高信噪比事件驱动型MEMS运动传感器
2023-11-22 09:41:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，美国宾汉姆顿大学（Binghamton University）和东北大学（Northeastern University）的研究人员找到了一种新方法来改进智能手机、智能手表以及生物医学等各种设备中使用的微型传感器。

这项研究成果已经发表于Small期刊，该研究展示了一种更好的MEMS设计。MEMS是一种包含运动部件的微型器件，通常以与电子元器件相同的方式制造。MEMS技术已被广泛用于加速度计、陀螺仪、压力和振动传感器等各种日常器件。

宾汉姆顿大学机械工程系的Shahrzad Towfighian教授是这项研究的通讯作者。

过去几年里，Towfighian设计了一种利用摩擦电的尺寸仅1平方毫米的MEMS器件。该器件通过两个微表面之间的摩擦收集能量，并在受到冲击时产生信号。研究人员进一步提高了这些器件的性能，使其具有更好的灵敏度和鲁棒性。

对于目前的研究，Towfighian表示：“我们制作了一款MEMS加速度计，它最初的设计是平面的，侧面有四个蛇形弹簧。你可以把它想象成一个底座和其上一个可以移动的悬浮板，它们中的一个会相对于另一个产生相对运动。顶部的悬浮板也会撞击底座，由于这种接触和分离，摩擦力会转化为表面上的电荷，由此，我们可以使这种MEMS加速度计实现自供电。”

然而，他们利用康奈尔大学纳米工厂（NanoScale Facility）先进微制造技术制造的一批MEMS器件出现了问题。原本设计的微表面制造出来以后不再是平坦的，而是圆顶状的，还有两个弹簧出现了断裂。Towfighian和她的团队差点就把它们扔进了垃圾桶，不过，最后他们还是决定在MEMS和能量采集实验室的振动台上进行测试。

结果表明，圆顶状结构在接触分离后，提供了相比标准设计大一个数量级的位移，进而使输出电压和信噪比高了一个数量级。所提出的对隔膜边缘的约束，在周期性运动期间提供摩擦并产生电荷。翘曲隔膜和边缘约束的组合（而非蛇形弹簧），增加了电荷密度和电压生成。

“我们发现这些器件的弹性恢复力实际上更好了。”她说，“它们可以抵抗高达70g（地球正常重力的70倍）的加速度，且没有任何破损迹象，而且它们给出了更大的输出电压。由于信噪比更高，加速度计更灵敏，检测性能更好了。”

Towfighian为这种改进的MEMS器件设想了应用，比如安全气囊展开装置或其他极端环境。然而，首先，她和她的团队需要开发一种更可控的制造方法，使器件能够以预想的均匀弯曲结构呈现，而不是随机出现。

她说：“我们将基于这种圆顶形状设计所有的后续MEMS器件，这种圆顶形状为我们提供了更大的运动范围和弹性，从而可以制造出更坚固的MEMS器件。”

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