MEMS陀螺仪的发展情况
思瀚产业研究院 芯动联科    2023-06-27

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。

市场上主要陀螺仪的应用时间及组件数（件）

资料来源：Yole Developpement, High-End Inertial Sensors for Defense, Aerospace andIndustrial Applications 2020

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。

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-End Inertial Sensing 2022，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。