高g值MEMS加速度計是軍事國防實時監測系統中用于分析穿甲彈和高超音速武器爆炸引信沖擊振動的關鍵組件。雖然理論上，當壓阻梁（壓敏電阻）發生純軸向變形時，壓阻式MEMS加速度計可以同時實現高靈敏度和寬頻率響應，但以往的方法通常需要復雜的理論計算和特定的結構配置才能近似滿足純軸向變形條件，這極大地增加了加速度計的設計難度。
據麥姆斯咨詢報道，近日，西安交通大學趙立波教授團隊提出了一種新型單片集成三軸高g值壓阻式MEMS加速度計，其壓阻梁可實現與位置無關的純軸向變形，能夠測量高達200,000 g的加速度。該設計的核心創新在于壓阻梁兩端的同步變形機制，有效地抵消了橫向變形分量。這種新穎的方法確保了整個測量范圍內的純軸向變形，消除了復雜的設計流程。實驗結果表明，本文所提出的MEMS加速度計具有優異的性能指標：固有頻率超過1.5 MHz，同時在5 V激勵下靈敏度大于1.15 μV/g，為高性能壓阻式MEMS加速度計的設計提供了一種便捷有效的技術途徑。上述研究成果以“Monolithically integrated triaxial high-performance high-g accelerometer for high shock vibration signal measurements”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
圖1a和1b所示為本文所提出的單片集成高g值MEMS加速度計。該加速度計由三層結構構成：玻璃上蓋、硅結構層、玻璃背板。為了測量對應方向的沖擊加速度信號，硅結構層包含x、y、z三個測量單元，每個測量單元由兩個測量子單元組成。其中，x和y測量單元相互垂直布置，并采用相同的結構，其具體結構是在西安交通大學研究團隊前期100,000 g加速度計研究的基礎上改進而來。
圖1 高g值MEMS加速度計的模型與結構
如圖1c所示，在x、y測量單元中，每個測量子單元的兩端質量塊通過支撐梁與外框架連接，并在另一端通過鉸鏈梁相互連接，從而形成雙端固支結構，以獲得更高的固有頻率。在兩個質量塊之間布置有兩組壓阻梁，每組包含兩根壓阻梁并構成一個壓敏電阻，如圖1e的（i）和（ii）所示。如圖1d所示，z測量單元的支撐梁一端與質量塊連接，另一端與框架連接，且底部固接于玻璃背板。兩個子單元的區別在于支撐梁位于兩質量塊的內側或外側。z測量單元的每個子單元包含6根壓阻梁，每3根組成一個壓敏電阻。每個測量單元的4個壓敏電阻構成惠斯通全橋輸出，其壓敏電阻的分布與編號如圖1e（iii）所示。
由于x、y測量單元的結構相同，以下以y單元為例說明其工作原理。如圖2a所示，當加速度計受到y方向加速度作用時，兩端質量塊將產生同步偏轉運動，從而使壓阻梁兩端發生同步變形，僅產生2ΔL的軸向應變，而無橫向相對應變。在此過程中，壓阻梁受到彎矩M以及拉力或壓力F的共同作用，如圖2b所示。力F產生軸向拉/壓應力σL，而彎矩M使壓阻梁處于純彎曲狀態，產生梯度分布的軸向應力σΔL。σΔL以中性面為分界，此面之上和之下的應力大小相等、方向相反，其對壓敏電阻的作用相互抵消。因此，壓阻梁內部僅存在由力F產生的軸向應力σL，此時壓阻梁處于純軸向變形狀態。
圖2 高g值MEMS加速度計測量單元的工作原理
由于穿透武器會經歷沖擊加速度的高振幅、高動態范圍和快速振幅變化特性，因此MEMS加速度計必須具備高固有頻率和寬工作帶寬，以滿足沖擊測量需求。研究人員采用有限元方法進行模態與頻率響應分析，以確定MEMS加速度計適用于振動檢測的頻率范圍，并避免其在使用過程中產生共振及信號失真。
在三個方向上施加頻率范圍為0–2 MHz的正弦加速度載荷。如圖3a所示，該MEMS加速度計的一階固有頻率為1.57 MHz，對應于z測量單元的振型。因此，對該MEMS加速度計施加z方向正弦激勵載荷。圖3b給出了該加速度計的頻率響應及其振動相位角，其共振峰與圖3a結果一致，且計算得到的有效工作帶寬為0–0.74 MHz（±3 dB）。該MEMS加速度計的二階固有頻率（對應于x測量單元的固有頻率）和三階固有頻率（對應于y測量單元的固有頻率）分別如圖3c和3e所示，其頻率響應與振動相位角分別如圖3d和3f所示。
圖3 高g值MEMS加速度計的模態和頻率響應分析
該高g值MEMS加速度計采用絕緣體上硅（SOI）晶圓制造而成，其規格如下：N型（100）晶體取向，電阻率范圍為1至10 Ω·cm，器件層厚度為10 μm，埋氧層厚度為1 μm，襯底層厚度為400 μm。具體的制造工藝流程如圖4所示。
圖4 高g值MEMS加速度計的制造工藝流程
該單片集成三軸MEMS加速度計芯片如圖5a所示，芯片整體尺寸為6.5?mm × 4.4?mm × 1.41?mm。圖5b顯示去除玻璃上蓋后的加速度計芯片，而各測量單元的結構照片如圖5c–5e所示。局部放大圖展示了壓阻梁/壓阻電阻的詳細結構，并清晰顯示了硼離子重摻雜區、硼離子輕摻雜區以及引線孔的位置。
圖5 高g值MEMS加速度計的芯片及其封裝
研究人員采用霍普金森桿沖擊測試系統對所制備的高g值MEMS加速度計的動態性能和靈敏度進行校準，如圖6a和6b所示。高g值MEMS加速度計通過鈦合金外殼的螺紋牢固固定在剛性校準桿的末端。
該MEMS加速度計的加速度輸入是通過激光多普勒干涉儀測量校準桿末端的振動來獲得的。數據采集系統收集高g值MEMS加速度計產生的輸出電壓，并將其傳輸至計算機進行數據處理。
圖6 高g值MEMS加速度計的性能測試
通過調節壓縮氣體壓力來產生不同的加速度脈沖信號，記錄所設計的高g值MEMS加速度計在不同沖擊加速度下的輸出曲線，并與激光多普勒干涉儀的測量結果進行對比。圖6c顯示了在輸入加速度為91,459.13 g時，激光多普勒干涉儀信號與y測量單元的輸出信號。圖6d對沖擊峰值進行了局部放大，可以看到脈沖寬度為22.4 μs，對應的輸出電壓為111.7 mV。
研究人員獲取了不同加速度條件下各測量單元的輸出信號（如圖7a-7c所示），并記錄了高g值MEMS加速度計中不同測量單元的峰值電壓。對各測量單元的輸出信號進行線性擬合后，獲得測量靈敏度參數：x測量單元為1.212 μV/g/5 V（非線性1.25%），y測量單元為1.223 μV/g/5 V（非線性1.97%），z測量單元為1.165 μV/g/5 V（非線性2.81%）。通過對圖6c所示加速度計輸出電壓進行快速傅里葉變換，獲得各測量單元的固有頻率（如圖7d-7f所示）。x、y、z測量單元測得的固有頻率分別為1.531 MHz、1.524 MHz和1.516 MHz。
圖7 高g值MEMS加速度計的靈敏度和固有頻率
綜上所述，這項研究設計、制造并測試了一種單片集成三軸高g值MEMS加速度計。通過壓阻梁兩端的同步變形機制，可實現壓阻梁的純軸向變形，從而同時保證了器件的高靈敏度和高固有頻率。仿真結果驗證了該設計方案的正確性。測試結果表明：在未加放大的條件下，所制備的MEMS加速度計中x、y、z測量單元的靈敏度分別為1.212 μV/g/5V、1.223 μV/g/5V和1.165 μV/g/5V；對應的固有頻率分別為1.531 MHz、1.524 MHz和1.516 MHz。本研究提出的設計理念可進一步推廣應用于其它高性能壓阻式MEMS傳感器，并能夠顯著簡化其設計流程。
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https://doi.org/10.1038/s41378-025-01051-w
