中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
西安交通大學(xué)的研究團隊在微機電系統（MEMS）加速度計領(lǐng)域取得突破，研發(fā)出一款具有14 μHz/√Hz超高頻率分辨率和32 μHz超低偏置不穩定性的MEMS石英諧振加速度計，在慣性制導、地震探測、可穿戴設備和智能機器人等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景，特別是在需要檢測極微弱加速度信號的衛星控制和無(wú)人水下航行器等應用中。
傳統的MEMS加速度計，如基于電容的MEMS加速度計，雖然能夠提供較高的分辨率和較寬的全量程，但在輸出噪聲水平上存在限制，尤其是在白噪聲方面。這種白噪聲主要來(lái)源于諧振器的布朗運動(dòng)和電子背景噪聲，而傳統的補償方法難以有效消除這種噪聲，從而限制了加速度計分辨率的進(jìn)一步提升。
為了解決這些問(wèn)題，研究者開(kāi)始探索基于MEMS技術(shù)的諧振加速度計，這類(lèi)加速度計通過(guò)調制輸入加速度信號到載波頻率，并輸出敏感元件的諧振頻率作為測量加速度。與基于幅度輸出的加速度計相比，諧振加速度計可以獲得更低的噪聲水平，并且具備高分辨率、寬全量程、大動(dòng)態(tài)范圍以及良好的環(huán)境適應性，逐漸成為高分辨率MEMS加速度計研究的熱點(diǎn)。
然而，硅材料本身沒(méi)有機電轉換效應，需要額外的結構來(lái)驅動(dòng)和檢測諧振器，這限制了MEMS硅諧振加速度計的性能。因此，研究者尋求一種既方便驅動(dòng)又方便檢測的材料來(lái)制造理想的MEMS諧振器。單晶石英因其天然的壓電效應而成為首選材料，它可以在表面放置電極并施加交流電壓來(lái)驅動(dòng)特定的模式，實(shí)現機電能量的高效轉換，無(wú)需額外結構。
西安交通大學(xué)的研究團隊首次使用高性能前端電路從壓電石英諧振器中提取運動(dòng)電荷，這一拓撲結構消除了傳統前端在增益、帶寬和噪聲之間的權衡問(wèn)題。
新提出的帶通前端在振蕩頻率下提供了14.5 M的增益和0.04°的相位漂移，同時(shí)實(shí)現了低至30.5 fA/√Hz的輸入參考電流噪聲，這有助于提高加速度計的偏置穩定性和分辨率。為了調節環(huán)路帶寬和補償額外的相位漂移，研究人員設計了抗混疊相位移位器。此外，為了減少非線(xiàn)性效應引入的閃爍噪聲，使用了幅度限制器來(lái)設定諧振器的工作點(diǎn)。
加速度計的敏感元件設計為一個(gè)通過(guò)力放大杠桿連接到諧振器的證明質(zhì)量，當檢測到加速度信號時(shí)，證明質(zhì)量在慣性力的作用下對諧振器施加軸向力，通過(guò)杠桿結構放大，從而增加加速度計的量程因子。敏感元件采用差分諧振器結構，以抑制共模誤差干擾。石英諧振器采用雙端調諧叉（QDETF）結構，通過(guò)在石英晶體表面施加交流電壓，利用其天然的壓電效應驅動(dòng)到特定模式，實(shí)現電能到機械能的高效轉換，無(wú)需額外結構。
研究中還詳細分析了石英諧振加速度計的相位噪聲調制機制，并展示了前端性能是決定加速度計穩定性和分辨率的關(guān)鍵因素。提出的新型低噪聲帶通前端消除了傳統前端在增益、帶寬和噪聲之間的權衡，測試結果表明，這種拓撲結構在振蕩頻率下提供了14.1 M的增益和0.04°的相位漂移，并且輸入參考電流噪聲低至30.5 fA/√Hz。
得益于優(yōu)異的前端性能、精心設計的相位補償和諧振器工作點(diǎn)，該MEMS石英諧振加速度計實(shí)現了14 μHz/√Hz的頻率分辨率和32 μHz的頻率不穩定性，對應于0.26 μg/√Hz的分辨率和0.59 μg的加速度偏置不穩定性，具有54.5 Hz/g的量程因子、552 Hz的帶寬和±70 g的全量程，展現了先進(jìn)的性能。
這項研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費的支持。研究成果發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering上。
