新型双模式设计策略，显著提升MEMS谐振式加速度计精度
2025-11-23 20:46:59 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
中国科学院空天信息创新研究院邹旭东研究员团队针对“温度漂移、测量死区”难题提出了创新的解决方案。该团队设计了一种新型双模式耦合系统（DMCS），通过有效解耦器件差分梁的工作频率，显著提升了MEMS谐振式加速度计的精度与综合性能。
近年来，基于差分振动梁（DVB）结构的MEMS谐振式加速度计（DMRA），凭借优异的共模抑制特性，已成为实现高精度惯性测量的核心技术路径。与单谐振梁器件不同，差分谐振式加速度计通过对称谐振器的频率差值实现加速度检测，能够有效抑制温度波动、电磁噪声、压力变化等环境共模干扰。然而，这类差分谐振式加速度计在实际应用中仍面临诸多挑战。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院空天信息创新研究院（AIRCAS）邹旭东研究员团队针对“温度漂移、测量死区”难题提出了创新的解决方案。该团队设计了一种新型双模式耦合系统（DMCS），通过有效解耦器件差分梁的工作频率，显著提升了MEMS谐振式加速度计的精度与综合性能。相关研究成果以“Temperature drift suppression and measurement dead zone elimination in differential MEMS resonant accelerometers using dual-mode operating method”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1 本研究论文的图文摘要
这项研究所提出的双模式耦合系统（DMCS），通过模态差异化配置，使MEMS谐振式加速度计的差分梁工作在不同振动模式下：一个梁工作在一阶模式（R1M1），另一个梁工作在二阶模式（R2M2）。这种双模式设计方式可同时强化温度补偿效果，并抑制易引发测量死区的模态局域化效应。此外，该设计还保留了梁结构的几何对称性，这对最大限度减少温度诱导误差、维持传感器稳定性能至关重要。
图2 双模式耦合系统（DMCS）的工作原理和实验装置
图3 基于DMCS的MEMS谐振式加速度计结构
实验数据验证了该方案的有效性：与传统的解决方案相比，这项研究提出的双模式设计方法使得器件温度漂移从342 mg降至1.19 mg，降幅超过280倍。此外，艾伦方差（Allan Variance）与功率谱密度（PSD）分析显示，器件的低频噪声水平显著降低，这一改进直接提升了MEMS谐振式加速度计的测量精度与长期工作稳定性。
图4 MEMS谐振式加速度计死区测试
图5 MEMS谐振式加速度计温度变化测试
图6 温度补偿前后艾伦方差与功率谱密度的比较
这项研究提出的新型双模式设计策略，为提升MEMS谐振式加速度计性能提供了一种经济高效的方法，使其在惯性导航、振动监测等应用中具有更高应用价值。研究团队表示，在未来研究中，将针对振动梁的模态特性开展深入探究，通过激活更多振动模态获取丰富的原始数据并进行融合处理，进一步优化系统的噪声抑制与温度漂移抑制能力。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01022-1
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