具有自动调谐功能的静电式反弹簧增强型MEMS加速度计
2025-11-02 09:45:58   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS加速度计已被广泛应用于诸多领域，包括手机、汽车、工业控制、地震监测及航天探测。尽管应用广泛，但许多应用场景要求MEMS加速度计兼具高灵敏度和宽测量范围。然而提高灵敏度通常会使测量范围变窄，而拓展测量范围又会降低灵敏度。这种双重需求对MEMS加速度计的设计与实施构成了挑战，因为要同时实现这两种特性往往需要权衡取舍。

据麦姆斯咨询报道，近日，比利时鲁汶大学、华中科技大学和澳门大学联合开发了一种配备静电式反弹簧自适应调谐系统的MEMS加速度计。随着输入加速度的增加，这种自适应MEMS加速度计的灵敏度会相应降低，从而扩展其测量范围。该MEMS加速度计融合了传统开环与闭环加速度计设计的优点。通过全面的理论分析与实验测试，证实了理论结果和实验结果具有良好的一致性。与传统的MEMS加速度计设计相比，这种新型自适应MEMS加速度计表现出更优越的性能。相关研究成果以“Electrostatic anti-spring-enhanced MEMS accelerometer with auto-tuning capability”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

下图展示了带有自调谐静电式反弹簧的MEMS加速度计（“新设计”）与传统开环加速度计（“传统设计”，没有自调谐系统/静电式反弹簧）、闭环系统中的“传统设计”在工作原理方面的对比。本文所提出的MEMS加速度计新设计融合了传统开环与闭环加速度计的双重优势，其性能提升是通过实施自动调谐静电式反弹簧来实现的。静电式反弹簧将弹簧常数降低至接近零，从而获得高灵敏度；自动调谐机制根据加速度输入调整反弹簧刚度，从而提高灵敏度和测量范围。

具有自动调谐静电式反弹簧的MEMS加速度计工作原理

研究人员制造的MEMS加速度计

研究人员开展了详细的理论分析与实验验证，结果表明，实验结果与理论相符。在相同加速度输入下，“新设计”总是比“传统设计”有更大的位移。在15.4 V直流偏压（V_dc）下，“新设计”在0 g加速度时的灵敏度为39.43 V/g，是“传统设计”（1.28 V/g）的30.80倍；当输入加速度为17.45 mg时，该偏压下“新设计”的灵敏度为18.39 V/g，是“传统设计”（1.28 V/g）的14.37倍。

在弹簧常数方面，在V_dc=15.4 V下，0 g加速度时的弹簧常数从原始机械弹簧常数41.0 N/m降至1.38 N/m。理论上，在V_dc=15.66 V、0 g加速度输入下，弹簧常数可降至0.0125 N/m。此外，0 g加速度输入条件下，“新设计”的本底噪声在100 Hz处为279 ng/√Hz，相较“传统设计”（8628 ng/√Hz）降低了30.9倍。因此，“新设计”的动态范围达到157 dB，较“传统设计”（127 dB）提升了30 dB。

实验结果

下图展示了带有自动调谐静电式反弹簧的MEMS加速度计的结构示意图。本研究采用混合连续时间接口来提供驱动和传感信号。通过使用混合连续时间接口，不需要专用的驱动梳齿，同一组电容梳齿用于传感和驱动。这种设计减少了芯片总面积，或者该面积可用于增加检测质量块重量，进而提升灵敏度。

具有混合连续时间接口的自动调谐系统

综上，研究人员成功开发了一种具有自动调谐静电式反弹簧的MEMS加速度计。该加速度计的灵敏度可以根据加速度输入的幅度自动调整，以改变测量范围和带宽。静电式反弹簧的负弹簧常数可以补偿正的机械弹簧常数，以将总弹簧常数减小到制造极限之外。这些特性的结合使得这种新型MEMS加速度计具有高灵敏度和宽测量范围，是各种应用的理想解决方案。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-01006-1

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