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MEMS 惯性传感器的发展历程与主要路线
发布日期:2024-01-27 06:56     点击次数:131

作者:丁衡高

本文摘要发表于2023年,中国工程院院士、中国人民解放军上将丁衡高最新签名撰写论文。丁衡高院士是中国唯一两位同时有两个头衔的“上将院士”。

本文是根据多年来丁衡高院士与惯性技术界相关同志的多次讨论整理而成的,主要讨论近30年来中国的情况 MEMS 惯性传感器技术取得了巨大的进步和未来的发展。数据显示,丁衡高院士出生于1931年,今年93岁,仍关心我国惯性技术的发展。丁衡高院士不仅是中国工程院第一批院士之一,也是中国著名的惯性技术和精密仪器专家。作为中国战略导弹惯性技术的创始人之一,他也是中国惯性技术发展的主要推动者,也是中国MEMS等微米纳米技术的主要倡导者。详见下文。

本文来自导航和控制,相关内容可能被删除。请订阅期刊查看所有内容的原文。《导航与控制》成立于2002年,由中国航天科技集团有限公司主办,由北京航天控制仪器研究所主办。它是反映海洋、陆地、空气、天空和民用领域惯性技术发展的学术期刊,也是中国惯性技术领域的权威期刊。

1931年2月,中国人民解放军上将、中国工程院院士丁衡高,惯性技术和精密仪器专家。1952年毕业于东南大学机械系(现机械工程学院)。先后担任国防科工委主任、中国工程院主席团成员、中国宇航学会名誉理事长等职务。丁衡高是我国战略导弹惯性技术的创始人之一,是我国惯性技术学科发展的主要推动者,也是我国微米纳米技术的倡导者。陀螺仪、加速度计、惯性平台系统等。长期从事制导武器的开发。

近三十年来,MEMS 惯性传感器技术取得了巨大进步, 在人类生活中, 广泛应用于工业和高端设备。总结MEMS 我国惯性传感器的发展历程及主要路线, 并且以车辆辅助驾驶为例, 总结国内外 MEMS 惯性传感技术的快速发展和典型应用, 研判了 MEMS惯性传感器正朝着高可靠性、集成性、高集成性和智能化的方向发展。

前言   P

1994年11月中旬, 首届 “全国纳米科技学术会议” ,专有学术名词已确定 “微米纳米技术”。

“九五”期间,我国以开发高性能MEMS惯性传感器为发展军用微米纳米技术战略,紧紧围绕微惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit,MIMU)进行技术攻关的需要。

弹指一挥间三十年,MEMS 从实验室探索研究到工程应用,惯性传感器在技术和产品上都取得了很大的进步, 消费电子, 车载导航、 物联网、 广泛应用于工业设备和高端设备。

发展现状和成就    

1. 1 高性能 MEMS 惯性传感器产品已推广应用 

当前, 全球高性能 MEMS惯性传感器产品市场集中度高, Honeywell主要是市场份额、ADI、Northrop Grumman以上。国产高性能 MEMS 陀螺产品的核心指标可与国际大公司一起使用 等待巨头占据,份额在 50%Honeywell 对标, 实现国内自主生产, 尽管市场渗透率有待进一步提高, 但解决了设备应用问题 “卡脖子” 的问题。

MEMS陀螺探索研究的主要方案有:质量块振动陀螺、音叉陀螺、 四质量陀螺、环形陀螺等;MEMS 探索加速度计的主要方案有:跷跷板加速度计, 三明治式加速度计, 梳齿加速度计和谐振梁加速度计等。 Top-Down 的方式, 陀螺和加速度计的敏感结构主要采用体硅工艺制造。

通过技术引进等手段, 建立了 6inch 硅基标准制造工艺平台, 提高加工水平, 保证深宽比, 垂直度、 机械参数的尺寸精度,如底部钻蚀, 然后大大提高了设计师的理解水平。

2011年底, 国内基于陶瓷外壳开发的陶瓷外壳在国内开发 MEMS ASIC 两片式系统级封装(System in a Package,SiP)陀螺和加速度计。2019年,高性能MEMS 陀螺和 MEMS 加速度计实现大规模量产。到目前为止,国内已经掌握 MEMS 主要技术环节,如惯性传感器的设计、制造、包装和测试, 具有高性能的开发 MEMS 惯性传感器产品的能力 。

1. 2 率先将 MEMS 惯性传感器应用于智能辅助驾驶 

智能辅助驾驶和自动驾驶对定位系统的基本要求是高精度、 高可靠性、 高可用性, 同时需要满足功能和安全要求。仅依靠 GNSS 定位, 在复杂的环境和极端的天气条件下存在风险,而惯性导航则成为有效的安全冗余。与激光陀螺和光纤陀螺相比, MEMS 惯性传感器在体积、质量、功耗、价格、寿命等方面具有不可替代的优势。然而, MEMS 与激光陀螺和光纤陀螺相比,惯性传感器的零偏稳定性指标, 差距巨大, 大约2~3个数 量级。

因此,很少有人认为 MEMS 惯性传感器可用于无人驾驶系统中感知车辆的位置信息。许多企业采用光纤惯导和卫星组合, 在车上进行试验, 取得了更好的效果。但是,价格高, 该方案生产效率低,生产周期长,难以在车辆上大规模应用。

在国内造车新势力特别是小鹏汽车智能辅助驾驶方案的大力牵引下, 芯片采购平台 国内企业敢为天下先, 率先尝试 MEMS 惯性传感器 + GNSS 组合上车试 验, 取得了令人满意的结果。

在保证产品质量和安全的前提下, 车载 P⁃Box 量产交付能力的建设是实现大规模上车应用的核心关键。在此之前,中国没有一个单位做过类似的尝试。

国内企业将 MEMS 智能辅助驾驶采用六轴惯性传感器, 这条细分赛道在车载定位上涉足了一条新路, 走在国际前列。

1. 3 消费级 MEMS 惯性传感器崭露头角 

作为世界上最大的电子产品生产基地,中国正在消耗世界四分之一 MEMS传感器, 需求和市场是巨大的。但是, 目前,中国大部分地区 MEMS 传感器仍然依赖于进口。BoschSTTDK等 IDM 大公司技术实力和财务实力雄厚, 自行设计传感器, 生产自己的传感器晶圆, 他们的产品在价格和性能上都有很大的优势。

消费领域也存在供应链安全问题, 在国产化替代的背景下, 对于系统制造商 MEMS 陀螺和 MEMS 对加速度计产品的需求量很大, 国内企业迎来 新的发展机遇。

发展方向

2. 1 L3 上级自动驾驶需要安全可靠、低成本、高精度 MEMS 惯性传感器 

目前, 全球自动驾驶渗透率 L1、L2 级为主, L3~L5 水平渗透率较低。国内乘用车市场自动驾驶技术 L2 级为主, L3 等级尚未落地。根据 ICV 预测,2023年~2027年全球自动驾驶渗透率 L2 而上级则呈上升趋势。其中, L2/L2+级预计 2027年渗透率达 58% ,L3 级预计2027 年渗透率达 25% 。

从 L2 级到 L3 级, 自动驾驶的安全性非常突出, 例如,测试自动驾驶车辆, 15万公里的测试可以发现 99.9% 的问题, 但是剩余 0.1% 问题可能是 15 没有发现和解决1亿公里。这个 0.1% 乘以每年上路的数亿辆车和行驶公里数, 那就是天文数字。因此, 如何让自动驾驶汽车比飞机更安全?功能安全,99.9999% 传感器的可靠性至关重要。

价格在 30 乘用车市场份额在1万元以上非常有限, 因此,乘用车高精度定位产品的装载率在于 1.8% 左右。未来,高精度定位产品肯定会发生 20 万元乃至10 一万级车辆渗透, 那么巨大的成本压力就会随之而来。在不影响安全和质量的前提下,MEMS 惯性传感器降低成本是必然的,价格应该很低,性 能和可靠性要求还是很高的。

2. 2 人形机器人打开了 MEMS 惯性传感器的生长空间 

MEMS 惯性传感器可以获得人形机器人 MEMS IMU 可监测人形机器人的实时状态, 位置信息和运动轨迹, 保持人形机器人完成行走、跑步、蹲着等动作的姿势平衡。采用单台人形机器人 1 或多个MEMS IMU, 广阔的市场空间。MEMS IMU 与其它传感器融合, 例如立体声相机, 关节编码器, 扭矩传感器, 足部接触传感器等, 实现数据互补, 估计足够姿势的质地位置, 速度、 方向、 角速和角动量, 联合反馈机器人状态,完成下一步行动, 应用于机器人蹲起、前后行走、上下楼梯、避障等场景。

2. 3 MEMS惯性传感器朝着集成、集成、智能的方向发展 

随着集成程度的提高,产品成本将更具竞争力,芯片集成或成为产品的终极形式。先进的包装技术,特别是 3D 堆叠包装技术, 多芯片可以组合包装,更多的传感芯片可以集成在有限的体积内,实现更复杂、更强大的功能。

MEMS 惯性传感器的零偏差精度和标度误差直接影响航迹计算的精度。因此,分析和补偿惯性传感器的误差是提高定位精度的主要途径。随着 随着ASIC技术的不断进步和成熟,传感器的信号检测和处理电路、闭环控制电路和计算单元将高度集成,误差补偿算法、自校准算法、自校准算法和功能安全算法将在传感器芯片层中运行。

随着 MEMS 惯性传感器性能指标不断提高,体积和功耗不断下降,成本和价格不断下降, 其应用领域将继续扩大。在牢牢占领消费电子市场的同时,将紧跟人工智能AI)技术发展步伐, 广泛应用于智能汽车、人形机器人、无人机和无人系统。国内高校、 研究所和创新企业将获得快速发展的机遇,国内 MEMS 惯性传感器不仅会占据国内市场,还会在国际市场占有一席之地。

审核编辑:黄飞

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