紧凑型三轴电容式 MEMS 加速度计 赋能高性能惯性导航等高精度应用

在各类惯性传感器中，加速度计因可精准测量加速度与振动占据重要地位，其中 MEMS 加速度计更是成为传统加速度计的核心替代方案。目前，将机械运动或加速度转化为电信号的技术路径多样，涵盖压阻式、压电式、热式和电容式等，而电容式加速度计凭借高灵敏度、优异的热稳定性、可测量恒定加速度的直流响应能力，以及低功耗等突出优势，成为该领域的研究与应用热点。

近期，伊朗科研人员研发出一款高性能紧凑型三轴电容式 MEMS 加速度计，器件尺寸仅为 0.65 × 0.65 mm²，在高灵敏度、低噪声与高精度（低非线性）三大核心性能维度实现了优异的综合表现，相关研究成果以 “Design and Simulation of a Compact Three-Axis Capacitive Accelerometer With Multiple Differential Proof Masses” 为题，发表于 IEEE Access 期刊。

这款三轴电容式 MEMS 加速度计的核心设计创新在于采用方形结构布局，能够最大化提升芯片面积利用率，大幅减少无效空白区域。器件搭载差分电容检测机制，针对不同轴向设计适配结构：x 轴与 y 轴采用梳齿电容结构，z 轴则为可动极板夹层式结构。同时，研发团队在 x 轴和 y 轴中分别引入两个独立的差分质量块，这一设计可有效抑制噪声、降低交叉轴灵敏度，进一步提升器件的整体检测灵敏度。

为验证该结构设计的可行性，同时实现 z 轴夹层式结构的工艺落地，研究人员提出了结合晶圆级封装的五掩模制备工艺。其中，针对横向（x/y 轴）的梳齿驱动结构，采用标准表面微机械加工工艺即可实现；而 z 轴传感器所需的刚性顶部固定电极，需通过异质集成方案完成，因此研究中引入了基于共晶键合的盖帽晶圆技术，保障了 z 轴结构的加工与性能实现。

研究人员通过仿真手段，对该加速度计在 ±2g、±4g 和 ±8g 的加速度范围内开展性能评估，仿真结果与理论计算结果呈现出良好的一致性。分析数据显示，在 2.5 V 偏置电压下，该器件 x、y、z 三个方向的输出电压灵敏度分别达 65 mV/g、65 mV/g 和 102 mV/g；布朗噪声在 x/y 方向约为 6.7 μg/√Hz，z 方向约为 2.5 μg/√Hz。器件设计精度优异，理想非线性度极低，仅为 0.02%~0.04%，即便考虑实际生产中的工艺公差，仍能保持较强的鲁棒性，误差可控制在 1.1% 以内。应力分析结果表明，该结构工作时产生的最大应力约为 3.9 × 10⁶ N/m²，远低于材料屈服强度，有效保障了加速度计的机械稳定性；x、y、z 三轴的谐振频率则分别为 2475 Hz、2473 Hz 和 2496 Hz，优异的灵敏度与精度表现，让其适配各类高精度惯性测量场景。

综上，电容式 MEMS 加速度计凭借高灵敏度、热稳定性佳等优势成为主流，科研人员研发出 0.65×0.65mm² 的紧凑型三轴款，采用方形布局提升芯片利用率，结合差分电容检测与双差分质量块设计，优化了灵敏度与抗干扰性。五掩模制备工艺实现结构量产，仿真验证其在多加速度范围下性能优异，非线性低、机械稳定，适配惯性导航等高精度场景。Coventor 软件可完成 MEMS 器件到系统级的全流程仿真，精准建模并优化工艺性能，是研发 MEMS 加速度计的高效工具！