上海微系统所开发面向MEMS振动传感器的耐高温IEPE电荷放大器
中国科学院上海微系统所
传感器技术全国重点实验室
MEMS工艺与先进传感器课题组
近日，上海微系统所传感器技术全国重点实验室在面向高温应用的MEMS压电振动传感器的IEPE电荷放大器方面取得进展。开发的高温IEPE MEMS振动传感器实现了在175℃下，-3dB下限频率为0.24Hz，灵敏度为2.24mV/g@1000Hz，噪声谱密度为10μV/√Hz@10Hz，等效噪声为≤0.0278grms。相关研究工作以“High Temperature IEPE Charge Amplifier with Enhanced Low Frequency Performance for MEMS Piezoelectric Accelerometer”为题发表于传感器领域SCI期刊IEEE Sensors Journal。论文第一作者为上海微系统所的张家昌博士研究生，通信作者为汪洋副研究员和武震宇研究员。
研究背景
高温振动测量对于大型系统的结构健康监测至关重要，在此类系统中，压电振动传感器用于确保在恶劣环境条件下实现精准检测，例如航空航天、深地深海、工业应用等场景。尽管MEMS压电振动传感器在尺寸、集成度和批量制造方面具有显著优势，但在高温环境下相较传统IEPE振动传感器，尚缺乏精确适配MEMS器件的高温 IEPE 前端放大器。针对这些问题，本研究实现了IEPE MEMS高温振动传感器在175°C下稳定运行。
研究亮点
本工作基于耐高温压电薄膜设计和制备了MEMS压电振动传感器芯片，并集成封装了耐175 °C的IEPE电荷放大电路(图1)。
图1 (a) 压电MEMS振动传感器芯片；(b)工作温度达175°C IEPE MEMS 振动传感器。
为了解决MEMS传感器芯片适配IEPE前端放大器问题，本文提出的IEPE放大器采用电荷模式架构（图2.a），通过反馈电容与超高阻反馈电阻构成电荷-电压转换环节，使输出灵敏度主要由反馈元件决定，而不依赖于传感器本身静电容，从而大幅降低了温度变化带来的性能波动（图2.b）。与电压模式相比，电荷模式对 MEMS 压电器件更具兼容性，并展现出更稳定的低频性能（图2.c）以及更好调控不同灵敏度的振动传感器（图2.d）。
图2 (a)IEPE放大器电荷模式架构。在电荷模式下，(b)振动传感器的灵敏度和下限截止频率随压电静态电容的变化；(c) 振动传感器的下限截止频率随压电静态电阻的变化；(d) 振动传感器的灵敏度与偏置电压随反馈电容的变化。
为了解决振动传感器的高温下低频特性差问题，首先建立了包含温度参数的灵敏度–带宽模型与等效噪声模型。研究发现，温度升高导致器件静电阻下降、JFET 栅极电流增加，从而使低频响应退化(图3.a)。同时，传感器低频噪声主要来源于闪烁噪声(1/f噪声)、偏置电阻热噪声和电热噪声的影响(图3.b)。为解决这一问题，本文通过对JFET器件的栅极漏电流、跨导等参数进行优选，并对 JFET 进行参数提取与标定，获得其零温度系数（ZTC）工作点(图3.c)，并在此基础上优化偏置电阻与反馈参数，最终实现了高温下振动传感器具有良好的低频特性。
图3 (a) 放大器在不同JFET栅极漏电流下的低频响应；(b) IEPE振动传感器各噪声源的理论电压谱密度曲线；(c) JFET零温度系数(ZTC)特性；(d) IEPE放大器的频率响应随温度变化曲线。
为了解决在高温条件下振动传感器低频信号难以评估的问题，传统低频振动台行程受限，且难以施加高温条件使得 MEMS 振动传感器在低频段准确测试。为此，本文提出了电激励放电时间常数（EEDTC）测试方法，利用逆压电效应激励下产生电荷（图4.a），并测量电荷放电时间（图4.b）实现高温低频响应表征。
图4 (a)EEDTC测试系统的原理示意图; (b)30℃和175℃下EEDTC测试放电时间对比。
研究团队实现了IEPE MEMS高温振动传感器在175°C下稳定运行。最终测试结果表明：在175°C下仍保持-3 dB截止频率为0.24 Hz，灵敏度为2.24mV/g@1000Hz，噪声谱密度为10μV/√Hz@10Hz，等效噪声为≤0.0278grms。同时，长期可靠性实验显示，在175°C连续工作450小时后，室温灵敏度漂移仅±1.6%，证明了振动传感器的高温稳定性(图5)。
图5 IEPE MEMS振动传感器的(a)下限截止频率随温度变化曲线； (b) 在不同温度下电压噪声密度曲线；(c) 灵敏度温漂曲线；(d)灵敏度长期高温稳定性测试。
总结与展望
本文设计并制备了一种适用于MEMS压电振动传感器的高温IEPE电荷放大器，在175℃下实现了稳定的低频响应和优异的噪声性能，首次验证了 IEPE MEMS振动传感器在高温极端环境中的可行性。在未来，将实现电路与传感器的一体化设计，进一步提升该器件的小型化和可靠性，为高温 MEMS振动传感器在航空航天、能源及工业监测领域的应用奠定基础。
原文链接：
https://doi.org/10.1109/JSEN.2025.3596050
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