開發(fā)一種基于氣溶膠沉積的單軸壓電MEMS加速度計

振動測量在許多應(yīng)用中都是必要的，例如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、機器狀態(tài)監(jiān)測、慣性導(dǎo)航、地震預(yù)警、患者健康監(jiān)測等。為了檢測這些應(yīng)用中的振動信號，通常使用低噪聲加速度計。壓電加速度計因其具有高品質(zhì)因數(shù)，降低了對真空封裝的需求。再加上良好的溫度耐久性和線性度，壓電加速度計是許多工業(yè)應(yīng)用的可靠選擇?？紤]到這些優(yōu)點，研究人員認為利用微加工工藝開發(fā)壓電MEMS加速度計是一個巨大的機會，因為該工藝可以制造出更小尺寸的低噪聲加速度計，以滿足市場的需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，國立臺灣大學(xué)（National Taiwan University）和香港中文大學(xué)（The Chinese University of Hong Kong）聯(lián)合開發(fā)了一種基于氣溶膠沉積的單軸壓電MEMS加速度計。它采用一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，具有端部質(zhì)量塊和鋯鈦酸鉛（PZT）傳感層。為了確定該設(shè)計是否適用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，通過仿真獲得了工作帶寬和噪聲水平。研究人員首次在制備過程中使用氣溶膠沉積法沉積PZT厚膜，以實現(xiàn)高靈敏度。該單軸壓電MEMS加速度計的電荷靈敏度、固有頻率、工作帶寬和噪聲等效加速度分別為22.74 pC/g、867.4 Hz、10-200 Hz（±5%偏差范圍內(nèi)）和5.6 μg/√Hz（@ 20 Hz）。

在本項研究中，單軸加速計采用一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，有四個功能層：頂部電極、壓電傳感層、底部電極和檢測質(zhì)量塊。與完全夾緊的中心對稱結(jié)構(gòu)相比，由于梁剛度較低，懸臂梁在相同尺寸下具有更高的靈敏度。此外，基于不銹鋼的底部電極的設(shè)計簡化了制造過程，避免了另一層電極的沉積。

單軸加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了驗證所設(shè)計的加速度計的頻率范圍和噪聲水平，研究人員通過COMSOL Multiphysics軟件進行仿真。結(jié)果表明，使用該加速度計測量小于200 Hz的加速度產(chǎn)生的誤差小于5%。200 Hz的高頻限制滿足工作帶寬的設(shè)計目標(biāo)（>100 Hz）。此外，加速度計的電荷靈敏度為36.8 pC/g。

單軸加速度計的建模結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

研究人員測試了單軸加速度計的頻率響應(yīng)、靈敏度和噪聲性能。實驗結(jié)果表明，該加速度計的電荷靈敏度、固有頻率、工作帶寬和噪聲等效加速度分別為22.74 pC/g、867.4 Hz、10-200 Hz（±5%偏差范圍內(nèi)）和5.6 μg/√Hz（@ 20 Hz）。為了證明其在實際應(yīng)用中的可行性，使用所設(shè)計的傳感器和商用壓電加速度計對風(fēng)扇的振動進行了測量，兩者的結(jié)果非常吻合。此外，利用ADXL1001對振動器的振動進行了測量，結(jié)果表明該傳感器具有較低的噪聲水平。

實驗結(jié)果

總而言之，研究人員開發(fā)了一種基于單軸懸臂梁的壓電MEMS加速度計。為了提高靈敏度，在MEMS制造過程中使用氣溶膠沉積來形成厚的PZT傳感膜。該加速度計在風(fēng)扇振動測量方面與商用壓電加速度計B&K 4381的性能相當(dāng)，證明了其在實際應(yīng)用中的適用性。此外，與電容式MEMS加速度計ADXL1001相比，該傳感器在低噪聲應(yīng)用方面具有巨大潛力。

審核編輯：劉清