上海微系统所研发耐高温MEMS压电振动传感器：免校准、低温漂
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（简称：上海微系统所）传感器技术全国重点实验室在耐高温MEMS压电振动传感器方面取得重要进展，研发的振动传感器具有大量程、宽频带、高线性度，并通过热应力隔离设计将传感器温漂减小16倍，灵敏度温度系数低至0.015%/℃，从而无需额外的补偿电路校准即可实现200℃极端环境下的稳定振动监测。相关成果以“Calibration-free Low-Drift MEMS Piezoelectric Accelerometer for High-Temperature Vibration Monitoring”为题发表于测量领域知名SCI期刊《Measurement》，论文的第一作者为博士研究生张程，通信作者为汪洋副研究员和武震宇研究员。
研究背景
随着科学技术的进步，测控技术对现代信息社会的影响越来越大。可靠和稳定地感知振动、冲击等物理和机械参数，是智能控制系统和自动化工业的关键一环。MEMS压电振动传感器具有工作频带宽、响应速度快、量程大、批量一致性高等优势，但是，在工业、深地、航天等环境中，常常需要传感器工作于高温极端条件下并保持性能稳定。针对这一问题，上海微系统所研究团队聚焦热稳定传感材料和热应力隔离设计，研发适用于高温振动监测的低温漂MEMS压电振动传感器。
研究亮点
本工作通过MEMS压电工艺制备了AlScN测试结构（图1）。基于该结构，表征了压电薄膜室温至600℃的晶格取向与结晶质量，以及压电系数和机电耦合系数的温度特性，如图2所示。从室温至600℃， (002)方向的压电晶向十分稳定，半峰宽的变化小于0.03°，没有发生任何相变，压电材料由常温至200℃压电系数d33约为8.5±0.5pC/N，说明其压电效应具有良好的温度稳定性。同时在空气环境中对200℃时的机电耦合系数进行300小时长期稳定性的测试，进一步证明了其良好的温度稳定性。
图1 AlScN压电材料测试结构
图2 AlScN压电材料高温特性：（a）原位变温XRD；（b）原位变温摇摆曲线；（c）半峰宽随温度的变化；（d）压电系数d33随温度的变化；（e）机电耦合系数长期热稳定性。
设计了MEMS压电振动传感器，结构如图3所示。当外部振动激励施加到质量块上时，悬臂梁发生受迫拉伸与收缩，压电层内部产生应变，引发极化反应，从而在压电层的上下表面感应出正负电荷，将机械能转化为电能，从而实现振动传感。
图3 MEMS压电振动传感器：（a）顶视图；（b）底视图；（c）截面图；（d）传感原理；（e）实物图。
在性能表征方面，图4(a)显示了振动传感器在3 Hz至20 kHz频率范围内1 g的外部加速度下的频率响应。可以观察到，振动传感器在高达约 8000 Hz 频率范围内表现出相对平坦的响应。图4(b)显示了振动传感器的量程和线性度，其在500g大量程下仍具有非常良好的线性度，非线性误差仅为0.14%。根据拟合曲线的斜率表明该传感器的灵敏度约为0.59pC/g。图4(c) 显示了振动传感器在垂直于灵敏轴的360°平面内，最大横向灵敏度仅为1.08%，特别适用于恶劣环境下的振动监测。
图4 MEMS压电振动传感器性能测试：（a）频率响应；（b）线性度及量程；（c）横向灵敏度。
通常情况下，MEMS传感器在宽温域环境下会受到封装热应力的影响，导致器件刚度随温度而变化，从而使器件性能发生温漂。为解决这一问题，本研究团队设计加工了应力隔离结构(图5)，从而减小传感器温漂。
图5 （a）应力隔离结构三维模型；（b）优化前后截面示意图；（c）带有应力隔离结构的MEMS振动传感器实物图。
通过高温振动测试系统对传感器的温漂进行了表征(图6)。由于粘接剂固化温度为200℃，所以在200℃附近为零热应力，有无隔离结构的传感器在200℃附近性能相近。应力隔离后，传感器的谐振频率温漂由25%降低至1%，灵敏度温漂由-40.4%降低至2.6%，减小了约16倍。有应力隔离的传感器灵敏度温漂系数仅为0.015%/℃。将有无隔离结构的传感器放入加热炉中，并承受恒定的 1 g 振动载荷，在室温和200℃下测得的时域信号如图6(c)(d)所示。结果显示，添加应力隔离结构的传感器在很宽的温度范围内保持稳定的性能，无需额外校准电路即可实现稳定的振动监测。
图6 MEMS压电振动传感器：（a）谐振频率；（b）灵敏度随温度的漂移；（c）（d）有无隔离结构的MEMS振动传感器在室温及200℃测得的时域振动信号。
总结与展望
本工作使用热稳定的压电材料，并通过应力隔离结构，设计制造了宽频带、大量程、低温漂MEMS压电振动传感器，在工业极端环境振动监测领域具有重要的应用前景。未来，研究团队将进一步完善传感器的封装制备工艺。除此之外，还将在传感器中集成信号调理电路，形成IEPE通用接口，提高在极端环境下信号远距离传输的鲁棒性。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.measurement.2025.118694
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