前言：【核芯觀察】是電子發(fā)燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產(chǎn)業(yè)架構(gòu)，理清上、中、下游的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)迅速了解各大細(xì)分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。本期【核芯觀察】，將對(duì)IMU慣性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行梳理，從市場(chǎng)現(xiàn)狀、應(yīng)用場(chǎng)景、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成、產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)分布、發(fā)展趨勢(shì)等幾個(gè)部分剖析IMU產(chǎn)業(yè)。本期主要介紹MEMS IMU的概念，以及產(chǎn)業(yè)鏈上需要關(guān)注的制造難點(diǎn)。

MEMS IMU概念

IMU全稱Inertial Measurement Unit，即慣性測(cè)量單元，泛指空間姿態(tài)傳感器，是一種用于測(cè)量物體在三維空間內(nèi)的姿態(tài)角以及加速度的裝置。一般來(lái)說(shuō)，IMU由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀組成，也有少數(shù)應(yīng)用在IMU中增加三軸磁力計(jì)。

其中加速度計(jì)時(shí)用于測(cè)量物體在各個(gè)方向的加速度，通過(guò)加速度可以計(jì)算出當(dāng)前物體在三個(gè)軸方向上的速度。

陀螺儀用于測(cè)量物體的角速度，即物體繞軸旋轉(zhuǎn)的速率，根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出物體轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

磁力計(jì)是用于測(cè)量物體周圍的磁場(chǎng)，可以確定物體朝向在地球坐標(biāo)系中的方向，本質(zhì)上類似于指南針。

市面上的IMU可以分為3軸、6軸和9軸。3軸IMU是指只有三軸陀螺儀，也就是只能識(shí)別物體在x、y、z軸三個(gè)自由度上的姿態(tài)信息；六軸IMU則在三軸IMU的基礎(chǔ)上增加了三軸加速度計(jì)；九軸IMU在六軸IMU的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)三軸磁力計(jì)。

IMU的實(shí)現(xiàn)形式有多種，比如陀螺儀有根據(jù)角動(dòng)量守恒原理制造的機(jī)械陀螺儀，根據(jù)薩格納克效應(yīng)制作的光纖陀螺等；加速度計(jì)可以由一個(gè)兩端連接彈簧的質(zhì)量塊組成，根據(jù)質(zhì)量塊的位移距離反推出質(zhì)量塊被施加的力，從而根據(jù)牛頓第二定律F=ma計(jì)算出加速度a。

但顯然，采用以上結(jié)構(gòu)的陀螺儀和加速度計(jì)，本身體積已經(jīng)相當(dāng)大，不可能再被集成到一些小型電子設(shè)備上。因此為了將IMU集成到電子設(shè)備上，就需要用到MEMS微機(jī)電技術(shù)了，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用集成電路制造技術(shù)制作的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。

MEMS器件的特征長(zhǎng)度從一毫米到一微米不等，主要特點(diǎn)就是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成和大批量生產(chǎn)等，比如上面提到根據(jù)不同原理制造的傳感器。

在MEMS IMU中，主要包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)和ASIC信號(hào)處理芯片。

MEMS加速度計(jì)有幾種實(shí)現(xiàn)形式，一種就是類似于前面提到的機(jī)械加速度計(jì)，用MEMS制造技術(shù)打造一個(gè)微縮的質(zhì)量塊和彈簧；二是通過(guò)測(cè)量振動(dòng)單元頻率的變化來(lái)推算加速度，即將一個(gè)以特定頻率振動(dòng)的懸臂固定在平臺(tái)上，懸臂另一端配備一個(gè)小質(zhì)量塊，當(dāng)測(cè)量的方向上有加速度時(shí)，懸臂就會(huì)彎曲，從而導(dǎo)致振動(dòng)單元頻率發(fā)生改變，并間接計(jì)算出加速度。

MEMS陀螺儀則是使用壓電材料制作出一個(gè)在平面中進(jìn)行往復(fù)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)，基于科里奧利效應(yīng)（即在旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中移動(dòng)物體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象），當(dāng)傳感器發(fā)生不同方向的旋轉(zhuǎn)時(shí)，該結(jié)構(gòu)平行于平面的往復(fù)振動(dòng)就會(huì)變成傾斜于平面。這個(gè)時(shí)候通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)間電容的變化就可以估算出傳感器在某個(gè)軸方向上的角速度。

MEMS IMU的精度相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，它的誤差主要有幾種因素造成。首先當(dāng)IMU靜止時(shí)，加速度計(jì)在z軸上應(yīng)該輸出g，也就是重力加速度，陀螺儀三軸則都應(yīng)該輸出0。但因?yàn)榧庸み^(guò)程中不可避免的偏差，這些靜止的數(shù)據(jù)輸出會(huì)隨著時(shí)間逐漸發(fā)生變化，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移。

其次是由于MEMS IMU本身尺寸極小，材料容易受到溫度或時(shí)間影響而出現(xiàn)變化，也就是會(huì)出現(xiàn)溫漂現(xiàn)象，當(dāng)然這個(gè)可以通過(guò)算法在一定程度上進(jìn)行修正。

最后是因?yàn)橐话阍贛EMS IMU中加速度計(jì)和陀螺儀是分開(kāi)制造和裝配，因?yàn)樽鴺?biāo)系不重合，所以會(huì)出現(xiàn)可能的軸偏角誤差。

從上述的內(nèi)容我們能夠大致了解到，MEMS IMU的技術(shù)難點(diǎn)主要就是如何降低誤差以及提高精度，具體包括MEMS制造工藝以及ASIC算法等。

MEMS IMU制造難點(diǎn)

前面提到MEMS IMU的技術(shù)難點(diǎn)主要就是如何降低誤差以及提高精度，具體包括MEMS制造工藝以及ASIC算法等。這里從制造工藝的角度來(lái)分析一下MEMS IMU的難點(diǎn)。

MEMS制造技術(shù)基于成熟的集成電路技術(shù)及其加工工藝，與我們熟知的傳統(tǒng)IC工藝有很多相似的地方，比如光刻、刻蝕、薄膜沉積、摻雜、刻蝕等等。不過(guò)也有一些區(qū)別。IC制造主要涉及半導(dǎo)體材料的加工，比如光刻、蒸發(fā)、離子注入等步驟，而MEMS制造核心在于微機(jī)械結(jié)構(gòu)，一些復(fù)雜的微機(jī)械結(jié)構(gòu)難以直接復(fù)用IC制造工藝實(shí)現(xiàn)。

因此MEMS制造的關(guān)鍵還在于微加工技術(shù)。MEMS微加工技術(shù)包括表面微加工、體微加工、激光加工、離子束加工技術(shù)等。其中表面微加工是指在材料表面進(jìn)行微小尺度的加工和處理，包括薄膜沉積、光刻、腐蝕、離子注入等工藝，用于制造MEMS傳感器等微型器件。表面微加工的特點(diǎn)是加工精度高、對(duì)材料影響小、適用于制造微米級(jí)和納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。

體微加工技術(shù)是通過(guò)對(duì)整體材料進(jìn)行離子刻蝕、濕法腐蝕等加工方法，制備微米級(jí)的孔洞、通道等結(jié)構(gòu)，常用于制備MEMS慣性傳感器、壓力傳感器等器件。

激光加工技術(shù)則是利用激光束對(duì)材料進(jìn)行精密加工，可以實(shí)現(xiàn)高精度的切割、打孔和表面改性，常用于制備微型光學(xué)器件和微流控器件。

離子束加工技術(shù)利用離子束對(duì)材料表面進(jìn)行刻蝕和改性，可以實(shí)現(xiàn)微小尺寸結(jié)構(gòu)的加工和制備，常用于制造微型光學(xué)元件和傳感器。

而這些加工技術(shù)的精度，對(duì)MEMS IMU的性能影響很大。在MEMS4.傳感器的制造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)層厚度的精確度對(duì)器件性能至關(guān)重要，不精確的厚度會(huì)直接影響MEMS設(shè)備的性能。此外，邊墻形貌不佳、內(nèi)應(yīng)力和黏附力問(wèn)題等都會(huì)影響器件性能和良率。

除了制造工藝外，材料也是MEMS產(chǎn)業(yè)中極為重要的一環(huán)。首先是材料的選擇直接影響到MEMS器件的性能，包括傳感器的靈敏度、執(zhí)行器的響應(yīng)速度等。不同材料具有不同的物理特性，如導(dǎo)電性、耐腐蝕性、熱導(dǎo)率等，而不同的應(yīng)用根據(jù)需求要選擇合適的材料。

同時(shí)，材料的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)MEMS器件的工作可靠性十分關(guān)鍵，一些材料可能會(huì)受到環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生腐蝕或老化，從而影響MEMS器件的性能和壽命。

另外，制造工藝和成本也是MEMS器件選擇不同材料的考慮因素。首先材料選擇會(huì)影響到MEMS器件制造工藝，加工工藝不同對(duì)制造成本會(huì)有一定影響；其次是材料本身的價(jià)格，對(duì)于MEMS器件來(lái)說(shuō)，需要考慮到材料所帶來(lái)的性能以及材料成本，兩者綜合考慮才能成為商業(yè)化量產(chǎn)產(chǎn)品。

在MEMS 器件封裝方面，材料也起到重要作用。一方面是封裝需要盡量避免給器件帶來(lái)的應(yīng)力，封裝材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等熱特性對(duì)于MEMS器件的散熱和穩(wěn)定性至關(guān)重要。選擇合適的熱特性匹配的封裝材料是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是在高溫或快速溫度變化的環(huán)境下。

因此，MEMS實(shí)際上是一項(xiàng)跨多個(gè)學(xué)科的技術(shù)，這涉及微電子、機(jī)械、材料、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，同時(shí)要求這些領(lǐng)域高度交叉融合，所需要的復(fù)合型人才少之又少，所以MEMS的產(chǎn)業(yè)鏈背后還需要成熟的人才教育和培養(yǎng)體系，這導(dǎo)致了整體迭代周期和研發(fā)周期都較長(zhǎng)。