中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
西安交通大學(xué)的研究團隊在微機電系統(tǒng)（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(wěn)定性的MEMS石英諧振加速度計，在慣性制導(dǎo)、地震探測、可穿戴設(shè)備和智能機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是在需要檢測極微弱加速度信號的衛(wèi)星控制和無人水下航行器等應(yīng)用中。
傳統(tǒng)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。這種白噪聲主要來源于諧振器的布朗運動和電子背景噪聲，而傳統(tǒng)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一步提升。
為了解決這些問題，研究者開始探索基于MEMS技術(shù)的諧振加速度計，這類加速度計通過調(diào)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、大動態(tài)范圍以及良好的環(huán)境適應(yīng)性，逐漸成為高分辨率MEMS加速度計研究的熱點。
然而，硅材料本身沒有機電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，需要額外的結(jié)構(gòu)來驅(qū)動和檢測諧振器，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(qū)動又方便檢測的材料來制造理想的MEMS諧振器。單晶石英因其天然的壓電效應(yīng)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驅(qū)動特定的模式，實現(xiàn)機電能量的高效轉(zhuǎn)換，無需額外結(jié)構(gòu)。
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電荷，這一拓撲結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)前端在增益、帶寬和噪聲之間的權(quán)衡問題。
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，同時實現(xiàn)了低至30.5 fA/√Hz的輸入?yún)⒖茧娏髟肼?，這有助于提高加速度計的偏置穩(wěn)定性和分辨率。為了調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬和補償額外的相位漂移，研究人員設(shè)計了抗混疊相位移位器。此外，為了減少非線性效應(yīng)引入的閃爍噪聲，使用了幅度限制器來設(shè)定諧振器的工作點。
加速度計的敏感元件設(shè)計為一個通過力放大杠桿連接到諧振器的證明質(zhì)量，當(dāng)檢測到加速度信號時，證明質(zhì)量在慣性力的作用下對諧振器施加軸向力，通過杠桿結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，以抑制共模誤差干擾。石英諧振器采用雙端調(diào)諧叉（QDETF）結(jié)構(gòu)，通過在石英晶體表面施加交流電壓，利用其天然的壓電效應(yīng)驅(qū)動到特定模式，實現(xiàn)電能到機械能的高效轉(zhuǎn)換，無需額外結(jié)構(gòu)。
研究中還詳細分析了石英諧振加速度計的相位噪聲調(diào)制機制，并展示了前端性能是決定加速度計穩(wěn)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(tǒng)前端在增益、帶寬和噪聲之間的權(quán)衡，測試結(jié)果表明，這種拓撲結(jié)構(gòu)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?yún)⒖茧娏髟肼暤椭?0.5 fA/√Hz。
得益于優(yōu)異的前端性能、精心設(shè)計的相位補償和諧振器工作點，該MEMS石英諧振加速度計實現(xiàn)了14 μHz/√Hz的頻率分辨率和32 μHz的頻率不穩(wěn)定性，對應(yīng)于0.26 μg/√Hz的分辨率和0.59 μg的加速度偏置不穩(wěn)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(xiàn)了先進的性能。
這項研究得到了國家重點研發(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。
