基于SOI技术的具有静电抗弹簧结构的纳米级MEMS加速度计

《Journal of Microelectromechanical Systems》：A Nano-g MEMS Accelerometer With Electrostatic Anti-Spring Based on SOI Technology

提出一种混合梳状手指MEMS加速度器，通过降低机械结构谐振频率实现纳米级噪声性能。采用间隙变化梳状手指实现静电抗弹簧调谐，面积变化用于电容位移传感或驱动。标准SOI工艺制造，尺寸8×12mm2。实验表明谐振频率从78Hz降至12Hz，灵敏度提升40倍，偏置稳定性提高四倍，噪声地板达8.5ng/√Hz，成功检测微地震信号。解耦负刚度生成与驱动路径，缓解吸移不稳定性，为稳定闭环操作提供可能。

　　

摘要：

本文介绍了一种混合型梳齿式MEMS加速度计，通过降低机械结构的共振频率来提高加速度灵敏度，从而实现纳克级（）的噪声性能。采用不同间隙的梳齿结构实现静电抗弹簧调节，以软化机械弹簧；而不同面积的梳齿结构则用于电容式位移传感或静电驱动。该器件采用标准SOI工艺制造，占地面积仅为8×12平方毫米，既简化了制造过程，又实现了结构的小型化。实验结果表明，共振频率可在78 Hz至12 Hz之间调节，从而使加速度灵敏度提高了约40倍，偏置不稳定性降低了4倍。在1.2 Hz时，该加速度计的噪声底限达到8.5 n/ Hz，并成功检测到了微地震信号。尽管在开环条件下能够达到纳克级的精度，但所提出的架构将负刚度生成与驱动路径分离，从而缓解了系统的不稳定性问题，为在接近零刚度下的稳定闭环运行奠定了基础。[2025-0214]