用于增强单轴MEMS加速度计灵敏度的曲面电极结构设计与分析

本文对用于增强MEMS电容式加速度计灵敏度的弯曲电极几何形状进行了全面的解析与仿真研究。推导了平面可动电极与六种不同固定电极轮廓（双凸、双凹、凹凸、凸凹、平凸和平凹）之间的电容表达式，从而能够直接计算作为电极曲率和间隙位移函数的差分增益与灵敏度。随后，在相同的偏置和边界条件下，使用COMSOL Multiphysics进行的有限元仿真对这些解析模型进行了严格验证。仿真结果表明，在所有配置中，与解析结果的一致性偏差均小于7%。结果还揭示，双凸弯曲电极相较于平面电极能带来最大的灵敏度提升，且灵敏度随弧长单调递增，而凹面和平凹设计则表现出性能下降。此外，凹凸和凸凹配置还在输出电压中引入了极性反转，提供了额外的设计灵活性。重要的是，这些灵敏度的提升是在不改变器件整体体积尺寸或模块质量块尺寸的情况下实现的，从而能够实现更高分辨率的惯性传感。