中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
微機電系統（MEMS）力傳感器因其能夠在微尺度上精確測量力而受到廣泛關(guān)注。這類(lèi)傳感器具有廣泛的應用領(lǐng)域，包括材料科學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)以及質(zhì)量傳感。隨著(zhù)科學(xué)實(shí)驗中對精確力測量的需求不斷增加，高精度力傳感器已成為提高研究能力和推動(dòng)創(chuàng )新的重要工具。此外，MEMS傳感器集成到復雜實(shí)驗裝置中的潛力以及與微尺度環(huán)境的兼容性使其成為探索自然過(guò)程和控制工程系統不可或缺的組件。
近期，西安交通大學(xué)韋學(xué)勇教授課題組報道了一種高精度諧振式MEMS力傳感器，并建立了一套配備視覺(jué)檢測系統的微操作系統，用于校準和材料力學(xué)性能測試。由于所設計的力傳感器具有超高分辨率，因此通過(guò)使用由校準位移補償的靜電力作為參考，開(kāi)發(fā)了一種精確的校準技術(shù)。通過(guò)校準過(guò)程，在亞納牛頓水平上的相對誤差減小到0.1%，這在分析和實(shí)驗上都得到了充分的研究。校準結果表明，所提出的力傳感器具有20.13 pN的分辨率和4.9 pN/√Hz@1Hz的低噪聲水平。該力傳感器的測量動(dòng)態(tài)范圍可達120 dB。通過(guò)測量原子力顯微鏡（AFM）探針的剛度，證明了該力傳感器在評估微納米材料力學(xué)性能方面的潛在應用，有助于納米材料科學(xué)的探索。相關(guān)研究成果以“Design and characterization of a piconewton MEMS force sensor”為題發(fā)表在Measurement期刊上。
該MEMS力傳感器的工作原理是測量由施加的力引起的機械諧振器諧振頻率的變化。該力傳感器由兩個(gè)靈敏的雙端固支音叉（DETF）組成。當外力Fin施加到傳感器上時(shí)，通過(guò)兩級杠桿作用將其放大，這會(huì )導致諧振結構中軸向力的變化，從而改變其固有頻率。通過(guò)將樣品制備成預期形狀，如下圖所示，即可進(jìn)行材料的彎曲和扭轉剛度測試。
研究人員提出了一種基于有限元模型（FEM）與粒子群優(yōu)化算法（PSO）相結合的MEMS傳感器通用優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法能夠在有限芯片尺寸下，高效獲取傳感器的最優(yōu)設計參數。與初始參數相比，利用優(yōu)化方法實(shí)現了5倍的靈敏度提高。
（a）MEMS力傳感器的有限元模型；（b）靈敏度優(yōu)化過(guò)程；（c）dv1、dv2和靈敏度隨迭代次數的變化。
所設計的MEMS力傳感器采用“玻璃上硅（Silicon-on-Glass）”工藝制作，如下圖所示。
由于所設計的MEMS力傳感器具有超高分辨率，因此通過(guò)使用由校準位移補償的靜電力作為參考，開(kāi)發(fā)了一種精確的校準技術(shù)。靜電力校準配置可以集成到傳感器芯片中，有效地降低了力傳感器校準的復雜性。通過(guò)實(shí)驗和理論分析，研究了靜電力校準產(chǎn)生的誤差。通過(guò)校準力傳感器的位移靈敏度，其靜電力校準產(chǎn)生的相對誤差可以降低到0.1%以下，比補償前低了兩到三個(gè)數量級。
（a）基于校準獲得的靈敏度，在不同直流電壓下測量的靜電力；（b）位移靈敏度補償前后的相對誤差。
所設計的MEMS力傳感器能夠測量20.14 μN的力，具有20.13 ± 0.89 pN的超高分辨率。該傳感器為微納米材料測試和生物力學(xué)力分析等應用提供了有效的解決方案，展示了其在推進(jìn)這些領(lǐng)域的研究和應用方面的潛力。
（a）靜電力測量的實(shí)驗分辨率；（b）傳感范圍校準。
總而言之，研究人員設計了一種具有皮牛頓分辨率的高精度MEMS力傳感器。雖然該研究取得了一定的進(jìn)展，但該力傳感器主要用于微納米材料的力學(xué)特性測試。因此，目前測量的力主要是準靜態(tài)信號?？梢蚤_(kāi)發(fā)專(zhuān)用電路，以提高力傳感器的動(dòng)態(tài)測量能力，并拓展應用場(chǎng)景。此外，在高激勵下，DETF的動(dòng)態(tài)響應表現出硬化杜芬（Duffing）效應。采用非線(xiàn)性抑制技術(shù)可以進(jìn)一步提高傳感器的分辨率。利用片上位移執行器可以進(jìn)一步集成力傳感器的校準功能。例如，特定結構通過(guò)電熱膨脹來(lái)實(shí)現位移饋送。另外，可以進(jìn)一步研究力傳感器的長(cháng)期使用自校準技術(shù)，以提高可用性。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.measurement.2025.117482
