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(tuán)隊(duì)在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)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(jì)，在慣性制導(dǎo)、地震探測、可穿戴設(shè)備和智能機(jī)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(hào)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(jì)，如基于電容的MEMS加速度計(jì)，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(yùn)動(dòng)和電子背景噪聲，而傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法難以有效消除這種噪聲，從而限制了加速度計(jì)分辨率的進(jìn)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(jì)，這類加速度計(jì)通過調(diào)制輸入加速度信號(hào)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(jì)相比，諧振加速度計(jì)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(yīng)性，逐漸成為高分辨率MEMS加速度計(jì)研究的熱點(diǎn)。
然而，硅材料本身沒有機(jī)電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，需要額外的結(jié)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)和檢測諧振器，這限制了MEMS硅諧振加速度計(jì)的性能。因此，研究者尋求一種既方便驅(qū)動(dòng)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(dòng)特定的模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(tuán)隊(duì)首次使用高性能前端電路從壓電石英諧振器中提取運(yùn)動(dòng)電荷，這一拓?fù)浣Y(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(shí)實(shí)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(jì)的偏置穩(wěn)定性和分辨率。為了調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬和補(bǔ)償額外的相位漂移，研究人員設(shè)計(jì)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(diǎn)。
加速度計(jì)的敏感元件設(shè)計(jì)為一個(gè)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(hào)時(shí)，證明質(zhì)量在慣性力的作用下對(duì)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(jì)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(dòng)到特定模式，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換，無需額外結(jié)構(gòu)。
研究中還詳細(xì)分析了石英諧振加速度計(jì)的相位噪聲調(diào)制機(jī)制，并展示了前端性能是決定加速度計(jì)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?fù)浣Y(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(jì)的相位補(bǔ)償和諧振器工作點(diǎn)，該MEMS石英諧振加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了14 μHz/√Hz的頻率分辨率和32 μHz的頻率不穩(wěn)定性，對(duì)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(jìn)的性能。
這項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的支持。研究成果發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering上。
