（1）MEMS陀螺仪的发展情况
①陀螺仪的发展历史
最早的陀螺仪基于牛顿经典力学原理，利用高速旋转的陀螺转子来测量计算运动载体的旋转角速率。
经历一百多年的漫长发展，人们又研制出了多种基于不同测量原理具有不同测量精度的陀螺仪。按不同测量原理和发明先后，惯性技术发展通常分为四代，MEMS陀螺仪是第三代陀螺仪的代表。
第一代，基于牛顿经典力学原理。
典型代表为静电陀螺以及动力调谐陀螺，其特点是种类多、精度高、体积质量大、系统组成结构复杂、性能受机械结构复杂性和极限精度制约、产品制造维护成本昂贵。
第二代，基于萨格奈克效应。
典型代表是激光陀螺和光纤陀螺，其特点是反应时间短、动态范围大、可靠性高、环境适应性强、易维护、寿命长。光学陀螺技术较为成熟，精度高，随着产品迭代，光学陀螺及其系统应用从战术级应用逐步拓展到导航级应用，在陆、海、空、天等多个领域中得到批量应用，但由于其成本高、体积大，应用领域受到一定限制。
第三代，基于哥氏振动效应和微纳加工技术。
典型代表是半球谐振陀螺和MEMS陀螺。半球谐振陀螺是哥式振动陀螺仪中的一种高精度陀螺仪，正逐步在空间、航空、航海等领域开展应用，但受限于结构及制造技术，市场上可规模化生产的企业较少。MEMS陀螺仪具有体积小、重量轻、环境适应性强、价格低、易于大批量生产等特点，率先在汽车和消费电子领域得到了大量应用。随着性能的进一步提高，MEMS陀螺仪应用也被拓展到了工业、航空航天等领域，使得惯性系统应用领域大为扩展。
第四代，基于现代量子力学技术。
典型代表为核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目标是实现高精度、高可靠、小型化和更广泛应用领域的导航系统，目前仍处于早期研究阶段。MEMS陀螺仪具有小型化、高集成、低成本的优势，解决了第一、二代陀螺仪体积质量大、成本高的不足，并随着精度和稳定性的持续提升，在陀螺仪市场中占据了重要的位置。
②不同类型陀螺仪的应用情况及发展趋势
目前，市场上大量使用的陀螺仪主要包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪，上述陀螺仪技术发展处于相对成熟的状态，应用领域相对广泛。
激光陀螺仪和光纤陀螺仪分别属于第一代光学陀螺仪和第二代光学陀螺仪，其中激光陀螺仪利用光程差的原理来测量角速度，两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺的角速度。
光纤陀螺仪使用与激光陀螺仪相同的基本原理，但由于光纤可以进行绕制，因此光纤陀螺仪中激光回路的长度比激光陀螺仪增加，使得检测灵敏度和分辨率也提高，从而有效地克服了激光陀螺仪的闭锁问题。
随着微机械电子系统（MEMS）等学科的兴起，基于哥氏振动效应和微纳加工技术的MEMS陀螺仪开始出现，MEMS陀螺仪具备小型化、高集成、低成本的特点，因此，虽然其精度较激光陀螺仪与光纤陀螺仪低，但仍具有广阔的应用场景。MEMS陀螺仪与激光陀螺仪、光纤陀螺仪（下称两光陀螺）的具体差异比较情况如下：
综上来看，由于不同技术路线的陀螺仪可实现类似的功能，因此MEMS陀螺仪和两光陀螺在部分无人系统、高端工业、高可靠等应用领域有所重合。随着高性能MEMS陀螺仪的精度不断提升，并依托成本的优势，可逐步应用于中低精度两光陀螺的应用领域。同时，由于高性能MEMS陀螺仪具有小体积、高集成、抗高过载的优势，可以解决光纤陀螺和激光陀螺由于体积较大、抗冲击能力弱的问题，满足高可靠、无人系统等领域智能化升级的要求，进一步拓展高性能MEMS陀螺仪的增量市场。
根据Yole发布的High-EndInertialSensing2022，高性能MEMS陀螺仪在工业级应用领域使用较为广泛，占据了该应用领域86%的市场份额，具体应用场景包括资源勘探、测量测绘、光电吊舱等；在战术级和导航级应用领域，两光陀螺应用比较广泛，分别占据了该应用领域78%和92%的市场份额，具体应用场景包括无人系统、卫星姿态控制系统、动中通等；在战略级应用领域，激光陀螺仪的适用性较强，占据了该应用领域72%的市场份额，具体应用场景为航天航海等领域。
（2）MEMS加速度计
MEMS加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。加速度计的理论基础是牛顿第二定律，传感器在加速过程中，可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值。如果初速度已知，就可以通过加速度对时间积分得到线速度，再次通过线速度对时间积分可计算出直线位移。
按工作原理划分，MEMS加速度计可以分为以下类型：电容式、压电式、热感式、谐振式等。其中，电容式MEMS加速度计是目前应用最多的类型。电容式MEMS加速度计具有检测精度高、受温度影响小、功耗低、宽动态范围、以及可以测量静态加速度等优点，被广泛应用于消费电子、汽车、工业、高可靠等各个领域。公司MEMS加速度计即为电容式。
（3）MEMS惯性系统
从技术层次来看，惯性技术领域可以分为惯性器件与惯性系统两个层级，惯性器件主要包括测量角速率的陀螺仪和测量线加速度的加速度计；惯性系统是以惯性器件为核心，利用集成技术实现的惯性测量、惯性导航以及惯性稳控系统，其中惯性导航应用领域最为广泛。
目前，MEMS惯性系统已由发展初期的消费、汽车领域扩展到工业、航空航天等高端应用领域。
①惯性导航
惯性导航系统的核心器件是陀螺仪和加速度计。通常情况下，每套惯性系统包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，分别测量三个自由度的角速率和线加速度；通过对角速率和线加速度按时间积分以及叠加运算，可以动态确定自身位置变化，从而确定自身移动轨迹以实现导航功能。惯性导航的工作原理如下图所示：
惯性导航不借助外源信息，也不向外发送任何信号，因而不用借助其他设备，可免受外界干扰影响。除独立使用外，惯性导航还可以与卫星导航结合使用，形成组合导航系统，具备以下主要优势：一方面，在开放的外界环境中使用卫星定位导航确定绝对位置，可利用惯性导航提高位置更新速率；另一方面，在高架桥、山间隧道等卫星信号较弱甚至消失的场合，设备可自动切换至惯性导航来提供定位信息以继续导航。
②惯性测量
惯性测量系统是利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机测量载体相对于地面运动的角速率和加速度，以确定载体的位置和地球重力场参数的组合系统。
目前已被应用于石油测斜、城市测绘、地质监测、寻北仪表等领域。例如，陀螺寻北仪通常采用陀螺仪和加速度计的组合方案，利用陀螺仪测量地球旋转角速率的水平分量以获得载体的北向信息，利用加速度计测量陀螺的姿态角，对陀螺信号进行补偿。通过多位置法消除陀螺仪和加速度计的零偏影响，经过计算得到陀螺仪转轴与正北方向的夹角，系统原理如下所示：
③惯性稳控
惯性稳控是通过连续监测系统姿态与位置变化，利用伺服机构动态调整系统姿态，使被稳定对象与设定目标保持相对稳定的装置。惯性稳控利用陀螺仪敏感框架的角速率信号，利用控制算法进行伺服结构的控制，保持在外部干扰情况下平台的稳定，提高平台设备工作的性能。
惯性稳控因其隔离载体干扰的能力，在各类运动平台得到了广泛的应用。常见的惯性稳控包括动中通天线，光电吊舱，摄像平台等。随着MEMS陀螺仪性能的不断提高，MEMS陀螺仪在惯性稳控系统中得到了越来越多的应用。系统原理如下所示：
（4）MEMS惯性传感器市场
①全球市场
根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年世界MEMS惯性传感器市场规模约35.09亿美元，具体情况如下：
其中，2021年MEMS陀螺仪和MEMS加速度计市场规模达到15.93亿美元，占全球MEMS行业总市场规模的45.40%。
②国内市场
根据头豹研究院公司发布的《2022年中国MEMS传感器行业概览》，2021年中国MEMS惯性传感器市场规模约136.00亿元，具体情况如下：
（5）高性能MEMS惯性传感器行业状况、技术水平及市场竞争情况
高性能MEMS惯性传感器行业不同于其他MEMS惯性传感器主要应用于消费电子领域，高性能MEMS惯性传感器主要适用于高端工业、无人系统、高可靠等应用领域。
目前高性能惯性传感器主要通过三种技术实现，分别是激光惯性技术、光纤惯性技术和MEMS惯性技术。
激光惯性技术和光纤惯性技术主要基于萨格奈克效应发挥作用，分别于20世纪90年代和21世纪初进入技术成熟期，技术特点是精度较高但体积和重量较大，生产成本高；MEMS惯性技术基于哥氏振动效应发挥作用，目前技术正逐渐进入成熟期，国际MEMS惯性技术代表性公司为Honeywell、ADI等，国内MEMS惯性技术代表性公司为芯动联科等，上述公司均掌握先进的MEMS惯性传感器技术体系，产品性能均为国际先进。
目前，高性能MEMS陀螺仪的精度水平可以达到中低精度的激光陀螺仪和光纤陀螺仪，随着MEMS惯性技术的愈发成熟，MEMS惯性传感器在保持原有低成本、小体积、可批量生产的特点下，精度水平不断提高，目前可在诸多战术级应用场景替代激光陀螺和光纤陀螺，并逐渐渗透导航级应用场景。高性能MEMS加速度计接近石英加速计水平，可达到导航级水平。MEMS惯性技术作为惯性传感器领域的主流技术之一，将在自动驾驶和高端工业等领域覆盖更多新的应用场景，市场空间较为广阔。
①高性能MEMS惯性传感器行业状况、市场竞争情况
根据Yole统计的数据，2021年，全世界高性能MEMS惯性传感器市场规模约71,000万美元（含MEMS惯性传感器系统），约452,270万元人民币，世界MEMS惯性产品销售额集中在Honeywell、ADI、NorthropGrumman/Litef等行业巨头手中，市场份额前三的公司合计占有50%以上的份额。
②高性能MEMS惯性传感器行业技术水平情况
A.高性能MEMS陀螺仪
MEMS陀螺仪的性能及技术水平是高性能MEMS惯性传感器行业技术水平的集中体现，技术水平先进的国内外企业在MEMS结构设计、MEMS工艺、ASIC设计方面均具备较强实力。
目前，行业内企业为实现MEMS陀螺仪的高灵敏度、强抗干扰和高精度，MEMS芯片设计结构从传统双质量块方案向四质量块结构、多环结构等新型对称结构发展。MEMS工艺方面，加工工艺由传统的硅-玻璃工艺过渡到全硅工艺，此外，为降低材料不匹配引起的测量偏差，行业内公司采用晶圆级高真空技术、薄膜吸气技术等，实现高Q值，实现机械增益的大幅提升。电路设计方面多采用数模混合ASIC电路以满足体积小、功耗低的要求。综合上述技术，行业内企业逐步实现正交误差补偿，模态匹配，标度因数自补偿，标度因数自校准，耦合消除等目标。发行人选取行业内代表性公司在研或高精度的MEMS陀螺仪产品，说明行业技术水平情况。
B.高性能MEMS加速度计
行业内技术水平先进的国际巨头传感器公司在加速度计MEMS结构设计、MEMS工艺、电路设计方面均具备较强实力。目前为实现加速度计高灵敏度、环境适应性好，高精度的特点，加速度计从传统单质量块技术方案向多质量块阵列式结构技术方案演进，检测机理从AM向FM演进，同时由于谐振式加速度计具有高精度潜能、准数字输出等特点，谐振式技术方案愈发为客户采纳。MEMS工艺方面，加速度计工艺方案由传统的硅-玻璃工艺过渡到全硅工艺，降低材料不匹配和走线引起的寄生和热失配，并采用高深宽比的体硅深槽刻蚀等技术，实现机械增益的大幅提升。电路与算法方面，加速度计实现上由分立器件向数模混合ASIC过渡，满足SWaP-C要求，并在算法上着力发展误差在线补偿和抑制等技术。
（6）MEMS惯性传感器应用领域
目前MEMS惯性传感器已被广泛应用于工业与通信、高可靠、汽车电子、医疗健康、消费电子等多个领域。MEMS惯性传感器应用领域如下图所示：
随着MEMS惯性技术的持续进步，高性能MEMS惯性传感器应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能MEMS惯性传感器主要应用于消费电子和汽车等领域。
高性能MEMS惯性传感器的典型应用领域如下：
①无人系统
无人系统是指具有一定自治能力和自主性的无人控制系统，它是人工智能、机器人技术以及实时控制决策系统的结合产物。通过利用惯性器件及捷联惯性导航技术，可以为无人系统提供精确的速度、位置和姿态等信息，从而实现其精确的导航定位和姿态控制。无人系统能广泛替代人类于各种环境下独立完成布置的任务，而不需要或者只需要极少操控人员的控制，大大扩充了人类的行为能力。无人系统包含无人机、无人车、无人船、无人潜航器以及机器人等多种无人平台，其中尤以无人机的应用最为广泛。根据DroneIndustryInsight数据，2020年全球无人机市场规模为209亿美元，预计到2026年全球无人机市场规模将达413亿美元，2020-2026年复合增长率为12.02%。
2020年新冠疫情爆发，无人机作为智能无人化工作的代表，具有高效无休、零接触的工作特点，成为阻断疫情传播的防控利器，在安防巡检、消杀作业、物流配送、宣传喊话、照明测温、农业植保等方面发挥了重要的作用。Frost&Sullivan估计，2020年中国民用无人机行业整体市场规模达599亿元，发展潜力巨大。
②自动驾驶
现代汽车系统已经搭载了多种MEMS惯性传感器，如陀螺仪、加速度计、磁力计和惯性测量单元，以增强汽车的可靠性，提高驾驶的安全性。最早应用于汽车的是MEMS加速度计，用于监测汽车运行状态，判断突然减速过程中是否启用安全气囊，MEMS加速度计还被用于胎压监测（TPMS）中监测车辆运动状态以优化TPMS传感器的电池寿命，MEMS陀螺仪也被大量用于车身稳定系统以增强行车安全性。如今，MEMS惯性测量单元正逐步被用于自动驾驶并辅助GPS导航，在卫星信号较弱甚至丢失的情况下，根据惯性测量单元实时测量的加速度和角速率信息，继续利用惯性导航以推算出最新的位置，在短时间内仍可得到较高精度的位置信息，利用航迹推算实现短时导航，大大提高了用户体验。根据iimedia估计，2025年全球无人驾驶汽车市场规模将突破1,200亿美元，2021-2025年复合增长率为46.78%，增长潜力巨大。
根据中商产业研究院数据，2017-2021年我国无人驾驶市场规模由681亿元增至2,358亿元，年均复合增长率为36.4%。中商产业研究院预测，2022年我国无人驾驶市场规模可达2,894亿元。发行人在研项目MEMS惯性导航系统应用于自动驾驶，预计2023年项目结项后，发行人在自动驾驶领域的占有率有望逐步提高。
③测量测绘
随着卫星导航定位系统平台、现代测绘基准体系基础设施、航空航天遥感影像快速获取平台、先进野外测绘技术装备、地理信息数据处理技术装备以及地理信息数据交换传输服务网络等测绘装备体系完成构建，测绘行业进入信息化测绘阶段。高精度MEMS惯性测量单元是信息化测绘体系的重要支撑。信息化测绘的数据采集方式包括传统测量、航空摄影测量、卫星遥感以及激光雷达测量等。除传统方式外，其他现代化测绘方式需要基于高精度惯性测量单元的飞行控制系统或光学稳定系统支撑，以便于载具在动态过程中采集到清晰的图像。根据中国地理信息产业协会数据，2021年我国地理信息产业总产值达到7,524亿元，总产值较上年增长9.20%。预计未来高精度MEMS惯性测量单元将在信息化测绘体系中占据重要地位。
④通信–动中通
动中通是指通过天线基座对天线进行动态调整，使平台保持和通讯卫星相对稳定的状态，从而保证通讯质量。动中通共分四类：车载、船载、机载和全自动便携站等产品，主要应用于应急通信、移动办公、电视台现场直播、航空宽带、商船通信、游艇、渔船等领域。惯性传感器是动中通的核心部件，在运动过程中根据惯性测量信息自动控制天线的方位、仰角和极化角，确保天线的波束中心始终精确指向卫星，使系统在静态、高速、高动态下均可稳定运行，具有高机动性和高灵活性，具有一定的市场规模。
⑤工业物联网
各类传感器是工业物联网的感知器官，高精度的传感器才能保证系统长期稳定工作并提供高质量的数据。MEMS惯性传感器已在工业物联网中被广泛应用，例如风力发电塔姿态监测、光伏发电太阳跟踪系统、电网塔架安全监测、水电大坝监测、机器振动监测、矿井矿山监测、工程机械监测等。随着工业领域对数字化需求的增长，物联网一方面设备数量增速较快，另一方面物联网设备对可靠性的要求也进一步提升。根据statista的数据，在2021年，全球工业物联网（IIoT）市场规模超过了2,630亿美元。预计未来几年市场规模将大幅增长，到2028年将达到约1.11万亿美元，2021-2028年复合增长率将达到22.83%，市场前景广阔。
⑥资源勘探惯性技术
在资源勘探中，主要用于测量井身轨迹和钻头的实际位置，从而保证井深达到预定位置。随着石油资源日益枯竭，勘探和开发情况愈加复杂，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油测斜仪器。而惯性技术的应用，使得这种需求得以满足，通过采用高精度、高分辨率的惯性及磁传感器来精确测量钻井过程中井斜角、方位角及工具面角等工程参数，从而实现井身轨迹与钻头位置的实时监测。根据中华人民共和国自然资源部发布的《全国石油天然气资源勘查开采情况通报（2020年度）》，2020年油气勘查投资达到710.24亿元，开采投资为2,249.48亿元。国家统计局数据显示，2021年原油产量同比增长约2.11%；天然气产量同比增幅约7.84%。因此，在国内油气消费持续稳定增长以及油气勘查开采投资持续增加的背景下，石油钻采专用设备作为石油勘探开发的重要设备，其市场需求将有望保持稳定增长。
⑦高速铁路
MEMS惯性传感器可以检测和测量各种形式的机械运动，包括加速、倾斜、振动、冲击和旋转等，其在高速铁路中的典型应用实例包括：转向架安全性和舒适度的监测和诊断系统、改善乘客舒适性的高速列车倾斜控制系统、列车的位置监控、运输过程中的振动监测、铁路轨道安全和维护的监测系统、列车定位导航等。国家铁路局发布的《2021年铁道统计公报》显示，2021年全国铁路营业里程达到15万公里，其中高速铁路达到4万公里，增长5.26%。全国铁路客车拥有量为7.8万辆，其中，动车组3.32万辆，增长6.00%。随着中国新基建的持续实施以及中国高铁走向世界，高速铁路还会保持快速发展态势。
⑧高可靠MEMS惯导系统以其小型化、高集成、低成本的优势，逐步适用于体积和重量受限的微小卫星等系统。
微小卫星具有成本较低、发射灵活、适宜冗余组网等优点，卫星互联网的兴起大大促进了微小卫星的快速发展。目前，低轨道卫星空间轨位和频谱资源日益紧张，各国纷纷部署星座计划。在国家政策支持下，我国近年来多个近地轨道卫星星座计划相继启动，各星座计划部署情况合计超过1,200颗。
根据赛迪顾问的统计，2019年全球卫星产业规模为2,860亿美元，我国卫星互联网市场规模约700亿元，中国在轨卫星的数量位于世界前列。我国商业航天市场的逐步开放，将带动通信小卫星研制、卫星通信系统终端设备与软件应用市场发展，在全球高度关注卫星互联网布局的背景下我国卫星互联网市场规模预计将保持较高速度的增长。MEMS惯性传感器具有小型化、高集成、低成本的优势，随着其精度的提升，MEMS惯性传感器逐步适用于对精度要求较高的高可靠领域。我国高可靠领域市场应用场景广泛，市场需求蓬勃增长，具备广阔的市场空间。
（7）MEMS产品在不同下游应用领域的市场空间、竞争格局及核心技术壁垒
国外市场方面，根据Yole报告的统计，预计未来全球高可靠领域MEMS产品的市场空间较大。
国内市场方面，基于MEMS的惯性测量单元可大幅降低设备成本，并能在各种恶劣环境中稳定工作满足可靠性要求，取代原本成本高昂、体积较大的其他惯性器件。根据公开资料，预计惯性传感器在此领域的市场空间较大。MEMS产品用于高可靠领域的核心壁垒为需要根据产品最终应用领域设计、生产出对应性能的产品；例如平台稳定需要超低噪声和高带宽处理技术做支撑；复杂环境导航需要抗高过载和温度补偿技术做支撑等。因此，行业内公司能否全面掌握上述技术以满足客户不同的要求成为其MEMS产品进入此领域的核心壁垒；此外，MEMS产品用于此领域的另一个核心壁垒主要为是否可在保证MEMS惯性传感器高性能的同时，从系统级角度保证产品工程化、可测性及环境适应性。此外，MEMS产品在高端工业领域应用较广，市场较大。
根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模为22.34亿美元，预计到2027年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模将达33.40亿美元，2021-2027年复合增长率为7.00%。
国际竞争格局方面，MEMS产品主要用于高端工业领域的资源勘探、压力传感等多个领域，应用场景相对分散，世界知名机构的产品在高端工业领域具有相对优势。国内方面，发行人是少数可以满足高端工业客户对于MEMS惯性传感器精度要求的厂商，竞争力较强。
MEMS产品用于高端工业领域的核心壁垒在于产品在复杂、多变的环境中持续保持高精度感知和传递外部环境变化，其中，MEMS产品长时间在高温及高振动的外部环节中保持有效工作成为衡量行业内公司技术先进性的重要依据，已成为MEMS产品进入高端工业领域的核心壁垒。同时，MEMS产品在无人系统领域也有广泛的应用场景及广阔的市场空间。根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022和High-EndInertialSensing2022，2021年全球无人系统领域中MEMS产品的市场规模为40.26亿美元，预计到2027年全球无人系统领域中MEMS产品的市场规模将达64.21亿美元，2021-2027年复合增长率为8.09%。
MEMS产品主要用于无人系统领域的无人机、无人驾驶车辆等领域，其中，无人驾驶市场份额在上述市场规模正逐渐占据愈发重要的地位，行业内的厂商正积极布局此类市场以获取更强的市场竞争地位。行业格局方面，从全球来看，得益于相关研究起步较早，以及半导体产业链发展成熟，无人系统市场中的MEMS产品市场份额基本被国际知名企业瓜分。我国以深迪半导体、矽睿科技、芯动联科为代表的国内厂商相继推出无人系统领域产品，但在中高端产品线上差距明显。
MEMS产品用于无人系统领域的核心壁垒主要为MEMS传感器与其他无人系统技术的有机融合，即在保证无人系统高性能、低成本的前提下，减少对通信损耗、提高响应速度，最终达到降低成本、提升整体效率的目的。
