综述：三轴MEMS陀螺仪研究进展
2026-03-19 21:29:29 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文对三轴MEMS陀螺仪进行了系统而全面的探讨，重点聚焦三种主流集成方法：三维集成三个单轴陀螺仪、单片单结构三轴陀螺仪，以及单片多结构陀螺仪阵列。此外，该综述还对这些方法进行了对比分析，探讨了各自的优缺点，并展望了三轴MEMS陀螺仪的未来应用及发展趋势。
作为惯性测量的核心组件，MEMS陀螺仪已被广泛应用于机器人、无人机以及个人导航系统等众多领域。尤其是能够同时测量三个轴向的角速度并提供三维姿态信息的三轴MEMS陀螺仪受到广泛关注。
据麦姆斯咨询报道，近期，中北大学、北京理工大学等机构的研究人员组成的团队在IEEE Sensors Journal期刊上发表了题为“Triaxial MEMS Gyroscopes: A Review”的综述论文，对三轴MEMS陀螺仪进行了系统而全面的探讨，重点聚焦三种主流集成方法：三维集成三个单轴陀螺仪、单片单结构三轴陀螺仪，以及单片多结构陀螺仪阵列（图1）。此外，该综述还对这些方法进行了对比分析，探讨了各自的优缺点，并展望了三轴MEMS陀螺仪的未来应用及发展趋势。
图1 三轴MEMS陀螺仪的三种集成方法
三维集成三个单轴陀螺仪
韩国国防科学研究所（ADD）组装了一种三轴MEMS陀螺仪，如图2（a）所示。器件的结构和工作模式分别如图2（b）和2（c）所示。该结构的半径为3000 μm，在X轴和Z轴工作模态下的谐振频率分别为17.14 kHz和17.12 kHz；品质因数（Q值）分别为83281和79782；零偏稳定性分别为3.06 × 10⁻⁵ °/s和3.06 × 10⁻⁵ °/s；角随机游走（ARW）分别为1.17 × 10⁻³ °/s/√Hz和1 × 10⁻³ °/s/√Hz，满量程范围为±300 °/s。
图2 韩国国防科学研究所组装的三轴MEMS陀螺仪
北京大学采用12个单轴陀螺仪组装了一种三轴MEMS陀螺仪，如图3所示。该系统作为一种冗余惯性导航系统运行，具备故障检测、识别及系统重构能力。冗余传感器提供重复测量数据，通过数据处理可降低单个陀螺仪测量误差的影响，从而显著提升系统的可靠性。
图3 北京大学组装的三轴MEMS陀螺仪
Sensonor推出的STIM202是一款战术级MEMS陀螺仪模块，具有三轴减震结构和内置阻尼器，可确保在高冲击环境下的稳定运行。该器件面向火控防御应用设计，例如遥控武器站（RWS），其满量程范围为±400 °/s，零偏稳定性为1.11 × 10⁻⁴ °/s，角随机游走为2.83 × 10⁻³ °/s/√Hz。该模块在出厂时已完成对零偏、灵敏度及温度效应的标定，能够满足战术级应用对环境鲁棒性的要求，因此适用于对抗振动和冲击能力要求严格的军用及工业场景。
三个单轴陀螺仪的三维集成工艺比较复杂，需要对多个单元进行高精度装配。在该过程中，高精度对准与固定技术至关重要。例如，在进行三维集成时，即使存在微小的角度偏差，也会在最终测量结果中引入误差，从而影响整体测量精度。此外，该装配方法增加了工艺步骤数量，进而提高了成本。与此同时，由于每个单轴陀螺仪在集成前是独立制造的，不同批次器件之间的性能差异可能导致最终产品性能不一致。
单片单结构三轴陀螺仪
随着MEMS加工工艺和陀螺仪设计技术的进步，众多科研机构已对单片单结构三轴陀螺仪开展了系统而深入的研究。单片单结构三轴陀螺仪是指对角速度信息敏感，并在X、Y、Z三个正交轴方向上集成结构、且全部集成于同一MEMS结构中的器件，从而实现高度集成化。
英国纽卡斯尔大学提出了一种三轴振动环式MEMS陀螺仪，如图4（a）所示。图4（b）展示了该结构的工作模态，其中n = 2的酒杯模态（wine-glass mode）作为驱动模态及Z轴感测模态，而平面外振动对应X轴和Y轴的感测模态。该结构直径为4 mm，在0.04 mbar真空条件下，其品质因数约为3000。驱动模态以及X、Y、Z轴感测模态的谐振频率分别为18.438 kHz、18.434 kHz、18.650 kHz和18.657 kHz。
图4 纽卡斯尔大学提出的单片单结构三轴MEMS陀螺仪
意法半导体（STMicroelectronics）开发了一种“心跳式”（beating heart）三轴MEMS陀螺仪，如图5（a）所示。该结构因其驱动模态表现为器件的周期性膨胀与收缩而得名。该陀螺仪尺寸为3.2 × 3.2 mm²，其配套ASIC电路尺寸为2.5 × 2.5 mm²，如图5（b）所示。该公司还生产了一种六轴IMU，其MEMS与ASIC堆叠封装整体尺寸为4.4 × 7.5 × 1.0 mm³，如图5（c）所示。该三轴MEMS陀螺仪的谐振频率为20 kHz，平均噪声密度低于0.03 °/s/√Hz，带宽为40 Hz，满量程范围为2000 °/s，尺度因子为70 md/s/LSB。此外，该产品在非工作状态下可进入休眠模式，从而显著降低功耗。
图5 意法半导体开发的单片单结构三轴MEMS陀螺仪
博世集团子公司Bosch Sensortec的BMI330在一个2.5 × 3.0 × 0.83 mm³的LGA封装中集成了单片三轴陀螺仪和三轴加速度计。该三轴MEMS陀螺仪支持用户可选的满量程范围（±125 °/s至±2000 °/s），灵敏度误差小于0.7%，适用于高动态应用场景。其温度稳定性经过优化，在−10 °C至+85 °C范围内的零偏温度系数为±0.01 °/s/K，在扩展的温度范围内（−40 °C至<−10 °C及>85 °C至105 °C）为±0.02 °/s/K。该器件具有低至0.007 °/s/√Hz的噪声密度和±1 °/s的零偏不稳定性，可实现高精度运动跟踪，适用于工业自动化、智能家居及可穿戴设备等应用。
TDK集团旗下子公司应美盛（InvenSense）的IAM-20380车规级三轴MEMS陀螺仪采用3 × 3 × 0.75 mm³的LGA封装，支持±250 °/s至±2000 °/s的可选满量程范围。其灵敏度误差为±1%，交叉轴灵敏度为±5%，可保证角速度测量的可靠性。该传感器的工作温度范围为−40 °C至+85 °C，零偏温度系数为±0.008 °/s/°C，噪声密度低至0.005 °/s/√Hz，零偏不稳定性为±0.8 °/s。
研究人员还介绍了多款单片单结构三轴MEMS陀螺仪的研究进展，详见原文。
单片单结构三轴陀螺仪的制造依赖于先进的MEMS加工技术。其中，光刻工艺用于对硅片等材料进行精确图案化，以确定敏感结构的形状与位置；刻蚀工艺则用于去除多余材料，从而形成所需的微机械结构。然而，由于其高度集成且结构复杂，对工艺参数的精确控制至关重要。光刻过程中曝光时间的微小变化，或刻蚀速率与刻蚀深度的细微偏差，都会显著改变结构的力学特性，从而影响谐振频率、灵敏度等关键性能指标。这不仅增加了制造难度，还可能导致良率降低以及产品一致性较差等问题。
单片多结构陀螺仪阵列
飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor）推出了一种阵列式三轴MEMS陀螺仪（FXAS21002C），如图6所示。该器件采用旋转圆盘结构用于感测X轴和Y轴角速度，同时采用音叉结构用于感测Z轴角速度。用户可选择的满量程范围为±250 °/s至±2000 °/s。该陀螺仪能够根据工作环境在待机模式与工作模式之间切换，切换时间仅为60 ms，且功耗较低，为6.8 mW。其ACIS芯片尺寸为2.7 × 1.62 mm²，MEMS芯片尺寸为2.9 × 2.25 mm²，厚度为25 μm，整体封装尺寸为4 × 4 × 1 mm³。该器件的工作温度范围为−40 °C至85 °C。其中，Z轴的灵敏度温度系数为±0.01%/°C，零偏温度系数为±0.01 °/s/°C；但X轴和Y轴的相关数据尚未给出。
图6 飞思卡尔半导体推出的三轴MEMS陀螺仪阵列
俄罗斯托木斯克理工大学提出了一种三轴MEMS陀螺仪阵列，由两只反向驱动的双轴陀螺仪组成，如图7（a）所示。其工作模态如图7（b）所示。整体尺寸为3.8 × 3.8 × 0.04 mm³，驱动模态、X/Y轴感测模态以及Z轴感测模态的谐振频率分别为10060 Hz、10017 Hz和10100 Hz。
图7 托木斯克理工大学提出的三轴MEMS陀螺仪阵列
中北大学提出了一种嵌套轮-环式三轴MEMS陀螺仪，如图8（a）所示。该结构由轮式组件和环式组件构成，其中轮式组件用于检测X轴和Y轴的角速度，环式组件用于检测Z轴的角速度，其工作模态如图8（b）所示。该结构尺寸为8 × 8 × 0.53 mm³。测试结果表明，轮式组件的驱动模态频率为5888.4 Hz，X轴和Y轴的感测模态频率分别为5639.0 Hz和5936.3 Hz；环式组件的驱动模态频率为10105 Hz，Z轴的感测模态频率为10099 Hz。此外，该结构可承受高达11600 g的冲击。
图8 中北大学提出的三轴MEMS陀螺仪阵列
单片多结构陀螺仪阵列采用成熟的平面集成工艺，可在同一芯片上同时制造多个单轴陀螺仪结构。该方法允许通过一次光刻和刻蚀工艺完成多个结构的加工，从而显著简化制造流程，提高生产效率，并有利于实现规模化生产。此外，平面集成工艺还能提升各结构之间的一致性并降低成本。例如，通过在制造过程中精确控制光刻和刻蚀参数，可以使各单轴陀螺仪结构在尺寸和性能上保持高度一致，从而提高整个陀螺仪阵列的性能稳定性。
单片多结构陀螺仪阵列的主要优势在于结构复杂度相对较低。借助成熟的平面集成技术，其加工过程相对简单，能够保证较高的成品率。同时，该集成方案显著减小器件体积并提高集成度，从而降低封装成本。然而，与单片单结构三轴陀螺仪相比，其部分性能指标可能略逊一筹，例如在极端环境下的稳定性可能稍差。
综上所述，本文系统地综述并比较了三种主流的三轴MEMS陀螺仪集成方法：三维集成、单片单结构三轴陀螺仪以及单片多结构陀螺仪阵列。三维集成方法利用高精度单轴陀螺仪，实现了相对较高的测量精度和可靠性，但在体积和装配方面存在显著缺点。单片单结构三轴陀螺仪由于高度集成，具有体积小、成本低的优势，但其复杂结构在加工与信号提取方面带来了挑战。单片多结构陀螺仪阵列在结构复杂度、加工成本和可靠性方面表现出色，但在极端环境下的性能仍需进一步优化。
总之，这三种集成方法将协同推动三轴MEMS陀螺仪朝着更高精度、微型化和普及化方向发展。下一代纳米纤维和先进陶瓷材料将被应用于实现超低噪声和固有温度鲁棒性。成熟的平面工艺将被用于制造高集成度、成本效益的毫米级IMU，从而将陀螺仪、加速度计和时钟基准集成到单片CMOS–MEMS芯片上。智能功能将从外部处理器向传感器ASIC迁移，通过嵌入式算法实现连续自校准与自修复，以满足可穿戴设备、自动驾驶系统及工业物联网（IoT）节点的免维护运行要求。需要注意的是，芯片级一致性和极端环境耐受性仍是尚未解决的挑战，必须通过材料创新、封装技术及系统级封装架构的协同突破加以解决。
论文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2025.3599064
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