静电-电容式MEMS力传感器：闭环配置的技术突破与应用前景

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Electrostatic-Capacitive MEMS Force Sensors: A State-of-the-Art Review

本综述系统回顾了静电-电容式MEMS力传感器的最新研究进展。为解决开环配置存在的非线性、测量范围受限等问题，研究人员重点探讨了将电容传感与静电驱动集成于单一器件的闭环配置方案。研究表明，闭环系统通过力反馈机制显著提升了传感器的精度、稳定性和抗干扰能力，为微牛级力测量提供了理想解决方案，在生物医学、工业监测等领域具有重要应用价值。

　　

在微观尺度上精确测量力，一直是科学研究和工业应用中的关键技术挑战。从机器人触觉反馈到细胞力学研究，从精密加工监测到生物运动分析，对微牛（μN）甚至纳牛（nN）级别力的感知能力，直接决定着许多前沿技术的突破。微机电系统（MEMS）技术的出现，为力传感器的小型化、低成本化和大批量制造提供了可能，使得精准测量这些微小力量不再遥不可及。

然而，传统的MEMS力传感器大多采用开环配置工作。其基本原理是，外力作用于传感器的弹性结构（如悬臂梁或弹簧支撑的探针尖端），引起结构位移，再通过某种换能原理（如电容变化）将位移转换为电信号。这种方式虽然结构简单，但存在明显短板：测量精度严重依赖于机械结构的刚度等参数，容易受到环境振动干扰，在大位移时会出现非线性响应，甚至因为“吸合效应”（pull-in instability）而导致测量范围受限。这些固有缺陷限制了其在需要高精度、高稳定性的场景中的应用。

为了解决这些问题，研究人员将目光投向了闭环配置。在这种配置下，传感器集成了驱动元件，能够产生一个与外力大小相等、方向相反的静电平衡力，使可动质量块始终维持在初始位置附近。这样，力的测量不再依赖于直接测量位移，从而避免了机械非线性带来的误差，显著提高了测量的准确性和稳定性。在众多MEMS力传感技术中，静电-电容式（electrostatic-capacitive）方案因其独特的优势，被认为是实现闭环配置的理想选择。它能在同一个器件上集成用于检测位移的电容传感器（Force-to-Capacitance Converter, FCC）和用于产生平衡力的静电驱动器（Voltage-to-Force Converter, VFC），使得系统结构紧凑，且与集成电路工艺兼容性好。这篇发表在《Journal of Microelectromechanical Systems》上的综述文章，由Alessandro Nastro撰写，旨在对静电-电容式MEMS力传感器，特别是其闭环配置的最新研究进展进行一次全面的梳理和总结。

为了系统阐述静电-电容式MEMS力传感器的技术内涵，作者首先概述了MEMS力传感器常用的多种换能原理，包括压阻式、光学式、电感式、电容式、电化学式、压电式、电磁式和磁致伸缩式等，并简要分析了各自的优缺点。文章的核心则聚焦于静电-电容式传感的工作原理，详细分析了其两大核心转换环节：FCC和VFC。对于FCC，文章对比了可变间隙（variable-gap）和可变面积（variable-area）两种平行板电容结构。可变间隙结构的灵敏度随间隙减小而急剧增加，测量范围宽，但电容与位移呈非线性关系，且易发生吸合不稳定。可变面积结构的电容与位移呈线性关系，无吸合风险，但灵敏度固定，受限于电容器的物理尺寸。对于VFC，同样分析了基于可变间隙和可变面积的静电驱动力模型。可变间隙驱动器的驱动力随间隙减小而增大，易引发吸合；而可变面积驱动器的驱动力转换系数恒定，更易于控制。这些基础分析为理解开环和闭环配置的性能差异奠定了理论基础。

在研究方法上，本文主要采用了文献综述和性能对比分析。作者广泛搜集了近年来关于静电-电容式MEMS力传感器的代表性研究论文，重点分析了其中采用开环配置和闭环配置的器件设计。通过提取关键性能参数，如力灵敏度（Sensitivity）、力分辨率（Estimated resolution）和测量范围（Measurement range），并绘制其随发表年份和相互关系的图表，直观地展示了两种配置的技术发展脉络和性能特点。此外，文章还深入探讨了用于实现闭环控制的力反馈系统，如比例-积分-微分（PID）控制器和Σ-Δ调制器等，并介绍了为克服吸合效应、提高长期稳定性而发展的先进控制策略。

开环配置

开环配置的传感器结构相对简单，主要包括弹性机械结构（如弹簧）、FCC以及电容-电压转换器（CVC）。外力F_ext作用于探针尖端，导致弹性结构发生位移x_Q，进而引起传感电容C_s的变化，最终通过CVC转换为输出电压V_out。研究表明，这种配置的力测量范围和灵敏度直接受机械刚度k_m等参数影响，且传感信号v_s(t)本身也会引入静电干扰力F_s。文献中报道了许多开环传感器的实例，例如具有多轴力感知能力的探针、通过机械限位器实现多量程的传感器、仿生设计的传感器以及用于平面外力测量的器件等。这些传感器虽然在特定应用中展现了价值，但其性能受限于前述的固有缺点。

闭环配置

闭环配置通过引入力反馈机制，旨在克服开环配置的不足。其系统框图包含了FCC、CVC、控制器（如积分放大器A₁）和VFC。核心思想是利用反馈信号驱动VFC产生静电平衡力F_d，使其精确抵消外力F_ext，从而使可动质量块的位移x_Q趋于零。此时，控制器的输出电压V_out即反映了外力的大小。这种配置使得系统表现出近乎无穷大的机械阻抗，对外部机械振动不敏感，并有效抑制了吸合效应。文章列举了多个闭环传感器的成功案例，例如通过双驱动器实现灵敏度电调谐的传感器、采用静电驱动器和电容梳齿进行位移感测并实现纳米级位置控制的传感器、以及利用非线性模型逆变换技术扩展静电微驱动器行程范围的系统等。这些研究证明了闭环配置在提升分辨率、稳定性和测量范围方面的显著优势。

开环与闭环配置的比较

文章对两种配置进行了系统的比较。开环配置的优点在于结构简单、成本低、功耗小、响应快、带宽宽；缺点则是性能依赖于机械参数、易受非线性和吸合效应影响、抗干扰能力差。闭环配置的优点在于线性度好、精度高、稳定性强、抗干扰、能抑制吸合效应；缺点则是系统复杂、功耗高、体积大、带宽可能受限、需要精密的反馈控制设计。通过对文献中大量传感器性能数据的整理（见表II），作者绘制了分辨率随年份变化（图11）、测量范围随年份变化（图12）以及分辨率与测量范围的关系图（图13）。分析表明，早期研究（2002-2013年）更多集中于开环配置，而2014年后闭环配置的研究日益增多，显示出研究重点的转移。闭环配置在10^-9-10^-8N的分辨率和10^-4-10^-3N的测量范围内表现出更一致的性能。图表也揭示了力传感器性能中普遍存在的测量范围与分辨率之间的权衡关系。

综上所述，这篇综述清晰地表明，静电-电容式MEMS力传感器，特别是采用闭环配置的方案，是实现高精度微力测量的有效技术路径。闭环力反馈控制策略成功地解决了开环系统在精度、稳定性和非线性方面的核心挑战。展望未来，该领域的研究呈现出几个激动人心的趋势：一是多功能化，即单个力传感器同时检测刚度、温度等多物理量；二是与人工智能（AI）信号处理相结合，实现实时自校准和故障诊断；三是向多轴（三维）力矢量测量发展，以满足机器人操纵和生物力学监测等复杂应用的需求；四是继续优化闭环架构，例如发展自整定、全数字化的反馈系统以提高鲁棒性。这些进展将共同推动静电-电容式MEMS力传感器发展成为下一代传感系统中功能更强大、性能更卓越的多用途工具。