新型AlScN压电MEMS加速度计，用于高精度振动监测
2026-03-12 21:43:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该压电MEMS加速度计实现了优异的性能，具有优异的抗交叉轴干扰能力，可实现沿敏感轴的高精度振动测量，在工业、汽车及航空航天等领域中，对高g值、宽带振动信号的高精度实时监测具有重要应用前景。
钪掺杂氮化铝（AlScN）压电MEMS加速度计因其尺寸紧凑、CMOS兼容性及高温可靠性，在分布式振动监测系统中具有广阔的应用前景。然而，其在弯曲模式下的工作，极易受到交叉轴的干扰，这在实际应用中会严重影响测量精度。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所系统性地提出了横向灵敏度的定义、应力诱导的退化机制及其抑制策略。首先，通过理论模型与有限元方法证实，残余应力引发的非对称表面翘曲是产生横向灵敏度的主要原因。为此提出了一种穿孔膜岛结构，该结构可有效释放应力并抑制翘曲。然后，阐明了膜岛结构中的空腔是造成表面过度翘曲的根源，并据此实施有效的结构改进以抑制翘曲。最终，所研发的穿孔膜岛MEMS加速度计在保持性能不损失的前提下，横向灵敏度降低了55%。其横向灵敏度为1.2%、电荷灵敏度为0.60 pC/g、上限频率范围约为6000 Hz、量程为±500 g。同时，基于三轴振动系统的测试表明，与市售产品相比，所提出的MEMS加速度计具有更优异的抗交叉轴干扰能力，这对宽带大范围振动信号的高精度实时监测具有重要意义。相关研究成果以“Low transverse-sensitivity AlScN piezoelectric MEMS accelerometers with perforated diaphragm-island for high-precision vibration monitoring”为题发表在Measurement期刊上。
在这项工作中，研究人员对三种压电MEMS加速度计结构进行了系统研究：膜岛结构、穿孔膜岛结构及梁岛结构。其核心创新在于在振膜区域引入穿孔，可促进局部变形与应力集中，从而有效降低整体应力水平，提升交叉轴稳定性。此外，研究表明，封装引起的空腔效应会显著加剧传统膜岛结构的翘曲，进而导致横向灵敏度过大。虽然梁岛结构能保持结构刚度，但会造成电荷灵敏度大幅下降。相比之下，本文所提出的穿孔膜岛结构，在不牺牲高主轴灵敏度的前提下，显著降低了横向灵敏度。
AlScN压电MEMS加速度计的设计
本文所开发的MEMS加速度计采用标准微加工工艺制备，其流程如下图所示。MEMS芯片通过粘接方式固定在PCB板并完成封装，通过金线键合实现电气互连。外部信号传输采用同轴电缆完成。内部顶电极与外部底电极产生的同极性感应电荷由信号线采集。
MEMS加速度计的制备流程
在器件制备过程中，沉积在顶部硅层上的AlScN压电层与硅衬底之间因热膨胀系数（CTE）失配而产生残余应力，导致明显的表面翘曲。为了模拟该效应，利用COMSOL Multiphysics对器件结构施加预应力，以分析相应的翘曲情况。此外，对在80 °C键合温度下的封装器件进行的热力学分析表明，器件翘曲源于MEMS芯片、PCB板与封装壳体之间的热膨胀系数失配。
预应力作用下的应力分布
为了消除空腔引发的翘曲，在外壳粘接界面处设计了沟槽结构。结果表明，通过改进封装结构来抑制空腔效应，可有效减小翘曲。然而，该沟槽设计仅用于验证空腔机制，并非实用方案。它会从两方面降低器件可靠性：一是通过限制键合面积，降低机械强度；二是减薄封装基底，影响气密性。因此，为从根本上提升MEMS加速度计性能，必须摒弃此类损害可靠性的方法，采用更高效的加速度计穿孔设计。
结构改进前/后的实验结果
该AlScN压电MEMS加速度计实现了优异性能，包括低横向灵敏度（1.2%）、高电荷灵敏度（0.60 pC/g）、高上限频率范围（约6000 Hz）以及大量程（±500 g）。
MEMS加速度计的性能表征
为模拟实际测量中横向灵敏度的影响，研究人员搭建了三轴振动监测系统。实验结果表明，横向灵敏度是高精度振动监测的关键因素：较低的横向灵敏度可提升抗干扰能力，进而有助于提高测量精度。
三轴振动监测系统
综上所述，研究人员通过理论建模、有限元仿真与实验验证，系统研究了AlScN压电MEMS加速度计中应力诱导的横向灵敏度退化问题。研究发现，翘曲是影响横向灵敏度的关键因素，而残余应力与封装空腔效应是导致翘曲的主要原因。通过采用应力释放穿孔结构，翘曲程度降低86%，横向灵敏度减小55%。最终，所开发的压电MEMS加速度计实现了优异的性能，具有优异的抗交叉轴干扰能力，可实现沿敏感轴的高精度振动测量，在工业、汽车及航空航天等领域中，对高g值、宽带振动信号的高精度实时监测具有重要应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.measurement.2025.119890
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