西安交大研发单片集成三轴高g值MEMS加速度计
2025-11-09 14:01:42   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

高g值MEMS加速度计是军事国防实时监测系统中用于分析穿甲弹和高超音速武器爆炸引信冲击振动的关键组件。虽然理论上，当压阻梁（压敏电阻）发生纯轴向变形时，压阻式MEMS加速度计可以同时实现高灵敏度和宽频率响应，但以往的方法通常需要复杂的理论计算和特定的结构配置才能近似满足纯轴向变形条件，这极大地增加了加速度计的设计难度。

据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学赵立波教授团队提出了一种新型单片集成三轴高g值压阻式MEMS加速度计，其压阻梁可实现与位置无关的纯轴向变形，能够测量高达200,000 g的加速度。该设计的核心创新在于压阻梁两端的同步变形机制，有效地抵消了横向变形分量。这种新颖的方法确保了整个测量范围内的纯轴向变形，消除了复杂的设计流程。实验结果表明，本文所提出的MEMS加速度计具有优异的性能指标：固有频率超过1.5 MHz，同时在5 V激励下灵敏度大于1.15 μV/g，为高性能压阻式MEMS加速度计的设计提供了一种便捷有效的技术途径。上述研究成果以“Monolithically integrated triaxial high-performance high-g accelerometer for high shock vibration signal measurements”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

图1a和1b所示为本文所提出的单片集成高g值MEMS加速度计。该加速度计由三层结构构成：玻璃上盖、硅结构层、玻璃背板。为了测量对应方向的冲击加速度信号，硅结构层包含x、y、z三个测量单元，每个测量单元由两个测量子单元组成。其中，x和y测量单元相互垂直布置，并采用相同的结构，其具体结构是在西安交通大学研究团队前期100,000 g加速度计研究的基础上改进而来。

图1 高g值MEMS加速度计的模型与结构

如图1c所示，在x、y测量单元中，每个测量子单元的两端质量块通过支撑梁与外框架连接，并在另一端通过铰链梁相互连接，从而形成双端固支结构，以获得更高的固有频率。在两个质量块之间布置有两组压阻梁，每组包含两根压阻梁并构成一个压敏电阻，如图1e的（i）和（ii）所示。如图1d所示，z测量单元的支撑梁一端与质量块连接，另一端与框架连接，且底部固接于玻璃背板。两个子单元的区别在于支撑梁位于两质量块的内侧或外侧。z测量单元的每个子单元包含6根压阻梁，每3根组成一个压敏电阻。每个测量单元的4个压敏电阻构成惠斯通全桥输出，其压敏电阻的分布与编号如图1e（iii）所示。

由于x、y测量单元的结构相同，以下以y单元为例说明其工作原理。如图2a所示，当加速度计受到y方向加速度作用时，两端质量块将产生同步偏转运动，从而使压阻梁两端发生同步变形，仅产生2ΔL的轴向应变，而无横向相对应变。在此过程中，压阻梁受到弯矩M以及拉力或压力F的共同作用，如图2b所示。力F产生轴向拉/压应力σ_L，而弯矩M使压阻梁处于纯弯曲状态，产生梯度分布的轴向应力σ_ΔL。σ_ΔL以中性面为分界，此面之上和之下的应力大小相等、方向相反，其对压敏电阻的作用相互抵消。因此，压阻梁内部仅存在由力F产生的轴向应力σ_L，此时压阻梁处于纯轴向变形状态。

图2 高g值MEMS加速度计测量单元的工作原理

由于穿透武器会经历冲击加速度的高振幅、高动态范围和快速振幅变化特性，因此MEMS加速度计必须具备高固有频率和宽工作带宽，以满足冲击测量需求。研究人员采用有限元方法进行模态与频率响应分析，以确定MEMS加速度计适用于振动检测的频率范围，并避免其在使用过程中产生共振及信号失真。

在三个方向上施加频率范围为0–2 MHz的正弦加速度载荷。如图3a所示，该MEMS加速度计的一阶固有频率为1.57 MHz，对应于z测量单元的振型。因此，对该MEMS加速度计施加z方向正弦激励载荷。图3b给出了该加速度计的频率响应及其振动相位角，其共振峰与图3a结果一致，且计算得到的有效工作带宽为0–0.74 MHz（±3 dB）。该MEMS加速度计的二阶固有频率（对应于x测量单元的固有频率）和三阶固有频率（对应于y测量单元的固有频率）分别如图3c和3e所示，其频率响应与振动相位角分别如图3d和3f所示。

图3 高g值MEMS加速度计的模态和频率响应分析

该高g值MEMS加速度计采用绝缘体上硅（SOI）晶圆制造而成，其规格如下：N型（100）晶体取向，电阻率范围为1至10 Ω·cm，器件层厚度为10 μm，埋氧层厚度为1 μm，衬底层厚度为400 μm。具体的制造工艺流程如图4所示。

图4 高g值MEMS加速度计的制造工艺流程

该单片集成三轴MEMS加速度计芯片如图5a所示，芯片整体尺寸为6.5 mm × 4.4 mm × 1.41 mm。图5b显示去除玻璃上盖后的加速度计芯片，而各测量单元的结构照片如图5c–5e所示。局部放大图展示了压阻梁/压阻电阻的详细结构，并清晰显示了硼离子重掺杂区、硼离子轻掺杂区以及引线孔的位置。

图5 高g值MEMS加速度计的芯片及其封装

研究人员采用霍普金森杆冲击测试系统对所制备的高g值MEMS加速度计的动态性能和灵敏度进行校准，如图6a和6b所示。高g值MEMS加速度计通过钛合金外壳的螺纹牢固固定在刚性校准杆的末端。

该MEMS加速度计的加速度输入是通过激光多普勒干涉仪测量校准杆末端的振动来获得的。数据采集系统收集高g值MEMS加速度计产生的输出电压，并将其传输至计算机进行数据处理。

图6 高g值MEMS加速度计的性能测试

通过调节压缩气体压力来产生不同的加速度脉冲信号，记录所设计的高g值MEMS加速度计在不同冲击加速度下的输出曲线，并与激光多普勒干涉仪的测量结果进行对比。图6c显示了在输入加速度为91,459.13 g时，激光多普勒干涉仪信号与y测量单元的输出信号。图6d对冲击峰值进行了局部放大，可以看到脉冲宽度为22.4 μs，对应的输出电压为111.7 mV。

研究人员获取了不同加速度条件下各测量单元的输出信号（如图7a-7c所示），并记录了高g值MEMS加速度计中不同测量单元的峰值电压。对各测量单元的输出信号进行线性拟合后，获得测量灵敏度参数：x测量单元为1.212 μV/g/5 V（非线性1.25%），y测量单元为1.223 μV/g/5 V（非线性1.97%），z测量单元为1.165 μV/g/5 V（非线性2.81%）。通过对图6c所示加速度计输出电压进行快速傅里叶变换，获得各测量单元的固有频率（如图7d-7f所示）。x、y、z测量单元测得的固有频率分别为1.531 MHz、1.524 MHz和1.516 MHz。

图7 高g值MEMS加速度计的灵敏度和固有频率

综上所述，这项研究设计、制造并测试了一种单片集成三轴高g值MEMS加速度计。通过压阻梁两端的同步变形机制，可实现压阻梁的纯轴向变形，从而同时保证了器件的高灵敏度和高固有频率。仿真结果验证了该设计方案的正确性。测试结果表明：在未加放大的条件下，所制备的MEMS加速度计中x、y、z测量单元的灵敏度分别为1.212 μV/g/5V、1.223 μV/g/5V和1.165 μV/g/5V；对应的固有频率分别为1.531 MHz、1.524 MHz和1.516 MHz。本研究提出的设计理念可进一步推广应用于其它高性能压阻式MEMS传感器，并能够显著简化其设计流程。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01051-w

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