三軸加速度計(jì)已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的高靈敏度三軸加速度計(jì)主要依賴(lài)于多個(gè)單軸傳感器的組裝，這導(dǎo)致了器件尺寸的增加及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。基于聲子晶體（PnC）的加速度傳感機(jī)制因其諧振腔的高品質(zhì)因數(shù)（Q-factor），在高靈敏度檢測(cè)方面展現(xiàn)出巨大潛力。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，華中科技大學(xué)和清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于三維聲子晶體的新型三軸加速度計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在x、y方向引入點(diǎn)缺陷，并在z方向引入線缺陷，實(shí)現(xiàn)了一種緊湊型三軸加速度檢測(cè)諧振傳感結(jié)構(gòu)。利用有限元方法（FEM）分析了所提出的三維聲子晶體的頻帶特性和傳輸特性，數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明了所提出方法在高靈敏度三軸加速度傳感方面的可行性和有效性。相關(guān)研究成果以“A novel high-sensitivity triaxial accelerometer based on 3-D phononic crystals”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊上。
三維聲子晶體加速度計(jì)傳感原理
本文所提出的三維聲子晶體加速度計(jì)由兩個(gè)主要部件組成：聲學(xué)模塊和機(jī)械模塊。聲學(xué)模塊包括一塊固定的聲子晶體薄板和一塊可移動(dòng)的聲子晶體薄板，而機(jī)械模塊由一個(gè)測(cè)試質(zhì)量塊、四根折疊梁和四個(gè)錨點(diǎn)組成，如圖1a所示。在聲子晶體區(qū)域中，結(jié)構(gòu)由周期性排列的十字形聲子晶體單元組成，如圖1b所示。圖1c為聲子晶體的俯視圖，其中在x-y平面上引入了一個(gè)點(diǎn)缺陷（1 mm × 1 mm）。相應(yīng)地，圖1d所示的側(cè)視圖，沿z方向構(gòu)建了一條線缺陷（0.4 mm）。通過(guò)這種缺陷工程策略，沿著x、y、z三個(gè)正交方向形成了聲學(xué)諧振腔。
圖1 三維聲子晶體器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
當(dāng)錨定在測(cè)試質(zhì)量塊上的聲子晶體受沿x、y和z軸方向的加速度作用時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的位移。這些位移導(dǎo)致點(diǎn)缺陷和線缺陷有效長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而引起聲學(xué)腔體的諧振頻率發(fā)生偏移。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)聲子晶體諧振器的諧振頻率變化，即可實(shí)現(xiàn)三軸加速度傳感。
機(jī)械模塊
如圖1a所示，機(jī)械模塊由一個(gè)質(zhì)量塊和四根折疊梁構(gòu)成。平行于x、y和z軸的加速度會(huì)使測(cè)試質(zhì)量塊在相應(yīng)方向位移。為了更深入地了解振動(dòng)模式對(duì)加速度工作帶寬的影響，使用COMSOL軟件建立了有限元模型。圖2展示了聲子晶體器件的前三種機(jī)械振動(dòng)模式，其對(duì)應(yīng)的諧振頻率分別為19.05 Hz、37.93 Hz和38.56 Hz。在模態(tài)分析中，四個(gè)錨點(diǎn)和固定聲子晶體被固定，可動(dòng)聲子晶體薄板和測(cè)試質(zhì)量塊處于自由狀態(tài)。如圖2的數(shù)值結(jié)果所示，前三種機(jī)械振動(dòng)模式分別對(duì)應(yīng)于沿y、x、z軸的平移運(yùn)動(dòng)。
圖2 利用有限元法模擬了三種機(jī)械振動(dòng)模式
三維聲子晶體的頻帶結(jié)構(gòu)
如圖3a所示，立方晶格的不可約布里淵區(qū)（BZ）由淺藍(lán)色輪廓線表示。圖3b展示了通過(guò)有限元方法計(jì)算得到的頻帶結(jié)構(gòu)，頻率范圍為0 kHz至400 kHz。
圖3 聲子晶體器件的頻帶結(jié)構(gòu)和傳輸特性
傳輸特性和諧振行為
為了在降低計(jì)算成本的同時(shí)評(píng)估超聲波在有限厚度聲子晶體薄板中的傳輸情況，沿波傳播方向構(gòu)建了準(zhǔn)三維模型，如圖3c和圖3e所示。如圖3c所示，構(gòu)建了9 × 1 × 9準(zhǔn)三維聲子晶體缺陷模型，用于模擬沿z軸的聲波傳輸。
此外，圖4對(duì)比了線缺陷和點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)的諧振特性。如圖4a和圖4c所示，線缺陷諧振的透射峰相對(duì)較寬，其品質(zhì)因數(shù)（Q-factor）約為17，而點(diǎn)缺陷諧振的透射峰明顯更尖銳，其品質(zhì)因數(shù)高達(dá)159。相對(duì)于線缺陷結(jié)構(gòu)而言，點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)在聲子晶體晶格內(nèi)部形成了更局域化的聲學(xué)微腔，提供了更強(qiáng)的聲場(chǎng)約束，并抑制了能量向周?chē)Y(jié)構(gòu)的泄漏。因此，點(diǎn)缺陷諧振表現(xiàn)出更高的品質(zhì)因數(shù)和更強(qiáng)的諧振局域化。相應(yīng)的聲壓場(chǎng)分布如圖4b和圖4d所示。
圖4 線缺陷和點(diǎn)缺陷聲子晶體結(jié)構(gòu)的諧振特性
在所提出的三軸傳感結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)缺陷局域化模式由于具有較強(qiáng)的橫向變形敏感性和高度受限制的聲學(xué)局域化，主要作為平面內(nèi)x軸和y軸加速度的傳感通道。沿著x、y和z方向分別施加加速度，模擬結(jié)果表明，缺陷帶的頻率隨著施加的加速度而發(fā)生偏移，如圖5所示。
圖5 聲子晶體器件的加速度傳感性能的模擬結(jié)果
除了諧振頻率偏移之外，還通過(guò)分析定向加速度激勵(lì)下品質(zhì)因數(shù)的演變，進(jìn)一步研究了加速度載荷對(duì)聲子晶體缺陷腔諧振特性的影響。模擬結(jié)果總結(jié)如圖6所示。
圖6 定向加速度載荷作用下，聲子晶體缺陷腔諧振品質(zhì)因數(shù)的演變
為了評(píng)估所提出的三維聲子晶體加速度計(jì)的跨軸耦合行為，在x、y和z軸上分別施加定向加速度載荷，并從模擬透射光譜中提取平面內(nèi)局域模式（xy模式）和平面外模式（z模式）的諧振頻率偏移。相應(yīng)結(jié)果總結(jié)如圖7所示。結(jié)果表明，所提出的三維聲子晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)缺陷模式局域化，既提供了主軸靈敏度，又降低了跨軸耦合，但仍不可忽略。
圖7 三維聲子晶體加速度計(jì)的跨軸耦合特性
器件性能分析
隨后，研究人員對(duì)該三維聲子晶體加速度計(jì)進(jìn)行了靜態(tài)校準(zhǔn)。圖8a為發(fā)射的超聲信號(hào)。其頻域特性如圖8b所示。圖8c為測(cè)得的參考信號(hào)以及通過(guò)聲子晶體傳輸?shù)男盘?hào)。隨后利用這些頻譜對(duì)測(cè)得的透射響應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，如圖8d至圖8i所示。
圖8 聲子晶體器件的實(shí)驗(yàn)表征及加速度傳感性能測(cè)試結(jié)果
利用振動(dòng)標(biāo)定平臺(tái)，對(duì)所提出的聲子晶體器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)結(jié)果如圖9所示。圖10展示了該聲子晶體器件的噪聲性能與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
圖9 定向振動(dòng)激勵(lì)下，聲子晶體器件的測(cè)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性
圖10 聲子晶體器件的噪聲性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果
總結(jié)
綜上所述，這項(xiàng)研究通過(guò)在x軸和y軸方向引入點(diǎn)缺陷，并在z軸方向引入線缺陷，在單個(gè)聲子晶體結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了能夠測(cè)量三軸加速度的緊湊型諧振傳感架構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)探討了基于三維聲子晶體的加速度傳感器的設(shè)計(jì)、建模和性能，強(qiáng)調(diào)了其高靈敏度的潛力。與依賴(lài)多個(gè)單軸傳感器組裝的傳統(tǒng)三軸加速度計(jì)相比，該方法提供了更緊湊和結(jié)構(gòu)集成的解決方案，并降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。憑借其高靈敏度和可擴(kuò)展性，這種基于聲子晶體的三維加速度計(jì)顯示出與電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）或壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）集成的巨大潛力，從而能夠開(kāi)發(fā)用于慣性傳感和相關(guān)應(yīng)用的緊湊型高性能微系統(tǒng)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01390-2
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