一种单片集成高性能三轴MEMS加速度计

压阻式MEMS加速度计由于其带宽宽、结构和后处理电路简单，已经广泛应用于智能制造、车辆监控和军事国防领域。灵敏度和固有频率是决定加速度计在各种应用中表现性能的两个关键参数。

然而，在传统的悬臂梁结构或基于多梁结构的MEMS加速度计中，压敏电阻直接布置在支撑梁的应力集中区域，导致了固有频率和灵敏度之间的直接耦合关系，这使其难以同时实现高灵敏度和固有频率。

已有研究提出了刚性支撑梁和相对柔性压阻梁的结构，以削弱固有频率和灵敏度之间的权衡效应。随后的研究表明，纯轴向应力压阻传感梁可以在不降低固有频率的情况下实现高灵敏度。然而，为了实现纯轴向应力，压阻传感梁需要特别定位，这增加了设计难度。

例如，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室、微纳制造与测试技术国际合作联合实验室的一支研究团队此前在经过复杂设计计算后，设计了一种新型压阻式MEMS加速度计，以获得压阻梁处于纯轴向应力状态的特殊位置，然后获得高灵敏度输出。

目前，大多数此类研究都集中在单轴MEMS加速度计上，在使用多个单独安装的单轴MEMS加速度计测量多向振动时，会不可避免地引入安装误差，并增加传感系统的尺寸。越来越多的应用需要多轴加速度监测，因此，研制高性能的三轴MEMS加速度计至关重要。

近几十年，通过广泛的研究已经证实多轴测量能力的优势。研究结果表明，三个敏感轴的测量一致性仍不够理想，其中低灵敏度和固有频率限制了其应用。

据麦姆斯咨询报道，该研究团队近日在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了一篇题为“Monolithically integrated triaxial high-performance micro accelerometers with position-independent pure axial stressed piezoresistive beams”的研究论文，提出了一种高性能三轴MEMS加速度计，得益于位置无关的纯轴向应力压阻传感梁，在所有轴上都获得了高灵敏度和高固有频率。并且，纯轴向应力的实现不需要复杂的理论计算。

单片集成三轴MEMS加速度计结构示意图

单片集成三轴MEMS加速度计每个测量单元的工作原理

在z轴测量单元中提出了一种新的互锁检测质量块结构，以确保全惠斯通电桥以提高灵敏度。然后，基于有限元数值仿真用于计算应力状态和固有频率。最后，研究人员完成了MEMS加速度计的制造，并对其性能进行了测试。

研究结果表明，该MEMS加速度计具有高灵敏度、高固有频率和低交叉灵敏度。这将有力推动压阻式加速度计在高铁轴箱故障诊断和精密加工状态监测等领域的应用。

MEMS加速度计制造工艺流程图，以及MEMS加速度计芯片和封装

实验平台，以及利用实验平台对加速度计的静态和动态性能进行测试

综上，研究人员提出了一种具有位置无关的纯轴向应力压阻梁的新型单片集成三轴MEMS加速度计，具有极高的灵敏度、高固有频率和低交叉灵敏度。通过控制压阻梁两端的同步位移，实现了位置无关的纯轴向应力状态。

这种方案大大简化了MEMS加速度计的设计过程。其中，z轴测量单元创造性地设计为互锁结构，以确保全惠斯通电桥。通过有限元仿真和测试验证了其纯轴向应力状态、高灵敏度和高固有频率。该加速度计x、y和z轴测量单元的灵敏度分别为2.43 mV/g/5 V、2.44 mV/g/5 V和2.41 mV/g/5 V。三个测量单元的固有频率分别为11.4 kHz、11.4 kHz和13.2 kHz。结果表明，这种位置无关的纯轴向应力压阻梁展现了优异的性能。

审核编辑：刘清