一種單片集成高性能三軸MEMS加速度計(jì)

壓阻式MEMS加速度計(jì)由于其帶寬寬、結(jié)構(gòu)和后處理電路簡單，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能制造、車輛監(jiān)控和軍事國防領(lǐng)域。靈敏度和固有頻率是決定加速度計(jì)在各種應(yīng)用中表現(xiàn)性能的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

然而，在傳統(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)或基于多梁結(jié)構(gòu)的MEMS加速度計(jì)中，壓敏電阻直接布置在支撐梁的應(yīng)力集中區(qū)域，導(dǎo)致了固有頻率和靈敏度之間的直接耦合關(guān)系，這使其難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，以削弱固有頻率和靈敏度之間的權(quán)衡效應(yīng)。隨后的研究表明，純軸向應(yīng)力壓阻傳感梁可以在不降低固有頻率的情況下實(shí)現(xiàn)高靈敏度。然而，為了實(shí)現(xiàn)純軸向應(yīng)力，壓阻傳感梁需要特別定位，這增加了設(shè)計(jì)難度。

例如，西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微納制造與測試技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的一支研究團(tuán)隊(duì)此前在經(jīng)過復(fù)雜設(shè)計(jì)計(jì)算后，設(shè)計(jì)了一種新型壓阻式MEMS加速度計(jì)，以獲得壓阻梁處于純軸向應(yīng)力狀態(tài)的特殊位置，然后獲得高靈敏度輸出。

目前，大多數(shù)此類研究都集中在單軸MEMS加速度計(jì)上，在使用多個(gè)單獨(dú)安裝的單軸MEMS加速度計(jì)測量多向振動(dòng)時(shí)，會不可避免地引入安裝誤差，并增加傳感系統(tǒng)的尺寸。越來越多的應(yīng)用需要多軸加速度監(jiān)測，因此，研制高性能的三軸MEMS加速度計(jì)至關(guān)重要。

近幾十年，通過廣泛的研究已經(jīng)證實(shí)多軸測量能力的優(yōu)勢。研究結(jié)果表明，三個(gè)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(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，該研究團(tuán)隊(duì)近日在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)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(jì)，得益于位置無關(guān)的純軸向應(yīng)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(yīng)力的實(shí)現(xiàn)不需要復(fù)雜的理論計(jì)算。

單片集成三軸MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

單片集成三軸MEMS加速度計(jì)每個(gè)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(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，以確保全惠斯通電橋以提高靈敏度。然后，基于有限元數(shù)值仿真用于計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)和固有頻率。最后，研究人員完成了MEMS加速度計(jì)的制造，并對其性能進(jìn)行了測試。

研究結(jié)果表明，該MEMS加速度計(jì)具有高靈敏度、高固有頻率和低交叉靈敏度。這將有力推動(dòng)壓阻式加速度計(jì)在高鐵軸箱故障診斷和精密加工狀態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

MEMS加速度計(jì)制造工藝流程圖，以及MEMS加速度計(jì)芯片和封裝

實(shí)驗(yàn)平臺，以及利用實(shí)驗(yàn)平臺對加速度計(jì)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試

綜上，研究人員提出了一種具有位置無關(guān)的純軸向應(yīng)力壓阻梁的新型單片集成三軸MEMS加速度計(jì)，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(shí)現(xiàn)了位置無關(guān)的純軸向應(yīng)力狀態(tài)。

這種方案大大簡化了MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)過程。其中，z軸測量單元?jiǎng)?chuàng)造性地設(shè)計(jì)為互鎖結(jié)構(gòu)，以確保全惠斯通電橋。通過有限元仿真和測試驗(yàn)證了其純軸向應(yīng)力狀態(tài)、高靈敏度和高固有頻率。該加速度計(jì)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(gè)測量單元的固有頻率分別為11.4?kHz、11.4?kHz和13.2?kHz。結(jié)果表明，這種位置無關(guān)的純軸向應(yīng)力壓阻梁展現(xiàn)了優(yōu)異的性能。

審核編輯：劉清