中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中國科學(xué)院上海微系統所
傳感器技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗室
MEMS工藝與先進(jìn)傳感器課題組
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)：上海微系統所）傳感器技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗室在耐高溫MEMS壓電振動(dòng)傳感器方面取得重要進(jìn)展，研發(fā)的振動(dòng)傳感器具有大量程、寬頻帶、高線(xiàn)性度，并通過(guò)熱應力隔離設計將傳感器溫漂減小16倍，靈敏度溫度系數低至0.015%/℃，從而無(wú)需額外的補償電路校準即可實(shí)現200℃極端環(huán)境下的穩定振動(dòng)監測。相關(guān)成果以“Calibration-free Low-Drift MEMS Piezoelectric Accelerometer for High-Temperature Vibration Monitoring”為題發(fā)表于測量領(lǐng)域知名SCI期刊《Measurement》，論文的第一作者為博士研究生張程，通信作者為汪洋副研究員和武震宇研究員。
研究背景
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測控技術(shù)對現代信息社會(huì )的影響越來(lái)越大?？煽亢头€定地感知振動(dòng)、沖擊等物理和機械參數，是智能控制系統和自動(dòng)化工業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)。MEMS壓電振動(dòng)傳感器具有工作頻帶寬、響應速度快、量程大、批量一致性高等優(yōu)勢，但是，在工業(yè)、深地、航天等環(huán)境中，常常需要傳感器工作于高溫極端條件下并保持性能穩定。針對這一問(wèn)題，上海微系統所研究團隊聚焦熱穩定傳感材料和熱應力隔離設計，研發(fā)適用于高溫振動(dòng)監測的低溫漂MEMS壓電振動(dòng)傳感器。
研究亮點(diǎn)
本工作通過(guò)MEMS壓電工藝制備了AlScN測試結構（圖1）?；谠摻Y構，表征了壓電薄膜室溫至600℃的晶格取向與結晶質(zhì)量，以及壓電系數和機電耦合系數的溫度特性，如圖2所示。從室溫至600℃， (002)方向的壓電晶向十分穩定，半峰寬的變化小于0.03°，沒(méi)有發(fā)生任何相變，壓電材料由常溫至200℃壓電系數d33約為8.5±0.5pC/N，說(shuō)明其壓電效應具有良好的溫度穩定性。同時(shí)在空氣環(huán)境中對200℃時(shí)的機電耦合系數進(jìn)行300小時(shí)長(cháng)期穩定性的測試，進(jìn)一步證明了其良好的溫度穩定性。
圖1 AlScN壓電材料測試結構
圖2 AlScN壓電材料高溫特性：（a）原位變溫XRD；（b）原位變溫搖擺曲線(xiàn)；（c）半峰寬隨溫度的變化；（d）壓電系數d33隨溫度的變化；（e）機電耦合系數長(cháng)期熱穩定性。
設計了MEMS壓電振動(dòng)傳感器，結構如圖3所示。當外部振動(dòng)激勵施加到質(zhì)量塊上時(shí)，懸臂梁發(fā)生受迫拉伸與收縮，壓電層內部產(chǎn)生應變，引發(fā)極化反應，從而在壓電層的上下表面感應出正負電荷，將機械能轉化為電能，從而實(shí)現振動(dòng)傳感。
圖3 MEMS壓電振動(dòng)傳感器：（a）頂視圖；（b）底視圖；（c）截面圖；（d）傳感原理；（e）實(shí)物圖。
在性能表征方面，圖4(a)顯示了振動(dòng)傳感器在3 Hz至20 kHz頻率范圍內1 g的外部加速度下的頻率響應?？梢杂^(guān)察到，振動(dòng)傳感器在高達約 8000 Hz 頻率范圍內表現出相對平坦的響應。圖4(b)顯示了振動(dòng)傳感器的量程和線(xiàn)性度，其在500g大量程下仍具有非常良好的線(xiàn)性度，非線(xiàn)性誤差僅為0.14%。根據擬合曲線(xiàn)的斜率表明該傳感器的靈敏度約為0.59pC/g。圖4(c) 顯示了振動(dòng)傳感器在垂直于靈敏軸的360°平面內，最大橫向靈敏度僅為1.08%，特別適用于惡劣環(huán)境下的振動(dòng)監測。
圖4 MEMS壓電振動(dòng)傳感器性能測試：（a）頻率響應；（b）線(xiàn)性度及量程；（c）橫向靈敏度。
通常情況下，MEMS傳感器在寬溫域環(huán)境下會(huì )受到封裝熱應力的影響，導致器件剛度隨溫度而變化，從而使器件性能發(fā)生溫漂。為解決這一問(wèn)題，本研究團隊設計加工了應力隔離結構(圖5)，從而減小傳感器溫漂。
圖5 （a）應力隔離結構三維模型；（b）優(yōu)化前后截面示意圖；（c）帶有應力隔離結構的MEMS振動(dòng)傳感器實(shí)物圖。
通過(guò)高溫振動(dòng)測試系統對傳感器的溫漂進(jìn)行了表征(圖6)。由于粘接劑固化溫度為200℃，所以在200℃附近為零熱應力，有無(wú)隔離結構的傳感器在200℃附近性能相近。應力隔離后，傳感器的諧振頻率溫漂由25%降低至1%，靈敏度溫漂由-40.4%降低至2.6%，減小了約16倍。有應力隔離的傳感器靈敏度溫漂系數僅為0.015%/℃。將有無(wú)隔離結構的傳感器放入加熱爐中，并承受恒定的 1 g 振動(dòng)載荷，在室溫和200℃下測得的時(shí)域信號如圖6(c)(d)所示。結果顯示，添加應力隔離結構的傳感器在很寬的溫度范圍內保持穩定的性能，無(wú)需額外校準電路即可實(shí)現穩定的振動(dòng)監測。
圖6 MEMS壓電振動(dòng)傳感器：（a）諧振頻率；（b）靈敏度隨溫度的漂移；（c）（d）有無(wú)隔離結構的MEMS振動(dòng)傳感器在室溫及200℃測得的時(shí)域振動(dòng)信號。
總結與展望
本工作使用熱穩定的壓電材料，并通過(guò)應力隔離結構，設計制造了寬頻帶、大量程、低溫漂MEMS壓電振動(dòng)傳感器，在工業(yè)極端環(huán)境振動(dòng)監測領(lǐng)域具有重要的應用前景。未來(lái)，研究團隊將進(jìn)一步完善傳感器的封裝制備工藝。除此之外，還將在傳感器中集成信號調理電路，形成IEPE通用接口，提高在極端環(huán)境下信號遠距離傳輸的魯棒性。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.measurement.2025.118694
