人形机器人专题3：IMU传感器专题正式版

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｜人形机器人专题3：IMU传感器专题2

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1分析师：曾彪S0740522020001研究助理：农誉nongyu@录1传感器概述TS研专

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信传感器概述◼

各类传感器分类➢

人形机器人的“感知器官”：传感器。作为一种检测装置，传感器能够感知到被测量信息，并将感知到的信息，按一定规律转换成各种形式的信息（电信号）进行输出，使所感知的信息得以达成传输、处理、存储、显示、记录和控制等目的。内部传感器位置外部传感器气体&气、传感器…嗅觉触觉速度力&触觉传感器…麦克风…加速度力/力矩压力语音/听觉味觉/体感视觉温度&湿度传感器…CMOS激光传感器、红外线感应器….姿态接近电感、电容、超声波传感器…••内部传感器：测量机器人自身状态，通过测量运动学和力学量，使机器人具备识别自身运动状态，并使按照预设的位置、轨迹和速度等参数控制肢体进行摆动、行走、维持平衡等运动；外部传感器：测量机器人自身所处的外部环境，以及进行本体与外部环境之间的信息交互。11月2日，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，引导行业聚焦、突破视觉（集成高精度仿生眼与类脑处理算法）、听（宽频响、高灵敏的仿生听觉传感器）、触觉（高分辨率和具有多点接触检测能力的仿人电子皮肤）、嗅觉（高灵敏、可检测多种气体）等人形机器人专用高精度传感技术。3资料来源：中泰证券研究所传感器市场规模◼

市场规模➢

传感器全球市场规模➢

传感器市场份额：应用类别&市场（2022年）350030002500单位：亿美元2946.7生物传感器,11.43%光学传感器,3.91%2698.4中东、非洲,5%2473.4,3%拉丁美洲RFID,3.42%2269.12048图像传感器,5.37%2000150010005000温度传感器,3.13%亚洲,40%欧洲,24%其他传感器,65.86%压力传感器,4.44%触觉传感器,2.44%北美,28%20222023E2024E2025E2026E••根据PrecedenceStatistics的预测，2026年，全球传感器市场规模将达到2946.7亿美元（按23年1-11月平均汇率,接近2.07万亿人民币），2022-2026年复合增长率达9.52%；••生物传感器是占据最大份额的应用类别，其组成包含生物敏感元件，能够识别抗体、酶、核酸等生物物质，广泛应用于微生物监测、食品分析等领域；行业增速得益于监控摄像头、消费电子产品、视频游戏等领域日益增长的需求，以及新能源技术和物联网技术的普及带来的增量。按地域做区分，亚洲占据最大的市场，占比接近40%，由于核心的消费电子制造商集中在中国、韩国、日本和印度等亚太地区，随着5G、智慧城市的兴起，预计该区域持续拉动传感器需求的增长。4资料来源：PrecedenceStatistics，中泰证券研究所智能传感器成为产业趋势◼

市场规模➢

智能传感器：集成了微处理机，相较由敏感、转换元件和变换电路组成的传统传感器，在满足采集、处理需求的同时，还具备与外部系统双向通信、交换信息的能力。➢

智能传感器市场规模（亿元）➢

传感器市场份额：下游应用场景分类（2022年）全球智能传感器行业营收规模中国智能传感器行业营收规模50004494医疗电子,其他,450040004023.29.7%7.0%3605.1汽车电子,24.1%3500300025002000150010005003233.22902.4网络通信,17.6%1610.91477.9工业制造,22.0%1357.11247.31147.5消费电子19.6%,02022E2023E2024E2025E2026E••根据头豹研究院预测，2026年，全球智能传感器行业营收规模将达到4494亿元，2022-2026年复合增长率达11.55%，其中，中国智能传感器行业营收规模将达到1610.9亿，年复合增长率8.85%；从下游应用场景看，2022年，汽车电子、工业制造和消费电子占据超过65%的市场份额，随着5G、AI和物联网技术的发展，智能传感器有望在医疗、家居、公共服务等领域得到更广泛的应用。5资料来源：资产信息网，头豹研究院，中商产业研究院，中泰证券研究所录2人形机器人惯量传感器TS研专

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信TeslaOptimus人形机器人进展◼

TeslaOptimus人形机器人➢

2023年9月24日，特斯拉在其官方推特更新了人形机器人产品Optimus的进展，根据最新的展示录像，可以看到机器人的感知能力再度实现升级：Optimus已经具备了对物件的自主识别和筛分的能力

，并且可以实现肢体位置的精准校准、平衡运动姿态控制。•

IMU、力传感器、视觉传感器等多种传感器融合，通过数据间的特征提取、关联实现互补和校准；•••肢体状态定位、校正：视觉传感器&关节处的位置传感/编码器瑜伽伸展：IMU是保持平衡和姿态控制的关键复杂的肢体动作：力/力矩传感器是稳定控制力量&摆动的核心7资料来源：特斯拉官方推特，中泰证券研究所惯性传感器：IMU◼

IMU概述➢

IMU（InertialMeasurementUnit），又称为惯性测量单元，与MEMS加速度计、陀螺仪同属于

MEMS惯性传感器（MEMS代指微机电系统），它是由两个及以上惯性测量MEMS芯片及ASIC芯片合封而成，通过检测运动加速度、旋转角速度等参数来来感知物体的运动姿态和位移等信息。加速度计陀螺仪磁力计IMU原理：利用牛顿第二定律F=ma测量加速度大小并将其转化为电信号。如图示电容式的微型化弹簧等效系统，与弹簧相连的橙色重物受到加速度作用时发生位移，绿色极板间的电容C1、C2发生变化，被检测并转换成电信号输出；原理：角动量守恒定律，科里奥利效应。如图示等效微型电容系统，当传感器旋转时，橙色质量块受惯性产生力矩，因而向某一方向偏转，电容变化产生电信号，被转化为角速度输出。

号被检测到并转换为磁场的强度和方向信息输出。测量：旋转角速度，用于导航、姿态原理：霍尔效应。电子在导体板流通过程，外部磁场的存在会使导体板中的电子分布发生变化，因此导体板两端测量到的电压也会发生变化，该信原理：将一个三轴陀螺仪、三轴加速度计集成在同一个芯片中，构成六轴IMU，或者进一步与三轴磁力计集成，构成九轴

IMU测量：加速度、位置和姿态测量：加速度，用于测量振动、冲击、方向和速度等。控制和稳定系统等。测量：空间磁感应强度8资料来源：HowToM，中泰证券研究所关键组成部分：加速度计&陀螺仪◼

分类➢

根据惯性传感器的核心性能参数，可区分为战略级、导航级、战术级、消费级，各层级加速度计、陀螺仪适配对于的应用领域。零偏稳定性（°/h）标度因数精度角度随机游走（°/√h）类别分级应用领域类别示例（MEMS）（ppm）机械摆式、石英、加速度计战略级导航级<5<10--航天，航海，自校准机械摆式、石英、MEMS加速度计5-50<500航空，长航时无人系统加速度计高端工业（如测绘，资源勘探）、车辆和飞行体战术级消费级战略级导航级战术级消费级50-1000>1000<1000>1000<1--MEMS、石英加速度计MEMS加速度计消费电子航天，航海<0.01<0.010.01-0.050.05-0.5>0.5机电、激光、光纤陀螺仪激光、光纤、MEMS激光、光纤、MEMSMEMS陀螺仪0.01-0.150.15-15>151-100航空，长航时无人系统陀螺仪高端工业（如测绘，资源勘探）、车辆和飞行体100-1000>1000消费电子衡量一个工作周期内，表征温度变化、非线

反映角速率信号中白当加速度、角速率为

性、重复性等影响因

噪声，数值越小代表零时，输出值围绕其

素，数值越小

测

量

误差越小，测量精度备注---均值的偏离程度精度越高越高•

MEMS加速度计、陀螺仪具备高集成化、小型化的特征，覆盖消费级-导航级应用范围，由于战略级产品定位于系统复杂、高价值的应用平台，特点是体积大、价格高、抗机械冲击能力差，大规模量产能力有限，制约平台小型化，智能化发展；9资料来源：芯动联科招股说明书，

TDK产品介绍，中泰证券研究所MEMS市场规模◼

MEMS市场规模预测➢

MEMS市场规模预测➢

MEMS下游应用市场规模&占有率（2028年）2022年（亿美元）94762028年（亿美元）1009080706050403020100国防和航空,7%通讯,4%4127工业,16%消费,48%3125医药,4%14988汽车,21%62••根据YoleIntelligence预测数据，MEMS传感器的市场规模将从2022年的~145亿美元增长至2028年的~196亿美元，年复合增长率~5%；•预计至2028年，消费、汽车、工业应用占据MEMS市场接近85%的份额，其中汽车领域市场规模迅速增长，由2022年的27亿美元增长至2028年的41亿美元。其中，预计陀螺仪的单独销量持续降低，而集成化的IMU产品市场规模扩大，从2021年的18.3亿美元增长至2027年的27.9亿美元。10资料来源：YoleIntelligence，中泰证券研究所惯性传感器IMU行业格局◼

MEMS产业链及行业格局➢

MEMS传感器产业链环节➢

产业格局：2021年IMU市占率

&公司总营收规模对比其他,12%霍尼韦尔（Honeywell）,7%博世（Bosch）,Fabless模式：芯片设计晶圆制造封装测试亚德诺半导体（ADI）,6%35%敏芯股份芯动联科应美盛台积电中芯国际苏州固锝华天科技北方电子院安徽公司

日月光半导体北方电子院安徽公司TDK株式会社,20%意法半导体（ST）,20%2022年总收汇率2022总收入/（2023.11.18）

亿人民币垂直整合制造商公司国家单位IDM模式：入/亿884博世STTDK德国瑞士日本美国美国中国中国欧元美元日元美元美元-7.867.240.0487.247.24-6948.21167.8913.0博世（Bosch）161.319021120.14354.66-意法半导体（STMicroelectronics）亚德诺半导体（AnalogDevicesInc.，ADI）霍尼韦尔（Honeywell）ADI869.8Honeywell敏芯科技芯动联科2567.7292.65226.86---•

MEMS行业有

Fabless（无晶圆厂制造模式）

和

IDM（垂直分工模式）两种经营模式；IDM对企业资金和业务规模、技术水平要求较高，需要具备独立覆盖芯片设计到产品制造的所有环节，博世、ST、ADI、Honeywell等国际大型半导体企业采用该模式。•

IMU市场集中度高，博世、ST、TDK、ADI、honeywell等海外厂家占据接近88%的市场份额，国产厂家在业务规模和收入体量上相对较小。11资料来源：芯动联科、明皜传感招股说明书，YoleIntelligence，中泰证券研究所录3IMU产业链主要公司梳理TS研专

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信IMU行业新增量：自动驾驶◼

传统汽车电子领域➢

MEMS传感器已经广泛的应用于汽车电子领域。➢

汽车电子应用➢

自动驾驶&

IMU：惯性导航产品性质实现功能传感器碰撞感测发射安全气囊侧翻检测加速度计陀螺仪功能安全类产品GPS、加速度计、陀螺仪、磁力计车辆导航系统防盗系统智能钥匙T-BOX加速度计加速度计加速度计加速度计非功能安全类产品行车记录仪•惯性导航系统通常集成多轴陀螺仪和多轴加速度计，对各轴自由度的角速率和线加速度进行测量，根据算法按时间积分、叠加运算，实现自身位置变化的动态确定；•独立的MEMS加速度计、陀螺仪传感器在汽车中得到广泛应用，例如加速度计被应用在碰撞感应发射安全气囊，以及防盗系统；陀螺仪则多用于车辆动态控制，例如侧翻检测、偏航角测算等。••1）惯导系统可独立使用，无需借助外源信息、设备，无需向外发送任何信号，且具备数据更新率高、稳定性佳的特点；2）因此可以与卫星导航结合使用，辅助GPS

导航，一方面提供数据补偿，提高位置更新频率；另一方面，在隧道、地下车库等卫星信号受到屏蔽的场景，可依靠惯性导航系统来提供定位信息，利用航迹推算实现短时导航。13资料来源：芯动联科招股说明书，中泰证券研究所IMU行业新增量：自动驾驶◼

自动驾驶➢

随着车辆智能化程度的提升，需要借助多传感器融合技术增加数据获取数量，以提高系统的冗余度和容错性，是确保智能决策快速性和准确性的关键，因此，IMU有望成为L3级以上自动驾驶的标配。➢

IMU与视觉传感的互补性➢

高精度IMU优化BEV算法•深度相机-IMU互补•IMU校正激光雷达成像•

1）使BEV算法实现多帧对齐：通过高精度IMU抓取的平移和旋转运动，由于数据频率高，可以精准的获取当前帧和前一帧的运动关系，降低BEV算法误差；••相机虽能够获得丰富的环境信息，但在高速运动、光照变化过程相机成像容易失效，IMU能够获得车辆运动信息，且不受环境影响，对相机不足进行补偿；•

2）拼接语义地图，实现城区路线NOA：针对复杂的城市路线，弥补因路面环境缺陷，摄像头视线、GNSS信号丢失带来的不良影响，实现分米级别的定位精度。快速的运动可能会导致旋转激光雷达的点云扭曲，成像发生形变，IMU可以消除激光雷达扫描中的运动失真，达到纠偏的效果。14资料来源：芯动联科招股说明书，导远电子，3D视觉工坊，《Target-freeExtrinsicCalibrationofa3D-LidarandanIMU》，中泰证券研究所IMU行业新增量：人形机器人◼

人形机器人➢

多传感器融合技术对于应用于复杂工况的通用型机器人至关重要，在其运动过程中，通过增强数据识别和收集效果，提高系统的冗余和容错性，IMU有望成为人形机器人的标配。项目示例小米Cyberone傅利叶

GR-1波斯顿动力

Atlas智元机器人

远征

A1iToF模组、RGB模组，可选配

IMU传感方案深度相机，IMUIMU相机，激光雷达，IMU••姿态控制：有望用于腿部、上半身，用于测算身体角度，因此预计搭配高精度的多轴陀螺仪；运动规划：为适应恶劣复杂地形，对视觉传感起到辅助，实现高精度的导航和运动路径规划，预计需要搭配集成多轴MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的IMU。15资料来源：各公司公告，中泰证券研究所1）Fabless经营模式优劣并存◼

IDMvsFabless➢

采用Fabless模式的芯片设计企业主要负责研发设计（MEMS、ASIC芯片设计，封装设计和工艺开发）和销售，晶圆制造、封装和测试环节交由第三方代工厂和封装测试企业完成。模式覆盖环节资本投入要求生产成本供应链安全产品迭代产业需求上行，产能利用1）转型难度大2）研发-制造时间可控性强芯片设计、晶圆制造、封

高资本开支，承担晶圆产

率高，成本低装、测试、产品销售

线建设、维护和升级IDM模式高产业需求下行，面临高折旧成本1）生产设计灵活，对市场新兴需求反应迅速，转型快2）芯片设计功能的实现受晶圆厂工艺能力的限制3）研发存在无法快速流片验证的风险低投入，集中资源投入到芯片设计低，行业需求紧张时面临供应不稳定和价格风险Fabless模式

芯片设计、产品销售低•持续的研发投入，保持领先且快速的研发和设计能力是Fabless模式企业的核心竞争力，对供应链的严格把控是实现核心产品稳定量产的关键。16资料来源：中泰证券研究所2）芯片的设计与创新◼

芯片的设计与创新➢

MEMS

传感器生产流程➢

明皜传感产品开发流程MEMS芯片结构可靠性与质量性能确认MEMS晶圆流片设计•芯片设计晶圆中测MEMS晶圆制造、（CP测试）晶圆级封装ASIC和MEMSASIC晶圆验证测试合封••芯片设计过程：根据产品定义，进行结构设计和工艺制程确认，随后进行晶圆流片以确认可靠性和质量性能，根据验证结果对设计进行修正和调整工艺制程；由于MEMS传感器结构的复杂性，品质控制难度较大；因此对于从方案设计，到工艺及设计验证，兼容制造的全过程技术积累尤为重要，以此实现对各工艺流程的优化。17资料来源：明皜传感招股说明书，中泰证券研究所芯动联科：国产高性能MEMS陀螺仪领衔者◼

芯动联科➢

相较国内其他企业，公司高性能MEMS陀螺仪的研发起步较早，2015年初代产品研制成功后，陆续在2017、2019年量产二、三代高性能MEMS陀螺仪，是少数可以实现稳定量产的企业，此类产品具有小型化、高集成、低成本的优势，核心性能指标达到国际先进水平。MEMS陀螺仪营收（百万元）182.91YOY2001801601401201008070%60%50%40%30%20%10%0%58%133.0941%80.4737%84.3624%67.95201960402002020202120222023H1••公司MEMS陀螺仪业务收入逐年增长，2023年H1该业务占总营收比例接近八成。••公司高性能MEMS陀螺仪产品覆盖消费级、战术级、导航级，应用领域包括车辆、飞行器的惯性导航和平台稳定，已经微纳卫星的姿态感知和机器人的状态监测；根据YoleIntelligence统计，2021年MEMS陀螺仪覆盖工业级、战术级应用领域，其中在工业级应用领域占据接近86%的市场份额，在战术级和导航级应用领域，激光、光纤陀螺仪分别占据了78%和

92%的市场份额。随着高性能MEMS陀螺仪技术成熟度提升，应用场景逐步拓宽，有望进一步渗透至以激光、光纤陀螺仪为主导的战术、导航级应用领域。18资料来源：芯动联科招股说明书，中泰证券研究所芯动联科：国产高性能MEMS陀螺仪领衔者◼

芯动联科➢

高性能MEMS陀螺仪产品达到国际领先水平➢

持续进行研发投入，维持核心竞争力MEMS设计结构电路设计零偏稳定性预计投入/万公司型号特点重点项目内容进展元分立电路，开环控制工作模式ASIC电路，开环控制工作模式HG4930设计结构：双质量块音叉结构可实现正交误差补偿Honeywell0.25°/h1.1°/h国内首款小尺寸（6*8*3mm）、低功耗单片集成

Z轴、三轴

MEMS陀螺仪，用于自动驾驶、机器人、无人机等工业级陀螺仪6,630开发阶段ADIS16547设计结构：双质量块音叉结构可实现正交误差补偿ADI可实现正交误差补偿，模态匹配，

0.021°/h自校准高性能Z轴MEMS陀螺仪

4代下一代导航级Z轴MEMS陀螺仪，比目前在售最高性能陀螺指标提升一个量级NorthropGrumman设计结构：四质量块音叉结构在研在研2,880验证阶段全硅MEMS芯片工艺，可实现正交误差补偿，模态匹配，标度因素自补偿，自校准，耦合消除MEMS惯性导航系统3,9506,450L3+自动驾驶的六轴惯性测量单元自动驾驶的高性能

MEMSIMU开发阶段开发阶段陀螺仪33设计结构：四质

ASIC电路，芯动联科

系列

量块全解耦音叉

开环控制工HC-L20.05°/h结构作模式功能安全

6轴

IMU••根据Yole数据，全球高性能MEMS惯性产品市场份额集中在Honeywell、

ADI、

NorthropGrumman，

三

家

分

别

占

据34%/13%/8%，公司高性能MEMS陀螺仪在性能指标上相较国际领先品牌具备一定的竞争力；持续加大研发投入：•

1）现有产品性能提升，开发四代陀螺仪，目标实现高精度、高可靠、小型化的导航系统；六轴IMU产品已对某知名智能电动汽车客户进行A样交付，规划于2024年量产，预计主要两个品牌年用量在10万套以上；同时对某无人驾驶应用领域的客户，已完成项目定点和小批量交付。•

2）拓宽产品丰富度，重点投入方向为车规级MEMS陀螺仪、IMU产品，应用于自动驾驶、机器人等领域；在研项目涵盖压力传感器、FM加速度计、光衰减器微镜等品类。19资料来源：芯动联科招股说明书，YoleIntelligence，中泰证券研究所芯动联科：国产高性能MEMS陀螺仪领衔者◼

芯动联科➢

纵向拓展封装领域，完善公司产业链环节，降低产品成本项目投入MEMS器件封装测试基地建设项目总投资

约2.22亿元，其中固定资产等长期资产合计约1.77亿元，占比约

80%预期规划建成到投产共计

3年1）建设一条先进封装生产线，实现惯性传感器和压力传感器的封装生产，并可实现定制化封装；2）提升公司现有测试技术水平，购置新设备、研发新技术，使公司具备圆片级的测试能力3）扩大测试产线的产能，建设测试产线以及扩大现有产品测试产能，进而与封装产线的产能匹配•

MEMS封装截面示意图•引线键合封装•

MEMS产品封装涉及晶圆切割、芯片贴片、引线键合、盖壳等工序，属于产业链后端工序，但却对产品的尺寸、形态以及性能影响较大，决定产品能否与应用终端实现更好融合；••公司MEMS器件封装测试基地建设项目已经完成备案工作，相较于封装代工厂商，只面向自身产品需求，能够保障公司产品出货的及时性，同时，通过将产品工艺设计与封装工序反复调试，相互契合，能够提高生产效率；•由于MEMS传感器的封装设计高度定制化，将封装工序委外的Fabless厂家，在面对市场的新需求、新产品开发时，可能存在封装代工厂对新产品的封装需求响应速度较慢，由于产线参数调整造成高废品率和高成本等问题。本项目落成后，公司将具备规模化的封装、测试能力，产业链得到进一步完善，在对产品的交付能力增强的同时，提高产品质量的把控力，通过规模化也可以大幅降低产品的生产成本，进一步提升市场竞争力。20资料来源：武汉大学工业科学研究院，芯动联科招股说明书，中泰证券研究所明皜传感：先进的工艺平台&稳定可靠的供应链◼

明皜传感（苏州固锝持股21.63%）➢

公司晶圆级3DMEMS-CMOS微加工工艺➢

构建加工工艺平台••公司的MEMS加速度计由CMOS衬底、MEMS机械结构和晶圆级封装硅帽三片硅晶一体成型制成，中间MEMS机械结构层将运动状态的变化转变为电容变化，电容信号通过硅通孔传递到

CMOS衬底中；••平台赋予车规级加速计产品高一致性、高良率和低失效率，已顺利导入东软集团、比亚迪等汽车级客户；产品逐步丰富：基于三维MEMS-CMOS微加工工艺的平台，可满足包括加速度计、陀螺仪、IMU等多种

MEMS惯性传感器的研发与生产需求，平台与设计协同优化，有望在加快产品迭代开发的同时降低研发成本；实现了标准

8寸

CMOS晶圆生产工艺与

MEMS晶圆生产工艺的兼容，属于区别于模组式封装的3D封装工艺，可以把寄生电容电阻做到最小化，在减少封装金线，降低成本的同时，还可以给芯片更多设计空间。•目前已成功开发MEMS陀螺仪及IMU六轴传感器整合技术，完成初次流片。21资料来源：明皜传感招股说明书，中泰证券研究所明皜传感：先进的工艺平台&稳定可靠的供应链◼

明皜传感➢

供应链稳定可靠模式研发设计晶圆加工封装测试MEMS\ASIC芯片设计、封装设计、工艺方案开发MEMS晶圆加工ASIC晶圆加工设计环节的技术积累涉及平台与

拥有工艺团队，自研的制造工艺平台技术已成熟应用于国际知结构协同设计、工艺及设计验证、

名晶圆代工厂；兼容制造三大环节，公司基于此持续进行产品的迭代和改善，构

可基于晶圆代工厂既有的产线资源对工艺进行优化开发，亦可建完善的产品研发体系，提升产

基于自有的工艺平台技术进行生产品良率深度参与封装测试与封装生产环节的技术开发；公司模式通过自建定制化测试产线完成芯片测试，优化测试效率VIS、台积电（MEMS晶圆、光罩

）纳芯微（中测后的

ASIC晶圆）苏州固锝（封装、测试服务等）日月新（封装服务）合作方——与纳芯微签订定制化开发合同，

苏州固锝为公司股东，持股涉及芯片设计版图保护及排他性

21.63%相关合同—•区别于传统

Fabless模式，公司深度参与晶圆制造过程中制造工艺平台的搭建与优化，专注芯片开发的同时也在制造工艺领域持续研发与突破，实现芯片设计与工艺设计的协同。22资料来源：明皜传感招股说明书，中泰证券研究所华依科技：IMU惯导产品有望放量◼

华依科技➢

公司2018