基于自由形态梁结构的 MEMS 加速度计实验研究：静态/动态线性度优化与噪声性能提升验证

实验结果

图 4a、b显示了布局和制造结构，两者非常吻合。在静态和动态加速度条件下，对 FD 和 OD 的线性度进行了评估。图 5a 显示了 FD和 OD 在 ±lg范围内的静态线性比较。根据图5a所示的线性加速度方程，FD的灵敏度(比例因子)为0.964 V/g，而OD 的灵敏度为 0.400 V/g。非线性度的计算方法是，机械放大后的输出电压与最佳电压线的最大偏差占全量程测量值的百分比(-1至1g)。在此范围内，两种设计的放大输出的最大非线性度均为 3%。因此，弯曲的横梁不会影响AMPACC 的静态线性度。为了比较 FD 和 OD 的线性开环响应和动态范围，在机械振动器上对这两种设计进行了评估，加速度范围为0.5至7g，频率为 100 H2，步长为 0.58g。

如图 5b 所示，对于这两种设计，在土7g的满量程动态加速度下测得的满量程最大非线性度为 3%。因此，弧形梁也不会影响AMPACC 开环动态范围的线性度。在振动器系统上重复进行了频率响应测量。如图5c所示ED 的固有频率为 610 Hz，而 OD 的固有频率为 794 HZ。两种设计的测量共振频率都比模拟值低 13-16%，这可能是由于结构在制造过程中过度弯曲所致。不过，FD和OD的实测谐振频率比为 0.77，接近模拟值 0.75。FD 的带宽为444 赫兹，而 OD 的带宽为 534 赫玆。为了比较 F 和 OD 的跨轴灵敏度，在振动器上分别沿图1a所示的y熱和x种(y为感应轴)以100 Hz的频率对1g的加速度进行了测量。跨轴灵敏度是指沿x加速度下的输出电压占输出电压的百分比。

图 5

图 5d和e显示，FD和OD的跨轴灵敏度为1.35%(Y轴为0.96 V/g，OD为0.013 V/g)。图 5d、e显示，FD和OD的跨轴灵敏度分别为 1.35%(y 种0.96 V/g,x 貓0.013 V/g)和 1.5%(y轴040 V/g,x轴0.006 V/g)，相当接近。因此弯曲的横梁不会影响 AMPACC 的跨轴灵度。图 5f显示了 FD 和 OD 在输入参考噪声本底功率谱密度(PSD)方面的比较。PSD 中的大部分尖峰是电源频率噪声造成的，因为它们是 50 Hz的整数倍;这可以通过更好的屏蔽来缓解。在 100 至 650 Hz的频率范围内，FD 的输入参考本底噪声为 15 μg/V Hz，而 400 时 OD 的输入参考本底噪声为 60 Fg/VHz。因此，使用自由形态几何结构可将分辨率显著提高约4倍，这表明采用这种新设计方法可提高性能。不过，与最新技术相比，两种设计的本底噪声都相当高。这主要归因于拾取电路的电子噪声，因为使用的是带有分立元件的简单印刷电路板。