自己生產(chǎn)傳感器晶圓， 他們的產(chǎn)品無論在價格還是性能等方面均具有巨大的優(yōu)勢。

2006年起， 我國陸續(xù)出臺措施， 引導 MEMS傳感器行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。在政策和市場的雙重加持下， 涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的國產(chǎn) MEMS 傳感器企業(yè)，多家公司成功上市和上市輔導。國內(nèi)已有提供專業(yè) MEMS 代工服務的公司，也有提供封裝和測試代工的企業(yè)， 具備了 MEMS 結(jié)構(gòu)芯片的加工、 封裝和測試能力，但是一致性、重復性、良率等還不能滿足產(chǎn)品競爭的要求。

消費領(lǐng)域同樣存在供應鏈安全的問題， 國產(chǎn)化替代的大背景下， 系統(tǒng)廠商對于 MEMS 陀螺和MEMS 加速度計產(chǎn)品的需求量巨大， 國內(nèi)企業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇。

２ 發(fā)展方向

２. １ L3 及以上級自動駕駛需要安全可靠、低成本、高精度的 MEMS 慣性傳感器

目前， 全球自動駕駛滲透率情況以 L1、L2 級為主， L3~L5 級滲透率較低。國內(nèi)乘用車市場自動駕駛技術(shù)以 L2 級為主， L3 級尚未落地。根據(jù)ICV 預測，2023年～2027年全球自動駕駛滲透率 L2 及以上級呈現(xiàn)增加的趨勢。其中， L2／L2＋級預計 2027年滲透率達 58％ ，L3 級預計2027 年滲透率達 25％ 。

從 L2 級到 L3 級， 自動駕駛的安全性非常突出， 譬如對自動駕駛車輛進行測試， 15萬公里測試能夠發(fā)現(xiàn) 99.9％ 的問題， 但是剩余 0.1％ 的問題可能在 １５ 億公里都未能發(fā)現(xiàn)和解決。這個 0.1％乘以每年上路的幾億輛車和行駛公里數(shù)， 那就是天文數(shù)字。因此， 如何讓自動駕駛汽車比飛機更安全？具有功能安全的、具有99.9999％ 可靠性的傳感器必不可少。

價格在 30 萬元以上的乘用車市場占有率很有限， 因此乘用車高精度定位產(chǎn)品的裝車率在 1.8％左右。未來高精度定位產(chǎn)品一定會往 20 萬元乃至10 萬等級的車滲透， 那么巨大的成本壓力就會隨之而來。在不影響安全和質(zhì)量的前提下，MEMS 慣性傳感器降本是必然的，價格應非常低，而且性能和可靠性要求還非常高。

２. ２ 人形機器人打開了 MEMS 慣性傳感器的成長空間

長期來看， 根據(jù)麥肯錫預測， 全球人形機器人市場空間可達 120 萬億級別， 是一個嶄新且空間龐大的藍海市場。據(jù)艾瑞咨詢預測，2021年~2025年國內(nèi)智能機器人市場規(guī)模的年平均復合增長率將達到 40％ ，2025年國內(nèi)智能機器人市場規(guī)模接近千億， 這將帶動 MEMS 慣性傳感器的需求量不斷增長。

MEMS 慣性傳感器可以獲取人形機器人的 MEMS IMU 可監(jiān)測人形機器人的實時狀態(tài)、 位置信息以及運動軌跡， 維持人形機器人完成走、跑、蹲等動作的姿態(tài)平衡。單臺人形機器人采用 １ 顆或多顆MEMS IMU， 市場空間廣闊。MEMS IMU 與其他傳感器融合， 如立體聲攝像機、 關(guān)節(jié)編碼器、 力扭矩傳感器、 足部接觸傳感器等， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)互補， 估計姿態(tài)足的質(zhì)心位置、 速度、 方向、 角速率和角動量， 共同進行機器人狀態(tài)反饋并完成下一步動作， 應用于機器人的下蹲起立、前后行走、上下樓梯、回避障礙等場景。

２. ３ MEMS慣性傳感器朝著集成、融合、智能方向邁進

在高性能和低成本的需求牽引下， MEMS 慣性傳感器的主要性能指標———零偏穩(wěn)定性將達到 0.05(°) ／h， 并且實現(xiàn)多軸集成， 即三軸陀螺和三軸加速度計集成在一起， 同時與衛(wèi)星芯片將逐漸走向融合。影響卡爾曼濾波算法精度的時間更新和量測更新將隨著集成化而減小數(shù)據(jù)延時，提高定位精度。

隨著集成化程度越來越高，產(chǎn)品的成本將更具競爭力，芯片集成或成產(chǎn)品終極形態(tài)。先進的封裝技術(shù)特別是 3D 堆疊封裝技術(shù)， 可以將多個芯片組合封裝，可在有限的體積內(nèi)集成更多的傳感芯片，實現(xiàn)更復雜、更強大的功能。

MEMS 慣性傳感器的零偏精度和標度誤差直接影響航跡推算的精度。因此，對慣性傳感器的誤差分析和補償是提高定位精度的主要方法。隨著ASIC技術(shù)的不斷進步和成熟，傳感器的信號檢測與處理電路、閉環(huán)控制電路和計算單元將高度集成在一起，誤差補償算法、自校準、自標定以及功能安全算法都將在傳感器芯片層運行。

３ 展望

隨著 MEMS 慣性傳感器性能指標不斷提升，體積和功耗不斷減小，成本和價格不斷降低， 其應用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大。在牢牢占據(jù)消費電子市場的同時，將緊跟人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展步伐， 在智能汽車、人形機器人、無人機、無人系統(tǒng)中得到廣泛應用。國內(nèi)的高校、 研究所和創(chuàng)新企業(yè)必將獲得高速發(fā)展的機遇，國產(chǎn) MEMS 慣性傳感器不僅將占據(jù)國內(nèi)市場，還將在國際市場占有一席之地。

審核編輯 黃宇