作者：李晓阳 等
转载自：传感器专家网 

本论文来自北京遥测技术研究所，主要研究了当前MEMS传感器，特别是MEMS惯性传感器的现状和技术发展趋势。

文中涉及MEMS 陀螺仪、MEMS 加速度计、MEMS 磁力计及 MEMS-IMU等主要惯性传感器类型，对比了国内外当前具体传感器型号、性能参数等的差异。对于传感器技术人员、研究人员和市场人员了解中国和全球MEMS惯性传感器发展很有帮助！

引言

MEMS 即微机电系统，集微型传感器、执行器、信号处理与控制电路、接口电路、通信和电源于一体，是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。 

MEMS 最早是在上个世纪八十年代被提出的，并在其后逐渐被广泛接受。斯坦福大学等最早开始了 MEMS 领域的研究开发工作。其后，佐治亚理工等众多大学也都建立了自己的 MEMS 工艺线，同一时间也开展了 MEMS 设备、仪器的开发工作，以用来支撑理论工艺技术研究。同时，各高校及科研单位相互之间也在不断地进行技术与业务方面交流， 促进了 MEMS 技术及时转化成产品。

据美国国防部预测，到 2020 年美军 90% 的制导武器将采用 MEMS 惯性传感器，如图 1 所示。MEMS 惯性传感器主要包括 MEMS 陀螺仪、MEMS 加速度计、MEMS 磁力计及 MEMS-IMU 等五种，本文将对以上几种惯性传感器的研究现状进行介绍，并根据发展现状对发展趋势进行展望。

图 1 2020 年美军 90%的制导武器将 采用 MEMS 惯性传感器 

1 MEMS 陀螺仪研究现状 

MEMS 陀螺仪利用科里奥利力（Coriolis force，又称 为科氏力）原理把角速率转换成一个感应器电容极板的位移，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。 

MEMS 陀螺仪可以从振动结构、材料、加工方式、驱 动方式、检测方式和工作模式等几个方面进行分类，如 图 2 所示。

图 2 MEMS 陀螺分类

1.1 MEMS 陀螺仪国外发展现状 

国外对于 MEMS 陀螺仪的研究最早始于二十世纪八十年代，美国、日本及欧洲各国均耗巨资进行了相关技术方面的开发和研究，研究水平走在世界前列。国外从事 MEMS 陀螺仪方面研究的机构包括 Draper 实验室、 SAGEM 公司、意法半导体等。 

1.1.1 音叉陀螺 

美国 BEI 公司的石英音叉陀螺技术研究方面已十分成熟，形成了不同精度等级、适应不同应用领域的系列产品， 如 LCG50、Horizon、QRS11、QRS116 等。其中 QRS116 是 QRS11 的升级版，零偏稳定性优于 3(°)/h，全温范围零 位漂移优于 20(°)/h，如图 3 所示。

图 3 QRS116 音叉陀螺

1.1.2 轴对称陀螺

① MEMS 谐振环陀螺 VRG（Vibrating Ring Gyroscope） 

MEMS 谐振环陀螺源于石英半球谐振陀螺，是半球谐振陀螺的简化结构形式。与半球谐振陀螺相比，除了保持半球谐振陀螺敏感结构全对称、高精度、环境适应性好、适合应用在性能要求高并且环境恶劣的航天及军事等领域的特点之外，还具有结构简单、可靠、体积小、便于批量化集 成制造等特点。

目前，谐振环陀螺已经发展到第四代产品， 逐渐从机械陀螺转变为 MEMS 硅基陀螺，如图 4 所示。 

图 4 谐振环陀螺发展历程

日本硅传感系统公司 SSS（Silicon Sensing Systems）一直从事 MEMS 谐振环陀螺研制，最新产品零偏稳定性<0.06(°)/h,角度随机游走 ARW<0.01(°)/h，是目前 MEMS 谐振环陀螺的最高水平。

美国在 DARPA 导航级集成微陀 螺仪（NGIMG）项目的支持下，在谐振盘陀螺研制方面取得了突破性进展，基于 8mm 直径硅材料的谐振盘陀螺实现 了零偏稳定性优于 0.01(°)/h，角度随机游走优于 0.002(°)/h。 

② MEMS 碟形陀螺 DRG（Disk Resonator Gyroscope）

AMIR R 等设计制造了一种迄今为止报道的最小 MEMS 陀螺仪——单晶硅体声波陀螺仪。该陀螺具有强 大的抗干扰性能和超过 6000(°)/s 的大动态范围，ARW 为 1(°)/h，零偏不稳定性为 15(°)/h。

③ MEMS 半球谐振陀螺 HRG（Hemispherical Resonator Gyroscope） 

诺格公司提出通过软件对科里奥利振动陀螺仪进行动态自校准的方法，大幅简化生产部件， 小尺寸的毫米半球谐振陀螺仪可确保 0.00025(°)/√h 的角度随机游走和 0.0005(°)/h 的零偏稳定性。 

2017 年，美国密歇根大学对利用吹泡法制备的微玻璃吹制型 m-HRG 样机进行了测试，其 Q 值为 0.42×106，零偏稳定性为 0.0391(°)/h，Q 值最高可达 4.45×106，如图 5 所示。

密歇根大学在 2019 年研制的弧面驱动陀螺样机在陶瓷管壳封装后的品质因数达到了 150 万，在常温下零偏不稳 定性为 0.0103(°)/h，已接近导航级精度，是目前精 度最高的微陀螺之一。 

图 5 融石英半球陀螺

1.1.3  其他陀螺 

2019年，加州理工学院展示了一种纳米光子光学陀螺 NOG（Nanophotonic Optical Gyroscope）， 如图 6 所示。

实验结果表明：在 10MHz 时，热 波动不可见，BIS=1rpm，ARW=650(°)/√h。在 20MHz 时，热波动非常明显，BIS=105rpm， ARW=97800(°)/√h。 

图 6 NOG 结构

1.2 MEMS 陀螺仪国内发展现状 

我国 MEMS 陀螺仪的研究起源于二十世纪 八十年代，国家投入了大量经费进行 MEMS 陀 螺仪方面的研究。参研单位主要有清华大学、上海交通大学、中北大学等高校以及中科院上海微系统所、中电 13 所、中电 26 所、航天 33 所、 航天 704 所等研究所。 

1.2.1 音叉陀螺 

哈尔滨工业大学付强等采用双片集成方式，设计了一款实用化的 MEMS 陀螺接口电路。

测试结果表明，陀螺整机量程为±200(°)/s，带宽为 60Hz，刻度因子为 46.45LSB/((°)/s),线性度为 342×10–6，输出噪声为 0.004(°)/s/√Hz，零偏稳定性为 3.4(°)/h。 

中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所提出了一种双质量块音叉式 MEMS 陀螺，如图 7 所示。该陀螺采用键合+刻蚀工艺（BDRIE）加工而成，通过圆片级封装工艺技术，实现了高真空度密 封，品质因数优于25 万。外围电路采用数模混合集成电路实现，保证了陀螺形态的紧凑。其中驱动模 态采用闭环控制方案。经测试，该陀螺零偏稳定性优于 0.66(°)/h，刻度系数非线性优于 100ppm，零偏加速度灵敏度优于 12.3(°)/(h/g)，能够满足绝大部分战术武器应用需求。 

图 7 音叉式微陀螺结构

中国电子科技集团 13 所设计了一种用于 MEMS 陀螺仪驱动闭环的专用集成电路。测试结果表明， 谐振频率为 3.7kHz，启动时间≤0.3s，驱动检测信号的信噪比达到了 115dB，驱动振幅 1h 稳定性为 1.5×10–4。 

南京理工大学提出了一种具有低振动灵敏度和宽动态范围的 MEMS 陀螺仪，如图 8 所示。该陀螺体积为 11.4mm×11.4mm×3.8mm。试验结果表明，测量范围为±7200(°)/s，零偏稳定性为 12.2(°)/h(1σ)。随机振动下（7.6grms），该陀螺振中零偏变化量小于 10.0(°)/h，振中零偏稳定性小于 24.0(°)/h。

图 8 MEMS 陀螺仪结构

1.2.2 轴对称陀螺 

① MEMS 谐振环陀螺 

国内某研制单位于 2008 年开始硅基 MEMS 谐振环陀螺的研制， 2015 年，该单位自主研制的 MEMS 谐振环陀螺通过飞行测试，发射过载 8000g，历时 10ms，抗过载能力优良，标志着我国 MEMS 陀螺在抗高过载方面取得了突破性的进展。 

中北大学设计了一种电容式环 形微机电振动陀螺，如图 9 所示。驱动与检测模态的谐振频率分别为 9028.86Hz 与 9036.15Hz，品质因数分别为 25051 与 25026，标度因数 为 0.5897mV/((°)/s)。

图 9 MEMS 环形振动陀螺结构

② MEMS 碟形陀螺 

国防科技大学设计并实现了一种热弹性质因子增强 DRG，测试结果表明，f0=5766.5Hz，Q=157508， ARW=0.0009(°)/√h。Fan Qi 等设计并实现了一种具有力-再平衡操作模式的高性能 MEMS 盘式陀螺仪，采用了晶圆级 真空封装的 SOI 工艺，并设计了精密数字控制处理电路，实现了正交误差抑制和频率调谐。

测试结果表明，实现了 0.18(°)/h 的偏置稳定性（1σ）和 90Hz 的带宽。Fan B 等设计并实现了一种新颖的类似蜘蛛网的盘式谐振器陀螺仪，如图 10 所示。

测试结果显示：蜘蛛网状碟形陀螺 CDRG（Cobweb-like DRG）和环状碟形陀螺 RDRG（Ring-like DRG）的共振频率和 Q 值分别为 18kHz 左右和接近 100k。CDRG 中最小的制造相对频率分割（29.9ppm）比同一晶片上并排 构建的 RDRG（322.5ppm）小约 10.8 倍，比例因子为 98.1mV/((°)/s)，ARW 为 0.004(°)/√h，零偏不稳定 性为 0.187(°)/h，为当前所有盘式谐振器中具有最低的相对频率分配陀螺仪。

图 10 CDRG 结构

③ MEMS 半球谐振陀螺 

苏州大学 WAN Q 等制作了多晶硅微半球谐振陀螺。测试结果表明，在 0.004Pa 的真空度下，陀螺的品质因数 Q 为 2200，初始频差为 10Hz，零偏稳定性为 80(°)/h。 

苏州大学顾宏华设计了一套利用多通道锁相放大器快捷、有效测试 MEMS 半球陀螺的系统。实 验表明，标度因数为 2.55mV/°/s，标度因数非线性度为 0.066%，零偏稳定性为 60.3(°)/h，零偏不稳定性 为 20.6(°)/h。

华东光电集成器件研究所——中国兵器工业第214研究所利用脱模法制备了多晶硅微半球陀螺。实验测得四波腹谐振频率为 14.1kHz，Q 值为 10.2k，初步开环测试零偏稳定性为 80(°)/h，标度因子为 1.15mV/((°)/s)。 

国防科技大学对 MEMS 半球谐振陀螺进行了一系列有益探索，最新研究成果表明，国防科技大 学研制的微半球谐振陀螺样机封装后的品质因数 Q 值为 15 万，在常温下的零偏不稳定性为 0.46(°)/h， 量程达到±200(°)/s，是国内报道的性能最高的微半球谐振陀螺，如图 11 所示。

图 11 国防科技大学研制的微半球陀螺样机

1.2.3 其他陀螺 

国内在 MEMS 陀螺研究方面开展了硅基和石英基样机的研制，在 MEMS 原子陀螺、MEMS 隧道磁阻微陀螺等方面正加紧原理探索和试验研究, 目前均取得了一定进展。 

中北大学设计制作了一种MEMS隧道 磁阻微陀螺，如图 12 所示。驱动方向和 检测方向谐振频率分别是 6853Hz 和 6854Hz，与理论仿真基本一致，驱动方向 Q 值为 571.1，检测方向 Q 值为 527.3，频率匹配良好，结构灵敏度为 15.3nm/(°)/s。 

图 12 隧道磁阻微陀螺结构

与国外相比，我国 MEMS 陀螺仪的研制和开发相对比较落后，但是我国一直非 常重视MEMS陀螺仪的基础理论知识研究 和技术开发。

经过 30 多年的不懈努力，我国在 MEMS 陀螺仪的理论、工艺、外围配 置电路、应用等方面都取得了突破性的进展，但在产品体积方面还有待进一步缩小， 性能指标方面也有待进一步提高。 

2 MEMS 加速度计研究现状

MEMS 加速度计可以按以下几个方面进行划分：检测方式、敏感轴数目、运动方式，如图 13 所示， 其理论依据为牛顿第二定律。 

图 13 MEMS 加速度计分类

2.1 MEMS 加速度计国外发展现状 

国外 MEMS 加速度计的研制与开发早于陀螺仪，美国在 MEMS 加速度计的研究方面一直处于领先 水平。

此外，Colibrys、SDI、Bosch、ADI、中东大学等也对加速度传感器进行了有益的探索，并取得了 显著成果。 

2.1.1 电容式加速度计

MS1000 是 Colibrys 专为惯性应用而设计的一种 MEMS 加速度计，如图 14 所示。测量范围为±10g， 拥有 34μg/√h 的低噪声水平，长期偏差重复性为 1.2mg，运行中的零偏稳定性为 15μg，比例因子灵敏度 为 270mV/g，可用于非常精确和具有成本效益的战术级测量。

图 14 MS1000 加速度计

2.1.2 谐振式加速度计 

① 石英谐振加速度计 

2018 年，日本 Epson 公司设计制造了一种具 有一阶频率ΔΣ调制器的三轴石英谐振频移加速度计 。该石英谐振加速度计尺寸为 50mm× 24mm×16mm，速度随机游走系数为 6.7×10–5m/s/√h （白噪声为 0.16μg/√Hz ），零偏不稳定性为 6.3×10–6m/s2，测量范围为±15g，带宽为 500Hz。 

2019 年，法国 iXblue 公司面向市场正式宣布推 出该公司第一款满足高性能应用的导航级加速度计 iXal A5[34]，如图15 所示。尺寸为Φ26mm×26mm， 测量范围为±80g，白噪声小于 10μg/√Hz，分辨率 为 5μg，带宽为 1000Hz。 

图 15 iXal A5 加速度计

目前实现产业化的石英谐振式加速度计最 具代表性的是霍尼韦尔公司的 RBA500[35]，如 图 16 所示。尺寸为 20mm×20mm×11mm，零偏年 重复性为 4mg，标度因数年重复性为 450ppm，分 辨率为 1μg，测量范围为±70g，带宽为 400Hz，性 能优良，成熟可靠，已经应用于阿帕奇武装直升机。

图 16 RBA500 加速度计

② 硅谐振加速度计 

2017 年，美国斯坦福大学研制了集成有温度测量和补偿 模块的单轴谐振式加速度计， 如图 17 所示。

实验结果表明， 该器件具有 427Hz/g 的灵敏度， 该器件在–20℃~80℃温度内与 未采用温补的相同器件相比零 偏稳定性降低了三分之二，灵 敏度稳定性提高了一个量级， 并且 Shin D D 等人正与 Apple 公司和 Invensense 公司合作进行产业化。MILIND P 等人设计制作 了一种高分辨率的差模局部化 MEMS 加速度计。

实验结果显示，该加速度计最大比例因子为 11/g， 零偏稳定性为 2.96μg。在最佳工作区域内，最小噪声基底为 3μg/√h。

图 17 斯坦福大学加速度计结构

目前实现了产业化的硅谐振式加速度计只有霍尼韦尔公司的SA500，如图18所示。测量范围为±80g，标度因数为 168Hz/g，零偏 年重复性为 2.5mg，标度因数年重复性为 360ppm，分辨率小于50μg，带宽大于1000Hz，主要用于战术导弹和智能炸弹等战术和惯性导航领域武器。 

图 18 SA500 加速度计

2.1.3 其他加速度计 

美国佐治亚理工学院报道了一种基于使用 PDMS 模具的双掩模微流体工艺的生 物激发角加速度计。该加速度计具有固有的线性加速度不敏感性，测试结果显示，灵 敏度为 29.8μV/(°)/s2 ，动态范围为 14000(°)/s2 ， 检测限为 20(°)/s2。

MAJID T设计制造了一种MEMS光加速度计，如图 19 所示。由于 FP 干涉仪的高 位移灵敏度，可以增加弹簧的刚度，这使得 该加速度计的共振频率增加到 1872Hz，在 ±1g 测量范围内达到了 12.5μW/g 的灵敏度。

图 19 MOEMS 加速度计结构

2.2 MEMS 加速度计国内发展现状 

我国对 MEMS 加速度计的研究始于 20 世纪 80 年代末，代表性研发单位包括：清华大学、南京理工大学、西北工业大学、东南大学、航天 33 所、航天 13 所、航天长征火箭技术有限公司等。

2.2.1 电容式加速度计 

邢朝阳设计制作了一种“三明治”式 MEMS 加速度计，并完成了闭环电路设计。测试结果表明，量程大于等于±15g，偏值重复性小于等于 500μg，标度因数重复性小于等于 200ppm，截止频率大于等于 100Hz，三个月重复性为 1.5×10–3g(3σ)。

该加速度计在探月二期工程“玉兔号”月球车上取得应用，在月工作超过 9 个月，实现了国产 MEMS 惯性仪表唯一深空探测应用。

上海微系统所报道了单片集成的三轴梳齿式电容加速度计。该加速度计采用 SOI 基片加工，通过（111）硅片自停止腐蚀做出高深宽比的敏感结构。测试结果显示，X、Y、Z 三个方向灵敏度分别为 225mV/g、188mV/g、36.5mV/g，零偏稳定性分别为 3mg、9mg、46mg，带宽分别为 900Hz、900Hz、400Hz。

HU Qifang 等人提出一种全硅 WLP MEMS 三明治式加速度计。测试结果表明，该加速度闭环灵 敏度为 0.575V/g，零偏差为 0.43g，–3dB 带宽为 278.14Hz，1 小时稳定性为 2.23×10–4g(1σ)，–40℃~+60℃ 温度范围内输出温度漂移为 45.78mg，温度滞后最大值为 3.725mg。2.2.2 谐振式加速度计 

① 石英谐振加速度计 

中电 26 所加工了一种差分结构的加速度计样机。测试结果显示，单个期间灵敏度大于 30Hz/g， 差分后灵敏度为 65.74Hz/g，10min 零偏稳定性为 15.8μg。

东南大学设计制造了一种具有自检功能的一体式石英振梁加速度计。测试结果显示，标度因数为 50.5Hz/g，标度因数稳定性为 61.8ppm，标度因数重复性为 47.1ppm，1 小时零偏稳定性为 24.38μg。

Jian Yang 等公布了一种 T 型 MEMS 谐振加速度计。加 速度计尺寸为 464μm×650μm，静态时的谐振频率为 16.10925 kHz，感应轴灵敏度为 1.11Hz/g(–5g~+5g)，x 轴灵敏度为 0.053Hz/g ， y 轴灵度为 0.048Hz/g ，频率温度系数为 0.815Hz/℃（0℃~+50℃)。 

航天长征火箭技术有限公司提出了一种基于三层石英结 构的一体式石英振梁加速度，如图 20 所示。

经测试，产品 全温稳定性优于 0.5mg，振动整流误差优于 200μg/g（2 @15.68g rms），可满足中高精度惯性导航应用需求。 

图 20 加速度计内部结构

② 硅谐振加速度计 

南京理工大学的张家实提出了一种比较器控制电路和两级积分式接口电路，简化了加速度计幅度控制电路结构，降低了电路噪声。测试结果表明，1σ零偏稳定性达到 12.8μg， 1g 稳定性（1σ）达到 14.5μg，标度因数稳定性为 24.2ppm。 

Zhao C 等设计制造了一种高性能谐振式 MEMS 加速度 计。测试结果显示，该加速度计噪声基底为 98ng/√h，零偏 稳定性为 56ng，对应频率的噪声基底为 0.77ppb/√h，频率零偏 稳定为 0.43ppb，这是迄今为止谐振式 MEMS 加速度计所取得 的最佳结果。 

清华大学的 YIN Yonggang 等人设计制作了具有热应力隔 离的温度不敏感微机械谐振加速度计，如图 21 所示。该加速度计采用了一种新颖的 MRa 结构设计，此外，玻璃基板被设计为专用形状，以隔离在管芯附接过程中产生的热应力。 

实验结果表明，温差灵敏度降低到 10.5μg/℃，1 小时偏差稳 定性达到 0.7μg，在室温下在 10 小时内为 2.7μg。 

图 21 集成器件结构

2.2.3 其他加速度计 

热对流 MEMS 传感技术能够提供无与伦比的抗振动性能，国内美新半导体公司在 2019 年发布了最新 MEMS 热对流 加速度计—MXP7205VW，其运行原理基于美新专利的 MEMS 热对流技术，工作温度范围为–40℃~105℃，动态范围±5g，灵敏度 800LSB/g，抗冲击力超过 50000g，在汽车应用程序中起到至关重要的作用。 

总体上，我国的 MEMS 加速度计经过了近三十年的发展，在某些领域已经取得了优秀的成绩，但与西方发达国家相比仍有些落后，工艺水上与国外先进技术还有一定的差距，产品性能有待进一步提高。 

3 MEMS 磁传感器 

MEMS 磁力计也叫地磁、磁感器，可用于测量磁场强度和方向，是一种微型化的电子罗盘。用来实现磁传感器的原理非常多，如霍尔效应、磁阻效应、巨磁电阻效应、巨磁阻抗效应等。

磁力计的基本工作原理是使用各向异性磁致电阻材料来检测空间中磁感应强度的大小，而磁场强度在导航定位中发挥 着非常关键的作用。根据输出信号形式不同，可以将 MEMS 磁传感器分为以下四类，如图 22 所示。 

国外从事 MEMS 磁力计研究的主要有 Honeywell 公司、NVE 公司、BOSCH 公司以及一些著名高校 等，国内主要有哈尔滨工业大学、清华大学、西北工业大学、多维科技有限公司、无锡美新公司等。 

目前，微型固态磁阻传感器根据磁阻效应不同主要可分为以下三种：各向异性磁阻传感器 AMR、巨磁 阻传感器 GMR 和隧穿磁阻传感器 TMR。

图 22 MEMS 磁传感器主要分类

1 AMR

目前基于各向异性磁阻传感器 AMR 被广泛应用于微纳卫星领域，其主要原因是 AMR 磁传感器制备技术目前已经发展得相当成熟，商业化应用较为广泛的产品有美国霍尼韦尔公司的三轴 HMC1043，磁场分辨力为 12nT/√Hz（@0.1~50Hz），灵敏度典型值为 1mV/V/Oe。 

国内无锡美新公司也发布了面向移动终端的超小型三轴 AMR 磁传感器：MMC3630KJ。

该传感器大 小为 1.2mm×1.2mm×0.5mm，突破了现有 AMR 磁传感器技术壁垒，采用独有的设计及技术拓宽量程到±30 高斯，并保持优于其他技术 5 倍以上的噪音等级，能够达到 600Hz 的传感器相应带宽，从而实现±1°的精度。

2 GMR

基于 GMR 效应的磁传感器主要有 NVE 公司出厂的商用器件 AA002、AAH002 和 AAL002 等，与其它类型的 GMR 传感器相比具有更高的灵敏度，目前该公司的产品 AAL002分辨率达 1nT/√Hz。 

3 TMR

隧穿磁阻传感器（TMR）是继各向异性磁阻传感器和巨磁阻传感器之后，又新研发的一类新型磁阻传感器。哈尔滨工业大学李翔宇设计了隧穿磁阻传感器接口 ASIC 芯片，完成了高性能三 轴数字输出 TMR 磁强计系统研制。

测试结果表明，在–45℃~85℃的温度范围内，温补后的 TMR 微 磁强计灵敏度温漂系数为–117ppm/℃，磁场测量量程为±100μT，功耗为 120mW（三轴），噪声水平为 0.26nT/√Hz（@1Hz），非线性为 0.11%，零位达到 10nT 以内。

隧穿磁阻传感器商用级应用较为广泛的有多维有限公司出厂的线性传感器 TMR2905[61]，其灵敏度 为 50~60mV/V/Oe，功耗为 0.2mW（@1V），本底噪声小于 5nT/√Hz（@1Hz），具有较宽的动态范围以 及极低的磁滞。 

随着磁电子学研究的深入，MEMS 磁传感器得到了迅猛地发展，不但在航空航天 GPS 导航和卫星 等军事领域得到广泛应用，同时也在汽车电子、生物医疗、环境监测、物联网、智能手机等民用领域中 成为不可缺少的角色，具有很大的市场应用需求。 

4 MEMS-IMU 研究现状 

伴随着 MEMS 陀螺仪与 MEMS 加速度计的快速发展，Draper 实验室于 1994 年研制出了首台微机电惯性测量组合，由于 MEMS-IMU 使用了 MEMS 惯性传感器，因此继承了 MEMS 惯性传感器的特点，应用领域非常广泛。

目前世界上研制 MEMS-IMU 的多为 MEMS 芯片生产厂家，较为知名的有意法 半导体、AD、古德里奇传感器、SENSOR 等。 

MEMS-IMU 设计作为 SINS 设计的一项关键技术，根据不同的应用情况在精度、成本、体积等方面 也有着不同要求，也会采用不同的 MEMS-IMU 设计方案，下文将从传统 IMU、无陀螺 IMU 以及多传 感器组合 IMU 三个方面对 MEMS-IMU 研究现状做简单介绍。 

4.1 传统 MEMS-IMU 

传统意义上的 MEMS-IMU 由三个正交安装的加速度计和三个正交安装的陀螺仪组成，是目前研究最为成熟的 MEMS-IMU 结构形式。

霍尼韦尔的 HG1930 MEMS IMU 是目前世界范围内最为先进、装备应用最为广泛的 MEMS 惯性系统产品，尺寸仅为 0.14m3。陀螺 X 轴量程最高为 7200(°)/√s，Y 轴、Z 轴量程最高为 1440(°)/√s，零偏重 复性为 20~60(°)/h(1σ)，零偏稳定性为 1~1.5(°)/h(1σ)，加速度计 X 轴量程最高为 85g，Y 轴、Z 轴最高为 35g，零偏稳定性分别为 0.3mg（CA50）、0.5mg（BA50，AA50），零偏重复性分别为 5mg（CA50）（1σ）、 10mg（BA50，AA50）（1σ），抗冲击大于 20000g，已经大量应用于美军制导炮弹及无人机系统。

ADI 推出的ADIS16490 战术级六自由模，体积为 47mm×40mm×14mm，工作温度为 –40℃~105℃，抗冲击性为 2000g。其中，三轴数字陀螺运动中偏置稳定度为 1.8(°)/h，角向随机游走为 0.009(°)/h，三轴数字加速度计量程为±8g，运动中偏置稳定度为 3.6μg。 

Bosch Sensortec 宣布推出 BMI270，包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，如图 23 所示。尺寸为 2.5mm×3.0mm×0.8mm，工作温度为–40℃~+85℃。三轴陀螺仪最大测量范围为±2000dps，灵敏度为 16.4LSB/dps，噪声密度为 0.008dps/√Hz，三轴加速度计最大测量范围为±16g，灵敏度为 2048LSB/dps， 噪声密度为 160μg/√Hz。

图 23 Bosch 公司的 BMI270

4.2 无陀螺 MEMS-IMU 

无陀螺IMU是指在普通MEMS-IMU中不使用陀螺仪测量角速度，即将加速度计代替陀螺仪，根据角速度信号，将测得的数据进行合理优化，最后解算出角速度的 MEMS-IMU 。无陀螺 MEMS-IMU 与普通 IMU 相比具有能耗低、成本低、 可靠性高等优点。 

DEVYATISIL A S等人对无陀螺IMU进行设计， 并对三轴加速度计测量结果进行运算和分析。 

南京理工大学的王东江等提出了一种易于工程配置 的九加速度的姿态测量方法，其配置方式如图 24 所示。 

图 24 九加速度计配置方式

4.3 多传感器组合 MEMS-IMU 

LSM9DS1 是ST 公司推出的九轴惯性传感器， 工作温度为–40℃~+85℃。三轴陀螺仪最大量程为 ±2000dps，三轴加速度计最大量程为±16g，三轴磁 力计最大量程为±16 高斯。 

STIM300 是 Sensonor 公司推出的一款仅重 55g 的小型 MEMS-IMU，如图 25 所示。

该 IMU 内 置了 3 个倾角仪以确保精准的系统调平，工作温度 为–40℃~+85℃，采样率为 2000Hz。三轴陀螺仪零 偏不稳定性为 0.5(°)/h，角随机游走为 0.15(°)/√h， 非线性度为 50ppm，带宽为 262Hz，三轴加速度计 零偏不稳定性为 0.05mg ，速度随机游走为 0.06m/s/√h，最大量程为 80g。倾角仪输入范围为 1.7g，分辨率为 0.2μg，标度因数为 500ppm。 

图 25 STIM300 MEMS 惯性测量单元

目前，国内研制 MEMS-IMU 的科研院所主要有清华大学、北京大学、中电 13 所、中电 26 所、航 天 704 所、航天 33 所、航空 618 所等。限于各种原因，国内公开发布的 MEMS-IMU 研究内容较少。 

5 MEMS 惯性传感器发展趋势 

近些年来，伴随着 MEMS 技术理论研究的进步及工艺水平的提高，不仅使 MEMS 陀螺仪、MEMS 加速度计以及 MEMS-IMU 成本得到了大幅降低，而且在测试精度与环境适应性等方面也有了显著提升， 得到广泛应用。

结合前文对 MEMS 惯性传感器发展现状调研，给出如下三点发展趋势： 

1、采用新工艺、新机理满足未来对 MEMS 惯性传感器的更高要求。例如光学陀螺与原子陀螺结合 MEMS 工艺制造的 MEMS 陀螺，以及利用 SiC、SiN、聚合物等材料制作的微机械谐振式加速度计。 

2、集成化、低功耗、低成本的 MEMS 惯性传感器满足需求日益增加的民用消费领域。如 Bocsh 于 2019 年最新发布的 BMI270 MEMS-IMU[65]，尺寸仅为 2.5mm×3.0mm×0.8mm，主要应用于智能手表、 增强和虚拟现实眼镜等方面。 

3、高性能、特殊应用环境下的 MEMS 传感器主要应用于军事领域。2012 年，DARPA 启动芯片级 组合原子导航计划，简称 C-SCAN，即寻求将不同物理特性的惯性传感器集成到单一的微尺度惯性测量 单元（IMU），这也是 DARPA 开展的微 PNT 计划的重要组成部分，其目的是构建自主的、不依赖 GPS 的芯片级微 PNT 系统，能适用于不同军用平台、不同作战环境的载体精密引导，并能适用于中远程导 弹的引导。

C-SCAN 计划核心是将具有不同物理特性的 PNT 组件集成到单一的微系统（microsystem），首要的任务是集成一个多陀螺和多加速度计的单一的惯性测量单元（IMU）。C-SCAN 组件具有 3 个旋 转轴和 3 个加速度传感器，在恶劣环境下可为军用载体提供定位导航服务。