20240210_长江证券_机械行业：人形机器人传感器六问六答_28页.pdf

行业研究 丨深度报告 丨机械 Table_Title 人形机器 人传感器 六问六答%1 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 2/28 丨证券研 究报告 丨 报告要点 Table_Summary人形机器人 使用的传 感器包括 关节一维力 及力矩传 感器、位 置传感器、IMU、六 维力传 感 器、触觉传感器及视觉模组等。本文重点梳理了触觉传感器、六维力传感器、IMU 等的工作原理，在人形机器人的作用，未来技术发展方向和当前市场情况，并对比分析了 MEMS 和柔性触 觉传感器工艺。重点推荐六维力传感器赛道，建议关注 IMU、触觉传感器等细分赛道。分析师及 联系人 Table_Author 赵智勇 倪蕤 SAC：S0490517110001 SAC：S0490520030003%20YBYyRtOoNpOtNtQtOsNnM9P9R9PsQmMsQrNkPmMoMeRmNxP7NpPxPuOqMmNxNoNrN 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 丨证券研究报告丨 更多研报请访问 长江研究小程序 机械 Table_Title2 人形机器人传感器六问六答 行业研究 丨深度 报告 Table_Rank 投资评 级 看好丨维 持 Table_Summary2 问题一：目 前人 形机 器人 使用哪 些传 感器?对 Optimus 和国内人形机器人 厂商目前的传感器方案梳理来看，使用的传感器包括用于关节的一维力和一维力矩传感器、关 节电机内部的位置传感器、IMU、用于腕关节和 脚部的六维 力传感器、触觉传感器（指尖、手掌、高碰撞风险区 等）及视觉模组。问题二：触 觉传 感器 有哪 些类型？发 挥怎 样的 作用？触觉传感器协助人形机器人获取如接触力大小和方向、物体 温度、湿度、形状纹理等信息。根据敏感材料和工作原理的不同可分为压阻式、压电式、电容式、磁场式、光电式、超声波 式等不同类型触觉传感器，性能对比各有 优势。往后看，触觉传感器往大面积、柔性化运用、测量多维力方向继续优化，市场规模有望稳步提升，人形机器人将成重要增量。问题三：IMU 在 人形 机器 人发挥 怎样 的作 用？IMU 测量物体在三个正交方向的角速度和加速度，核心部件 MEMS 加速度计和 MEMS 陀螺仪为相对成熟产品。运用于人形机器人，IMU 可以根据 XYZ 方向的加速度和旋转角变化来准确估计姿态。同时，IMU 可以动 态确定人形机器人自身位置变化，从而确定其移动轨迹及实现导航功能。从市场端看，21 年全 球 MEMS 惯性传感器市场规模 超 35 亿美元，且受益人形机 器人、自动驾驶、高端工业等领域渗透应用，有望实现稳定发展。IMU 国产替代机遇较大。问题四：硅 基 MEMS、柔 性传感 器、霍尔 传感 器有 什么区 别？MEMS 传感器具有体积小、重 量轻、功耗低等特点。其主要材料是硅，加工技术基于集成电路制造技术，形成特定的机械结构。加工工艺包括表面微处理技术、体微加工技术、光刻、电 镀、铸塑工艺等，其中，表面微处 理技术、体微加工技术相对成 熟，加 上后道的 MEMS 模块封 装，可实现 MEMS 传感器批量量 产。而柔性传感器的制造可以不以硅为材料，由于需要部分或大面积覆盖机器人的关节和外壳，更侧重于材料的柔性和大面积阵列化能力。部分柔性器件方案与 MEMS 工艺迥异。霍尔传感 器基于 MEMS 工艺，以磁场作 为感应介质，除了直流无刷电机（磁编码器）和测磁仪表的成熟运用，此外在无损探伤、位移传感、压力传感等领域 亦有运用。问题五：如 何看 待六 维力 传感器 的原 理、作用、价 值量及 格局？六维力传感器主要测量物体在空间中所受 力及力矩，技术壁垒明显，单台人形机器人一般可配置 4 个六维力传感器。目前国内市场基数 偏小，是高成长性赛道，后续高增催化包括应用渗透、国内厂商产品矩阵完善、产品降本及国产化率提升等。六维力传感器在人形机器人运用 有望成为标配，我们测算当人形机器人产量达到 1 万台、10 万台、100 万台、200 万台时，六维力传感器需求空间将达到 5 亿、10 亿、50 亿、80 亿，弹性明显。国产化率有待提升，已有国内企业在部分细分赛道占据较大份额，表现出较强的差异化竞争实力，有望享受国产替代红利。问题六：当 前国 内哪 些上 市企业 具备 传感 器布 局？国内上市企业针对各类型传感器均有布局，应用场景百花齐放，有望受益应用渗透及国产替代机遇，重点推荐六维力传感器 赛道，国产替代方兴未艾，国 内产品 验证 稳步推进，重点推 荐东华测试。建议关注 IMU、触觉传感器等细分赛道，潜在空间广阔，亦有国产替代红利。风险提 示 1、人形机器人核心技术突破不及预期；2、人形机器人量产化落地不及预期。Table_StockData 市场表现 对 比图(近 12 个月)资料来源：Wind 相关研究 Table_Report 机械行业 2023Q4 持仓 分析：持仓占比 环比提升，前十大持仓变 动较大2024-02-05 人形机器人周 报：Optimus 再度展示行走 进展，国内多部门联合发 文支持产业发 展2024-02-04 工商业 LED 照明：海外有望持续渗透，优质企业地位稳固2024-01-31-29%-18%-7%4%2023/2 2023/6 2023/10 2024/2机械 沪深300指数2024-02-10%3 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 4/28 行业研究|深度报 告 目录 问题一：目前人形机器人使用哪些传感器？.6 问题二：触觉传感器有哪些类型？发挥怎样的作用？.7 问题三：IMU 在人形机器人发挥怎样的作用？.11 问题四：硅基 MEMS、柔性传感器、霍尔传感器有什么区别？.17 问题五：如何看待六维力传感器的原理、作用、价值量及格局？.20 问题六：当前国内哪些上市企业具备传感器布局？.25 风险提示.27 图表目录 图 1：Optimus 脚 部采用 的 力和力矩 传感器 或为六 维力 传感器.6 图 2：Optimus 已 采用触 觉 传感器方 案.6 图 3：触觉 传感器 可覆盖 于 人形机器 人表面.7 图 4：协作 机器人 安全技 术 框架.7 图 5：灵巧 手在视 触觉传 感 下感知物 体的形 状和力 分布 情况.7 图 6：压阻 橡胶受 力，内 部 髓穿效应 增强.8 图 7：电容 式传感 器、霍 尔 传感器工 作原理.9 图 8：电磁 感性传 感器工 作 原理.9 图 9：触觉 传感器 可进一 步 做成大面 积的柔 性器件.10 图 10：基 底预拉 升，可 使 敏感元件 形成屈 曲结构，提 升器件延 展性.10 图 11：电 容式三 维力触 觉 传感器设 计方案.10 图 12：压 阻式三 维力触 觉 传感器设 计方案.10 图 13：全 球触觉 传感器 市 场规模有 望保持 较快提 升.11 图 14：触 觉传感 器下游 应 用领域分 布（2018 年）.11 图 15：Bosch Sensortec BMI 323 惯性 测量单 元.11 图 16：IMU 加速 度计和 陀 螺仪敏感 轴进行 二次集 成重 构.11 图 17：IMU 广泛 用于汽 车、导航等 领域.12 图 18：电 容-梳齿式 MEMS 加速度 计工作 原理.13 图 19：哥 氏力作 用下物 理 运动轨迹 呈现弧 线.13 图 20：框 架式 MEMS 陀螺 仪工作原 理.13 图 21：加 速度计 根据性 能 指标进行 分类.14 图 22：2021 年高性 能陀螺 仪细分市 场情况（百万 美元）.14 图 23：IMU 可以 安装在 足 部或者躯 干位置.15 图 24：IMU 导航 功能实 现 逻辑.15 图 25：在 坡面行 走，IMU 调整躯干 姿态.16 图 26：中 国 MEMS 惯性传 感器市场 规模（单位：亿元）.16 图 27：全 球 MEMS 惯性传 感器市场 规模有 望稳步 提 升（亿美元）.16 图 28：全 球高性 能 MEMS 惯性传感 器市场 竞争格 局（2021 年）.17 图 29：MEMS 从 制造到 封 装全工艺 流程.17%4 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 5/28 行业研究|深度报 告 图 30：各 向异性 及各向 同 性刻蚀原 理差异.18 图 31：干 法刻蚀 可以形 成 高深宽比.18 图 32：四 端 悬臂 梁制备 工 艺.19 图 33：一 种柔性 传感器 的 典型三明 治式结 构.19 图 34：压 阻橡胶 的制备 流 程及上下 层纳米 银电极 模具 制作，与 MEMS 工 艺迥异.20 图 35：角 度传感 器（磁 场 传感器，左）和 线性磁 场传 感器芯片（右）.20 图 36：霍 尔传感 器针对 转 动物体转 数、转 数、角 速度、角度等 物理量 进行检 测.20 图 37：典 型的三 梁式、十 字式六维 力传感 器架构.21 图 38：人 形机器 人一般 配 置 4 个六维 力传感 器.21 图 39：六 维传感 器结构 设 计多样.21 图 40：当 受到不 同方向 的 力时，应 变片组 的受力 情况 不同.22 图 41：解 耦矩阵 的求解.22 图 42：标 定设备 为非标 设 备.22 图 43：六 维力传 感器标 定 工作量大 幅提升.23 图 44：精 度、准 度概念 对 比.23 图 45：六 维力传 感器在 机 器人领域 的运用.23 图 46：六 维力传 感器在 机 器人行业 销量有 望保持 快速 增长.23 图 47：国 内六维 力传感 器 市场规模 及预测（销售 额）.24 图 48：国 内六维 力传感 器 市场规模 及预测（销量）.24 图 49：协 作机器 人细分 赛 道，2022 年 坤维科 技销售 量位列 TOP1.24 图 50：传 感器类 型众多 但 测量的技 术底层 逻辑一 致.25 表 1：典型 的传感 器类型.8 表 2：MEMS 陀螺 仪是商 用陀螺仪 的先进 类型.14 表 3：陀螺 仪根据 性能指 标 进行分类.14 表 4：全球 六维力 传感器 主 要厂商.24 表 5：人形 机器人 六维力 传 感器需求 测算.25 表 6：国内 传感器 布局企 业 梳理.26%5 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 6/28 行业研究|深度报 告 问题一：目前人 形机器人 使用哪 些传感器？对 Optimus 和国内人形机器人厂商目前的传感器 方案梳理 来看，目前使用的传 感器包括用于关节的一维力和一维力矩传感器、关节电机内部的位置传感器、IMU、用于腕关节和 脚部的六维力传感器、触觉传感器（指尖、手掌、高碰撞风险区）及视觉模组。关 节 的 一 维 力和 一 维 力矩 传 感器 主 要 针 对 关节 的 运 用状 态、输 出 力 或 力 矩进 行 监测 和 反 馈。以旋 转 执 行器 为 例，若 采 用 谐 波减 速 器 会产 生 瞬时 传 动 比 不 稳定 等 问题，因此需要一维力矩传感器对关节的力矩输出状态做实时监测。六 维 力 传 感 器：一 般 用于 人 形机 器 人 的 脚部 和 手 腕 处，能 随时 精 确 测 量 机器 人 关节在空间中所受力及力矩，为优化手部运动控制及行走控制的重要部件。触觉传感器：协助人形机器人获取如接触力大小和方向、温度、湿度、形状纹理等信息，对非结构化环境中的稳定抓取、路径规划和避障等至关重要。根据敏感材料和工作原理的不同可分为压阻式、压 电式、电容式、磁场式、光电式、超声波式等。IMU：运用 于人 形机器 人实 现 协助身 体平 衡、定 位导 航等 功 能。IMU 具 备加 速度计、陀螺仪等结构能够负责感知和控制人形机器人姿态和平衡，同时，还可以与摄像 头、力 传 感器 等 多 传感 器 数据 融 合，达 到预 测 人 形机 器 人速 度 和 轨 迹 并进 行 定位导航等功能。视觉模块：让人形机器人能“看得见”，包括环境感知、物体的识别和跟踪等，导入 AI、深度学习等技术后，人形机器人视觉可以实现理解并智能规划行进路线，准确判断物体类别、跟踪物体运动等功能。图 1：Optimus 脚部采 用 的力 和力 矩传感器 或为六 维力传 感器 图 2：Optimus 已采用 触觉传 感器 方案 资料来源：Tesla Optimus X，长江 证券 研究所 资料来源：Tesla Optimus X，长江 证券 研究所%6 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 7/28 行业研究|深度报 告 图 3：触觉传 感器可 覆盖于 人形机 器人表面 资料来源：电 子皮肤 触觉传 感器研 究进 展与发展 趋势（曹建 国等），长江证 券 研究所 问题二：触觉传 感器有哪 些类型？发挥怎 样的作用？触 觉 传感 器 协助 人形 机 器人 获取 如 接触 力 大小 和方 向、温 度、湿 度、形 状纹 理等 信 息，对非结构化环境中的稳定抓取、路径规划和避障等至关重要。具体来看，在 碰撞检测 方面，人形机器人 To B 及 To C 端均 可运用，其与人的协作和互动必须要有较高的安全性。在协作机器人领域，即有碰撞前控制安全技术和碰撞后控制安全技术。碰撞后安全技术主要靠优化机械结构设计、碰撞力抑制算法等方法降低碰撞后伤害。而碰撞前安全技术主 要通过视觉、激光、接近觉等手段来提前预测和防止碰撞的 发 生。一 般而 言，碰 撞前 安全 技 术基 于 视觉 避障 对 光照 环境、障碍 遮 挡等 十分 敏 感，触觉传感器针对感知接近或已经接触物体有相对优势。在形态感知方面，一般可结合视觉，判断接触力的大小和方向、是否有滑动等，更加丰富灵巧手等部件对非结构化场景的环境感知。比如当灵巧手完成拿取生鸡蛋、提桶、握住水杯等动作时，需要视觉生成动作策略，再 由灵巧手触觉传感器感知执行情况（是否按照策略抓取、力控情况等），提高抓取动作的成功率。图 4：协作机 器人安 全技术 框架 图 5：灵巧手 在视触 觉传感 下感知 物体的形 状和力 分布情 况 资料来源：基于 电子皮 肤的协 作机器 人 碰前安全 方案研 究（姜 宇等），长江证 券研究所 资料来源：面相 机器人 操作任 务的视 触 觉传感技 术综述（崔少 伟等），长江证 券研究所%7 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 8/28 行业研究|深度报 告 触 觉 传感 器 根据 敏感 材 料和 工作 原 理 的 不 同可 分为 压 阻式、压 电 式、电 容式、磁 场 式、光电式、超声波式等，性能对比各有 优势。具体来看：表 1：典型的 传感器 类型 传感器类 型 优势 劣势 电阻型 灵敏度高，检测 范围广，兼具 动静 态响应 电阻受温 度影响，压敏 材料不 易集 成 压电型 动态响应 较好，灵敏度 高 不利于静 态检测，需要 电荷放 大器，电路繁杂 电容型 灵敏度高，响应 速度快，结构 简单 受外界电 磁干扰 严重，信号检 测系 统复杂 磁场式 精度高、响应速 度快、无接触 测量、具有线性特 性、抗 干扰能 力强 灵敏度不 高、温 度漂移 明显、对磁 场幅值和方向非 常敏感、成本 较高 光电式 高过载范 围、高 精度、抗电磁 干扰、非接触性、无损测 量 受光照影 响，光 源不足，处理 速度 不够快 资料来源：面相机 器人触 觉反馈 的新型 柔性电子 皮肤研 究（王铭 炯），足式 机 器人触地 检测方 法的研 究综述（姜晓勇 等），长江证 券研究 所 压电式传感器：利用压电效应，当沿着一定方向施力并使压电材料变形时，压电材料将在内部产生极化，在材料两个表面产生符号相反的电荷。电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变化阻抗以后，形成与受力大小成 一定相关关系的电压/电荷信号输出。压电式传感器需要交变力作用，只适用于动态测量。压阻式传感器：利用压阻效应，压阻材料在受到应力时电阻将发生变化。压阻传感器接入惠斯登电桥，受力时由于阻值的变化而使惠斯登电桥偏移平衡状态输出与压力对应的电压信号。当前大多数金属材料与半导体材料均有压阻效应。图 6：压阻橡 胶受力，内部 髓穿效 应增强 资料来源：电 子皮肤 触觉传 感器研 究进 展与发展 趋势（曹建 国等），长江证 券 研究所 电容式触觉传 感 器：电容与 极 板间 电介质介电常数、极板距离和正对面积相关，当电容式触觉传感器受到法向力或者切向力时，将分别影响极板间距及极板正对面积从而引发电容量变化，通过测量电路即可输出与 受力大小和方向呈一定关系的电信号。磁 场 式传 感器：包含霍 尔效 应 和电磁 感应 效应 等原 理。1）霍 尔效应 是当 导体 放置 在磁场内且有电流通过时，导体内的正负电荷将受到洛伦兹力偏向导体两边从而产生霍尔电压（内建电压）。若磁场发生变化霍尔电压亦将发生变化。当霍尔传感器受力时，弹性材料的微形变将改变永磁体的位置，霍尔传感器可以通过测量磁场的矢量变化从而获得受%8 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 9/28 行业研究|深度报 告 力的大 小和 方向。2）电磁 感性 是线圈 中的 磁场 发生 变化 时，感性线 圈的 感应 电压 值会随着磁通量的变化率而变化，电磁感性式传感器可以设置为励磁线圈和感应线圈（检测线圈）结构。励磁线圈本身具备周期性的电流相位变化，从而在感性线圈产生相对稳定的感应电动势。但当传感器受力 时，检测线圈相对励磁线圈位置发生变化，励磁线圈的磁通量变化率将有所改变，产生新的电动势。通过对励磁线圈-感性线圈感应电动势的波动分析可以判断受力的大小和方向。实际上，人体皮肤本身具有较高的空间分辨率（比如指尖最高 1mm、腹部最低 30mm）和刺激频率分辨度（最高可达 700Hz）。人类本身触觉系统特 性指引触觉传感器的基本设计需求。要达到仿生性，对于触觉传感器 将提出更多要求，比如要具备 在 1ms 内测量0.01N 至 10N 之间的三维力 的 能力；对于指尖传感器，其空间 分辨率应当达到 1mm 等。上 述 压阻 式、压 电式、电容 式、磁 场式 传 感器 工作 原 理并 不复 杂，但 考 虑到 响应 速 度、空间分辨率、测量精度、消除耦合、集成应用等因素，部分触觉传感器 在人形机器人的运用 仍有瓶颈。图 7：电容式 传感器、霍尔 传感器 工作原理 图 8：电磁感 性传感 器工作 原理 资料来源：Recent Progress in Technologies for Tactile Sensors（Cheng Chi等），长 江证券 研究所 资料来源：Recent Progress in Technologies for Tactile Sensors（Cheng Chi等），长 江证券 研究所 往后看，触觉传 感器往 大面积和柔性化方面 运用继续优化。触觉传感器可进一步做成大面积柔性器件，用于机器人全身包括肩部、肘关节、膝关节等部位，由于表面形状和尺寸在机器人工作过程中易发生变形，触觉传感器阵列及微观元件需具有高柔性。当前触觉 传 感器 常 用敏 感材 料 包括 无机 半 导体 材 料和 金属 材 料及 其化 合 物，但 抗应 变能 力 差，柔性能力较弱。无机半导体材料如 Si，在拉伸和弯曲等变形条件下容易发生脆断，断裂极限应变约为 1%。金属材料及 其化合物如银、铜、ITO 等，亦 将在应变 1%时发生断裂失效。从技术发展方向来看，一方面是 要求敏感元件 薄膜化（甚至达到纳米级），任何材料在足够薄的情况下 都具 备柔性特征，如纳米级厚度带、导线或薄膜均具有柔性。同时，附着在柔性基板上的金属薄膜断裂极限更高，比如附在聚酰亚胺薄膜上的铜箔可承受 2%的应变且附着越良好可承受的应变程度将更高。以柔性 PDMS 或聚酰亚胺薄膜作为柔性基底+敏 感元 件减薄 组合 有望 成为 触 觉传 感器大 面积 柔性器 件 的重 要方 向。此 外，可以进一步优化制造大面积触觉传感器的工艺，比如在 将敏感元件贴装/转印到柔性基 底前，柔性 基底可以做适当 预拉升，随后释放预应力，可以使敏感元件形成 屈曲结构，从而提高器件 5%-10%延展性。%9 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 10/28 行业研究|深度报 告 图 9：触觉传 感器可 进一步 做成大 面积的柔 性器件 图 10：基 底预拉 升，可 使敏感 元 件形成屈 曲结构，提升 器件延 展性 资料来源：能斯 达官网，电 子皮肤 触觉 传感器研 究进展 与发展 趋势（曹建 国等），长江证券 研究所 资料来源：机 器人柔 弹性仿 生电子 皮肤 研究进展（邱 澜等），长江证 券研究 所 同时，触觉传感 器往测 量多维力方向继续发 展。通用场景运 用背景下，对人形机器人的感知能力要求将会越来越高，Optimus 已经展示双手传递生 鸡蛋的动作，后续对灵巧手及高碰撞风险部位的力控能力将更加严格，三维力触觉传感器具备应用空间。目前触觉传感器对垂直于测力表面的法向力敏感性度量已能做到相对较好，但切向力的感知能力有待进一步提高，国内三维力触觉传感器在人形机器人的运用有待落地。目前国内实验室研究已针对不同类型的三维力触觉传感器方案有所探讨：电容式触觉传感器：将一个传感器单元分割为 4 个部分，在 传感器顶部设置浮动电极。当受到法向力，四个模 块（C1、C2、C3、C4）电容 均同时增加。当受到 X的正向切向力时，由于浮动电极与 C1、C2 模块的电容板位 置摆放差异，C1、C2感知电容变化结果相反。Y 切向力电容变化同理，从而将三维力受力 情况区分。压阻式触觉传感器：设置空气腔结构，没有力负载时，PDMS 帽的突出结构挤压应变片产生微形变，当受到法向力，应变片形变均加剧；当 受到切向力，不同腔室的应变片变形程度有差异，从而将三维力受力区分。霍尔触觉传感器：霍尔元件本身能感知由于受力位移导致的磁场方向和大小变化，相对电容式、压阻式三维触觉传感器 需构建复杂的受力结构，具备明显优势。图 11：电 容式三 维力触 觉传感 器 设计方案 图 12：压 阻式三 维力触 觉传感 器 设计方案 资料来源：Recent Progress in Technologies for Tactile Sensors（Cheng Chi等），长 江证券 研究所 资料来源：Recent Progress in Technologies for Tactile Sensors（Cheng Chi等），长 江证券 研究所 市 场 层 面，触 觉 传 感 器 规 模 有 望 稳 步 提 升，人 形 机 器 人 将 成 重 要 增 量。根据 Tactile Sensor Market，2023 年全球 触觉传感器 市场规模达 85.3 亿 美元，预计到 2032 年将达%10 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 11/28 行业研究|深度报 告 173.9 亿美元，2024-2032 年之 间年复合增长率达 8.2%。当前 触觉传感器 下游运用主要集中在机器人、汽车、医疗保健等行业，后续智能穿戴设备、柔性触觉传感器具备潜在应用 并刺激市场增长。触觉传感器国 产 替代机 遇明显。当前触觉传感器 下游消费主要集中在北美，国内消费占比相对较少。国内大部分传感器企业从事气体、温度等类型 的感应器生产，触觉传感器厂商相对较少。因此触觉传感器 产品 主要由海外厂商占据。根据 QY Research，2021年 全 球 触 觉 传 感 器 领 军 企 业 包 括 Tekscan、Pressure Profile Systems 以及 Sensor Products Inc，市场份额合计 约 65%。触觉传感器尤其是中 高端触觉传感器 面临国产替代发展契机。图 13：全 球触觉 传感器 市场规 模 有望保持 较快提 升 图 14：触 觉传感 器下游 应用领 域 分布（2018 年）资料来源：Tactile Sensor Market，长 江证券研 究所 资料来源：QY Research，长 江证券 研 究所 问题三：IMU 在 人形机器 人发挥 怎样的作 用？IMU 为一种能够测量物体在三个正交方向的角速度和加速度的装置，通过对时间进行积分可以计算物体的速度和位移等信息。其核心部件主要为 3 个加速度计和 3 个陀螺仪模块，并将两种惯性器件的敏感轴进行二次集成重构，分别测量正交空间坐标系 X、Y、Z轴的加速度及角速度。同时，IMU 还包含 3 个磁力计模块，以提供磁北极相关的航向角等信息。图 15：Bosch Sensortec BMI 323 惯性测 量单元 图 16：IMU 加速度 计和陀 螺仪敏 感轴进行 二次集 成重构 资料来源：Bosch Sensortec 公众号，长江证券 研究所 资料来源：基 于 MEMS 的 IMU 误 差建 模与温度 补偿技 术研究（高 畅等），长江证券研究 所 IMU 已经在汽车、医药、导航 和控制、生化分析、工业检测 等方面得到了较为迅速的应用。典型地，IMU 可以验证 RTK GPS 结果的自洽性，并对无 法自洽的绝对定位数据进%11 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 12/28 行业研究|深度报 告 行滤波和修正，还可以在 RTK GPS 信号消失之后，仍然提供持续若干秒的亚米级定位精度。比如，在车道线识别模块 失效时，基于失效前感知到的道路信息和 IMU 对汽车航迹的推演，仍然能够让汽车继续在车道内行驶。IMU 在人形机器人的主要作用为体态的感知，并进一步优化人形机器人的步态和稳定行走发挥重要作用。图 17：IMU 广泛用 于汽车、导航 等领域 资料来源：Bosch Sensortec，赢 富仪 器，导远 电子，Robb Report，MotorAuthority，长江证 券研究 所 IMU 核心部 件加速度计和陀螺仪为相对成熟 产品。比如加速 度 计包括液浮摆式加速度计、挠性摆式加速度计、石英振梁加速度计和 MEMS 加速度计等，陀螺仪包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪、半球谐振陀螺仪和 MEMS 陀螺仪等。MEMS 方案由于体积 小、质量轻、成本低、环境 适 应性强、易于大批量生产等 特点而得到 广泛运用。就工作原理来看，MEMS 加速 度计 包含压电、压阻、电容式、热电耦式、光波导等方式，以典型的电容-梳齿式加速度计结构测定原理来看，梳齿式结构由可移动的质量体、可移动电级/固定电机结构、弹簧、基板等构成。当质量体受到加速度时，质量体将在空间中产生位移，带动可移动电极发生位置偏移。由于可移动电极上下面均有对应的固定电极，移动电极发生位置偏移将改变对上下固定电极的距离从而导致电容发生变化，极板靠近的电容上升，极板远离的电容降低。电容的变化可以 进一步转换为输出电压，通过输出电压来度量输出加速度方向的大小和方向。根据 IT Instumentation Today，这样的电容-梳齿式器件质量体的重量不超过 0.1 微克，极板距离不超 过 1.3 微米，小型化优势比较突出。智能家居汽车自动驾驶体育运动无人机姿态控制VR/MR机器人感知%12 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 13/28 行业研究|深度报 告 图 18：电容-梳齿 式 MEMS 加速 度计工作 原理 资料来源：IT Instumentation Today，长江证券 研究所 MEMS 陀螺仪工作原理基于 哥 氏力 惯性理论，当物体在旋转的圆盘上运动时，在圆盘旋转和切向方向会有额外的加速度和受力，运动轨迹呈弧线。其 哥氏力的大小与 旋转角速度和物体本身的移动速度相关，因此通过 对哥氏力表征，可以实现对载体角速度的 间接测量。常用且技术成熟的 MEMS 陀螺仪为振动式陀螺仪，可将输入角速度量转换为位移，通过电容、压电等方式将其检测出来。以典型的框架式 MEMS 陀螺仪为例，四个电容板位于陀螺仪中心矩形框的四条边并呈对称状设置，分为径向电容和横向电容，当在径向电容上输入一个震荡型的电压值，径向将产生震荡力作用于中间器件推动中 间器件往复做震荡运动，若横向方向产生了角速度，则在 哥氏力作用下物体将产生横向的位移 导 致横 向 电容 发生 变 化，从而 将 角速 度 信息 转化 为 位移 信息 并 进一 步 转化 为电 信 号。MEMS 陀螺仪作为第三代陀螺仪代表，是目前商用陀螺仪的较为先进的类型。随着MEMS 陀螺仪精度和稳定性的 提升，其已基本占据低精度的民用领域。图 19：哥 氏力 作 用下物 理运动 轨 迹呈现弧 线 图 20：框 架式 MEMS 陀螺 仪工作 原理 资料来源：基 于 MEMS 的 IMU 误 差建 模与温度 补偿技 术研究（高 畅等），长江证券研究 所 资料来源：基 于 MEMS 的 IMU 误 差建 模与温度 补偿技 术研究（高 畅等），长 江证券研究 所%13 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 14/28 行业研究|深度报 告 表 2：MEMS 陀螺 仪是商 用陀螺 仪 的先进类 型 陀螺仪分类 陀 螺仪类 型 精度(零偏稳定 性)/()h-1)精度潜力 稳定时间 体积 成本 抗干扰能力 受关注度 现阶段主要应 用领域 转子陀螺 仪 液浮陀螺仪 0.001 中 慢 大 高 弱 低 中、高精度军用领域 动力调谐陀螺仪 0.01 中 中 中 低 中 低 中、低精度民用领域 静电陀螺仪 0.0001 高 慢 大 高 弱 低 高精度军用领域 光学陀螺 仪 激光陀螺仪 0.001 中 快 中 中 中 低 中、高精度军用领域 光纤陀螺仪 0.001 中 快 中 低 中 中 中、高精度军、民用领域 振动陀螺 仪 MEMS 陀 螺仪 0.1 中 快 小 低 中 高 低精度民用领 域 半球谐振陀螺仪 0.0001 高 快 小 中 强 高 高精度空间领域 原子陀螺 仪 核磁共振陀螺仪 0.01 中 快 小 中 强 高 工程样机阶段 原子干涉陀螺仪 0.00001 超高/高 原理样机阶段 资料来源：陀 螺仪的 发展与 展望（史 文策等），长江 证券研 究所 加速度计和陀螺仪均有性能指标，决定了其在不同场景的应用能力。零偏稳定性、零偏重复性、角速度/线速度随机游走、标度因数精度是衡量性能重要指标。以陀螺仪为例，根据零偏稳定性、标度因数精度、角度随机游走等指标的差异，将其划分为战略级、导航级、战术级和消费级。MEMS 陀螺仪主要用于战术级和 工业级。2021 年，在高性能陀螺仪细分市场，硅基 MEMS 陀螺仪占据了 工业级应用领域 86%的市场份额，具体应用场景包括资源勘探、测量测绘等。同时，在战术级应用领域内，硅基 MEMS 陀螺仪也逐步 占据了一定的份额。图 21：加 速度计 根据性 能指标 进 行分类 图 22：2021 年高性能 陀螺仪 细分 市场情况（百万 美元）资料来源：芯动 联科招 股说明 书，长 江 证券研究 所 资料来源：Yole Intelligence,High-End Inertial Sensing 2022，长江证 券研究 所 表 3：陀螺仪 根据性 能指标 进行分 类 类别 战略级 导航级 战术级 消费级 应用领域 航天，航海 航空，长航时无人系统 高端工业（如测绘，资源勘探）、车辆和飞行体 消费电子 零偏稳定性（/h）15 标度因数精度（ppm）1000%14 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 15/28 行业研究|深度报 告 角度随机游走（/h）0.5 陀螺仪技术 机电陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪 激光陀螺仪、光纤陀螺仪、动力调谐陀螺仪、MEMS 陀螺仪 激光陀螺仪、光纤陀螺仪、动力调谐陀螺仪、MEMS 陀螺仪 MEMS 陀螺仪 资料来源：芯动 联科招 股说明 书，长 江 证券研究 所 IMU 运用于人形机器人实现 协助身体平衡、定位导航 等功能。IMU 可以安装在 人形机器人足部，亦可以安装在 人形机器人躯干位置。IMU 具备加速度计、陀螺仪等结构能够负责感知和控制人形机器人姿态和平衡，此外 IMU 还可以与摄像头、力传感器等多传感器数据融合，达到预测 人形机器人速度和轨迹并进行定位导航等功能。人形机器人行走时会 受到外界环境的干扰而出现步态失效甚至摔倒等情况，尤其是人形机器人面对陌生且复杂的地形时。正确的步行轨迹规划 由传感器率先检测出干扰是否发生，此后，控制器根据传感器的参数计算人形机器人的动作补偿并生成一个新的关节轨迹以使扰动后的人形机器人能够稳定行走。扰动的测量指标即包括测量加速度和测量倾斜度，IMU 的作用既实现对扰动发生的 测定，又可以作为后续动作补偿计算的依据。比如，IMU 可以根据 XYZ 方向 的加速度和旋转、偏航、俯仰的旋转角变化来准确估计姿态，IMU 可以随时检测实际身体姿态是否偏移期望身体姿态并做实施调节。在不平坦地形上稳定行走的可行方案之一是保持人形机器人躯干直立，使得重心在地面的投影能在足部的支撑区域以内，IMU 可以辅助修正人形机器人躯体姿态。此外，通过对角速率和线加速度的按时间积分及叠加运算，IMU 可以动态确定人形机器人自身位置变化，从而确定 其移动轨迹及实现导航功能。图 23：IMU 可以安 装在足 部或者 躯干位置 图 24：IMU 导航功 能实现 逻辑 资料来源：Applications of IMU in Humanoid Robot（Qiang Huang 等），长 江证券研究 所 资料来源：芯动 联科招 股说明 书，长 江 证券研究 所%15 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 16/28 行业研究|深度报 告 图 25：在 坡面行 走，IMU 调整躯 干姿态 资料来源：Applications of IMU in Humanoid Robot（Qiang Huang 等），长 江证券研 究所 从市场端看，人 形机器 人、自动驾驶、高端 工业等领域 有望持续渗透 IMU 应用，全球MEMS 惯 性传感 器将稳定 发展。根据 Yole 发布的 Status of MEMS Industry 2022，2021年世界 MEMS 惯性传感器市场规模约 35.09 亿美元。其 中 2021 年 MEMS 陀螺仪和MEMS 加速度计市场规模 达 15.93 亿美元，占全球 MEMS 行业总市场规模的 45.4%。根据芯动联科招股说明书，2021 年中国 MEMS 惯性传感器市场规模约 136 亿元。同时，IMU 国产替代机 遇较 大。从竞争格局来看，根据 Yole，截止 2021 年全世界高性能 MEMS 惯性传感器市场规模 约 7.1 亿美元（含 MEMS 惯性 传感系统），世界 MEMS惯性产品市场份额集中在 Honeywell、ADI、Norththrop Grumma/Litef 等行业巨头，市场份额前三的公司合计 占有 50%以上份额。图 26：中国 MEMS 惯性传 感器市 场规模（单位：亿元）图 27：全球 MEMS 惯性传 感器市 场规模有 望稳步 提升（亿美元）资料来源：芯动 联科招 股说明 书，长 江 证券研究 所 资料来源：芯动 联科招 股说明 书，长 江 证券研究 所%16 请阅读最 后评级 说明和 重要声 明 17/28 行业研究|深度报 告 图 28：全 球高性 能 MEMS 惯性传 感器市场 竞争格 局（2021 年）资料来源：Yole，长江证 券研究 所 问题四：硅基 MEMS、柔性传 感 器、霍尔 传感器有什么区 别？MEMS 是微电子机械系统的缩 写，是一种将微电子技术与机械工程相结合的技术，它利用微纳加工技术，将 微小的机械结构、传感器、执行器和电子电路集成在一起，形成微型机械系统。MEMS 技术的发 展使得传感器、执行器等微型 设备可以实现集成化、小型化和高性能化，广泛应用于各 个领域。MEMS 用到的主要材 料是硅，加工技术基于集成电路的制造技术，利用硅的各 项异性刻蚀，从而形成特定的 机械结构。MEMS 传感器内部结构可达微米甚至纳米量级，具有体积小、重量轻、功耗低等特点。由于 MEMS 包含三维微型结构以及可动结构（如悬臂等），MEMS 制造工艺 更加复杂。MEMS 加工工艺包括表面微处理技术、体微加工技术、光刻、电镀、铸塑 工艺等，其中，表面微处理技术、体微加工技术相对成熟，加上后道的 MEMS