基于多电容器的高灵敏度压电MEMS加速度计的设计、仿真与建模
2026-03-20 09:32:14 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
为提升压电MEMS加速度计的灵敏度，印度理工学院鲁尔基分校提出了一种新型串联多电容器拾取式MEMS结构设计。通过经严格校准的COMSOL仿真可知，该结构中串联集成电容器的数量与压电MEMS加速度计的差分灵敏度呈直接相关关系。
在“工业4.0”时代，微机电系统（MEMS）传感器在技术发展中起着至关重要的作用。其中，MEMS加速度计已成为基础组件，是实现各类智能应用的关键。MEMS加速度计是一种由集成检测质量块组成的微型器件，其输出信号与施加的加速度关联。高灵敏度MEMS加速度计的一些应用包括车辆安全系统、机器健康监测和导航系统。
据麦姆斯咨询报道，为提升压电MEMS加速度计的灵敏度，印度理工学院鲁尔基分校提出了一种新型串联多电容器拾取式MEMS结构设计。通过经严格校准的COMSOL仿真可知，该结构中串联集成电容器的数量与压电MEMS加速度计的差分灵敏度呈直接相关关系。在该结构中，所有串联电容器两端的电压与单电容器结构两端的电压相等。多电容器结构可以采用两个、四个、六个或更多电容器进行设计。研究人员以氮化铝（AlN）作为压电材料进行了演示，并且该设计可拓展至锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）等其它压电材料。此外，研究人员还为压电MEMS加速度计的多电容结构建立了一个数学模型，将模型计算结果与仿真数据对比，两者高度吻合且误差低于4%。该方法为提升各类振动传感/能量收集MEMS结构的效率提供了重要解决方案。该压电MEMS加速度计具有广泛的应用，包括自主系统、机械/结构健康监测以及导航系统等领域。相关研究成果以“Design, Simulation, and Modeling of a Highly Sensitive Multicapacitor Piezoelectric MEMS Accelerometer”为题发表在IEEE Sensors Journal期刊上。
在不降低谐振频率的前提下提升MEMS加速度计灵敏度的一种方法，是采用多电容器结构。在这项工作中，研究人员提出了一种新型结构，在差分检测模式下采用串联电容器拾取设计，其灵敏度高于已报道文献中所提出的方法。研究人员通过COMSOL仿真精准定位了应力最大的区域，并在这两个区域将集成上下电极的氮化铝（AlN）压电材料布设成环形，形成局部电容元件。研究人员实施了一种多电容器设计，将压电层分割为多个均等的分段，通过上下电极结构将这些分段串联，确保每个上电极与相邻电容器的下电极电连接。
（a）单电容器拾取俯视图；（b）串联连接的四电容器拾取俯视图
采用绝缘体上硅（SOI）晶圆来设计整个MEMS加速度计结构，利用硅有源层作为振膜，通过刻蚀衬底层形成圆柱形检测质量块。综合考虑灵敏度提升与结构完整性，最终设计确定振膜厚度为15 μm。
凸台结构的三维示意图
压电MEMS加速度计的制造工艺
研究人员首次建立了用于单电容器和多电容器结构的压电MEMS加速度计模型，其能够准确地预测关键性能参数，例如灵敏度、谐振频率。一个关键的发现是，与传统的单电容器结构相比，这种设计明显将压电MEMS加速度计的灵敏度提高了大约N倍，其中N是串联电容器的数量。
具有寄生电容和电阻的压电换能器电气模型
电容器数量对（a）单个电容器电容以及（b）单个电容器电荷量的影响
通过大量COMSOL仿真验证了分析模型的准确性，其结果与数学模型高度吻合，并且最大误差为4%，从而证实了该模型的鲁棒性与预测能力。研究人员提出了一套基于仿真与建模的可靠设计方法，证明通过将电容器均等分割并串联，可有效提升灵敏度。这种片上MEMS加速度计灵敏度的显著提升，通过直接改善信噪比（SNR），在可穿戴设备、物联网等超低加速度测量应用中具备极高的潜力。
（a）1 kHz和5 kHz下输出电压随加速度的变化；（b）在1 g加速度下压电MEMS加速度计的频率响应；（c）压电MEMS加速度计的灵敏度随电容器数量的变化。
综上所述，这项工作为开发具有卓越灵敏度和精度的压电MEMS加速度计提供了一种高潜力的架构，使其非常适合汽车系统、导航和航天技术等高端应用。该研究建立了坚实的理论和仿真验证基础，但受到缺乏实验验证的限制。此外，一个重要的实际挑战是，寄生电容本质上限制了串联电容器结构的最大数量（N），这最终会导致灵敏度增益饱和并降低整体性能。因此，未来的工作将集中在压电MEMS加速度计原型的制备和全面表征上。这将使我们能够在实际应用中验证所预测的N倍灵敏度提升，同时分析和减轻寄生效应。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11122355
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