华中科大研发芯片级MEMS地震仪，助力分布式行星地震观测
2026-10-11 17:46:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出的MEMS地震仪在微型化基础上实现了兼顾均衡与高性能的突破。通过创新设计波纹间隙电容式检测梳齿，显著拓宽了线性范围，解决了传统架构中灵敏度与线性度难以兼顾的矛盾。
精确测量地震活动是研究行星地震学的基础。然而，现有的行星MEMS地震仪在紧凑的芯片尺寸、低本底噪声和宽测量范围之间的平衡方面仍面临关键瓶颈。据麦姆斯咨询报道，近期，华中科技大学刘骅锋教授团队提出了一种微型化MEMS地震仪，其芯片尺寸仅为5.2 mm × 6.5 mm。该器件采用波纹间隙（corrugated-gap）电容式检测梳齿，在保持较高位移灵敏度的同时，显著降低了传感非线性，从而有效拓展了线性测量范围，并提高了吸合（pull-in）加速度阈值。此外，利用静电负刚度机制降低系统的有效谐振频率，旨在进一步抑制MEMS地震仪的本底噪声。
实验结果验证了MEMS地震仪的综合性能：其本底噪声达到5.5 ng/√Hz，已非常接近机械热噪声极限；测量范围为±34 mg；带宽达到70 Hz。在连续运行条件下，该MEMS地震仪成功捕捉到了3682 km外的7.0级地震和1240 km外的5.5级地震的自然地震信号；与商用参考地震仪进行对比时，其波形相关系数达到99.1%。总体而言，该研究工作为分布式地震观测网和行星地震观测提供了一款全新的芯片级MEMS地震仪。上述研究成果以“A chip-level MEMS short-period seismometer for distributed planetary seismic networks”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
MEMS地震仪设计与工作原理
所设计的MEMS地震仪的机械结构（如图1a所示）由传感器外框架、四条悬臂梁组成的弹簧系统、固定电极、惯性质量块以及附加质量块构成。固定电极与惯性质量块上的动电极交错插合，形成六组电容式梳齿电极，从而构成差分电容Cₛ₁和Cₛ₂。附加质量块通过二氧化硅层与惯性质量块相连，可在不扩大占位面积的前提下增加有效质量。该MEMS地震仪首先通过其敏感元件将输入的加速度转换为位移；随后，通过差分电容梳齿电极将其转换为电容信号；最后，借助后续的检测与读出电路，最终转换为电压信号。从本质上讲，该MEMS地震仪的敏感元件可以建模为一个等效的“质量-弹簧-阻尼”系统。
图1 MEMS地震仪芯片设计
为了验证通过理论计算获得的设计参数，并确定振动模态频率与灵敏度，研究人员利用 COMSOL Multiphysics软件进行了有限元（FEM）分析。如图1b所示，工作模态为平面内（in-plane）平移模态，机械谐振频率为156 Hz。此外，还研究了包括扭转振动和平面外（out-of-plane）振动在内的高阶模态，结果表明该敏感元件具有较高的模态抑制比。
传统平行检测间隙的灵敏度与间隙距离的平方成反比。虽然减小间隙距离可以获得超高灵敏度，但这会急剧恶化线性度，严重影响线性测量范围，并引发明显的吸合效应。本研究采用了如图1c所示的波纹间隙梳齿结构。通过改变沿敏感轴方向的电场分布，在保持灵敏度不变的前提下降低了传感非线性系数。单个波纹单元的模型如图1d所示。
考虑到梳齿宽度，波纹宽度被设定为10 μm。同时，对4 μm、6 μm、8 μm、10 μm及12 μm的波纹高度进行了评估，分别对应22°、31°、38°、45°和50°的角度（其中90°对应于传统的平行板电极）。在本研究中，利用COMSOL Multiphysics软件对梳齿结构进行了机电仿真。位移扫描（最大达1.6 µm）结果证实，在不同的取值下，灵敏度基本上保持一致（图1e）。
接着，研究人员探讨了吸合效应与静电负刚度之间的关系（图2），波纹角度是调控静电非线性与稳定性的关键参数。较小的角度能够拓宽线性范围并提高吸合阈值，而过大的角度则存在过早吸合的风险。最后，利用静电负刚度，只需简单调节载波电压即可优化传感器性能，这提供了一种可调的优化途径。
图2 吸合效应与静电负刚度的理论分析
MEMS地震仪芯片制备
该MEMS地震仪采用标准的绝缘体上硅（SOI）晶圆，通过一种高效的四掩模工艺进行制备。具体工艺流程如图3所示。
图3 MEMS地震仪芯片的制备工艺流程
MEMS地震仪性能测试
完成制备的MEMS地震仪芯片封装在陶瓷管壳中，如图4a所示。随后，封装后的芯片被集成到定制的印制电路板（PCB）上，并在真空腔室内进行测试。本研究中使用的测试仪器如图4b所示。电源（KEYSIGHT E3631A）为PCB供电，交流载波电压由波形发生器（KEYSIGHT 33600A）提供。器件的输出信号采用数据采集系统（NI PXIe-4464）进行记录。一台商用参考地震仪（Streckeisen STS-2.5）平行于本研究提出的MEMS地震仪的敏感轴放置。所提出的MEMS地震仪的性能测试均在真空条件下进行。
图4 完成制备的MEMS地震仪与实验设置
研究人员首先对器件进了标定，然后对其幅频响应进行了表征。将实验数据进行拟合，得到R² = 0.9962，据此确定器件的+3 dB带宽为70 Hz，−3 dB带宽为180 Hz。随后，研究人员对器件的自噪声进行了评估。将MEMS地震仪与商用参考地震仪相邻放置，并在相同时间段内同步开始测量。两台地震仪均能够成功捕获这些微振动信号，如图5b所示。评估得到器件在1 Hz处的本底噪声为5.5 ng/√Hz，接近机械热噪声极限。相应地，该器件在1 Hz处实现了136 dB的动态范围。
图5 综合性能评估与地震观测
最后，通过48小时连续运行测试验证了该MEMS地震仪的实际地震检测性能。在测试期间，该MEMS地震仪记录到了两次天然地震事件。第一次为发生在加里曼丹岛附近（116.2°E，6.95°S）的M7.0级地震，震中距为3682 km；第二次为发生在中国台湾宜兰县（121.81°E，24.7°N）的M5.5级地震，震中距为1240 km。实验获得的波形数据与商用参考地震仪的测量结果高度一致。两台地震仪均对P波、S波和面波表现出清晰且可辨识的响应。最终，两者波形的相关系数达到99.1%，表明该微型化MEMS地震仪具有较高的可靠性和实际应用有效性。
结论
综上所述，这项研究提出的MEMS地震仪在微型化基础上实现了兼顾均衡与高性能的突破。通过创新设计波纹间隙电容式检测梳齿，显著拓宽了线性范围，解决了传统架构中灵敏度与线性度难以兼顾的矛盾。此外，利用静电负刚度机制，通过调节载波电压对有效谐振频率进行调控，使器件的本底噪声降低至机械热噪声极限。
该MEMS地震仪具有制造成本低、尺寸紧凑以及适合规模化生产等特点，展现出在更广泛应用场景中的应用潜力，并具有较高的灵活性和易集成性。这类MEMS器件未来有望用于分布式行星地震观测网，用于地外资源勘探、地外栖息地安全评估以及基础设施健康监测等。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01440-9
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