研究人員開發(fā)出具有更高靈敏度和更低噪聲降低的MEMS加速度

隨著智能手機(jī)和社交基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控應(yīng)用等消費(fèi)電子產(chǎn)品市場的擴(kuò)大，預(yù)計加速度計的需求將大幅增加。這種小型化和可批量生產(chǎn)的加速度計通常由硅MEMS技術(shù)開發(fā)，其中制造工藝已經(jīng)很好地建立。

在加速度計的設(shè)計中，在尺寸減小和降噪之間存在折衷，因?yàn)椴祭试肼曋鲗?dǎo)的機(jī)械噪聲與稱為檢驗(yàn)質(zhì)量的移動電極的質(zhì)量成反比。此外，電容式加速度計的靈敏度通常與加速度計尺寸成比例，因此在尺寸減小和靈敏度增加之間也存在折衷。由于高分辨率加速度計需要低噪聲和高靈敏度性能，因此傳統(tǒng)的基于硅的MEMS加速度計難以檢測1μG電平輸入加速度。

低噪聲和高靈敏度MEMS加速度計

由東京工業(yè)大學(xué)和NTT先進(jìn)技術(shù)公司的研究人員組成的研究小組此前提出了一種方法，通過使用金材料將MEMS加速度計的檢驗(yàn)質(zhì)量尺寸縮小到不到十分之一。在這項(xiàng)工作中，作為這一成就的延伸，他們在檢測質(zhì)量和彈簧組件上采用了多層金屬結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了一種低噪聲，高靈敏度的MEMS加速度計。

剩下; 圖為開發(fā)的高靈敏度MEMS加速度計。Au檢測質(zhì)量塊在硅晶片上制造。加速度計采用陶瓷封裝并采用引線鍵合。對; SEM圖像顯示了Au檢測質(zhì)量和彈簧結(jié)構(gòu)的特寫視圖。采用M4和M5層成功開發(fā)了22μm厚的Au質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。蛇形彈簧結(jié)構(gòu)由M3和M4層制成。蛇形彈簧和塞子放置在檢測質(zhì)量的每個角落。圖片來源：Sensors and Materials，Daisuke Yamane

如圖1所示，通過使用多層金作為檢驗(yàn)質(zhì)量結(jié)構(gòu)，通過增加每面積質(zhì)量，它們減小了布朗噪聲，其與檢驗(yàn)質(zhì)量成反比。

此外，他們通過減少檢測質(zhì)量的翹曲來利用4平方毫米芯片的整個區(qū)域，這使它們能夠增加加速度計的電容靈敏度。圖2顯示了開發(fā)的MEMS加速度計的芯片照片和掃描電子顯微鏡圖像。

新型加速度計的靈敏度比以前的技術(shù)高10??0倍，相同尺寸的噪音降低十分之一，如圖3所示。因此，研究人員證實(shí)，加速度計可以檢測低至1μG的輸入加速度。的制造工藝 entailed半導(dǎo)體微細(xì)加工處理和電鍍，并且因此它可以是能夠?qū)崿F(xiàn)在集成電路芯片上的顯影MEMS結(jié)構(gòu)。因此，所提出的技術(shù)對于增加用于通用目的的小型化加速度計的分辨率將是有用的。

該圖顯示了布朗噪聲(BN)與電容靈敏度的比較。由于高密度的金，與相同的靈敏度相比，在這項(xiàng)工作中實(shí)現(xiàn)的BN比傳統(tǒng)設(shè)備低了一個數(shù)量級。此外，我們的器件是通過表面微機(jī)械加工制造的，可用于小型化。圖片來源：傳感器和材料

該加速度計可以應(yīng)用于醫(yī)療保健技術(shù)，基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控，超輕型機(jī)器人，機(jī)動車輛控制，高精度控制導(dǎo)航系統(tǒng)在地方GPS無法使用，和空間環(huán)境的測量要求超低加速度感應(yīng)。