西安交通大学的研究团队在微机电系统（MEMS）加速度计领域取得突破，研发出一款具有14 μHz/√Hz超高频率分辨率和32 μHz超低偏置不稳定性的MEMS石英谐振加速度计，在惯性制导、地震探测、可穿戴设备和智能机器人等领域有着广泛的应用前景，特别是在需要检测极微弱加速度信号的卫星控制和无人水下航行器等应用中。传统的MEMS加速度计，如基于电容的MEMS加速度计，虽然能够提供较高的分辨率和较宽的全量程，但在输出噪声水平上存在限制，尤其是在白噪声方面。这种白噪声主要来源于谐振器的布朗运动和电子背景噪声，而传统的补偿方法难以有效消除这种噪声，从而限制了加速度计分辨率的进一步提升。为了解决这些问题，研究者开始探索基于MEMS技术的谐振加速度计，这类加速度计通过调制输入加速度信号到载波频率，并输出敏感元件的谐振频率作为测量加速度。与基于幅度输出的加速度计相比，谐振加速度计可以获得更低的噪声水平，并且具备高分辨率、宽全量程、大动态范围以及良好的环境适应性，逐渐成为高分辨率MEMS加速度计研究的热点。然而，硅材料本身没有机电转换效应，需要额外的结构来驱动和检测谐振器，这限制了MEMS硅谐振加速度计的性能。因此，研究者寻求一种既方便驱动又方便检测的材料来制造理想的MEMS谐振器。单晶石英因其天然的压电效应而成为首选材料，它可以在表面放置电极并施加交流电压来驱动特定的模式，实现机电能量的高效转换，无需额外结构。西安交通大学的研究团队首次使用高性能前端电路从压电石英谐振器中提取运动电荷，这一拓扑结构消除了传统前端在增益、带宽和噪声之间的权衡问题。新提出的带通前端在振荡频率下提供了14.5 M的增益和0.04°的相位漂移，同时实现了低至30.5 fA/√Hz的输入参考电流噪声，这有助于提高加速度计的偏置稳定性和分辨率。为了调节环路带宽和补偿额外的相位漂移，研究人员设计了抗混叠相位移位器。此外，为了减少非线性效应引入的闪烁噪声，使用了幅度限制器来设定谐振器的工作点。
加速度计的敏感元件设计为一个通过力放大杠杆连接到谐振器的证明质量，当检测到加速度信号时，证明质量在惯性力的作用下对谐振器施加轴向力，通过杠杆结构放大，从而增加加速度计的量程因子。敏感元件采用差分谐振器结构，以抑制共模误差干扰。石英谐振器采用双端调谐叉（QDETF）结构，通过在石英晶体表面施加交流电压，利用其天然的压电效应驱动到特定模式，实现电能到机械能的高效转换，无需额外结构。
研究中还详细分析了石英谐振加速度计的相位噪声调制机制，并展示了前端性能是决定加速度计稳定性和分辨率的关键因素。提出的新型低噪声带通前端消除了传统前端在增益、带宽和噪声之间的权衡，测试结果表明，这种拓扑结构在振荡频率下提供了14.1 M的增益和0.04°的相位漂移，并且输入参考电流噪声低至30.5 fA/√Hz。
得益于优异的前端性能、精心设计的相位补偿和谐振器工作点，该MEMS石英谐振加速度计实现了14 μHz/√Hz的频率分辨率和32 μHz的频率不稳定性，对应于0.26 μg/√Hz的分辨率和0.59 μg的加速度偏置不稳定性，具有54.5 Hz/g的量程因子、552 Hz的带宽和±70 g的全量程，展现了先进的性能。
这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。研究成果发表在Microsystems & Nanoengineering上。
更多信息：Kai Bu, Cun Li, Hong Xue, Bo Li, Yulong Zhao. A 14 μHz/√Hz resolution and 32 μHz bias instability MEMS quartz resonant accelerometer with a low-noise oscillating readout circuit[J]. Microsystems & Nanoengineering, 2024, 10: 200. DOI: 10.1038/s41378-024-00849-4.
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