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（报告出品方/作者：中邮证券，鲍学博、王煜童）

1 MEMS 陀螺仪工作原理

1.1 用科里奥利力测量角速度

科里奥利力（Coriolis force）是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性 相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，科里奥利力来自于物体运动 所具有的惯性，是在转动的坐标系里为了解释运动物体由于坐标转动发生偏转的 现象而引入的一种虚构的力。 MEMS 陀螺仪通过科里奥利力来测量角速度，ADI 官网介绍了 MEMS 陀螺 仪的工作原理：设在以角速度沿逆时针方向转动的水平圆盘上，有 AB 两点， O 为圆盘中心，且有 OA>OB，在 A 点以相对于圆盘的速度 V 沿半径方向向 B 点 抛出一球。如果圆盘是静止的，则经过一段时间∆t= (OA-OB）/ V 后，球会到达 B，但结果是球到达了 B 转动的前方一点 ′，对这现象可如下分析，由于圆盘 在转动，故球离开 A 时，除了具有径向速度 ′外，还具有切向速度，而 B 的切 向速度为，由于 B 的位置靠近圆心，所以＞，在垂直于 AB 的方向上，球 运动得比 B 远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。

1.2 用 MEMS 实现：静电驱动、电容检测

MEMS 陀螺仪基本都是谐振式陀螺仪，主要部件有支撑框架、谐振质量块及 激励和测量单元。MEMS 陀螺主要有线振动型陀螺和谐振环型陀螺，前者工艺 简单，利于大批量、低成本生产；后者具有更高的理论精度但结构及原理更为复 杂。 MEMS 陀螺仪的工作模态分为驱动模态与检测模态，两种模态的工作状态、 稳定控制及后续信号处理都需要通过外围电路来实现，静电驱动是目前大部分 MEMS 陀螺仪采用的驱动方法，静电驱动的基本原理是平板电容器，主要有两 种驱动方式：一是通过平行电容极板间距变化来产生驱动静电力；二是通过平行 电容极板正对面积变化来产生驱动静电力。根据陀螺仪的不同结构类型，目前 MEMS 陀螺仪有多种检测方式，例如电磁检测、电容检测、压电检测和压阻检测 等。

2 高精度与消费级 MEMS 陀螺仪的主要区别

零偏稳定性是衡量陀螺仪性能的主要核心指标，用来衡量陀螺仪在一个工作 周期内，当输入角速率为零时，陀螺仪输出值围绕其均值的离散程度，数值越小 表示性能越高。按照该指标不同，陀螺仪又分为消费级、战术级、导航级、战略 级，当前 MEMS 陀螺仪可以达到导航级的精度水平。

2.1 高精度 MEMS 陀螺仪的四大应用领域

MEMS 陀螺仪因其体积小、重量轻、功耗低、成本低等诸多优点，在消费电 子领域已经获得了广泛应用，随着技术进步，高精度 MEMS 陀螺仪在工业、商 用航空航天、商用船舶导航以及武器装备领域的渗透率存在较大提升空间。

当前，MEMS 陀螺仪产品已进入零偏稳定性 0.1°/h 量级，随着微加工技术的 进一步成熟，MEMS 陀螺仪和加速度计将占据中低精度惯性仪表的主要市场。

2.2 不同精度 MEMS 陀螺仪的结构差异

对于单质量块陀螺，外界振动产生的输出不能与科里奥利力引起的响应区分 开来；对于双质量块音叉式微陀螺，通过左右质量块作反相运动能够消除共模振 动。为了进一步提高其精度,可以提高质量块质量、降低共振频率或者增加品质 因数。

消费级 MEMS 陀螺大多采用传统的音叉结构，无法满足高精度、特殊环境 下的应用需求。军用高端 MEMS 陀螺技术路线和商用 MEMS 陀螺技术路线完全 不同，军用高端 MEMS 陀螺技术路线基本都是采用环境适应性好的全对称结构。 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 陀螺仪相关研究单位有美国 DARPA、Draper 实验室、 霍尼韦尔公司、大西洋惯性系统公司、InvenSense 公司、波音公司、斯坦福大学、 密歇根大学、加州大学、HRL 实验室等，英国 BAE 系统公司，挪威 Sensonor 公 司，日本东北大学、东芝公司等。在美国 DARPANGIMG 项目支持下，多环碟形 陀螺最高精度达 0.003°/h。当前，MEMS 陀螺仪正逐渐取代低端应用领域光纤陀 螺，但取代那些精度要求高的应用仍需要时间。

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。

3 MEMS 与 ASIC 制备、封装工艺与测试

由于 MEMS 传感器中复杂的极微小型机械系统的存在，MEMS 传感器的芯 片设计和工艺研发必须紧密配合。一方面，制造端已有的工艺路线在很大程度上 决定了芯片的设计路线；另一方面，芯片的设计路线又需要对制造端的工艺模块 进行重组和调试。因此，MEMS 传感器的研发企业必须同时进行芯片和工艺端的 研发。

MEMS Fabless 经营模式与大规模集成电路的 Fabless 经营模式存在一定的不 同，主要体现为大规模集成电路的制造采用 CMOS 标准工艺，第三方制造企业 工艺积累相对成熟；MEMS Fabless 企业工艺一般要经过 MEMS 工艺导入、工艺 优化与调整、设计路线调整以及批量生产阶段。

3.1 MEMS 工艺

硅基 MEMS 加工技术主要包括体硅 MEMS 加工技术和表面 MEMS 加工技 术。体硅 MEMS 加工技术的主要特点是通过对硅衬底材料的深刻蚀可得到较大 纵向尺寸可动微结构，体硅工艺包括湿法 SOG（玻璃上硅）工艺、干法 SOG 工 艺、正面体硅工艺、SOI（绝缘体上硅）工艺。表面 MEMS 加工技术主要通过在 硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜来完成 MEMS 器件的制作，利 用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小，但与 IC 工艺的兼容性更好，易 与电路实现单片集成。

湿法 SOG： SOG 工艺是通过阳极键合技术形成牢固的硅-氧键将硅圆片与玻璃圆片粘在 一起，硅作为 MEMS 器件的结构层，玻璃作为 MEMS 器件的衬底层。 结构层由浓硼层形成，对于各向异性的腐蚀液，当硼掺杂原子浓度不小于 1019/cm-3 时，相对同样的单晶硅，其腐蚀速率下降 5~100 倍，利用各向异性腐蚀 液对高掺杂层的低腐蚀速率特性达到腐蚀停止的目的。 采用深反应离子刻蚀（DRIE）工艺在浓硼层上形成各种设计的 MEMS 结构， 再与玻璃键合，采用自停止腐蚀去除上层多余的单晶硅，完成加工。 受扩散深度与浓度的限制，MEMS 器件结构层的厚度一般小于 30μm，而且 由于高浓度掺杂会造成硅结构损伤带来结构应力，硅与玻璃的材料不匹配性也会 带来较大结构应力，自停止硅湿法腐蚀具有较低的加工精度，另外，由于存在高 温工艺也不适用于与 IC 的单片集成，这些是湿法 SOG 加工技术的缺点。但此工 艺比较成熟, 工艺简单，也适合一些性能要求不高的 MEMS 器件的加工以及批 量加工，如 MEMS 陀螺仪、加速度计、MEMS 执行器等。

干法 SOG： 基本工艺结构类似湿法 SOG 工艺，同湿法 SOG 工艺相比，采用磨抛减薄的 工艺取代了浓硼掺杂与湿法腐蚀形成 MEMS 芯片的结构层，省去高温长时间硼 掺杂会降低对结构层的损伤，也避免了有毒或者容易带来工艺沾污的湿法腐蚀步 骤，适用于陀螺仪、加速度计、光开关、衰减器。

正面体硅： 正面体硅工艺结合了深刻蚀、浓硼掺杂与湿法腐蚀工艺。首先对 N 型硅片进 行浓硼掺杂，浓度满足硅湿法自停止腐蚀要求，然后 DRIE 硅结构，刻蚀深度大 于浓硼层的厚度，最后在自停止腐蚀液里进行腐蚀释放结构。

优点：在单层硅片上完成 MEMS 芯片的加工，省去了与玻璃片的键合，因 此不存在由于材料不匹配带来的应力影响，适用于光开关、光衰减器、反射镜阵 列。 缺点：存在高温掺杂工艺，不易与 IC 芯片集成；正面体硅采用 PN 结达到电 极隔离目的，存在击穿电压与漏电的限制。

体硅 SOI

体硅 SOI 采用全硅结构，通过硅-硅键合技术将硅与硅片粘接在一起，由于 是全硅结构，因此不存在由于热膨胀系数带来的应力影响，结构层厚度可达 80μm，并具有较高的加工精度，易于电路单片集成。 优点：适用于更多的 MEMS 器件的制造, 可用于制作 MEMS 惯性器件（包 括陀螺、加速度计、振动传感器等）、MEMS 光学器件（包括光开关、衰减器等）、 生物 MEMS、流体 MEMS 等多种 MEMS 器件，具有更广的适用性，可实现批量 加工需求，是目前的主流加工工艺。

表面硅： 表面硅 MEMS 加工技术是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种 MEMS 工艺技术，它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择腐蚀来形成各种 微结构。 相对于体硅工艺，表面工艺由于保持了衬底的完整性，更容易与 CMOS 工 艺兼容，但是表面工艺的缺点是不易加工高深宽比的器件结构, 一般厚度小于 2μm，MEMS 芯片的灵敏度将受限制。因此，目前也出现了表面与体硅组合的加 工技术, 适应一些器件的特殊需求，例如采用表面与体硅组合技术制作的 MEMS 热对流传感器、压阻传感器等。

SOI 硅片有很多的优点，主要包括单晶特性良好、很容易加工出厚度很大的 器件、很容易加工出具有高深宽比的结构、器件的机械稳定性良好、制造的器件 的残余应力比较小以及器件的后续工艺更简单等，SOI 结构渐渐成为了加工 MEMS 器件的主要技术。

3.2 ASIC 工艺

MEMS 芯片需要在 ASIC 芯片的驱动控制下感应外部待测信号并将其转化 为电容、电阻、电荷等信号变化，ASIC 芯片再将上述信号变化转化成电学信号。 ASIC 芯片一般集成了电源管理、温度传感、模态匹配、正交误差补偿、温 度校准及自诊断等电路，一方面可以实现传感器内部自校准、自补偿，使系统应 用更简单、精度更高、重复性更好，另一方面可以对陀螺仪的工作状态进行监测， 提高输出数据的可靠性。ASIC 一般采用 CMOS 工艺。

3.3 封装工艺

MEMS 器件封装： 由于 MEMS 器件普遍具有悬浮、可动结构，使得它具有容易损坏、粘附潮 气和灰尘等缺点，MEMS 器件一般采用晶圆级封装，可以提高 MEMS 组件工作 的可靠性和长期稳定性，同时有利于降低后道封装成本。 圆片级封装采取的手段就是在功能圆片加工完成后，再在上面对准后扣上一 个圆片，相当于通过一次工艺就给功能圆片上的每个芯片戴上了一顶帽子，作为 帽子的圆片要具备一定的腔体，不能够破坏 MEMS 可动结构。两个圆片主要通 过静电键合、直接键合（硅片熔融键合）、共晶焊接和粘接等手段实现。

MEMS 器件与 CMOS 器件 3D 集成： 随着体积与成本的要求，目前封装正在向 3D 集成技术发展，将 CMOS、 MEMS 等器件集成封装，用较短的垂直互连取代很长的二维互连，从而减低了系 统寄生效应和功耗，并达到体积最小化和优良电性能的高密度互连目的。 3D 集成技术主要包括材料匹配技术、综合屏蔽技术、穿硅通孔 （TSV）的 形成与金属化、圆片减薄与对准键合技术。

3.4 测试

与规模化批量测试的传统芯片不同，高性能 MEMS 惯性传感器芯片由体硅 工艺加工形成，内部架构复杂，定制化产品较多，需要在长期的测试过程中不断 摸索和提升与高性能 MEMS 惯性传感器匹配的测试技术。 高性能 MEMS 惯性传感器测试标定需要利用专用测试软硬件系统采集多温 度点的静态和动态传感器输出数据，并对采集数据进行信号分析与处理，计算出 优化后的传感器配置参数，再将配置参数写入 ASIC 芯片中。

4 MEMS 陀螺仪产业链

4.1 MEMS 陀螺仪产业链及相关企业

MEMS 陀螺仪产业链可分为芯片设计、晶圆制造、封装测试三个环节，以及 IDM 厂。我国 MEMS 陀螺仪的研究起源于二十世纪八十年代，国家投入了大量经费进行 MEMS 陀螺仪方面的研究，在硅基 MEMS 惯性技术产品研制方面，主 要集中在传统的惯性技术研制单位和部分微电子技术研制单位，包括航天科技 13 所、航天科工 33 所、航空 618 所、中电 13 所和兵器 214 所等。 航天科技 13 所研发中心 MEMS 技术研究室是专门从事 MEMS 陀螺仪、 MEMS 加速度计研制、生产的创新研发团队，研究室拥有一条完整的硅基 MEMS 工艺线，洁净厂房面积 1000 余平米，设备 100 余台套，开发出国际一流的全硅 晶圆级真空封装工艺，具备完整的 MEMS 惯性器件加工、封装、测试能力，承 担多项国家重大基础研究项目，在 MEMS 惯性器件结构、工艺、封装、测试、 ASIC 电路等方面积累丰富，获国防技术发明奖 3 项，编制国军标 3 项，申请发 明专利 70 多项，与国内多所高校及科研院所建立了合作关系，研制的 MEMS 陀 螺仪、MEMS 加速度计在“十三五”测评中综合指标名列前茅，并已在多个重点型 号中批量装备。

航天科工 33 所在上世纪 90 年代即启动石英惯性仪表的研制工作，随着研究 的深入以及系统装备的需求，33 所已建成了总面积达 2000m2 的净化厂房，兼容 目前已相对成熟的石英音叉陀螺、石英振梁加速度计以及正在研发阶段的硅基 MEMS 仪表的研制需求，整条研制线设备齐套，形成了从前端加工到后端封装的 完整的制造能力。 航空 618 所拥有我国航空工业唯一、国内一流的全流程 MEMS 研发工艺平台， 其智能传感产业基地项目开工仪式于 2022 年 9 月 13 日在沣东新城举行，该项目 总投资 11.6 亿元，规划建设面积约 9 万平方米，建设内容包括 MEMS 生产线、微 系统及微机电系统传感器生产调试线、光纤陀螺研发生产基地等，建成后预计 5 年累计产值超过 80 亿元。

中国电子科技集团 13 所是国内最早得到重点扶持的企业，下属子公司美泰 科技美泰电子科技有限公司专门致力于MEMS器件与系统的研发、生产和销售， 在 1995 年就率先开始了 MEMS 技术与产品的探索与研发，推出了我国首款实用 化 MEMS 加速度传感器，占领了惯性技术的高地，公司连续多年荣获中国半导 体 MEMS 十强企业，IC 独角兽企业。立足 20 年 MEMS 研发积累和市场开拓， 背靠世界 500 强 CETC 央企，拥有国内一流的 MEMS 人才团队和软硬件条件， 美泰公司成为了集研发、设计、制造、封装测试和系统集成为一体的 MEMS IDM创新企业，形成了 MEMS 惯性器件与系统、MEMS 传感器、射频（RF）MEMS 器件三大类的优势产品谱系，满足了航空航天、新能源汽车、智能驾驶、智慧城 市、物联网和 5G 通信等战略新兴产业对 MEMS 产品的迫切需求。 芯动联科成立于 2012 年，基于半导体的行业积累、独创的微纳结构设计， 采纳先进的 MEMS 工艺、特有的封装方案及现代化的管理模式和完善的人才积 累，融合集成电路与传统高端惯性行业，促进惯性传感器、压力传感器等传感器 向智能化、微型化、易用化、本土化、IC 化发展。自公司成立以来，公司产品已 广泛应用于工业生产、工业设备监测与维护、无人系统导航与控制、海洋监测、 气象预报、水上水下无人设备导航与控制、石油勘探、测量与测绘、桥梁监测、 地质勘探、灾情预警等领域并获得了各领域多国家客户的一致认可和批量订购。

4.2 国内 MEMS 陀螺仪性能指标对比

国内 MEMS 陀螺仪相关厂商包括芯动联科、美泰科技、深迪半导体、矽睿 科技等。其中，芯动联科主要做高性能产品，典型产品 33 系列陀螺仪的零偏稳 定性为 0.1°/h，相较于其他厂商，该指标领先 1-2 个数量级。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。「链接」