基于MEMS和MOEMS的微加速度计的研究及应用设计方案

微加速度计是一类极为重要的微惯性传感器，广泛应用于振动检测、惯性测量、惯性导航等多个技术行业。随着微纳加工技术的日趋成熟，微加速度计技术得到快速发展，近年来基于微机电系统（MEMS）和微光机电系统（MOEMS）的微加速度计技术研究及产品化已成为重点发展方向。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自电子科技大学的黄勇军副教授（通讯作者）、文光俊教授研究团队在《仪表技术与传感器》期刊发表了题为“新型微加速度计研究进展”的综述文章。对近年来基于MEMS和MOEMS的微加速度计最新研究进展进行了综述，对各种类型微加速度计的性能进行了综合对比分析，讨论出适用于高精度惯性测量及惯性导航等应用方向的微加速度计设计方案，并对微加速度计未来发展方向进行了展望。

常见的微加速度计按敏感原理可分为压阻式、压电式、电容式、隧道式、热敏式、谐振式、光学式等多种经典类型。各类微加速度计在探测灵敏度、精度、测量范围、稳定性等性能指标上，以及在加工成本、器件质量和体积、环境适应性等方面有着各自的优缺点，且相互制约。具体而言，压阻式微加速度计结构简单，制作相对简易，但其对温度敏感，且灵敏度较低、蠕变和迟滞效应较大。压电式微加速度计工作频带宽、功耗低、抗摔性好、温度稳定性高，但低频噪声性能差。电容式微加速度计结构简单、漂移率低、温度敏感性低，但抗电磁干扰性差。隧道式微加速度计灵敏度高，但温度依赖性高，制造工艺复杂、工作电压高。热敏式微加速度计不需要大体积的运动质量块，但灵敏度较低、工作带宽较窄。谐振式微加速度计测量谐振频率信号的准确度和精度高，但只能应用于随时间缓慢变化的加速度量值测量。

压阻式微加速度计工作原理图及常见设计结构

压电式微加速度计工作原理图及常见设计结构

电容式微加速度计工作原理图及常见设计结构

隧道式微加速度计工作原理图及常见设计结构

热敏式微加速度计工作原理图及常见设计结构

谐振式微加速度计工作原理图及常见设计结构

传统的MEMS微加速度计受限于其本身存在的各种机械振子噪声和电学类噪声特性，难以获得进一步的性能突破。同时，高精度MEMS微加速度计的制造工艺复杂、昂贵、耗时、不灵活、不容易定制或修改等缺点也限制了其未来发展。

近年来，随着MOEMS技术的出现和快速发展，光学微加速度计方向取得许多显著成就。MOEMS微加速度计结合光学测量和微机电系统的优点，可实现高精度、高灵敏度、小体积和抗电磁干扰的加速度测量。此外，作为近年来被提出的一种新型微光机电系统——腔光力（cavity optomechanics）系统微加速度计，基于其灵敏度高、精度高、稳定度高以及动态范围大等优点，在高精度惯性测量及惯性导航系统中有巨大应用潜力。不过，腔光力系统也仍存在散粒噪声、量子反作用噪声等噪声源，会影响最终加速度探测精度等性能指标。

光学微加速度计工作原理图及常见设计结构

基于腔光力系统的高精度微加速度计

为实现性能更好的高精度微加速度计，还需要继续探索基于新型架构的微加速度计技术方案，从加速度探测新机理、噪声抑制新途径入手，在结构设计、性能仿真、系统搭建、制备工艺及性能测试等方面展开系统深入的研究和创新。解决好新型高性能微加速度计的关键技术难题，才能有效地推动微加速度计技术发展。

随着量子精密测量的快速突破和发展，基于光学激励方式的微加速度计能有效利用量子压缩光源实现高精度加速度测量。基于此，研究人员提出一项新的设计构想，采用量子压缩光源替代传统激光源来激励光学及腔光力系统微加速度计，从而进一步降低该类加速度计系统噪声以提高其性能。该设计方案能够满足超高精度微加速度计的尖端应用及技术发展需求，有望成为未来重点研究和发展的方向。

审核编辑：郭婷