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证券研 究报 告：国防 军工|深度报告 2023 年8 月18 日 市场有风险，投资需谨慎 请 务必阅读正文之后的免责条款部分 行业投资评级 强 于大 市|维持 行业基本情况 收盘点位 1469.27 52 周最高 1691.95 52 周最低 1413.25 行业相对指数表现（相对 值）资料来源：聚源，中邮证券研究所 研究所 分析师:鲍学 博 SAC 登记编号:S1340523020002 Email:分析师:王煜 童 SAC 登记编号:S1340523070004 Email:近期研究报告 中邮军 工 7 月月报：35 家 军工企业披露半年 报业绩 预告，看好 中期调整后军工行 业发展 机遇-2023.08.01 高精 度 MEMS 陀螺仪深度 之一：原理、工艺 与产业链 MEMS 陀螺 仪利 用科 里奥 利力去 测量 角速 度，用 MEMS 工艺 实现，一 般采 用梳 齿电 容静 电驱动 质量 块振 动，角速 度带来 质量 块另 外一个方 向的 位移，用电 容 检测该 位移 从而 计算 出角 速度。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，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，检 测方式 包括 电磁 检测、电 容检 测、压电 检测 和压阻 检测 等。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。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。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。在 MEMS 陀螺仪工艺 路线 上，SOI 结 构渐 渐成为 加 工 MEMS 器 件的 主要技 术，ASIC一般采 用 CMOS 工 艺；MEMS 器件 一般 采用晶 圆级 封装，CMOS、MEMS 等器 件集 成封 装正 在向 3D 集成 技术 发展，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。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。风险提 示：MEMS 陀 螺仪 性能提 升速 度趋 缓、MEMS 陀螺 仪行业竞争 加剧、存 在其 他新 技术替 代 MEMS 陀螺 仪等。-16%-11%-6%-1%2022-08 2022-10 2023-01 2023-03 2023-06 2023-08国防军工 沪深300 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 目录 1 MEMS 陀螺 仪 工作 原 理.4 1.1 用 科 里奥 利 力测 量 角速度.4 1.2 用MEMS 实 现：静 电驱动、电 容检 测.5 2 高 精 度与 消 费级 MEMS 陀螺 仪 的 主要 区 别.6 2.1 高精度MEMS 陀 螺 仪的四 大 应 用领 域.7 2.2 不 同 精度 MEMS 陀 螺仪的 结 构 差异.8 3 MEMS 与 ASIC 制 备、封 装工 艺 与 测试.9 3.1 MEMS 工艺.10 3.2 ASIC 工艺.15 3.3 封 装 工艺.15 3.4 测试.16 4 MEMS 陀螺 仪 产业 链.16 4.1 MEMS 陀螺 仪 产业 链 及相 关 企 业.16 4.2 国内MEMS 陀螺 仪 性能指 标 对 比.18 5 风 险 提示.19 WUDWyRsPtQrQpRsRqNtMmN7NaOaQtRmMmOnOeRoOyQkPmOnM6MpOoQvPmOtNxNmQoQ 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 图表目 录 图表1：科里奥利力原 理.4 图表2：典型MEMS 陀螺 仪结构.6 图表3：各类别陀螺仪 的 主要应用领域、主要 技术、代表厂商.6 图表4：高性能 M E M S 惯性传感器的四大应 用领 域.7 图表5：陀螺技术应用 现 状.7 图表6：陀螺技术应用 远 景.7 图表7：单质量块陀螺 仪 示意图.8 图表8：双质量块陀螺 仪 示意图.8 图表9：MEMS 惯性器件的 发展.9 图表10：国内外相关企 业先进 MEMS 陀螺仪结构及 零偏稳定性.9 图表7：湿法SOG 工艺.11 图表8：湿法SOG 工艺制 作的 MEMS 陀螺仪SEM 照片.11 图表11：干法SOG 工艺.11 图表12：正面体硅工艺.12 图表13：体硅SOI 工艺.13 图表14：表面硅工艺.14 图表15：硅MEMS 工艺对 比.14 图表16：圆片级封装示 意图.15 图表17：3D 集成示意图.16 图表18：MEMS 陀螺仪产 业链.18 图表19：国内MEMS 陀螺 仪相关企业及典型产 品性 能.19 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 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 OAOB，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。图表1：科 里 奥 利力 原 理 资料来源：ADI 官网，中邮 证券研究 所 科里奥 利力 公式 推导 如下：以转动 系为 参考 系，球 从 A 到 B 的时 间是=()/请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 在 t 时间内，球 偏离 AB 的距离 BB=()=()=2 在 很小 的情 况下，可 以认 为沿 BB的运 动 是匀 加速 运动而 初速 为 0，则 BB=1/2 2 与上一 结果 比较 可得：=2 其中、是已知 的，通过 测量 就可以 计算 出角 速度。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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 图表2：典型MEMS 陀螺 仪 结构 资料来源：MEMS 惯性传感 器研究现 状与发 展李 晓阳，中邮证券 研究所 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。图表3：各 类 别 陀螺 仪 的主 要 应用 领域、主 要技 术、代 表 厂商 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 器 消费电 子 零偏稳 定性(/h)0.01 0.01-0.15 0.15-15 15 标度因 数精度（ppm）1 1-100 100-1000 1000 角度随 机游走(/h)0.01 0.01-0.05 0.05-0.5 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 代表厂 商 Honeywell Honeywell、Northrop Grumman、Emcore、芯动联科 Honeywell、Sensonor、ADI、Silicon Sensing、Emcore、芯动 联科 Honeywell、Sensonor、ADI、Silicon Sensing 资料来 源：芯动 联科 招股 说明书，中邮证券研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 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。图表4：高性能 ME MS 惯 性 传 感 器的 四 大 应用 领 域 资料来源：先 进微陀 螺器 件及微惯 性测量 单元最 新研 究进展 何杰，中 邮证券 研究所 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。图表5：陀 螺 技 术应 用 现状 图表6：陀 螺 技 术应 用 远景 资料来源：高 性能 MEMS 惯性器件 工程化 关键技 术研究 邢朝洋，中邮 证券研 究所 资料来源：高 性能 MEMS 惯性器件 工程化 关键技 术研究邢 朝洋，中邮证 券研 究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 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。图表7：单 质 量 块陀 螺 仪示 意 图 图表8：双 质 量 块陀 螺 仪示 意 图 资料来源：ADI 官网，中邮 证券研究 所 资料来源：ADI 官网，中邮 证券研究 所 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 DARPA NGIMG 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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 图表9：MEMS 惯性 器 件的 发 展 资料来源：2017 年国外惯 性技术发 展与回 顾薛 连莉，中邮证券 研究所 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。图表10：国 内 外 相关 企 业先 进 MEMS 陀 螺 仪 结构 及 零偏 稳 定性 企业 MEMS 结构与零偏稳定性 波音 环结构，0.012/h（研 发暂 停）霍尼韦 尔 双质量 块音 叉结 构，0.01/h（在 研），0.25/h 诺格 四质量 块音 叉结 构，0.021/h（在研）ADI 四质量 块音 叉结 构，1.1/h Sensonor 蝶形结 构，0.3/h Silicon Sensing 环形结 构，0.03/h 芯动联 科 四质量 全解 耦音 叉结 构，0.05/h 资料来源：芯动 联科招 股说 明书，中 邮证券 研究所 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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 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 5100 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 30m，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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 图表7：湿法 SOG 工艺 图表8：湿法 SOG 工艺 制 作的 MEMS 陀 螺仪 SEM 照片 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮证券研究 所 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮证券研究 所 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。图表11：干法SOG 工艺 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮 证券研究 所 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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 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。图表12：正 面 体 硅工 艺 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮 证券研究 所 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 80m，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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 13 图表13：体硅SOI 工艺 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮 证券研究 所 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2m，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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 14 图表14：表 面 硅 工艺 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮 证券研究 所 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。图表15：硅 MEMS 工 艺对 比 MEMS 工艺 特点 适用范围 湿法 SOG 工艺成 熟、简单，但 刻蚀 精度低，高 浓度 掺杂与硅-玻 璃键 合带 来结 构应 力 陀螺仪、加 速度 计、执行 器 干法 SOG 省去高 温长 时间 硼掺 杂会 降低对 结构 层的 损伤 陀螺仪、加 速度计、光 开 关、衰 减器 正面体硅 在单层 硅片 上完 成 MEMS 芯片的 加工，不 存在由于材 料不 匹配 带来 的应 力影响；采 用 PN 结达到电极 隔离 目的，存 在击 穿电压 与漏 电的 限制 光开关、光 衰减 器、反射 镜阵列 体硅 SOI 当前主 流工 艺，全硅 结构，不存在 由于 热膨 胀系数带来 的应 力影 响，结构 层厚度 可 达 80m，并具有较 高的 加工 精度，易 于电路 单片 集成 惯性器 件（包括 陀螺、加 速度计、振动传 感器 等）、光学 器 件（包 括光开关、衰 减器 等）、生 物 MEMS、流体 MEMS 表面硅 在集成 电路 平面 工艺 基础 上发展 起来 的，更 容易与 CMOS 工 艺兼 容，不易 加工高 深宽 比的 器件结构，一般 厚度 小 于 2m，灵敏 度受 限制 MEMS 热对 流传 感器、压 阻传感 器 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮 证券研究 所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 15 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。图表16：圆 片 级 封装 示 意图 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮 证券研究 所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 16 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。图表17：3D 集成 示 意图 资料来源：硅 MEMS 器件加工及展 望徐 永青，中邮 证券研究 所 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 请务必阅读正文之后的免责条款部分 17 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 请务必阅读正文之后的免责条款部分 18 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。图表18：MEMS 陀螺 仪 产业 链 芯片设计 晶圆制造 封装测试 Invensense 芯动联 科 深迪半 导体 矽睿科 技 敏芯股 份 Micralyne（tyledyne）Tronics（TDK）台积电（TSMC）X-FAB Silicon Foundries 索尼（SONY）格罗方 德 赛微电 子/Silex 中芯集 成 无锡华 润微 电子/华润 上华 上海先 进 ASMC 华虹宏 力 苏州工 业园 区纳 米产 业技 术研究 院 北方电 子院 安徽 公司 长电科 技 日月光 半导 体 华天科 技 北方电 子院 安徽 公司 博世、意法 半导 体、ADI、霍尼 韦尔 电科 13 所/美 泰科 技、航 天科 工 33 所、航天 科技 13 所、航空 618 所、美 新 半导体、士 兰微 资料来源：芯动 联科招 股说 明书，高性能 MEMS 惯性器件工程 化关键 技术研 究 邢朝洋，中 邮证券 研究所 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。请务必阅读正文之后的免责条款部分 19 图表19：国内MEMS 陀螺 仪 相关 企 业及 典 型 产品 性 能 企业 简 介及代表 产品 芯动联科 成立于 2012 年，公司注册地位 于安徽省蚌埠市。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。典 型产品：33 系列 零 偏稳定性 0.1/h 深迪半导体 成立于 2008 年，是中国首家研 发设计商用消费级和汽车级微机电系统（MEMS）陀螺仪系 列惯性传感器的公司,产品主要应用于 IOT，手机智能终端，智能家居，人工智能，工业和智能驾舱等领 域。典 型产品：SZ007A零 偏稳定性 17/h 美泰科技 美泰电子专门致力于 MEMS 器 件与系统的研发、生产，是国内最大的 MEMS 核心芯片、器 件和系统产品供应商，优势产品包括 MEMS 惯 性器件与系统、MEMS 传感器、汽车传感器、压力传感器、射频 MEMS 器件等，广泛应用于航空航天、高铁、汽车、自动驾驶、通信等领域。典 型产品：MNV420A 组 合导航系 统 零偏稳 定性 10/h 矽睿科技 成立于 2012 年，产品包括多 款 MEMS 传感器，如六轴 IMU、加速度计、环境传感器、组合传感器等，；磁性传感器芯片，如磁力计、磁编码器、电流传感器、霍尔传感器等；及汽车与物联网智能模组和系 统。应用市场聚焦智能手机、智能穿戴、物联网、智能制造，汽车电子，并向智慧医疗、元宇宙、与自动驾驶市场演进。典 型产品：QMI8658，消费 级。敏芯股份 创立于 2007 年，主导构建了中 国 MEMS 产业链，被赞誉为产 业拓荒者，2020 年 8 月登录科 创板，被誉为MEMS 芯片第一股，是目前中 国屈指可数掌握多品类 MEMS 芯片设计和制造工艺能力的企业。公司目前主要产品线包括 MEMS 麦克风、MEMS 压力传感器和 MEMS 加速度计，MEMS 陀螺仪仍处 于预研阶段。资料来源：各公 司官网，中 邮证券研 究所 5 风险提 示 MEMS 陀 螺仪 性能 提升 速 度趋缓、MEMS 陀 螺仪 行 业竞争 加剧、存 在其 他新技术 替 代 MEMS 陀 螺仪 等。请务必阅读正文之后的免责条款部分 20 中 邮证 券投资 评级 说明 投资评级 标准 类型 评级 说明 报告中投 资建议 的评级 标准：报告发布 日后的 6 个月 内的 相对市场表 现，即 报告发 布日 后的 6 个月内的公 司股价（或 行业指数、可转债 价格）的涨 跌幅相对同 期相关 证券市 场基 准指数的涨 跌幅。市场基准 指数的 选取：A 股市场以沪深 300 指数为基 准；新三板市场 以三板 成指为 基准；可转债市 场以中 信标普 可转 债指数为基 准；香 港市场 以恒 生指数为基 准；美 国市场 以标 普500
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