高g值石墨烯MEMS加速度计的设计与优化
2026-08-30 16:13:12 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种基于石墨烯压阻元件的MEMS加速度计，旨在实现突发冲击、剧烈振动及极端工况（例如发动机故障诊断和武器冲击测试）下的高精度加速度测量。
微机电系统（MEMS）技术的快速发展为振动传感器的微型化和集成化开辟了新途径。硅基压阻式MEMS加速度计已广泛应用于航空航天惯性导航和结构健康监测等领域，具有体积小、功耗低、易于大规模生产等优势。然而，传统的硅基MEMS加速度计在高温环境下的工作稳定性显著下降，使其难以满足航空发动机高温部件监测的严苛要求。因此，为了追求高性能MEMS加速度计，探索新型材料和架构已成为当务之急。
据麦姆斯咨询报道，近期，我国研究人员开发了一种基于石墨烯压阻元件的MEMS加速度计，旨在实现突发冲击、剧烈振动及极端工况（例如发动机故障诊断和武器冲击测试）下的高精度加速度测量。通过有限元仿真进行了逐级结构优化与仿真分析。最终结构在保持一阶固有频率高于200 kHz的同时实现了最大应变，并且最大等效应力始终处于允许范围内。这一最优综合性能为高性能石墨烯MEMS加速度计提供了关键的技术支持。相关研究成果以“Design and Optimization of High-G Graphene MEMS Acceleration Sensor”为题，发表于Micromachines期刊。
该石墨烯MEMS加速度计的传感机制如下图所示。该结构可以建模为单自由度二阶质量-弹簧-阻尼系统，主要由检测质量块（m）、结构刚度（k）和空气阻尼系数（c）组成。
质量-弹簧-阻尼系统
研究人员设计了一种新型加速度计架构，并利用硅的各向异性材料特性进行仿真。该结构能够测量高g值加速度，同时在高频响应的前提下最大限度地提高灵敏度。这项研究的目标是在平衡结构微型化与应变均匀性的同时，实现石墨烯压阻元件局部应变的全局优化。
下图展示了所提出的四阶段渐进式结构优化路径。结构（1）为基础十字梁，作为设计基准。结构（2）增设中心质量块，以放大惯性力并增加应变输出。结构（3）在梁-质量块连接处引入应力集中槽（SCG），通过局部横截面减小进一步增加梁根部的峰值应变。最后，结构（4）在中心质量块顶部添加对称质量块，以减轻惯性耦合并降低交叉耦合灵敏度。通过这种递进优化，获得了右侧所示的完整传感器芯片结构。
加速度计结构优化过程
研究人员首先以十字梁作为基准结构，以优化其长度、宽度和厚度，从而为后续集成质量块和局部应力调控功能奠定设计基础。综合权衡平衡灵敏度、频率响应和结构可靠性，确定十字梁的最佳尺寸为长度800 μm、宽度160 μm、厚度40 μm，为后续的质量块设计提供了基准。
十字梁结构设计
基于十字梁的最佳尺寸，引入中心质量块以增加惯性力，从而提高加速度计灵敏度。质量块位于十字梁的中心，与四个悬臂梁一体化相连。考虑到厚度对传感器性能的影响最大，质量的长度和宽度固定为500 μm。质量块厚度的参数优化在60-200 μm范围内进行，步长为20 μm。
综合权衡灵敏度提升幅度、固有频率与结构稳定性，最终确定质量块厚度为140 μm，得到优化后的梁‑质量块组合结构，为后续开展局部应力调控奠定基础。
梁‑质量块结构设计
为了进一步提高梁根部的局部应变，在十字梁和质量块之间的连接处两侧引入了SCG。SCG位于梁的固定端，通过减小有效横截面积来放大局部应变。同时，在槽的末端应用了圆角，以减弱二次应力集中，防止疲劳断裂。将槽长固定为80 μm，对槽宽（30-100 μm）、深度（20-60 μm）和圆角半径（5-25μm）三个参数依次进行优化。基于这三个参数的优化，确定了SCG的最优几何参数为：宽度70 μm、深度40 μm、圆角半径15 μm。
带应力集中槽的梁‑质量块结构设计
传统的单质量块十字梁结构在受到横向加速度作用时，由于结构不对称性，会固有地产生显著的交叉耦合输出，这导致单轴加速度计的测量误差增大。为解决这一问题，研究人员提出了一种对称质量架构。这种配置平衡了沿横轴的质量分布，而抑制交叉轴方向的惯性耦合。该对称质量块结构在灵敏度与动态性能之间实现了最佳权衡，同时提升了交叉耦合灵敏度，因此被确定为本研究的最终设计方案。
对称质量块设计
经过逐步优化后，最终的加速度计芯片架构如下图所示。该结构在保证高局部应变输出的同时，兼顾了结构刚度与频率响应，为后续器件制造和实验验证提供了几何基准。
加速度计芯片结构示意图
为了支持石墨烯基压阻传感功能，通过提取预定义石墨烯区域的面积平均应变，进一步评估了石墨烯压阻元件的几何布局。结果表明，石墨烯压阻元件应靠近高应变区域，同时保持合理的制造裕量。所开发的加速度计目标量程可达250,000 g，仿真得到的一阶谐振频率超过200 kHz，以及在目标输入和5 V激励条件下，通过分析估算出的电桥输出为4.53-22.64 mV。在选定的对比范围内，在仿真/分析的基础上，该设计实现了高目标范围和高谐振频率，同时保持了毫伏级的估算电输出。
总而言之，研究人员提出了一种石墨烯MEMS加速度计设计，通过四阶段渐进式结构优化实现高g值测量。仿真结果表明，与初始十字梁结构相比，引入质量块使梁根部峰值应变提升约三倍，而一阶固有频率仅下降7%。随后应力集中槽的集成使梁-质量结构的应变进一步提升约8%，同时固有频率相应下降8%。通过引入对称质量块，与非对称结构相比，交叉耦合灵敏度降低了约5.6%。与初始设计相比，最终结构的峰值应变累计增加了15倍。尽管一阶固有频率从基准值下降了约55.7%，但仍保持在200 kHz以上。这些结果表明，所提出的渐进式优化方案在高灵敏度、交叉耦合干扰抑制与动态响应之间实现了最佳平衡，为航空发动机振动监测中高g值压阻式MEMS加速度计提供了有价值的参考。在本研究中，通过引入表面压阻换能模型，进一步阐明了石墨烯的作用。从石墨烯传感区域提取的面积平均应变被转换为电阻变化和电桥输出电压，实现了传感器级机电性能评估，而非单纯的机械结构分析。需注意的是，本研究仅为基于仿真的设计研究；石墨烯应变系数、方块电阻、接触电阻、制造公差、封装应力以及高g动态校准等需在未来的工作中通过实验验证。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17080899
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