中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
振動(dòng)測量在許多應用中都是必要的，例如結構健康監測、機器狀態(tài)監測、慣性導航、地震預警、患者健康監測等。為了檢測這些應用中的振動(dòng)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，降低了對真空封裝的需求。再加上良好的溫度耐久性和線(xiàn)性度，壓電加速度計是許多工業(yè)應用的可靠選擇?？紤]到這些優(yōu)點(diǎn)，研究人員認為利用微加工工藝開(kāi)發(fā)壓電MEMS加速度計是一個(gè)巨大的機會(huì )，因為該工藝可以制造出更小尺寸的低噪聲加速度計，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。
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(kāi)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構，具有端部質(zhì)量塊和鋯鈦酸鉛（PZT）傳感層。為了確定該設計是否適用于結構健康監測，通過(guò)仿真獲得了工作帶寬和噪聲水平。研究人員首次在制備過(guò)程中使用氣溶膠沉積法沉積PZT厚膜，以實(shí)現高靈敏度。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）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構，有四個(gè)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(chēng)結構相比，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計簡(jiǎn)化了制造過(guò)程，避免了另一層電極的沉積。
單軸加速度計的結構設計
為了驗證所設計的加速度計的頻率范圍和噪聲水平，研究人員通過(guò)COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行仿真。結果表明，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(mǎn)足工作帶寬的設計目標（>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構和仿真結果
研究人員測試了單軸加速度計的頻率響應、靈敏度和噪聲性能。實(shí)驗結果表明，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）和5.6 μg/√Hz（@ 20 Hz）。為了證明其在實(shí)際應用中的可行性，使用所設計的傳感器和商用壓電加速度計對風(fēng)扇的振動(dòng)進(jìn)行了測量，兩者的結果非常吻合。此外，利用ADXL1001對振動(dòng)器的振動(dòng)進(jìn)行了測量，結果表明該傳感器具有較低的噪聲水平。
實(shí)驗結果
總而言之，研究人員開(kāi)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(guò)程中使用氣溶膠沉積來(lái)形成厚的PZT傳感膜。該加速度計在風(fēng)扇振動(dòng)測量方面與商用壓電加速度計B&K 4381的性能相當，證明了其在實(shí)際應用中的適用性。此外，與電容式MEMS加速度計ADXL1001相比，該傳感器在低噪聲應用方面具有巨大潛力。
