技術名稱 極低功耗之無鉛三軸壓電式MEMS加速規系統之開發
計畫單位 國立成功大學
計畫主持人 朱聖緣
技術簡介
加速規為感測慣性運動的電子元件,藉由加速度運動能量轉換為相對比例的電子信號以感測慣性運動。加速規可分成壓阻式、電容式、壓電式。壓阻式加速規容易受到溫度影響而產生誤差;電容式加速規易受電磁干擾、量測頻寬窄且電容式電路不易製作;壓電式加速規則是具有精準度高、穩定性高、功耗低、結構簡單、高頻寬,且不需要外加激發電源及電荷放大器等優勢。其中壓電式又分為塊材型加速規及MEMS加速規,塊材式加速規其體積及重量過大,而MEMS加速規具有靈敏度高、性能均一、成本便宜及可批次生產等優點,因此後者較符合目前市場趨勢。

三軸加速規相對單軸加速規因其量測範圍廣泛,可以感測XYZ三軸的振動、傾斜度、旋轉度及方向,所以在市場上較具有商業價值,目前三軸加速規產品主要以電容式及含鉛塊材型的壓電式為主,由於電容式以及含鉛塊材型的壓電式具上述等缺點,所以開發無鉛壓電MEMS三軸加速規極具發展潛力,但由於無鉛壓電材料之壓電係數d33值不佳,所以過去尚未有無鉛壓電MEMS三軸加速規開發成功,因此提升材料之d33值成為開發元件之最關鍵技術。

本團隊以新型摻雜於ZnO無鉛材料,並透過極化和退火等製程來強化材料壓電特性,與去年開發之無鉛材料LZO(ZnO摻雜Li)相比,其壓電係數d33值從22.85pm/V提高至80pm/V以上,並且採用ANSYS有限元素分析法模擬出最佳元件結構,成功開發全球第一個無鉛壓電MEMS三軸加速規,並且整合本團隊所開發之低功耗讀取電路,建立物聯網時代所需之智慧整合感控系統。

讀取電路方面則是讀取壓電加速規輸出的電荷訊號,由於此電荷會跟著時間變動,因此可以等效於電流訊號。利用類似於電流鏡的架構的形成轉阻的電路架構,也就是將電流轉成電壓,在經過反向放大器做訊號的放大,最後送入後端操作速度100KS/s、10位元的逐漸趨近式類比數位轉換器做電壓的解析,並輸出數位碼。相比於傳統架構,類似於電流鏡的讀取電路有較少的電流路徑,因此可以大幅減少功耗。
科學突破性
本團隊開發新型摻雜於ZnO無鉛壓電材料,透過極化薄膜和退火等製程來強化材料壓電特性,並利用ANSYS有限元素分析法模擬出最佳元件結構,成功首創開發無鉛壓電MEMS三軸加速規,並且整合本團隊所開發的電流鏡架構之低功耗讀取電路,建立物聯網時代所需之智慧整合感控系統。
產業應用性
本團隊已成功首創MEMS三軸無鉛壓電加速規感測系統,具有節能環保及高性能等優點,並且已經可實際應用於無人載具及工具機之安全監控,除此之外,三軸加速規可以應用於定位系統、車聯網、汽車安全防護系統及老人安全防護系統,因此在感測器蓬勃發展及環保節能的現代,無鉛壓電MEMS三軸加速規極具商業潛力。
關鍵字 無鉛 壓電 MEMS 三軸加速規 感測器 低功耗 環保 物聯網 轉阻電路 逐漸趨近式類北數位轉換器
備註
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  • 李承穎
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