紧凑型三轴电容式MEMS加速度计，助力高性能惯性导航等应用
2026-03-14 21:18:44 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

伊朗科研人员研发出一种高性能三轴电容式MEMS加速度计，其尺寸高度紧凑，在高灵敏度、低噪声与高精度（低非线性）三方面实现了卓越的综合性能。

在各类惯性传感器中，加速度计因能够测量加速度和振动而具有重要地位，尤其是MEMS加速度计已成为传统加速度计的重要替代方案。将机械运动或加速度转换为电信号的方法有多种，例如压阻式、压电式、热式和电容式等转换机制。相比其它类型，电容式加速度计因具有高灵敏度、良好的热稳定性、直流响应能力（可测量恒定加速度）以及低功耗等优势而受到广泛关注。

据麦姆斯咨询报道，近期，伊朗科研人员研发出一种高性能三轴电容式MEMS加速度计，其尺寸高度紧凑，仅为0.65 × 0.65 mm²。该器件在高灵敏度、低噪声与高精度（低非线性）三方面实现了卓越的综合性能。相关研究成果以“Design and Simulation of a Compact Three-Axis Capacitive Accelerometer With Multiple Differential Proof Masses”为题发表在IEEE Access期刊上。

该三轴电容式MEMS加速度计的设计创新之处在于采用了方形结构布局，可最大限度提高芯片面积利用率并减少无效空白区域。该结构采用差分电容检测机制：在x轴和y轴上采用梳齿电容结构，在z轴上采用可动极板夹层式结构。另一项关键特征是在x轴和y轴中分别引入了两个独立的差分质量块，这种配置有助于抑制噪声、降低交叉轴灵敏度并提升器件整体灵敏度。

紧凑型三轴电容式MEMS加速度计三维结构示意图

图1 紧凑型三轴电容式MEMS加速度计三维结构示意图

为了验证这种结构设计的可行性并实现z轴夹层式结构，研究人员提出了一种结合晶圆级封装的五掩模制备工艺。对于横向（x/y轴）梳齿驱动结构而言，标准表面微机械加工工艺已足够；但z轴传感器所需的刚性顶部固定电极则需要采用异质集成方案来实现。因此，研究中引入了基于共晶键合的盖帽晶圆（Cap Wafer）技术。

三轴电容式MEMS加速度计的制备工艺流程

图2 三轴电容式MEMS加速度计的制备工艺流程

研究人员通过COMSOL对该加速度计在± 2g、± 4g和± 8g加速度范围内的性能进行了评估，仿真结果与理论计算结果表现出良好的一致性。分析表明，在2.5 V偏置电压下，x、y、z三个方向的输出电压灵敏度分别为65 mV/g、65 mV/g和102 mV/g。此外，该结构在x/y方向的布朗噪声约为6.7 μg/√Hz，在z方向约为2.5 μg/√Hz。该设计具有较高精度，理想非线性极低，仅为0.02% ~ 0.04%；即使考虑工艺公差，仍能保持较强鲁棒性（误差<1.1%）。应力分析结果显示，该结构中产生的最大应力（约3.9 × 10⁶ N/m²）远低于材料屈服强度，从而保证了加速度计的机械稳定性。x、y、z三轴的谐振频率分别为2475 Hz、2473 Hz和2496 Hz。凭借良好的灵敏度和精度，该结构非常适合于高精度惯性测量场景。

位移与加速度之间的线性关系