基于MEMS和MOEMS的微加速度計的研究及應用設計方案

微加速度計是一類極為重要的微慣性傳感器，廣泛應用于振動檢測、慣性測量、慣性導航等多個技術行業(yè)。隨著微納加工技術的日趨成熟，微加速度計技術得到快速發(fā)展，近年來基于微機電系統(tǒng)（MEMS）和微光機電系統(tǒng)（MOEMS）的微加速度計技術研究及產(chǎn)品化已成為重點發(fā)展方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自電子科技大學的黃勇軍副教授（通訊作者）、文光俊教授研究團隊在《儀表技術與傳感器》期刊發(fā)表了題為“新型微加速度計研究進展”的綜述文章。對近年來基于MEMS和MOEMS的微加速度計最新研究進展進行了綜述，對各種類型微加速度計的性能進行了綜合對比分析，討論出適用于高精度慣性測量及慣性導航等應用方向的微加速度計設計方案，并對微加速度計未來發(fā)展方向進行了展望。

常見的微加速度計按敏感原理可分為壓阻式、壓電式、電容式、隧道式、熱敏式、諧振式、光學式等多種經(jīng)典類型。各類微加速度計在探測靈敏度、精度、測量范圍、穩(wěn)定性等性能指標上，以及在加工成本、器件質量和體積、環(huán)境適應性等方面有著各自的優(yōu)缺點，且相互制約。具體而言，壓阻式微加速度計結構簡單，制作相對簡易，但其對溫度敏感，且靈敏度較低、蠕變和遲滯效應較大。壓電式微加速度計工作頻帶寬、功耗低、抗摔性好、溫度穩(wěn)定性高，但低頻噪聲性能差。電容式微加速度計結構簡單、漂移率低、溫度敏感性低，但抗電磁干擾性差。隧道式微加速度計靈敏度高，但溫度依賴性高，制造工藝復雜、工作電壓高。熱敏式微加速度計不需要大體積的運動質量塊，但靈敏度較低、工作帶寬較窄。諧振式微加速度計測量諧振頻率信號的準確度和精度高，但只能應用于隨時間緩慢變化的加速度量值測量。

壓阻式微加速度計工作原理圖及常見設計結構

壓電式微加速度計工作原理圖及常見設計結構

電容式微加速度計工作原理圖及常見設計結構

隧道式微加速度計工作原理圖及常見設計結構

熱敏式微加速度計工作原理圖及常見設計結構

諧振式微加速度計工作原理圖及常見設計結構

傳統(tǒng)的MEMS微加速度計受限于其本身存在的各種機械振子噪聲和電學類噪聲特性，難以獲得進一步的性能突破。同時，高精度MEMS微加速度計的制造工藝復雜、昂貴、耗時、不靈活、不容易定制或修改等缺點也限制了其未來發(fā)展。

近年來，隨著MOEMS技術的出現(xiàn)和快速發(fā)展，光學微加速度計方向取得許多顯著成就。MOEMS微加速度計結合光學測量和微機電系統(tǒng)的優(yōu)點，可實現(xiàn)高精度、高靈敏度、小體積和抗電磁干擾的加速度測量。此外，作為近年來被提出的一種新型微光機電系統(tǒng)——腔光力（cavity optomechanics）系統(tǒng)微加速度計，基于其靈敏度高、精度高、穩(wěn)定度高以及動態(tài)范圍大等優(yōu)點，在高精度慣性測量及慣性導航系統(tǒng)中有巨大應用潛力。不過，腔光力系統(tǒng)也仍存在散粒噪聲、量子反作用噪聲等噪聲源，會影響最終加速度探測精度等性能指標。

光學微加速度計工作原理圖及常見設計結構

基于腔光力系統(tǒng)的高精度微加速度計

為實現(xiàn)性能更好的高精度微加速度計，還需要繼續(xù)探索基于新型架構的微加速度計技術方案，從加速度探測新機理、噪聲抑制新途徑入手，在結構設計、性能仿真、系統(tǒng)搭建、制備工藝及性能測試等方面展開系統(tǒng)深入的研究和創(chuàng)新。解決好新型高性能微加速度計的關鍵技術難題，才能有效地推動微加速度計技術發(fā)展。

隨著量子精密測量的快速突破和發(fā)展，基于光學激勵方式的微加速度計能有效利用量子壓縮光源實現(xiàn)高精度加速度測量?；诖?，研究人員提出一項新的設計構想，采用量子壓縮光源替代傳統(tǒng)激光源來激勵光學及腔光力系統(tǒng)微加速度計，從而進一步降低該類加速度計系統(tǒng)噪聲以提高其性能。該設計方案能夠滿足超高精度微加速度計的尖端應用及技術發(fā)展需求，有望成為未來重點研究和發(fā)展的方向。

審核編輯：郭婷