Z轴MEMS加速度计的结构-阻尼协同优化：采用微米级气体阻尼技术及优化的低压封装设计

《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

Z轴MEMS加速度计结构-阻尼协同优化研究，提出 seesaw-type 传感器结构以增强横向灵敏度，结合扩展挤压膜阻尼模型考虑包装压力、气体成分及温度的影响，通过COMSOL多物理场仿真优化孔径比、孔分布等参数，实验验证在50 Pa氮气环境下实现高灵敏度（验证数据未给出）和环境稳定性，为工业级惯性传感器开发提供理论支撑。

　　

郭宇森|陈东华|霍鹏宇|唐正雷|黄思思|李启亮

北京大学先进制造与机器人学院，北京，100871，中国

摘要

本研究提出了一种针对Z轴MEMS加速度计的全面结构-阻尼协同优化方法，该方法明确考虑了挤压膜气体阻尼和环境条件的耦合影响。为了提高垂直于平面的灵敏度，同时保持结构对称性和工艺兼容性，设计了一种跷跷板型传感结构。开发了一个扩展的挤压膜阻尼框架，通过稀薄气体修正来考虑封装压力、气体成分和温度对采样力的影响。进一步利用基于COMSOL的多物理场模型优化了关键几何参数，如穿孔率、孔分布和轴偏移，这些参数决定了阻尼的幅度和空间分布。确定了在实际封装压力范围内，气体阻尼对器件灵敏度、带宽和噪声的影响最小，为经济高效的真空封装提供了定量指导。使用优化后的参数制造的原型器件在大气、低压和温度变化的环境中进行了实验评估。仿真结果与实测数据高度一致，验证了所提出的结构-阻尼协同设计方法的有效性以及50帕斯卡氮气封装的效果。这项工作展示了开发高灵敏度、环境鲁棒性Z轴MEMS加速度计的可行且可扩展的测量方法，实现了理论建模与工程实现的结合。

章节摘录

引言

随着下一代导航、定位、健康监测和智能终端系统对更高惯性测量精度和环境适应性的需求不断增加，MEMS加速度计（微型惯性传感器的关键组件）因体积小、功耗低和集成度高而在航空航天、汽车电子、可穿戴设备和结构健康监测领域得到了广泛应用[1]、[2]。在这些实际应用场景中，

转换机制

Z轴MEMS加速度计的工作原理基于微机械结构对外部加速度的电容响应[15]、[16]，如图1所示。Z轴加速度计通过质量块与悬吊微梁之间的相互作用来检测加速度[17]。传感元件可以建模为一个由质量块、悬臂梁和偏心旋转轴组成的扭转结构。当施加外部加速度

传感结构的几何设计

传感结构的几何配置对Z轴MEMS加速度计的性能至关重要。通过系统地调整关键设计参数（如穿孔数量、孔径和中心扭转轴的位置），可以在机械鲁棒性和功能响应性之间达到最佳平衡。

如表1所示，我们设计了27种代表性的穿孔传感层几何形状

传感结构的几何设计

为了在结构鲁棒性和动态性能之间取得最佳平衡，通过参数仿真系统地优化了MEMS加速度计的阻尼特性、灵敏度和频率响应。结果表明，当扭转轴相对于质量中心偏移175微米，穿孔边长为20微米，并且总共使用352个穿孔时，器件表现出优异的整体性能。这种配置

Z轴MEMS加速度计的制造和系统级封装

为了验证所提出的结构-阻尼协同优化设计方法，完成了Z轴MEMS加速度计的制造、系统级封装和样品制备。该器件采用标准的SOI基MEMS工艺制造，传感单元采用由扭转梁悬吊的跷跷板型质量块，实现了对垂直于平面（Z轴）加速度的高灵敏度检测。器件架构和封装细节如图8所示。

结论

本文提出了一种基于仿真的Z轴MEMS加速度计结构-阻尼协同优化方法，旨在提高工业传感环境中的精度和鲁棒性。通过将跷跷板型质量块与优化的穿孔传感层结合，所提出的设计提高了垂直于平面的响应性，同时有效抑制了挤压膜阻尼。开发的多物理场框架结合了扩展的挤压膜理论和气体稀薄效应

作者贡献声明

霍鹏宇：软件开发、方法论、数据管理。唐正雷：撰写初稿、方法论、形式分析、数据管理。郭宇森：撰写初稿、验证、方法论、形式分析、概念化。陈东华：软件开发、资金获取、数据管理。黄思思：撰写初稿、方法论、形式分析、概念化。李启亮：审稿与编辑、项目监督、方法论、研究调查，

利益冲突声明

作者声明与本文的发表不存在任何利益冲突。所有可能被视为潜在偏见来源的财务、专业或个人关系均已披露。

致谢

本研究得到了北京市科技项目（项目编号Z241100003524008）的支持。作者感谢项目团队和实验室同事在器件制造、封装实验和测量表征方面的帮助。

作者贡献

郭宇森提出了研究思路和项目概念；陈东华在Z.-L. T.和P.-Y. H.的帮助下进行了数据测量；郭宇森和P.-Y. H.负责数据处理

郭宇森1999年出生于中国辽宁省沈阳市。他于2021年从大连海事大学获得物联网工程学士学位，2024年从中国科学院大学获得电子与通信工程硕士学位。目前他在北京大学先进制造与机器人学院攻读博士学位。他的研究兴趣包括柔性传感器、可穿戴设备