采用湿法蚀刻技术设计、制造并测试了一种优化后的单轴MEMS电容式加速度计，以提高其抗噪声性能

《Scientific Reports》：Design, fabrication and testing of an optimized single-axis MEMS capacitive accelerometer using wet etching for improved noise stability

　　

摘要

本研究介绍了一种采用湿法整体微加工工艺制造的单轴MEMS电容式加速度计的设计、仿真、制作及实验测试结果。该加速度计采用了加大的质量块以及简化的差分电容结构，从而在保持低非线性度和低跨轴灵敏度的同时提升噪声性能。与许多依赖复杂梳状驱动结构、绝缘体上硅材料或深度反应离子刻蚀技术的MEMS加速度计不同，这款加速度计是使用普通硅片和常规湿法刻蚀工艺制成的，因此降低了制作难度。通过COMSOL Multiphysics软件进行有限元仿真，优化了传感器的机电性能和结构参数。所制作的加速度计的共振频率为3620赫兹，全量程下的非线性度低于0.9%，跨轴灵敏度低于0.03%，动态范围为±10g。其中频段的噪声谱密度可达18微克/平方根赫兹，比例因子灵敏度约为200毫伏/克，1赫兹带宽下的分辨率可达0.6毫克。此外，该器件在-20摄氏度至+80摄氏度的温度范围内仍能稳定工作。有限元仿真还表明，该结构能够承受高达5000g的冲击载荷而不超过硅材料的应力极限。研究结果表明，湿法整体微加工技术不仅能使质量块更大，还能降低噪声水平，同时保持良好的线性度及机械安全裕度。另外，仿真显示通过调整悬臂梁的厚度，可在不改变器件整体结构的前提下，将该加速度计的动态范围从±2g调整到±200g。这些发现表明，这款加速度计是一种实用且具有成本优势的解决方案，适用于那些需要简化制作流程且要求较高性能的电容式传感应用。