近年來，基于差分振動梁（DVB）結構的MEMS諧振式加速度計（DMRA），憑借優異的共模抑制特性，已成為實現高精度慣性測量的核心技術路徑。與單諧振梁器件不同，差分諧振式加速度計通過對稱諧振器的頻率差值實現加速度檢測，能夠有效抑制溫度波動、電磁噪聲、壓力變化等環境共模干擾。然而，這類差分諧振式加速度計在實際應用中仍面臨諸多挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院空天信息創新研究院（AIRCAS）鄒旭東研究員團隊針對“溫度漂移、測量死區”難題提出了創新的解決方案。該團隊設計了一種新型雙模式耦合系統（DMCS），通過有效解耦器件差分梁的工作頻率，顯著提升了MEMS諧振式加速度計的精度與綜合性能。相關研究成果以“Temperature drift suppression and measurement dead zone elimination in differential MEMS resonant accelerometers using dual-mode operating method”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
圖1 本研究論文的圖文摘要
這項研究所提出的雙模式耦合系統（DMCS），通過模態差異化配置，使MEMS諧振式加速度計的差分梁工作在不同振動模式下：一個梁工作在一階模式（R1M1），另一個梁工作在二階模式（R2M2）。這種雙模式設計方式可同時強化溫度補償效果，并抑制易引發測量死區的模態局域化效應。此外，該設計還保留了梁結構的幾何對稱性，這對最大限度減少溫度誘導誤差、維持傳感器穩定性能至關重要。
圖2 雙模式耦合系統（DMCS）的工作原理和實驗裝置
圖3 基于DMCS的MEMS諧振式加速度計結構
實驗數據驗證了該方案的有效性：與傳統的解決方案相比，這項研究提出的雙模式設計方法使得器件溫度漂移從342 mg降至1.19 mg，降幅超過280倍。此外，艾倫方差（Allan Variance）與功率譜密度（PSD）分析顯示，器件的低頻噪聲水平顯著降低，這一改進直接提升了MEMS諧振式加速度計的測量精度與長期工作穩定性。
圖4 MEMS諧振式加速度計死區測試
圖5 MEMS諧振式加速度計溫度變化測試
圖6 溫度補償前后艾倫方差與功率譜密度的比較
這項研究提出的新型雙模式設計策略，為提升MEMS諧振式加速度計性能提供了一種經濟高效的方法，使其在慣性導航、振動監測等應用中具有更高應用價值。研究團隊表示，在未來研究中，將針對振動梁的模態特性開展深入探究，通過激活更多振動模態獲取豐富的原始數據并進行融合處理，進一步優化系統的噪聲抑制與溫度漂移抑制能力。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-01022-1
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