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
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原文標(biāo)題:基于氣溶膠沉積的壓電MEMS加速度計,實現(xiàn)高靈敏度、低噪聲檢測
文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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