华科大 × 清华联合研发：三维声子晶体三轴加速度计

三轴加速度计已被广泛应用于消费电子、汽车电子、工业控制、航空航天等领域。然而，传统的高灵敏度三轴加速度计主要依赖于多个单轴传感器的组装，这导致了器件尺寸的增加及结构的复杂化。基于声子晶体（PnC）的加速度传感机制因其谐振腔的高品质因数（Q-factor），在高灵敏度检测方面展现出巨大潜力。

近日，华中科技大学和清华大学的研究团队提出了一种基于三维声子晶体的新型三轴加速度计。研究团队通过在x、y方向引入点缺陷，并在z方向引入线缺陷，实现了一种紧凑型三轴加速度检测谐振传感结构。利用有限元方法（FEM）分析了所提出的三维声子晶体的频带特性和传输特性，数值和实验结果均证明了所提出方法在高灵敏度三轴加速度传感方面的可行性和有效性。相关研究成果以“A novel high-sensitivity triaxial accelerometer based on 3-D phononic crystals"为题发表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。

• 三维声子晶体加速度计传感原理

本文所提出的三维声子晶体加速度计由两个主要部件组成：声学模块和机械模块。声学模块包括一块固定的声子晶体薄板和一块可移动的声子晶体薄板，而机械模块由一个测试质量块、四根折叠梁和四个锚点组成，如图1a所示。在声子晶体区域中，结构由周期性排列的十字形声子晶体单元组成，如图1b所示。图1c为声子晶体的俯视图，其中在x-y平面上引入了一个点缺陷（1 mm × 1 mm）。相应地，图1d所示的侧视图，沿z方向构建了一条线缺陷（0.4 mm）。通过这种缺陷工程策略，沿着x、y、z三个正交方向形成了声学谐振腔。

当锚定在测试质量块上的声子晶体受沿x、y和z轴方向的加速度作用时，结构会发生相应的位移。这些位移导致点缺陷和线缺陷有效长度的变化，进而引起声学腔体的谐振频率发生偏移。因此，通过监测声子晶体谐振器的谐振频率变化，即可实现三轴加速度传感。

• 机械模块

如图1a所示，机械模块由一个质量块和四根折叠梁构成。平行于x、y和z轴的加速度会使测试质量块在相应方向位移。为了更深入地了解振动模式对加速度工作带宽的影响，使用COMSOL软件建立了有限元模型。图2展示了声子晶体器件的前三种机械振动模式，其对应的谐振频率分别为19.05 Hz、37.93 Hz和38.56 Hz。在模态分析中，四个锚点和固定声子晶体被固定，可动声子晶体薄板和测试质量块处于自由状态。如图2的数值结果所示，前三种机械振动模式分别对应于沿y、x、z轴的平移运动。

• 三维声子晶体的频带结构

如图3a所示，立方晶格的不可约布里渊区（BZ）由浅蓝色轮廓线表示。图3b展示了通过有限元方法计算得到的频带结构，频率范围为0 kHz至400 kHz。

• 传输特性和谐振行为

为了在降低计算成本的同时评估超声波在有限厚度声子晶体薄板中的传输情况，沿波传播方向构建了准三维模型，如图3c和图3e所示。如图3c所示，构建了9 × 1 × 9准三维声子晶体缺陷模型，用于模拟沿z轴的声波传输。此外，图4对比了线缺陷和点缺陷结构的谐振特性。如图4a和图4c所示，线缺陷谐振的透射峰相对较宽，其品质因数（Q-factor）约为17，而点缺陷谐振的透射峰明显更尖锐，其品质因数高达159。相对于线缺陷结构而言，点缺陷结构在声子晶体晶格内部形成了更局域化的声学微腔，提供了更强的声场约束，并抑制了能量向周围结构的泄漏。因此，点缺陷谐振表现出更高的品质因数和更强的谐振局域化。相应的声压场分布如图4b和图4d所示。

在所提出的三轴传感结构中，点缺陷局域化模式由于具有较强的横向变形敏感性和高度受限制的声学局域化，主要作为平面内x轴和y轴加速度的传感通道。沿着x、y和z方向分别施加加速度，模拟结果表明，缺陷带的频率随着施加的加速度而发生偏移，如图5所示。

除了谐振频率偏移之外，还通过分析定向加速度激励下品质因数的演变，进一步研究了加速度载荷对声子晶体缺陷腔谐振特性的影响。模拟结果总结如图6所示。

为了评估所提出的三维声子晶体加速度计的跨轴耦合行为，在x、y和z轴上分别施加定向加速度载荷，并从模拟透射光谱中提取平面内局域模式（xy模式）和平面外模式（z模式）的谐振频率偏移。相应结果总结如图7所示。结果表明，所提出的三维声子晶体结构通过缺陷模式局域化，既提供了主轴灵敏度，又降低了跨轴耦合，但仍不可忽略。

• 器件性能分析

随后，研究人员对该三维声子晶体加速度计进行了静态校准。图8a为发射的超声信号。其频域特性如图8b所示。图8c为测得的参考信号以及通过声子晶体传输的信号。随后利用这些频谱对测得的透射响应进行归一化处理，如图8d至图8i所示。

利用振动标定平台，对所提出的声子晶体器件的动态响应特性进行了实验研究，相关结果如图9所示。图10展示了该声子晶体器件的噪声性能与长期稳定性。

用于对基于PnCs的加速度传感器进行静态校准的实验装置如图11所示。该PnCs器件采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S140，精度：10 μm）制备而成。为表征沿不同方向的透射响应及加速度灵敏度，建立了超声波浸入式透射测量系统（如图11a所示），相应的实验照片展示于图11b中。在该测量系统中，采用信号发生器产生高斯脉冲激励信号，该信号随后经高压放大器放大后施加至发射式超声波换能器。研究分别采用中心频率为200 kHz和160 kHz的超声波换能器对x轴及y/z轴响应进行表征。

总结：这项研究通过在x轴和y轴方向引入点缺陷，并在z轴方向引入线缺陷，在单个声子晶体结构中实现了能够测量三轴加速度的紧凑型谐振传感架构。研究团队探讨了基于三维声子晶体的加速度传感器的设计、建模和性能，强调了其高灵敏度的潜力。与依赖多个单轴传感器组装的传统三轴加速度计相比，该方法提供了更紧凑和结构集成的解决方案，并降低了系统复杂性。凭借其高灵敏度和可扩展性，这种基于声子晶体的三维加速度计显示出与电容式微机械超声换能器（CMUT）或压电式微机械超声换能器（PMUT）集成的巨大潜力，从而能够开发用于惯性传感和相关应用的紧凑型高性能微系统。