一種單片集成高性能三軸MEMS加速度計

壓阻式MEMS加速度計由于其帶寬寬、結構和后處理電路簡單，已經廣泛應用于智能制造、車輛監控和軍事國防領域。靈敏度和固有頻率是決定加速度計在各種應用中表現性能的兩個關鍵參數。

然而，在傳統的懸臂梁結構或基于多梁結構的MEMS加速度計中，壓敏電阻直接布置在支撐梁的應力集中區域，導致了固有頻率和靈敏度之間的直接耦合關系，這使其難以同時實現高靈敏度和固有頻率。

已有研究提出了剛性支撐梁和相對柔性壓阻梁的結構，以削弱固有頻率和靈敏度之間的權衡效應。隨后的研究表明，純軸向應力壓阻傳感梁可以在不降低固有頻率的情況下實現高靈敏度。然而，為了實現純軸向應力，壓阻傳感梁需要特別定位，這增加了設計難度。

例如，西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室、微納制造與測試技術國際合作聯合實驗室的一支研究團隊此前在經過復雜設計計算后，設計了一種新型壓阻式MEMS加速度計，以獲得壓阻梁處于純軸向應力狀態的特殊位置，然后獲得高靈敏度輸出。

目前，大多數此類研究都集中在單軸MEMS加速度計上，在使用多個單獨安裝的單軸MEMS加速度計測量多向振動時，會不可避免地引入安裝誤差，并增加傳感系統的尺寸。越來越多的應用需要多軸加速度監測，因此，研制高性能的三軸MEMS加速度計至關重要。

近幾十年，通過廣泛的研究已經證實多軸測量能力的優勢。研究結果表明，三個敏感軸的測量一致性仍不夠理想，其中低靈敏度和固有頻率限制了其應用。

據麥姆斯咨詢報道，該研究團隊近日在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了一篇題為“Monolithically integrated triaxial high-performance micro accelerometers with position-independent pure axial stressed piezoresistive beams”的研究論文，提出了一種高性能三軸MEMS加速度計，得益于位置無關的純軸向應力壓阻傳感梁，在所有軸上都獲得了高靈敏度和高固有頻率。并且，純軸向應力的實現不需要復雜的理論計算。

單片集成三軸MEMS加速度計結構示意圖

單片集成三軸MEMS加速度計每個測量單元的工作原理

在z軸測量單元中提出了一種新的互鎖檢測質量塊結構，以確保全惠斯通電橋以提高靈敏度。然后，基于有限元數值仿真用于計算應力狀態和固有頻率。最后，研究人員完成了MEMS加速度計的制造，并對其性能進行了測試。

研究結果表明，該MEMS加速度計具有高靈敏度、高固有頻率和低交叉靈敏度。這將有力推動壓阻式加速度計在高鐵軸箱故障診斷和精密加工狀態監測等領域的應用。

MEMS加速度計制造工藝流程圖，以及MEMS加速度計芯片和封裝

實驗平臺，以及利用實驗平臺對加速度計的靜態和動態性能進行測試

綜上，研究人員提出了一種具有位置無關的純軸向應力壓阻梁的新型單片集成三軸MEMS加速度計，具有極高的靈敏度、高固有頻率和低交叉靈敏度。通過控制壓阻梁兩端的同步位移，實現了位置無關的純軸向應力狀態。

這種方案大大簡化了MEMS加速度計的設計過程。其中，z軸測量單元創造性地設計為互鎖結構，以確保全惠斯通電橋。通過有限元仿真和測試驗證了其純軸向應力狀態、高靈敏度和高固有頻率。該加速度計x、y和z軸測量單元的靈敏度分別為2.43?mV/g/5?V、2.44?mV/g/5?V和2.41?mV/g/5?V。三個測量單元的固有頻率分別為11.4?kHz、11.4?kHz和13.2?kHz。結果表明，這種位置無關的純軸向應力壓阻梁展現了優異的性能。

審核編輯：劉清