基于气溶胶沉积的压电MEMS加速度计，实现高灵敏度、低噪声检测
2023-03-11 10:03:03 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种基于单轴悬臂梁的压电MEMS加速度计。为了提高灵敏度，在MEMS制造过程中使用气溶胶沉积来形成厚的PZT传感膜。该加速度计在风扇振动测量方面与商用压电加速度计B&K 4381的性能相当，证明了其在实际应用中的适用性。
振动测量在许多应用中都是必要的，例如结构健康监测、机器状态监测、惯性导航、地震预警、患者健康监测等。为了检测这些应用中的振动信号，通常使用低噪声加速度计。压电加速度计因其具有高品质因数，降低了对真空封装的需求。再加上良好的温度耐久性和线性度，压电加速度计是许多工业应用的可靠选择。考虑到这些优点，研究人员认为利用微加工工艺开发压电MEMS加速度计是一个巨大的机会，因为该工艺可以制造出更小尺寸的低噪声加速度计，以满足市场的需求。
据麦姆斯咨询报道，近日，国立台湾大学（National Taiwan University）和香港中文大学（The Chinese University of Hong Kong）联合开发了一种基于气溶胶沉积的单轴压电MEMS加速度计。它采用一种悬臂梁结构，具有端部质量块和锆钛酸铅（PZT）传感层。为了确定该设计是否适用于结构健康监测，通过仿真获得了工作带宽和噪声水平。研究人员首次在制备过程中使用气溶胶沉积法沉积PZT厚膜，以实现高灵敏度。该单轴压电MEMS加速度计的电荷灵敏度、固有频率、工作带宽和噪声等效加速度分别为22.74 pC/g、867.4 Hz、10-200 Hz（±5%偏差范围内）和5.6 μg/√Hz（@ 20 Hz）。
在本项研究中，单轴加速计采用一种悬臂梁结构，有四个功能层：顶部电极、压电传感层、底部电极和检测质量块。与完全夹紧的中心对称结构相比，由于梁刚度较低，悬臂梁在相同尺寸下具有更高的灵敏度。此外，基于不锈钢的底部电极的设计简化了制造过程，避免了另一层电极的沉积。
单轴加速度计的结构设计
为了验证所设计的加速度计的频率范围和噪声水平，研究人员通过COMSOL Multiphysics软件进行仿真。结果表明，使用该加速度计测量小于200 Hz的加速度产生的误差小于5%。200 Hz的高频限制满足工作带宽的设计目标（>100 Hz）。此外，加速度计的电荷灵敏度为36.8 pC/g。
单轴加速度计的建模结构和仿真结果
研究人员测试了单轴加速度计的频率响应、灵敏度和噪声性能。实验结果表明，该加速度计的电荷灵敏度、固有频率、工作带宽和噪声等效加速度分别为22.74 pC/g、867.4 Hz、10-200 Hz（±5%偏差范围内）和5.6 μg/√Hz（@ 20 Hz）。为了证明其在实际应用中的可行性，使用所设计的传感器和商用压电加速度计对风扇的振动进行了测量，两者的结果非常吻合。此外，利用ADXL1001对振动器的振动进行了测量，结果表明该传感器具有较低的噪声水平。
实验结果
总而言之，研究人员开发了一种基于单轴悬臂梁的压电MEMS加速度计。为了提高灵敏度，在MEMS制造过程中使用气溶胶沉积来形成厚的PZT传感膜。该加速度计在风扇振动测量方面与商用压电加速度计B&K 4381的性能相当，证明了其在实际应用中的适用性。此外，与电容式MEMS加速度计ADXL1001相比，该传感器在低噪声应用方面具有巨大潜力。
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41378-023-00484-5
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