Z軸MEMS加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)-阻尼協(xié)同優(yōu)化：采用微米級(jí)氣體阻尼技術(shù)及優(yōu)化的低壓封裝設(shè)計(jì)
《Sensors and Actuators A: Physical》：Structure–Damping Co-Optimization of a Z-Axis MEMS Accelerometer With μP-Scaling Gas Damping and Optimized Low-Pressure Packaging
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時(shí)間：2026年02月23日
來(lái)源：Sensors and Actuators A: Physical 4.1
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Z軸MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)-阻尼協(xié)同優(yōu)化研究，提出 seesaw-type 傳感器結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)橫向靈敏度，結(jié)合擴(kuò)展擠壓膜阻尼模型考慮包裝壓力、氣體成分及溫度的影響，通過(guò)COMSOL多物理場(chǎng)仿真優(yōu)化孔徑比、孔分布等參數(shù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在50 Pa氮?dú)猸h(huán)境下實(shí)現(xiàn)高靈敏度（驗(yàn)證數(shù)據(jù)未給出）和環(huán)境穩(wěn)定性，為工業(yè)級(jí)慣性傳感器開(kāi)發(fā)提供理論支撐。
郭宇森|陳東華|霍鵬宇|唐正雷|黃思思|李啟亮
北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院，北京，100871，中國(guó)
摘要
本研究提出了一種針對(duì)Z軸MEMS加速度計(jì)的全面結(jié)構(gòu)-阻尼協(xié)同優(yōu)化方法，該方法明確考慮了擠壓膜氣體阻尼和環(huán)境條件的耦合影響。為了提高垂直于平面的靈敏度，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性和工藝兼容性，設(shè)計(jì)了一種蹺蹺板型傳感結(jié)構(gòu)。開(kāi)發(fā)了一個(gè)擴(kuò)展的擠壓膜阻尼框架，通過(guò)稀薄氣體修正來(lái)考慮封裝壓力、氣體成分和溫度對(duì)采樣力的影響。進(jìn)一步利用基于COMSOL的多物理場(chǎng)模型優(yōu)化了關(guān)鍵幾何參數(shù)，如穿孔率、孔分布和軸偏移，這些參數(shù)決定了阻尼的幅度和空間分布。確定了在實(shí)際封裝壓力范圍內(nèi)，氣體阻尼對(duì)器件靈敏度、帶寬和噪聲的影響最小，為經(jīng)濟(jì)高效的真空封裝提供了定量指導(dǎo)。使用優(yōu)化后的參數(shù)制造的原型器件在大氣、低壓和溫度變化的環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高度一致，驗(yàn)證了所提出的結(jié)構(gòu)-阻尼協(xié)同設(shè)計(jì)方法的有效性以及50帕斯卡氮?dú)夥庋b的效果。這項(xiàng)工作展示了開(kāi)發(fā)高靈敏度、環(huán)境魯棒性Z軸MEMS加速度計(jì)的可行且可擴(kuò)展的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了理論建模與工程實(shí)現(xiàn)的結(jié)合。
章節(jié)摘錄
引言
隨著下一代導(dǎo)航、定位、健康監(jiān)測(cè)和智能終端系統(tǒng)對(duì)更高慣性測(cè)量精度和環(huán)境適應(yīng)性的需求不斷增加，MEMS加速度計(jì)（微型慣性傳感器的關(guān)鍵組件）因體積小、功耗低和集成度高而在航空航天、汽車(chē)電子、可穿戴設(shè)備和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]、[2]。在這些實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，
轉(zhuǎn)換機(jī)制
Z軸MEMS加速度計(jì)的工作原理基于微機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)外部加速度的電容響應(yīng)[15]、[16]，如圖1所示。Z軸加速度計(jì)通過(guò)質(zhì)量塊與懸吊微梁之間的相互作用來(lái)檢測(cè)加速度[17]。傳感元件可以建模為一個(gè)由質(zhì)量塊、懸臂梁和偏心旋轉(zhuǎn)軸組成的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。當(dāng)施加外部加速度
傳感結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)計(jì)
傳感結(jié)構(gòu)的幾何配置對(duì)Z軸MEMS加速度計(jì)的性能至關(guān)重要。通過(guò)系統(tǒng)地調(diào)整關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)（如穿孔數(shù)量、孔徑和中心扭轉(zhuǎn)軸的位置），可以在機(jī)械魯棒性和功能響應(yīng)性之間達(dá)到最佳平衡。
如表1所示，我們?cè)O(shè)計(jì)了27種代表性的穿孔傳感層幾何形狀
傳感結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)計(jì)
為了在結(jié)構(gòu)魯棒性和動(dòng)態(tài)性能之間取得最佳平衡，通過(guò)參數(shù)仿真系統(tǒng)地優(yōu)化了MEMS加速度計(jì)的阻尼特性、靈敏度和頻率響應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸相對(duì)于質(zhì)量中心偏移175微米，穿孔邊長(zhǎng)為20微米，并且總共使用352個(gè)穿孔時(shí)，器件表現(xiàn)出優(yōu)異的整體性能。這種配置
Z軸MEMS加速度計(jì)的制造和系統(tǒng)級(jí)封裝
為了驗(yàn)證所提出的結(jié)構(gòu)-阻尼協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，完成了Z軸MEMS加速度計(jì)的制造、系統(tǒng)級(jí)封裝和樣品制備。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)的SOI基MEMS工藝制造，傳感單元采用由扭轉(zhuǎn)梁懸吊的蹺蹺板型質(zhì)量塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)垂直于平面（Z軸）加速度的高靈敏度檢測(cè)。器件架構(gòu)和封裝細(xì)節(jié)如圖8所示。
結(jié)論
本文提出了一種基于仿真的Z軸MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)-阻尼協(xié)同優(yōu)化方法，旨在提高工業(yè)傳感環(huán)境中的精度和魯棒性。通過(guò)將蹺蹺板型質(zhì)量塊與優(yōu)化的穿孔傳感層結(jié)合，所提出的設(shè)計(jì)提高了垂直于平面的響應(yīng)性，同時(shí)有效抑制了擠壓膜阻尼。開(kāi)發(fā)的多物理場(chǎng)框架結(jié)合了擴(kuò)展的擠壓膜理論和氣體稀薄效應(yīng)
作者貢獻(xiàn)聲明
霍鵬宇：軟件開(kāi)發(fā)、方法論、數(shù)據(jù)管理。唐正雷：撰寫(xiě)初稿、方法論、形式分析、數(shù)據(jù)管理。郭宇森：撰寫(xiě)初稿、驗(yàn)證、方法論、形式分析、概念化。陳東華：軟件開(kāi)發(fā)、資金獲取、數(shù)據(jù)管理。黃思思：撰寫(xiě)初稿、方法論、形式分析、概念化。李啟亮：審稿與編輯、項(xiàng)目監(jiān)督、方法論、研究調(diào)查，
利益沖突聲明
作者聲明與本文的發(fā)表不存在任何利益沖突。所有可能被視為潛在偏見(jiàn)來(lái)源的財(cái)務(wù)、專(zhuān)業(yè)或個(gè)人關(guān)系均已披露。
致謝
本研究得到了北京市科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)Z241100003524008）的支持。作者感謝項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室同事在器件制造、封裝實(shí)驗(yàn)和測(cè)量表征方面的幫助。
作者貢獻(xiàn)
郭宇森提出了研究思路和項(xiàng)目概念；陳東華在Z.-L. T.和P.-Y. H.的幫助下進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)量；郭宇森和P.-Y. H.負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理
郭宇森1999年出生于中國(guó)遼寧省沈陽(yáng)市。他于2021年從大連海事大學(xué)獲得物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)士學(xué)位，2024年從中國(guó)科學(xué)院大學(xué)獲得電子與通信工程碩士學(xué)位。目前他在北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院攻讀博士學(xué)位。他的研究興趣包括柔性傳感器、可穿戴設(shè)備
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