第77期“见微知著”培训课程：MEMS惯性传感器技术

麦姆斯咨询　｜　2026-03-27至2026-03-29　｜　无锡市锡山区

五、课程内容

课程一：高端MEMS惯性传感器综述

老师：中国科学院空天信息创新研究院 研究员 邹旭东（点此查看老师简介）

高端惯性传感器通常具有优异的关键性能指标（例如零偏及零偏稳定性、角度/速度随机游走、比例因子稳定性等）、长期的可靠性与环境适应性（例如抗振动与冲击、耐高低温等），能够稳定工作数十年。高端惯性传感器产业发展的核心驱动力长期来自于航空航天和军事国防领域（两者合计市场份额接近50%）——导航定位与姿态稳定是刚需功能，涉及IMU、AHRS、INS、IRU等多轴集成系统。随着MEMS技术不断提升与产业链日臻完善，以较低的成本批量生产高端惯性传感器成为可能。高端MEMS陀螺仪逐步在某些工业和战术应用中取代昂贵且体积大的光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪。如今，物理人工智能（Physical AI）迎来发展的高光时刻，正促进高端MEMS惯性传感器在自主系统中的应用部署——从自动驾驶汽车到人形机器人，皆有MEMS IMU的身影。本课程全面讲解高端MEMS惯性传感器基础知识及关键技术，并针对典型案例进行分析，最后展望技术发展趋势。

课程提纲：

1. 高端MEMS惯性传感器定义及性能指标；

2. 高端MEMS加速度计关键技术；

3. 高端MEMS陀螺仪关键技术；

4. 高端MEMS惯性测量单元（IMU）关键技术；

5. 高端MEMS惯性传感器案例分析；

6. 高端MEMS惯性传感器发展趋势。

课程二：Allan方差分析在惯性传感器性能评价中的应用

老师：南京理工大学 副研究员 赵阳（点此查看老师简介）

Allan方差分析是一种经典且系统化的时域统计分析方法，广泛应用于惯性传感器稳定性与噪声特性评估。该方法通过对陀螺仪、加速度计等惯性传感器在长时间静态条件下采集的输出数据进行分段平均与重叠差分处理，构建不同平均时间（Averaging Time，τ）下的方差函数，从而揭示信号统计特性随时间尺度变化的规律。与传统的均方差分析不同，Allan方差并非单纯评估总体波动幅度，而是通过改变时间窗口长度，观察方差随积分时间的幂律变化趋势。不同类型随机误差在双对数坐标下呈现出具有特征斜率的线性区段，因此能够实现噪声机理的分离与定量辨识，可获得量化噪声系数、随机游走系数、零偏稳定性等关键性能指标，为惯性传感器性能评估和误差补偿提供依据。可以说，Allan方差分析是连接器件物理噪声机制与系统级导航性能评估之间的重要桥梁。本课程首先介绍惯性传感器性能指标及与评价方法，然后详解Allan方差分析方法及其在惯性传感器中的应用。

课程提纲：

1. 惯性传感器性能指标与评价方法；

2. Allan标准差与GJB标准差异同；

3. 陀螺寻北仪中的Allan方差分析；

4. 捷联惯导系统中的Allan方差分析；

5. 广义Allan方差及其在惯性传感器中的应用。

课程三：MEMS惯性开关

老师：清华大学 副研究员 赵嘉昊（点此查看老师简介）

物联网和具身智能的快速发展，对节能并减少数据传输的传感器节点提出了更高需求，尤其对于资源受限的应用场景。在此背景下，基于事件驱动的传感器应运而生，其通过减少数据冗余并降低功耗来满足这一需求。MEMS惯性开关是具有微米级特征尺寸和纳瓦级功耗的事件驱动型传感器，作为一种解决传统电池供电传感器功耗问题的有效方案脱颖而出，能够满足针对惯性感知应用的广泛需求。对MEMS惯性开关工作至关重要的因素包括质量块、弹簧、电极和执行器设计，其工作原理是加速度引起的质量块运动打开/关闭电极接触点以产生二进制电信号，通过集成的MEMS执行器来调节加速度响应阈值。近些年，MEMS惯性开关的快速发展带来了令人印象深刻的特性，包括小尺寸、超低功耗、小数据量输出、低价格、高灵敏度、多功能性和智能化。本课程首先概述MEMS惯性开关基础知识，然后从“挑战、案例、前景、展望”四个角度详解MEMS惯性开关技术与应用，最后启发大家思考与讨论。

课程提纲：

1. 概述：基本概念与惯性定律；

2. 挑战：科学原理与关键技术；

3. 案例：极端条件与极限感知；

4. 前景：产业工程与应用场景；

5. 展望：前沿趋势与未来机遇；

6. 思考与讨论。

课程四：CMOS-MEMS单片集成式惯性传感器

老师：北京理工大学 教授 王晓毅（点此查看老师简介）

CMOS-MEMS单片集成是指在同一硅衬底上实现MEMS机械结构与CMOS读出/处理电路一体化的制造技术，主要分为三类实现模式：（1）MEMS-first（或称为Pre-CMOS）：在CMOS工艺开始之前完成MEMS机械结构制造；（2）MEMS-Intermediate（或称为Intermediate-CMOS）：MEMS机械结构制造在CMOS前端工艺（FEOL）与后端互连工艺（BEOL）之间插入；（3）MEMS-last（或称为Post-CMOS）：在完成标准CMOS工艺之后再通过后处理工艺（刻蚀、释放）形成MEMS机械结构。其中，MEMS-first更有利于实现高性能惯性传感器，而MEMS-last则成为低成本消费类惯性传感器的主流路径。从系统角度看，CMOS-MEMS单片集成能够有效降低寄生电容，提高信噪比（SNR），并支持片上数字信号处理与自校准功能，是惯性传感器SoC化的重要基础。本课程首先概述CMOS-MEMS单片集成技术，然后详解CMOS-MEMS加速度计和陀螺仪关键技术及研究现状，最后进行技术总结与未来展望。

课程提纲：

1. CMOS-MEMS单片集成技术概述；

2. CMOS-MEMS关键技术发展现状；

3. CMOS-MEMS加速度计研究现状；

4. CMOS-MEMS陀螺仪研究现状；

5. CMOS-MEMS单片集成式惯性传感器总结与展望。

课程五：新型“零刚度”MEMS加速度计关键技术

老师：浙江大学 副教授 马志鹏（点此查看老师简介）

MEMS加速度计是各种高科技应用的关键器件，不过其面临着温度引起的精度漂移挑战。传统的解决方案包括设计对温度不敏感的结构和改进制造工艺等，但这些解决方案的效果有限。浙江大学马志鹏等人提出了一种新型静电修调“零刚度”MEMS加速度计——在传统MEMS加速度计中引入静电负刚度结构，通过调整偏置电压来改变敏感元件的等效刚度。合理地结合正刚度机械弹簧和静电负刚度结构即可实现准零等效刚度的MEMS加速度敏感元件。这种新型MEMS加速度计在精度和温度稳定性方面实现了显著的改进，研制的样机关键指标（带宽超50 Hz、零偏不稳定性800 ng、温漂系数7 μg/℃）达到了国际一流水平。这项创新技术不仅解决了温度漂移的长期挑战，还为MEMS加速度计在太空探索和环境监测等关键领域的应用铺平了道路，有望彻底改变高精度惯性测量和控制系统。本课程首先介绍惯性传感器技术动态和挑战，然后剖析静电修调MEMS加速度计关键技术，并讲解“零刚度”MEMS加速度计控制系统优化与分析、噪声/温漂抑制，以及三轴技术最新进展，最后进行技术总结与未来展望。

课程提纲：

1. 惯性传感器技术最新发展动态与挑战；

2. MEMS加速度计的静电刚度修调技术介绍；

3. 静电修调MEMS加速度计设计、制造与电路；

4. 静电修调MEMS加速度计动力学与噪声建模；

5. “零刚度”MEMS加速度计控制系统优化与分析；

6. “零刚度”MEMS加速度计噪声与温漂抑制研究；

7. 三轴“零刚度”MEMS加速度计技术最新研究；

8. “零刚度”MEMS加速度计技术总结与展望。

课程六：MEMS惯性传感器及接口电路

老师：鲁汶大学 高级研究员 王晨（点此查看老师简介）

MEMS惯性传感器工作原理基于微机械结构在惯性作用下产生的可测物理量变化，再通过电容、压阻、压电或光学等换能方式转化为电信号，最终实现对加速度或角速度的测量。就系统本质而言，MEMS惯性传感器是一个“机-电耦合的动态系统”，其性能由机械结构参数（质量、刚度、阻尼）与接口电路协同决定。电容式MEMS惯性传感器的检测模式包括开环与闭环两大类：（1）开环检测优点是电路简单、功耗低，适用于消费电子领域；（2）闭环检测优点是线性度高、动态范围大、抗冲击能力强，适用于工业及惯性导航领域。当前，MEMS惯性传感器技术发展趋势已由“单纯机械结构设计”转向“机电深度协同设计”。机电Σ-Δ调制架构成为高性能MEMS惯性传感器的核心技术路线，其阶数提升、带通设计与闭环静电力反馈技术共同推动精度向导航级迈进。本课程详细阐述电容式MEMS惯性传感器技术，深入讲解传感器接口电路知识，探讨如何通过实施先进的控制算法和智能接口来增强MEMS惯性传感器的性能和功能。

课程提纲：

1. MEMS惯性传感器的敏感机理；

2. MEMS惯性传感器的检测模式：开环与闭环；

3. MEMS惯性传感器的静电力反馈；

4. MEMS惯性传感器的接口电路：机电Σ-Δ调制器；

5. 二阶机电Σ-Δ调制器；

6. 高阶机电Σ-Δ调制器；

7. 用于MEMS陀螺仪的带通Σ-Δ调制器；

8. MEMS惯性传感器优化。

课程七：基于腔光力系统的MEMS惯性传感器及Micro-PNT系统

老师：电子科技大学 教授 黄勇军（点此查看老师简介）

电容式MEMS惯性传感器已经获得广泛应用，从智能手机到自动驾驶汽车，但其在精度、灵敏度及稳定性等性能指标上受到制约。近年来，随着微纳加工技术的进步，微纳光腔以及微光机电系统（MOEMS）传感器发展迅速。其中，微腔光力系统已经逐渐成为新兴微纳惯性感知技术的全新解决方案，可广泛用于微小位移、加速度、角速度、质量、引力波等物理量的测量。以基于科氏效应的MEMS陀螺仪为例，其可将输入角速度转换为检测位移，而微腔光力系统对位移物理量具有极高的测量精度，这为设计实现高测量灵敏度及精度、高零偏稳定性、大动态范围、不易受电磁干扰的新型高精度MEMS陀螺仪提供了一种新的思路。本课程详细讲解基于腔光力系统的高精度MEMS传感器（包括加速度计、陀螺仪、磁场传感器）和MEMS振荡器（面向微型时钟应用），内容涵盖从工作机理到工程实现，此外还介绍量子增强型腔光力传感器，以及微型定位、导航和授时（Micro-PNT）系统。

课程提纲：

1. 腔光力系统工作机理；

2. 基于腔光力系统的高精度MEMS加速度计；

3. 基于腔光力系统的高精度MEMS陀螺仪；

4. 基于腔光力系统的高精度MEMS磁场传感器；

5. 基于腔光力系统的高稳定度MEMS振荡器；

6. 量子增强型腔光力传感器及Micro-PNT系统。

课程八：智能单片集成三轴MEMS陀螺仪芯片

老师：北京理工大学 教授 曹慧亮（点此查看老师简介）

单片集成三轴MEMS陀螺仪是惯性测量单元（IMU）小型化与智能化的关键支撑，其通过在同一颗芯片上实现X/Y/Z三轴角速度敏感结构及其接口电路，显著提升了系统集成度与一致性，并且可在芯片内部集成温度补偿、零偏在线估计及数字滤波算法，从而增强智能化与自校准能力，在汽车电子、工业控制及无人自主系统领域的环境适应性更强，并且具有长期稳定性。这种单片集成方案可以显著减小多轴陀螺仪尺寸，消除机械装配误差，提升轴间一致性，同时降低封装复杂度与制造成本，提升规模化制造能力。展望未来，MEMS惯性传感器将朝着更高集成度、更强自感知能力、更低系统功耗等方向持续演进，在高端导航定位与消费电子领域均具有非常重要的战略意义。本课程阐述单片集成三轴MEMS陀螺仪技术发展趋势，重点讲解芯片技术要点，包括设计、制造、测控系统、智能化方法，以及测试技术。

课程提纲：

1. 单片集成三轴MEMS陀螺仪技术发展趋势；

2. 单片集成三轴MEMS陀螺仪芯片设计及制造；

3. 单片集成三轴MEMS陀螺仪芯片测控系统；

4. 单片集成三轴MEMS陀螺仪芯片智能化方法；

5. 智能单片集成三轴MEMS陀螺仪芯片测试技术。

课程九：高精度固体波动（环形）MEMS陀螺仪

老师：南京理工大学 副教授 姜波（点此查看老师简介）

军用高精度MEMS陀螺仪的技术演进路径，与民用消费类MEMS陀螺仪存在本质性差异：两者在结构拓扑、误差控制机制、环境适应能力以及系统级设计目标方面均体现出不同的发展逻辑。军用高精度MEMS陀螺仪普遍采用全对称固体波动结构作为敏感单元，其基本思想是利用弹性体内部的驻波模态实现角速度感知，并通过高度对称的结构设计来降低结构不平衡、温度梯度与封装应力引入的零偏漂移。这一技术路线以微半球结构与环形结构为代表，分别对应三维与二维全对称振动模式两类实现形式。美国国防高级研究计划局（DARPA）的Micro-PNT项目聚焦于在GPS拒止环境下实现微型高精度自主导航能力，重点支持多环谐振盘陀螺仪（DRG）和微半球陀螺仪（VRG）研制，核心目标是实现战术级至准导航级性能，同时保持可批量制造能力。DARPA另一个的先进惯性微型传感器（AIMS）项目仅支持结构上全对称的二维或三维的CVG-II型陀螺仪研制，强调物理结构对称优先于算法补偿。本课程全面讲解高精度环形MEMS陀螺仪知识，并对发展历程、研究现状、发展趋势及典型应用进行解读。

课程提纲：

1. 高精度固体波动MEMS陀螺仪分类与对比；

2. 高精度环形MEMS陀螺仪谐振结构发展历程；

3. 高精度环形MEMS陀螺仪谐振结构工作原理与特点；

4. 高精度环形MEMS陀螺仪学术前沿与国内外研究现状；

5. 高精度环形MEMS陀螺仪发展趋势与思考；

6. 高精度环形MEMS陀螺仪典型应用。

课程十：MEMS频率调制陀螺仪与先进惯性传感技术

老师：上海大学 副教授 陈建霖（点此查看老师简介）

MEMS陀螺仪的信号读出与控制方法主要分为两类：幅度调制（AM）与频率调制（FM）。在当前商用市场中，大多数MEMS陀螺仪采用幅度调制方法——其通过检测驱动方向正交轴向上的科里奥利振动位移幅值来反演输入角速度，系统结构相对成熟，电路实现复杂度较低，适合大规模量产。然而，基于幅度调制的MEMS陀螺仪输出对结构参数波动较为敏感，容易受到温度变化、封装应力等影响，且存在带宽和灵敏度之间需要权衡的难题，这些问题限制了器件性能提升。虽然采用复杂的补偿和校准技术能够使陀螺仪性能指标接近导航级，但相应的电路复杂度与标定成本也随之提升。近些年，基于频率调制的MEMS陀螺仪逐渐成为高性能惯性传感器领域的研究重点，其通过角速度引起的模态频率分裂或谐振频率偏移来进行测量。由于频率量在物理上具有更高的长期稳定性，并且对振幅波动不敏感，基于频率调制的MEMS陀螺仪在温度漂移、应力扰动及老化效应方面通常表现出更优的鲁棒性；同时，其理论上能够在保持较高品质因数的情况下实现较宽动态范围，从而缓解幅度调制方法中的性能权衡问题。本课程全面阐述MEMS频率调制陀螺仪原理、设计、制造工艺及测试校准方法，最后还会讲解压电MEMS振动传感器与三轴陀螺仪。

课程提纲：

1. MEMS频率调制/全角陀螺仪概述；

2. 高对称性Z轴MEMS频率调制陀螺仪设计；

3. 高对称性X/Y轴MEMS频率调制陀螺仪设计；

4. MEMS频率调制陀螺仪制造工艺与测试校准；

5. 非线性效应在惯性传感器中的应用；

6. 基于ScAlN压电薄膜的振动传感器与三轴陀螺仪。

课程十一：单芯片多轴MEMS压电谐振陀螺仪

老师：中国科学院上海微系统与信息技术研究所 博士 陈方（点此查看老师简介）

多轴MEMS惯性传感器的发展经历了从“器件组装”到“芯片组合”，再到“单芯片集成”的三个阶段，在微型化、成品率和规模制造成本等方面不断优化发展。博世、意法半导体、TDK InvenSense是多轴MEMS惯性传感技术的重要推动者，不仅将三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪融入广泛的消费电子产品中，还实现了单芯片六轴一体MEMS惯性传感器。电容式MEMS陀螺仪采用幅度调制（AM）方法，是目前商用多轴惯性传感器市场的主流，但其在性能和可靠性提升方面遇到瓶颈；压电谐振式MEMS陀螺仪采用频率调制（FM）方法，具有更强的抗电磁干扰能力、更高的分辨率潜力、更优的温度稳定性、易于多轴集成（结构对称性）等优势，更适合工业级惯性导航、高精度姿态控制等应用领域。本课程深入剖析单芯片多轴MEMS压电谐振陀螺仪技术，涵盖敏感机理、MEMS设计与制造、ASIC设计与集成，以及测试与分析。

课程提纲：

1. 新型工业级三轴一体MEMS陀螺仪敏感机理与设计；

2. 基于氮化铝/铌酸锂薄膜的压电谐振陀螺仪制造工艺；

3. 新型多轴MEMS压电陀螺仪接口测控电路设计与集成；

4. 新型多轴MEMS压电陀螺仪测试结果与分析；

5. 单芯片多轴MEMS压电谐振陀螺仪总结与展望。

课程十二：光学MEMS惯性传感器

老师：华中科技大学 副研究员 姚远（点此查看老师简介）

受传统电学读出机制的物理极限所约束，常规压阻式与电容式MEMS惯性传感器在灵敏度、噪声密度及长期稳定性等关键指标方面已经遇到瓶颈，无法满足高精度惯性导航和姿态控制等应用领域的需求。在此背景下，融合光学检测方法与MEMS制造工艺的光学式MEMS惯性传感器逐渐成为研究热点。MEMS制造工艺为微尺度敏感结构的高一致性批量化生产提供了成熟的技术平台，而光学检测方法则突破了传统电学检测对电噪声、寄生电容及电磁干扰的依赖限制。通过引入光强调制、频率调制、相位干涉以及近场耦合等多种光学检测手段，微结构位移可被转换为高信噪比的光学信号变化，从而实现更高精度的位移分辨率。相较于压阻或电容检测方法，光学检测方法在热噪声受限条件下具有更高的理论灵敏度上限，并天然具备电磁干扰免疫优势。随着硅光子技术、片上光电集成及先进封装工艺的不断成熟，光机耦合结构的可制造性与一致性将持续提升，光学式MEMS惯性传感器有望突破现有产品的性能边界，成为新一代高精度惯性测量技术的重要发展方向。本课程首先介绍MEMS惯性传感器发展趋势，然后详解光学MEMS惯性传感器关键技术，最后进行技术总结与未来展望。

课程提纲：

1. MEMS惯性传感器发展趋势；

2. 光学MEMS惯性传感器研究现状；

3. MEMS惯性传感器中的光学检测技术；

4. 光学MEMS惯性传感器制造工艺；

5. 光学MEMS惯性传感器案例分析；

6. 光学MEMS惯性传感器总结与展望。

六、培训报名及培训赞助咨询

报名咨询：请发送电子邮件至BISainan@MEMSConsulting.com，邮件题目格式为：报名+MEMS惯性传感器技术+单位简称+人数。

授课结束后，为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。

培训赞助：请致电联系毕女士（18921125675），或麦姆斯咨询固话（0510-83481111）。

麦姆斯咨询
联系人：毕女士
电话：18921125675
E-mail：BISainan@MEMSConsulting.com