不可小视的MEMS陀螺仪
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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
资料来源：公开资料整理
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
陀螺仪早在上世纪初便开始被使用，早期作为寻北仪应用于航海导航，后来被广泛应用于航空航天、飞机导航、导弹控制等军工领域，以及包括石油钻探、矿山隧道等在内的特定工业领域。近年来随着技术的不断进步，陀螺仪在消费电子设备上扮演着越来越重要的角色，才逐渐被大众所熟知。
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
资料来源：公开资料整理
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
资料来源：公开资料整理
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）
资料来源：System Plus Consulting，December 2013
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
资料来源：公开资料整理
表2：不同种类陀螺仪特性比较
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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
资料来源：公开资料整理
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
来源：公开资料整理
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
来源：公开资料整理
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
来源：公开资料整理
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
市场情况
综合来看，陀螺仪的市场格局主要由陀螺仪的精度和价格所决定。目前陀螺仪已经形成光纤陀螺仪占据对精度要求高的中高端市场、MEMS陀螺仪占据对精度要求低的中低端市场、其他陀螺仪作为补充的市场格局。
图8：2020年前后陀螺仪发展与应用趋势示意图
来源：DraperLab
1）光纤陀螺仪占据中高端市场
光纤陀螺仪在诞生时，仅被当作低成本的中低精度陀螺广泛使用，早在1994年在美国光纤陀螺的应用占比已经达到49%。进入到21世纪，随着掺铒光纤光源、全数字闭环信号处理、高性能光纤环绕制等技术的应用以及光电子器件的性能提升，高精度光纤陀螺迅速发展，国内外主流光纤陀螺研制企业均已研制出精度优于0.001°/h的产品，应用领域从战术级、导航级进一步跨越到战略级，基本已经取代传统陀螺仪。未来光纤陀螺仪将继续向着精度更高、质量更轻、体积更小、成本更低的方向发展。
从全球来看，在光纤陀螺技术上美国始终保持领先地位，其他国家处于追赶地位。目前国外研发光纤陀螺仪的企业主要包括有美国的Honeywell、Northrop Grumman、DraperLab、KVH，法国的iXBule、Sagemcom，俄罗斯的Optolink等等，多具有三十年以上的研发历史，产品性能在全球处于领先地位，例如Honeywell的“参考级”光纤陀螺仪的零偏稳定性已经达到0.00003°/h。
我国光纤陀螺研究起步较早，已形成一定技术积累，研制单位多数为大学、研究所及其孵化出的企业，包括有中航六一八所、航天三十三所、北京航空航天大学、浙江大学、时代光电、耐威科技、星网宇达、七维航测、航天电子等，共计30余家企业，主要面向军工市场，市场集中度较低。与民用市场相比，军工市场更为关注产品的成熟度和稳定性，对性价比的要求相对更低。民用市场对精度要求不高，产品的性价比和易用性往往是第一考虑的因素。
a）Honeywell：1888年成立于美国，是一家多元化的高科技和制造企业，业务涉及航空产品和服务、楼宇、家庭和工业控制技术、汽车产品、涡轮增压器以及特殊材料，一直致力于发展用于空间定位和潜艇导航应用的精确级光纤陀螺。
b）Northrop Grumman：1994年成立于美国，由诺斯罗普公司收购格鲁曼公司后组成，是世界第三大军工生产厂商、世界上最大的雷达制造商和最大的海军船只制造商，主要经营方向为导弹与导弹系统、航空母舰和核潜艇等，推动高性能陀螺仪从军用转向民用。
c）时代光电：成立于2008年，隶属于中国航天科技集团公司第九研究院十三所。目前已拥有完全自主知识产权的光纤陀螺及系统、MEMS惯性仪表及系统等高新技术系列化产品。多年来，时代光电开创了我国光纤陀螺技术在武器、卫星和载人飞船等多个任务上的首次成功应用。
d）耐威科技：成立于2008年，公司具备完整的自主研发生产能力且覆盖了从惯性传感器到惯性导航系统、组合导航系统的完整产业链，自主成功研制了中高精度闭环光纤陀螺仪，2015年上市后收购了全球领先的MEMS代工厂——瑞典Silex并进行转型。
e）航天电子：中国航天科技集团旗下从事航天电子测控、航天电子对抗、航天制导的高科技上市公司，产品主要包括：高性能传感器、电连接器等。
整体来看，国内企业在产品性能上与发达国家头部企业相比还存在一定差距，但是足够满足国内军用领域的需求，军工企业已具备全产业链的生产能力，军用市场基本被军工企业占据。随着技术的成熟和成本的降低，光纤陀螺正在逐渐向民用高端领域扩张，包括汽车的无人驾驶、高端无人机的飞行控制、高铁振动传感及铁路轨道检测、航空/陆上移动测绘等，未来市场机会凸显。随着民用市场的逐步扩张，我们预计市场头部集中度有望逐渐提升，培育出技术实力与销售能力并存的行业龙头企业。
据统计，近年来我国光纤陀螺仪市场规模不断增长，从2014年的37.11亿元增长到2017年的69.73亿元，CAGR超过23%。未来随着向民用市场扩张，预计在未来几年将依然保持较高的增长速度，预计2020年将进一步增长到120亿元，到2025年则会进一步突破200亿元。
图9：中国光纤陀螺仪市场规模
来源：华经市场研究中心
2）MEMS陀螺仪蕴藏巨大发展潜力
得益于半导体行业成熟的产业链，MEMS陀螺仪从提出概念到量产使用仅花费了五六年时间。MEMS陀螺仪在早期凭借着成本低、体积小等绝对优势，使得很多之前未曾被考虑过的军事和商业的应用方向出现，例如开始在一些成本要求较低的短程炮弹中加入制导系统。有报道预计称，到2020年美军九成的制导武器将采用MEMS惯性传感器。
不过，MEMS陀螺仪真正迎来爆发是在智能手机时代，目前已被广泛应用于手机、游戏机、无线鼠标、数码相机、智能可穿戴设备、玩具级无人机等产品中。预计未来随着物联网的发展，智能硬件进一步得到推广，其需求将出现高速增长。
限制MEMS陀螺仪应用的最大问题是其较差的精度。目前量产精度普遍可以做到10°/h以内，正在向着1°/h的目标发展，某些实验室产品能够达到0.02°/h。随着MEMS传感器尺寸缩小，传统的检测效应已接近灵敏度极限，而且受限于加工工艺，高性能MEMS的研发一直面临很大的困难，短时间内无法在中高精度市场对光纤陀螺仪形成明显的威胁。即使是中低端的光纤陀螺仪，相比起MEMS陀螺仪也具有明显的性能优势，但是两者价格差距也十分明显，中低端光纤陀螺仪普遍比MEMS陀螺仪高出八到十倍，市场定位重合度较低。
但是随着惯性组合导航技术的发展，在普通民用领域，MEMS陀螺仪与光纤陀螺仪的性能差距的表现逐步缩小。据实验证明，在卫星信号良好的情况下采用两套不同惯导+GPS的组合导航系统的精度几乎没有区别，在卫星信号较差的情况下光纤陀螺仪的表现性能要高出20%-30%左右，但这难以弥补成本上的差距。因此认为，在未来几年内，MEMS陀螺仪将有很大可能在精度要求较低的中低端市场和短时领域完全取代光纤陀螺仪。
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，MEMS陀螺仪市场基本被国际巨头瓜分，主要包括有STMicroelectronics（占据消费类惯性传感器40%的市场份额），德国的Bosch（占据消费类惯性传感器约10%的市场份额），美国的Invensense（iPhone主要供应商）、ADI，挪威的Sensonor，日本的旭化成、村田制作所等等。整体来看，MEMS陀螺仪市场呈现出鲜明的MEMS行业的特点，这些厂商大多具有深厚且全面的传感器及集成电路设计能力，显现出极高的技术门槛。
我国MEMS陀螺仪发展起步较晚，近年来以深迪半导体、矽睿科技等为代表的国内厂商相继推出自主化的商用产品，已经形成一定技术积累，在一批仅能够生产中低端MEMS陀螺仪的传统企业中脱颖而出，但与国外相比依然明显落后，尤其是在中高端产品线上差距明显。据2015年的统计数据，国内智能手机出货中MEMS陀螺仪的进口比例高达98%，结合近年来国内陀螺仪厂商产品的发布情况看，这一数字近来并未发生太大变化。
a）STMicroelectronics：于1987年成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成，产品种类齐全，几乎覆盖全部MEMS传感器产品。意法半导体于2006年便建成8英寸MEMS生产线，2009年推出全球首款高性能3轴MEMS陀螺仪，2012年推出首款非安全系统应用的汽车级3轴MEMS陀螺仪，无论在技术上还是市场上均位于全球领先地位。
b）Bosch：于1886年成立于德国，从事汽车与智能交通技术、工业技术、消费品和能源及建筑技术的产业。1995年博世首次量产MEMS传感器，2005年成立了Bosch Sensortec公司，专注智能手机等消费电子领域，2017年博世开始为iPhone供应陀螺仪。
c）Invensense：于2003年成立于美国，最早便是做陀螺仪起家，是业内第一个针对智能手机完整运动处理设计系列产品的厂商，2006年推出世界第一个高效能的双轴陀螺仪，2007 年InvenSense更推出了针对CE应用的业界最小的双轴陀螺仪。苹果从iPhone5开始一直都是使用InvenSense的陀螺仪。2017年4月被日本TDK收购。
d）ADI：于1965年成立于美国，全球领先的高性能信号处理解决方案供应商。ADI公司一直是MEMS创新产品的领导者，提供全面的惯性检测解决方案，包括备受赞誉的MEMS加速度计和陀螺仪以及IMU（惯性测量单元）等，主要面向工业领域提供MEMS陀螺仪，被广泛应用于各种飞行器中。
e）Sensonor：于1985年成立于挪威，2003年被英飞凌收购，2009年从英飞凌分离出来。高精度MEMS技术领域的全球领导者，为恶劣环境场景设计生产高端的综合性陀螺仪和压力传感器。率先为汽车市场推出了MEMS加速度计和陀螺仪，并且成为了轮胎压力传感器的领先供应商。2015年Sensonor和北斗星通达成协议，将通过紧密合作开展惯性导航传感器在中国市场的应用。
e）深迪半导体：2008年成立，中国首家商用MEMS陀螺仪传感器供应商，主要面向消费类电子及汽车电子市场，已相继完成8轮融资，投资机构包括深创投、张江科投、聚源资本、海通创意资本等。2009年发布首款具有中国自主知识产权的商用单轴MEMS陀螺仪产品，2012年发布三轴MEMS陀螺仪并于2014年量产，2017年实现量产六轴IMU，2019年10月推出国内首款适用手机的六轴IMU，成为国内仅有在消费电子领域可提供适用于手机类和非手机类的六轴惯性测量单元系列产品的MEMS公司。
f）矽睿科技：成立于2012年，专注于MEMS智能传感器业务，产品主要面向于消费领域，芯片累计销售已超过1亿颗。已相继完成6轮融资，投资机构包括上海联和投资、新微资本、华登国际、君宸达资本等。2015年联合华虹半导体推出新一代单芯片三轴陀螺仪，2018年5月与Silex合作推出六轴IMU并在2019年实现量产。
随着美国对华为进行制裁，各大消费电子设备厂商开始意识到重要器件完全依赖进口的弊端，纷纷在国内扶持可替代的供应商，在国产替代的大背景下，国内企业将迎来前所未有的发展机会。我们认为，第一，由于中低端市场竞争激烈，长期能够突围的机会必然属于技术实力领先、能够研发量产高端MEMS陀螺仪的企业。第二，MEMS陀螺仪越来越多和加速度计、磁力计集成为IMU进行使用，这样不仅有效降低使用难度和生产成本，同时进一步减小了整体模组的体积，因此未来具有集成生产能力的企业才能不被市场所淘汰。第三，抓住可穿戴设备、无人机等新兴蓝海市场是企业弯道超车的机会。
据统计，2019年全球MEMS陀螺仪总市场共计约15亿美元，在整体MEMS市场中占比达到10%。由于近年来智能手机市场接近饱和、可穿戴设备市场发展不足预期，增速相对较为缓慢，同时受疫情影响，智能设备出货量下滑，预计2020年整体市场规模变化不大。到2025年保守估计市场规模将达到20亿美元，如果在5G、边缘计算等技术的支持下，可穿戴设备市场迎来爆发，则整体规模将进一步提高，或超过30亿美元。
图10：全球MEMS陀螺仪市场规模（亿美元）
来源：Yole Developpement
六
新技术正在兴起
目前下一代的陀螺仪技术还多处于早期发展阶段，关注度较高主要包括半球谐振陀螺、原子陀螺等等。新一代陀螺仪或专注于性能的提升，或在保持性能的基础上延长使用寿命、减小体积、降低生产成本，但距离量产应用仍较远，对现有的市场格局产生影响仍需要较长的时间。
1）半球谐振陀螺
半球谐振陀螺属于机电式陀螺，其内部取消了机械转子，利用半球谐振子唇沿高频振动产生的哥氏效应来测量角运动，从而避免了机械摩擦产生的漂移，拥有高精度、高过载等优势，寿命长达15年，极其适合在太空中使用，最早应用在美国的哈勃太空望远镜中。目前法国赛峰研制的该产品已开始用于寻北仪、海事、陆军、导弹、商业客机等等，我国中电26所和上海航天控制技术研究所的样机也相继于2012年和2017年研制成功并搭载到卫星中升空。据报道美国已在研制基于MEMS技术的半球陀螺仪，从而进一步缩小体积和降低生产成本，如果实现批量生产将有望在未来颠覆现有的市场格局。
2）原子陀螺
原子陀螺目前则仍处于实验室阶段，大致可以根据工作原理分为基于原子干涉的冷原子陀螺和基于原子自旋的核磁共振陀螺，其中前者最大优点是精度高，理论上能够超过静电陀螺，后者最大优点在于有望能够在MEMS的体积下实现激光陀螺的精度。原子陀螺或成为未来陀螺仪的标杆。
七
投资思考
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投资机会。
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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