高性能MEMS压电式压力传感器材料选择与结构优化
2026-08-23 10:39:31 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
为推进MEMS压电式压力传感器性能提升，华东理工大学通过COMSOL多物理场仿真平台，系统评估了六种主流压电材料的机电性能，并分析了几何结构参数对传感器输出特性的影响，为下一代高性能自供能MEMS压力传感器的材料选择与结构优化提供了理论依据。
随着物联网（IoT）与”工业4.0”的深度融合，高精度传感器已成为智能制造、医疗健康监测等领域的核心技术支撑。微机电系统（MEMS）凭借体积小、功耗低、集成度高、适配规模化量产等突出优势，成为高性能传感器的主流技术路径之一。在各类MEMS传感器中，压力传感器是热点研究方向之一。与传统的压阻式和电容式压力传感器相比，压电式压力传感器能够利用正压电效应将机械形变直接转换为电荷信号，具有响应速度快、灵敏度高、天然自供能等优势，成为下一代高性能MEMS压力传感器的重要发展路线。
图1 MEMS传感器分类树
据麦姆斯咨询报道，为推进MEMS压电式压力传感器性能提升，华东理工大学的研究人员通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台，构建了圆柱形压电式压力传感器二维（2D）轴对称有限元模型，系统评估了六种主流压电材料的机电性能，并分析了几何结构参数对传感器输出特性的影响，为下一代高性能自供能MEMS压力传感器的材料选择与结构优化提供了理论依据。相关研究成果以“Simulation and Structural Optimization of a MEMS Piezoelectric Pressure Sensor Based on COMSOL Multiphysics”为题发表于第11届智能计算与信号处理国际会议（ICSP 2026）。
在这项工作中，研究人员基于COMSOL Multiphysics 5.6开展建模与仿真，采用经典圆柱形压电管作为传感器基础模型，初始参数设定为内径300 μm、外径500 μm、高度500 μm，通过二维轴对称建模方式表征圆柱几何特征。在正压电效应仿真中，输入压力由5 MPa逐步增加至25 MPa，步长为5 MPa。为确保有限元仿真的可靠性，研究人员进一步验证了网格收敛性，结果显示，随着网格密度提高，压电管表面的von Mises应力逐渐趋于稳定。其中，常规网格尺寸能够在计算效率与计算精度之间取得较好的平衡。在网格类型方面，与自由三角形网格相比，映射网格的结构化单元能够更好地匹配规则的圆柱形几何结构，计算精度更优，为后续材料与几何参数分析奠定了可靠的仿真基础。
图2 圆柱形压电管的二维轴对称几何模型
图3 自由三角形与映射网格划分示意图
在材料选择方面，研究人员系统评估了六种压电材料——右旋石英（Quartz RH）、氧化锌、PZT-4、PZT-7A、铌酸锂和钽酸锂的机电性能。仿真结果表明，在5 ~ 25 MPa的压力范围内，六种材料均呈现优异的压力-电压线性关系。其中，右旋石英展现出最高的灵敏度，在25 MPa压力下输出电压约为503 V，对应灵敏度约为20.12 V/MPa。这主要归因于石英高度稳定的晶体结构和出色的介电特性，使其非常适合用于信号幅度要求较高的高精度仪器。相比之下，钽酸锂的灵敏度最低，在25 MPa压力下的输出电压约为6.22 V，对应灵敏度约为0.25 V/MPa。虽然其直接压力-电压转换能力相对较弱，但钽酸锂固有的热释电和光学特性使其在多模态传感场景中具有独特应用潜力。
表1 不同压电材料在递增输入压力下的输出电压响应（单位：V）
图4 不同压电材料在正压电效应仿真中的压力-电压响应曲线
除了材料选择外，研究人员还分析了压电管几何结构参数对传感器输出性能的影响。结果表明，管壁厚度是决定传感器机械响应与输出性能的核心因素。管壁厚度与应力集中程度呈负相关：管体外径减小会使管壁变薄、结构刚度下降，使传感器在相同载荷下产生更明显的机械形变，并提高应力传递效率，进而增强压电极化和电压输出。仿真数据显示，当管体外径由500 μm减小至300 μm时，表面von Mises应力由3.39 ~ 12.7 MPa增至13.1 ~ 22.1 MPa，峰值应力提高约74%。这一结果说明，薄壁化设计能够显著提高传感器的机电转换效率。相比之下，管体高度在300 ~ 500 μm区间内调整时，对峰值应力的影响极其微弱，应力区间始终维持在5.73 ~ 14.9 MPa。这表明管体高度虽然能通过扩大总极化面积增加电荷累积量，但无法提升单位面积的应力灵敏度。
图5 不同外径的二维压电管几何结构及其应力分布
图6 不同高度的二维压电管几何结构及其应力分布
综上所述，这项研究为高性能MEMS压电式压力传感器的优化设计提供了思路：材料方面可优先考虑具有较高电压响应的右旋石英，结构方面则可通过薄壁化设计提高机电转换效率与应力灵敏度。研究人员表示，未来的工作可在此基础上引入温度补偿机制，并开展传感器阵列化集成研究，以进一步推动高性能MEMS压电式压力传感器在复杂智能化系统中的工程化应用。
论文信息：DOI: 10.1109/ICSP69961.2026.11540720
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