MEMS将主导陀螺仪？国外巨头已瓜分，国产还有机会吗？

陀螺仪技术自问世以来，发展至今已有160余年历史，在导航、制导与控制等领域，以及汽车、消费电子等各种应用场景得到了广泛应用。

中国中高端MEMS传感器基本为意法半导体、博世等国外巨头把控，MEMS陀螺仪也不例外。随着近几年美国制裁的加剧，叠加疫情等缺芯状况的影响，陀螺仪等中高端MEMS传感器研发制造企业逐渐获得社会和资本的关注。深迪半导体、矽睿等厂商也因此获得多轮投融资。

本文全面分析了全球陀螺仪市场与发展情况，各种陀螺仪技术特点、竞争格局等信息，尤其着重MEMS陀螺仪，认为未来几年MEMS将在中低端及短时领域完全取代光纤陀螺仪、光纤陀螺仪等高端技术。

本文内容较多，可按下面目录获取相应信息：

一、什么是陀螺仪

二、陀螺仪的发展与分类

三、陀螺仪主要技术评价指标

四、各方面特性决定应用领域

五、全球市场格局：美国处于绝对领先地位，中国尚属第三梯队

1、激光陀螺仪竞争格局

2、光纤陀螺仪竞争格局

3、MEMS 陀螺仪竞争格局

六、陀螺仪的展望

1、液浮陀螺仪

2、光学陀螺仪

3、振动陀螺仪

4、原子陀螺仪

七、结语

传感器专家网（sensorexpert.com.cn）专注于传感器技术领域，致力于对全球前沿市场动态、技术趋势与产品选型进行专业垂直的服务，是国内领先的传感器产品查询与媒体信息服务平台。基于传感器产品与技术，对广大电子制造从业者与传感器制造者提供精准的匹配与对接。

一、什么是陀螺仪

陀螺仪是指能够测量运动物体的角度、角速度和角加速度的装置，因此又被称为角速度传感器，用于感测和维持方向。

早期陀螺仪的核心部件是安装在万向支架中高速旋转的转子，转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动。当转子开始旋转时，由于转轮的角动量，转子具有保持运动方向不变的趋势。

具体来看，体现为陀螺仪的定轴性和进动性。定轴性是指陀螺转子在高速旋转时保持自转轴指向稳定不变，进动性是指陀螺转子在高速旋转时，受到除自转轴以外的其他轴向的外力后，陀螺的转动角速度方向将与外力矩作用方向互相垂直。人们利用这些特性制成用于探测运动物体运动方向的工具，并将其命名为陀螺仪。

图1：三自由度陀螺

后来随着技术的进步，光电、微电机等技术逐渐被引入到陀螺仪的研制当中，测量原理不断变化，其中原有的转子结构也被取代，但陀螺仪的名称一直沿用下来。

二、陀螺仪的发展与分类

1852年，法国物理学家莱昂·傅科（LéonFoucault）提出了利用陀螺仪指向的设想，并成功研制出世界上第一台傅科陀螺仪（如图1所示），有效地验证了地球自转运动，开启了人类对工程实用陀螺仪的研究与设计。

1908年，德国科学家赫尔曼·安许茨-肯普费（HermannAnschütz-Kaempfe）设计了一种单转子摆式陀螺罗经，该系统可以凭借重力力矩进行自动寻找北方向，解决了当时的舰船导航问题。第二次世界大战期间，德国利用陀螺仪为V-2火箭装备了惯性制导系统，实现了陀螺仪技术在导弹制导领域的首次应用。

20世纪50年代，转子陀螺仪开始出现，美国麻省理工学院（MIT）的查尔斯·施塔克·德雷珀实验室，采用液浮支承技术，研制出单自度液浮陀螺仪（FFG），使得陀螺仪的精度达到了惯性级要求。

20世纪60年代初，美国人罗伯特·克雷格（RobertCraig）研制出了动力调谐陀螺仪（DTG），埃卡尔福特公司研制的SKN-2416、SKN-2610、MODⅡ等型号产品，在战术导弹及军用飞机等平台进行了成功应用。

1964年，美国最先研制出静电陀螺仪（ESG），并于1979年首次为“三叉戟”弹道导弹核潜艇装备了静电陀螺监控器，使得潜艇的导航能力出现了质的飞跃。20世纪60年代，光学陀螺仪的出现是惯性技术领域的一场重大变革。1963年，美国斯佩里公司最先研制出激光陀螺仪（RLG）。

随后经过十余年的不懈努力，美国霍尼韦尔公司于1975年和1976年分别将激光陀螺仪应用到飞机和战术导弹；1982年，该公司利用GG-1342型激光陀螺仪，为美国海军研制出了第一台用于舰艇的高精度导航设备。光纤陀螺仪（FOG）是出现稍晚于激光陀螺仪的另一类光学陀螺仪，与激光陀螺仪相比，FOG具有体积更小、成本更低、便于批量生产等显著优势，迅速获得了各大陀螺仪生产商的青睐。

进入20世纪90年代，随着微机电和量子技术的不断发展，以微机电系统（mMEMS）陀螺仪、半球谐振陀螺仪（RG）为代表的振动陀螺仪和以核磁共振陀螺仪（NMRG）、原子干涉陀螺仪（AIG）为代表的原子陀螺仪等新型陀螺仪得到了快速发展，掀开了陀螺仪技术的崭新篇章。

根据测量原理的不同，陀螺仪可以大致分为机电式陀螺仪和光学陀螺仪两类，其中机电式陀螺仪又可以分为转子陀螺仪和振动陀螺仪。一般将陀螺仪的发展划分为4个阶段：

表1：陀螺仪的发展阶段

1）第一阶段：滚珠轴承支承陀螺

滚珠轴承支承陀螺使用轴承和滚珠支承转子，二战期间德国著名的V2导弹使用的便是这种陀螺仪。然而由于滚珠轴承之间摩擦力矩过大，导致漂移误差过大，达到1°/h到15°/h之间，无法满足惯导系统的要求，已经被淘汰。

2）第二阶段：液浮和气浮陀螺

液浮和气浮陀螺发展于20世纪40年代末到50年代初。与第一阶段不同的是，其利用大密度的液体或气体取代机械作为支撑，从而有效降低摩擦力，极大提高了测量精度，1973年研制出的第三代液浮陀螺的漂移误差已经降低到0.000015°/h，同时具备尺寸较小的优点，然而缺点是加工工艺要求高、成本高，较多应用于海事及飞机导航。

3）第三阶段：挠性陀螺

挠性陀螺发展于20世纪60年代。挠性陀螺将转子改为挠性接头来支撑，从而去除了支承轴上的摩擦干扰力矩，精度甚至达到0.01°/h到0.001°/h，属于公认的中等精度陀螺。具有结构简单、成本低、体积小、启动快的优势，但是也面临挠性接头加工难度高、成品率低、存在疲劳及稳定性问题、力学误差较大、动态范围小等问题。在2010年之前，世界范围内许多火箭仍采用动力调谐陀螺，例如我国长征一号箭采用气浮陀螺，发展到长征二号火箭改为采用动力调谐陀螺，并于2015年正式退役，改为采用光纤陀螺惯导系统。

4）第四阶段：静电陀螺、MEMS陀螺、激光陀螺和光纤陀螺等

第四阶段主要指20世纪70年代之后发展起来的多种陀螺仪，主要包括静电陀螺、MEMS陀螺、激光陀螺和光纤陀螺。

a）静电陀螺

静电陀螺发展于20世纪70年代，通过静电引力实现金属球形转子的悬浮，测量则通过非接触式光电传感器实现，因此转子在旋转过程中完全不受任何外力矩作用，达到了对机电式陀螺的最高追求，其精度也进一步提高，1995年时精度已经达到10-5°/h，斯坦福大学的研究甚至达到精度10-11°/h。除了精度极高的优势，静电陀螺还具有结构简单、可靠性高、能全姿态测角等优点，缺点则是加工工艺要求高、角度读取复杂、价格昂贵。

图2：静电陀螺三轴稳定平台

b）MEMS陀螺

MEMS陀螺仪发展于20世纪80年代，指的是用微机械加工工艺制造的陀螺仪，目前主流是振动式，原理与转子式有所不同，主要利用科里奥利力原理（在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会产生直线运动的偏移，这个导致偏移产生的“虚拟”力便被称为科里奥利力），通过振动来诱导和探测科里奥利力，从而对角速度进行测量。根据测量原理的不同，主要包括框架式角振动陀螺、音叉式梳状谐振陀螺、振动轮式硅微陀螺等。

MEMS陀螺仪的发展印证了MEMS行业的特性，陀螺仪从早期的机械装置，借助成熟的半导体产业链，进化到由微机械装置和集成电路组合构成的一块“芯片”。虽然精度水平比较低，但是瑕不掩瑜。通过结合其他传感器的数据以及算法上的改进，其精度足以满足大多数的消费级应用、得益于其极低的成本和功耗，极小的体积和质量，集成方便和数据输出简单的特性，MEMS陀螺仪在消费级市场受到极大的欢迎。

图3：InvenSense的九轴惯性测量单元内部之陀螺仪（右）和加速度计（左）

c）光纤陀螺与激光陀螺

激光陀螺和光纤陀螺与以上陀螺测量原理都不同，属于光电式陀螺。

激光陀螺发展于20世纪60年代，其利用光学中的Sagnac效应，简单来说就是利用环形光路旋转时，环形光路中传播方向相反的两条光束会产生时延差，从而完成角速度的测量。原理层面的改变为激光陀螺带来精度中高、测量动态范围大、启动时间短、可靠性高、寿命长等特性，但是同样面临高成本、体积大的缺陷。同时由于在现实中环路难以做到完全均匀，当旋转的角速度比较小的时候激光陀螺无法输出测量结果，也被称为激光陀螺的“闭锁效应”，为激光陀螺的实际应用带来较大困难。

光纤陀螺发展于20世纪80年代，在激光陀螺的基础上进行了进一步的改进，利用光纤代替了原来的光路，能够使用较低成本解决激光陀螺的闭锁效应，并继承了激光陀螺的可靠性高等其他优势，迅速被广泛接受和应用。但是光纤同时带来了新的问题，光纤易受温度和缠绕变形的影响，测量精度无法得到保证。

图4：ATLAS-300 数字闭环单轴光纤陀螺仪

表2：不同种类陀螺仪特性比较

三、主要技术评价指标

陀螺仪存在多个层面的性能评价标准，包括零位漂移、标度因数、分辨率、动态范围以及带宽等等。

零位漂移是最重要的参考指标。由于陀螺仪的输出信号一般会围绕均值进行波动，习惯上使用标准差或均方根进行计算，一般折算为等效输入角速率，单位是°/ h。简单解释的话，当陀螺仪处于静止状态（零输入状态）时，输出的数据不一定是0，会在一定的范围内进行波动，而且这个范围会随时间的增加而扩大，单位时间内的误差范围值便被成为零偏值（drift）。因此漂移率越低，陀螺仪精度就越高。

图5：零输入的陀螺仪输出信号图

标度因数也是反映陀螺仪灵敏度的的重要参考指标。标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值，可以用坐标轴中某一特定直线的斜率进行表示，它综合反映了陀螺仪的测试和拟合精度，通常用百万分比（ppm）进行表示。

分辨率指标用白噪声进行衡量，反映了陀螺仪可以检测的最小角速率。动态范围是指陀螺仪可以接收和测量的最大输入角速率，动态范围越大则表示陀螺仪可测量的范围越大。带宽是指陀螺仪能够精确测量输入的角速率的频率范围，带宽越大则表明陀螺仪的动态响应能力越强。

四、各方面特性决定应用领域

陀螺仪的各方面的特性直接决定了其主要的应用领域。陀螺仪主要应用在惯性导航系统中，不同领域的惯导系统对陀螺仪的精度要求不尽相同，其中军工行业对陀螺仪的精度要求最高，民用领域相对较低。消费电子行业普遍对陀螺仪的精度要求较低，更加看重陀螺仪的体积、质量、性价比等特性。

1）惯导系统

惯导系统是一种完全建立在牛顿力学定律的基础上的自主式的导航系统，其通过加速度计和陀螺仪测量物体在惯性参考系的加速度、角加速度，进行一次积分得到物体运动的速度、角速度，再进行二次积分得到物体运动的位置信息，然后变换到导航坐标系中，计算出物体在空间中的运动信息，从而为物体的运动进行导航。

图6：惯性导航系统原理框架

陀螺仪是惯导系统的核心组件之一，其精度直接决定了惯导系统的整体精度。如果导航路程较短，那惯导系统对陀螺仪的精度要求相应较低。而当仅仅依赖惯导系统进行远距离导航时，对陀螺仪的精度要求极高。例如潜艇需要在保持与外界无信号交流的情况下进行长时间且远距离的航行，其导航只能依赖于惯导系统，一丝细微的误差都可能导致航行路线的大幅偏移。

表3：军用惯导系统中各级精度陀螺仪适用范围

为了减少导航对惯导系统精度的依赖，组合导航系统逐渐成为导航系统未来发展的主要方向。简单来说就是在惯导系统的基础上进一步结合卫星导航、多普勒导航等其他导航系统，从而提高导航精度。例如，在汽车导航中，如果是在卫星定位良好的开阔环境下，惯导系统与卫星导航的数据进行计算修正，从而提高精确度。进入到卫星定位较差的隧道中后，继续依靠惯导系统继续进行导航，从而避免定位信息的丢失，在离开隧道之后重新与卫星导航数据进行组合和修正，实现更优的导航体验。

从产业链来看，惯导系统主要分为上游的器件制造、中游的模块组装和软件设计以及下游的实际应用。陀螺仪在整个惯导系统产业链中处于上游地位，研发和制造难度最大，价值量也相对较高。然而中游厂商需要根据客户需求，针对标准化的上游器件进行开发、集成和测试等一系列复杂工作，毛利率高于上游，因此越来越多上游企业开始向中游延伸，在建立技术优势的基础上提升盈利能力。

2）消费电子

消费电子行业属于陀螺仪应用的新兴领域。陀螺仪作为运动测量中必不可少的传感器，为智能手机、可穿戴设备等带来基于运动感知的众多新功能的加持。由于智能移动设备对陀螺仪的功能要求简单、需求短时短程，因此对陀螺仪的精度要求相应较低，但是对陀螺仪的成本、体积、功耗等更为敏感。MEMS陀螺仪便是为解决这些问题而生，已成长为消费电子设备的“宠儿”。

2010年发布的iPhone 4是全球第一款搭载陀螺仪的智能手机，其通过陀螺仪实现比重力仪更为灵敏的运动感知，最早主要应用于手机游戏中，提高游戏体验，后来也逐渐被应用于手机VR、辅助导航、摄影防抖等功能中。随着技术的成熟及硬件成本的降低，陀螺仪已从旗舰机型下放到低端机型，目前已基本成为智能手机的标配。

图7：乔布斯介绍三轴陀螺仪的特点

陀螺仪已经逐步成为消费电子设备常用的输入装置之一，未来随着陀螺仪体积的进一步缩小以及性能的进一步提升，将被集成到更多电子设备中，产生更多的应用形式。

3）物联网

物联网技术的不断发展为陀螺仪的应用带来更多可能。陀螺仪作为一种重要的运动传感器，将被应用在各类终端设备，并通过网络将数据实时回传到数据中枢，从而帮助实现整个系统的自动化监测与控制，在更多工业场景、消费场景发挥重要作用。例如：

a）智能家居场景

目前陀螺仪在智能家居场景的应用仍处于早期阶段，主要是帮助各类已有的家用设备增加更多实用型功能。例如：扫地机器人的室内导航系统无法使用GPS，加入带有陀螺仪的惯性导航系统后，使其更精确地按照规划路线的行驶并记录，从而告别四处乱撞的时代；在智能门锁中使用陀螺仪监测门的开关姿态，从而实现自动上锁的功能；在电动牙刷中，增加陀螺仪实现对刷头位置的判断和姿态的监测，从而判断每个部位的清洁程度，甚至可以实现调整刷头方向到最合适的位置。

b）工业互联网场景

陀螺仪用于工业场景已经较为常见，目前主要用于姿态的测量和控制、惯性导航系统，具体包括应用于各类工程机械、工业无人机、工业机器人等等。随着人工智能及自动化技术的发展，未来工业机器人的应用也将更为广泛，从而拉动对运动传感器的需求。工业互联网的意义在于使这些应用陀螺仪的单个设备连接起来，收集各个设备的运动数据并形成一个完整的数据系统，从而实现对整个系统的监控调度，提升整体效率，例如仓库内的自动化运输系统、工厂的自动化监测维修系统等。

五、全球市场格局：美国处于绝对领先地位，中国尚属第三梯队

全球惯性导航市场规模预计 2020 年将达到 88.7 亿美元，2016-2020 年复合增长率为 13.81%。根据MarketsandMarkets 在 2016 年 1 月发布的预测报告，受益于飞机数量的增加、对导航精度的要求提高以及部件的微小型化和低成本等，2015-2020 年全球惯性导航市场将以复合年增长率(CAGR)13.81%的速度增长，由 2015年的 46.4 亿美元增长到 2020 年的 88.7 亿美元。

全球惯性技术开发分为四个层次，目前我国居第三层次，具备部分研发能力。

根据美国国防部的统计数据，美国防部把从事惯性技术领域研究和开发的国家分为 4 个层次：属于第一层次的有美国、英国和法国，完全具备自主研究和开发惯性技术能力；属于第二层次的有俄罗斯、德国、以色列和日本，具备大部分自主研发能力；属于第三层次的有中国、澳大利亚、加拿大、瑞典、乌克兰，具备部分研发能力；属于第四层次的有韩国、印度、巴西、朝鲜、瑞士、意大利等，具备较为有限的惯性技术研发能力。

美国的霍尼韦尔、诺格和法国的赛峰为全球惯性技术领域顶尖公司。目前，美国主要的惯性导航技术公司包括：霍尼韦尔、诺格公司、大西洋惯性系统、亚诺德半导体(ADI)和吉尔福特等；法国主要的惯性导航技术公司包括赛峰、iXblue、泰雷兹集团等。其他国家主要的惯性技术公司包括：英国 BAE 系统公司；德国博世公司；俄罗斯物理光学、陀螺仪光学、拉明斯克仪表厂和 Optolink；日本航空电子工业、三菱精密；挪威 Sensonor 等。

1、激光陀螺仪竞争格局

在激光陀螺仪领域，仅美国、法国、俄罗斯、德国及中国等少数国家可以进行研制量产。目前，在激光陀螺仪领域的相关企业有美国 Draper 实验室、霍尼韦尔公司、诺格公司、吉尔福特公司等，法国萨基姆公司（赛峰集团子公司）、Sextant 公司等，日本的宇宙开发事业团、国家宇航实验室、航空电子工业有限公司(JAE)，俄罗斯的 Polyus 研究所、电子光学公司等。在专利申请及发文数量方面，美国、日本、德国、欧专局、法国等国家/机构的激光陀螺仪领域研究发文数量占总数量的近 75%。

霍尼韦尔是激光陀螺仪领域研发领先企业。目前，霍尼韦尔公司主要激光陀螺仪产品包括 GG1308、GG1320、GG1342、GG1389，其中，高精度以 GG1389 为代表，其零偏稳定性达到了 1.5×10-4o/h,是世界上精度最高的激光陀螺仪。低精度以 GG1308、GG1320 为代表，GG1389 陀螺仪的该公司 GG1308 陀螺仪的零偏稳定性为 1~5o/h,是世界上体积最小的产品化激光陀螺仪，采用该陀螺仪的惯导系统型号主要有 HGl500 IMU 和 HGl700 IMU（包含 3 个 GG1308 陀螺仪和 3 个 RBA-500 石英振梁加速度计）两种，主要用于美军 JDAM 联合直接攻击炸弹和制导多管火箭发射系统等装备。

诺格收购利顿工业公司，成为激光陀螺仪的主要生产者。利顿工业公司研制的激光陀螺仪以正方形光路的机抖陀螺仪和异面腔四频差动陀螺仪为主，其中机抖陀螺仪主要包括 LG2717（零偏稳定性优于 0.05 o /h）和LG8028（零偏稳定性优于 0.01o /h），分别应用于航空导航系统和中高精度导航系统。公司异面腔四频差动激光陀螺仪与同等尺寸的机抖陀螺仪相比，能以较小的尺寸获得了优于 0.01o/h 的精度，大批量生产的 LN 100 系列、LN 120G 和 LTN 101 惯导系统均采用了腔长为 18.4cm 的该陀螺仪。

法国赛峰 (萨基姆)公司是欧洲最大的激光陀螺仪生产厂家。公司于 1977 年开始涉足激光陀螺仪领域，其激光陀螺仪产品主要以 GLC-8、GLC-l6 和 GLS-32 激光陀螺仪为主。其中，GLS-32 机抖陀螺仪主要用于航空及潜艇的捷联惯导系统，采用该陀螺仪的 SIGMA40 惯导系统的导航定位精度为 1.5 n mile/24h；GLC-l6 型陀螺仪（零偏稳定性 0.01 o /h）是一种方形光路的机抖陀螺仪，主要用于直升机、小型运载火箭等；GLC-8 型陀螺仪腔长仅为 8cm,零偏稳定性 0.1~10 o /h,主要用于射程 60~100km 的战术导弹。

2、光纤陀螺仪竞争格局

美国始终保持领先地位，日本在中低精度陀螺仪应用方面位居世界前列。目前，国外研制和生产光纤陀螺仪的相关单位有美国 Draper 实验室、诺格公司、霍尼韦尔公司、KVH 公司等，法国萨基姆公司、iXblue 公司等，日本三菱精密有限公司，俄罗斯 Optolink 公司等等。

自 20 世纪 70 年代至今，光纤陀螺仪关键技术不断取得重大突破，应用领域长袖拓展，目前光纤陀螺仪的精度最高可达 8×10-5o/h,在高端领域已经与激光陀螺仪形成竞争的态势。

霍尼韦尔是最早研制光纤陀螺仪的公司之一。公司自20世纪80年代中期开始研发各类精度的光纤陀螺仪，其干涉式光纤陀螺仪产品的零偏稳定性范围为 10-4o/h～10-3o/h.2016 年，其用于太空应用的高性能太空光纤陀螺仪(HPSFOG)，精度范围达 2*10-4o/h～6*10-4o/h.除了干涉式光纤陀螺仪，公司还进行了谐振式光纤陀螺仪的研究，样品的零偏稳定性优于 0. 1o/h.

诺格光纤陀螺仪产品线极为丰富，在光纤陀螺仪领域占据领先地位。公司自 1988 年开始研制基于光纤陀螺仪 IMU 系统，代表产品分为 uFORS 系列与 FOG-200 系列。前者具有精度低、小型化特征；后者具有精度高的特点，多用于 IMU、AHRS 等军用系统。截至 2016 年，公司已交付超过 30000 个基于光纤陀螺仪的惯性导航产品以及超过 10000 个光纤陀螺仪速率传感器，奠定了公司在光纤陀螺仪领域的领先地位。

3、MEMS 陀螺仪竞争格局

美国 Draper 实验室、霍尼韦尔公司所生产的 MEMS 陀螺仪的偏置稳定性、定位精度处于世界领先水平。目前，MEMS 陀螺仪相关研究单位有美国 Draper 实验室、霍尼韦尔、大西洋惯性系统公司、InvenSense 公司、波音公司等，英国 BAE 系统公司，挪威 Sensonor 公司，日本东芝公司等。

MEMS 是当前惯性陀螺仪研究的焦点。自 20 世纪 80 年代发展至今，MEMS 陀螺仪关键技术研发突飞猛进，成为学术研究领域的焦点，在美国 DARPANGIMG 项目支持下，多环碟形陀螺仪最高精度达 0.003o/h.

德国博世公司 MEMS 陀螺仪专利申请最多。博世公司发布了 DRS-MM1、DRS-MM2 和 DRS-MM3 共 3 代 MEMS陀螺仪产品，其中 DRS-MM3 零偏稳定性达到 1.5o/h,主要面向汽车和消费电子应用。英国 BAE 公司 MEMS 谐振环陀螺仪最小体积仅有 16.387cm3，零偏稳定性优于 0.1o/h,IMU 可植入士兵战靴，实现单兵全时导航。BAE谐振环陀螺仪有角速率和速率积分两种模式，用于高速旋转弹、中程导弹和美国 155mm 制导神箭炮弹等武器系统。

日本硅传感系统公司的 MEMS 谐振环陀螺仪是该领域内精度的最高水平，最新产品零偏稳定性优于 0.06o/h,角度随机游走优于 0.01o/h 1/2.

美国 Draper 实验室是 MEMS 陀螺仪研究领域领导者。Draper 实验室研制了双框架结构、调频音叉结构和振动轮结构 MEMS 陀螺仪，霍尼韦尔购买其调频音叉结构 MEMS 陀螺仪专利，在此基础之上研发出系列 MEMS 陀螺仪，零偏稳定性优于 10o/h,大量应用于 JDAM 制导炸弹等武器系统。针对单兵导航和惯性寻北需求，霍尼韦尔公司与 Draper 实验室共同开展高性能硅 MEMS 陀螺仪研究。大西洋惯性系统公司研制振动环结构 MEMS 陀螺仪，其产品 CRS09 广泛应用在 NLAW 反坦克武器、A-Darter 空空导弹、MBDA 海狼舰船防御导弹等武器装备中。

六、陀螺仪的展望

通过阅读研究近年来国内外相关文献资料，对不同原理的陀螺仪性能指标进行比较分析可得表1，并可以此为基础展望各类型陀螺仪的未来发展趋势。

表1 不同陀螺仪的性能指标对比

1、液浮陀螺仪

液浮陀螺仪经过几十年的发展，技术上已相对成熟，目前主要作为敏感传感器应用到武器系统上，以实现随动跟踪与制导，但在降低温控装置功耗和噪声等方面，仍有提升空间。动力调谐陀螺仪，在20世纪70年代到20世纪90年代被广泛应用，但随着光学陀螺仪技术的出现和发展，其各方面性能指标均不占优势，在各领域逐渐被光学陀螺仪所取代，目前国内外已基本停止了对动力调谐陀螺仪的研究。静电陀螺仪仍是目前实际应用中，精度最高的陀螺仪，但由于其工艺复杂、成本昂贵、抗干扰能力差等缺陷，如今仅在高精度惯性导航系统中继续应用，受关注度较低，各国正努力寻求其替代品，未来进一步发展的空间相对受限。

2、光学陀螺仪

光学陀螺仪因其精度高、稳定性高、体积小、抗干扰能力强等优势，是目前捷联式惯性导航系统中使用的主流产品，在市场中仍占据着主导地位。激光陀螺仪近年来不断朝着高精度、小型化、低成本的方向快速发展，但如何更有效地减小闭锁效应，更好地提升激光陀螺仪的精度仍是亟待突破的难题。光纤陀螺仪虽然晚于激光陀螺仪出现，但发展势头迅猛，美国、法国、俄罗斯和日本等发达国家，研制的新产品不断涌现，满足了不同领域的实际应用需求，下阶段，融合多种技术，从精度、稳定性、体积和成本等方面提高光纤陀螺仪的整体性能，并采用有效手段克服外界环境的影响，将是光纤陀螺仪的重点研究方向。

3、振动陀螺仪

MEMS陀螺仪因其体积小、成本低、易批量生产等优势，现阶段已基本占据低精度市场，随着工艺水平、计算机技术和数据算法的不断发展，其精度性能有望实现质的突破，进入惯性级陀螺仪应用领域。半球谐振陀螺仪较好地满足理想惯性传感器的性能指标，在成功应用到空间领域的基础上，向航海领域的推广已成为必然趋势，例如，法国已将半球谐振陀螺仪作为新一代海洋导航定位系统的主要惯性导航设备，赛峰电子与防务公司基于HRGCrystal技术研发的布卢·瑙特（BlueNaute）系列惯性导航系统，已开始应用到工程船舶、科考船和海警船等载体上；另外，结合新型制作工艺，大力开发基于MEMS技术的微半球谐振陀螺仪（MHRG）也是未来的热点研究方向。

4、原子陀螺仪

由于各国的高度关注，原子陀螺仪技术不断取得突破性进展，已开始逐渐从实验室步入工程化并最终通往产业化。核磁共振陀螺仪具有体积小、功耗低、抗干扰能力强等显著特点，与MEMS工艺技术相结合，有望实现芯片型惯性级陀螺仪，并以捷联式方案应用到微小型战术导弹、微小卫星、小型飞行器和自主式水下航行器等装备上。原子干涉陀螺仪具有超髙的理论精度，特别适合作为高精度平台式惯性导航系统的传感器，应用到战略武器装备上，但目前来看，原子干涉陀螺仪距离最终产业化应用仍面临许多技术困难，需要做好中长期的规划部署。

结语

陀螺仪作为一种无法取代的测量物体运动状态的传感器，已经经历了百余年的发展历程，在万物互联的背景之下，其应用前景被进一步发掘，不断显现出新的生命力，这个过程中将浮现出新的机会。

1）随着光纤陀螺仪逐渐从高端军工领域向高端民用领域扩张，且伴随着工业互联网的发展，更多应用场景将被发掘，终端设备装机量需求将进一步提高，从而带来市场规模的高速增长。同时，市场化竞争趋势更为明显，市场集中度有望逐步提升，诞生出技术实力与销售能力并存的行业龙头企业。同时行业发展也面临挑战，MEMS陀螺仪将逐步蚕食中低端光纤陀螺仪的市场，高端光纤陀螺仪技术难度高，应用成本难以短时间降低，在导入下游场景时将面临挑战，需要强大的销售体系进行支撑。

2）MEMS陀螺仪市场在经历了智能手机市场的爆发之后逐渐稳定，未来将在物联网的推动下迎来新一波需求高峰。目前集成MEMS陀螺仪的IMU的体积已经缩小到3mm * 3mm * 1mm左右，足够适用于绝大部分应用场景。未来将沿着提升性能及降低成本两条路线发展，应用范围进一步扩大，包括智能家居、工业互联网等场景。这些场景重复度高且其中设备数量巨大，从而带来对标准化产品的强劲需求。

3）MEMS陀螺仪单价较低既是机会也是挑战。机会在于产品导入成本低，有利于整个市场规模的扩大，挑战则是需要极大的出货量才能撑起一定的营业收入。外加受行业集成趋势不断加强的影响，多数企业将选择基于MEMS陀螺仪扩展产品线到加速度计、磁力计等相关产品，向下游延伸到整个运动感知系统乃至解决方案的发展路线。

4）MEMS陀螺仪呈现出典型的MEMS行业的特征。一是MEMS行业具有明显的规模效应，行业准入门槛不断提高，只有头部企业才能实现降低生产成本、提升产品性能、提高产品稳定性与可靠性，才有机会完成与下游大客户的绑定，在行业中占据一席之地。二是MEMS行业发展时间较短，而且生产工艺难度大，目前IDM仍是行业主流方式，Fabless厂商需要深度绑定下游代工厂，并进一步提升自身设计能力，才能在竞争中补齐短板。

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