微机电系统（MEMS）力传感器因其能够在微尺度上精确测量力而受到广泛关注。这类传感器具有广泛的应用领域，包括材料科学、流体动力学、生物力学以及质量传感。随着科学实验中对精确力测量的需求不断增加，高精度力传感器已成为提高研究能力和推动创新的重要工具。此外，MEMS传感器集成到复杂实验装置中的潜力以及与微尺度环境的兼容性使其成为探索自然过程和控制工程系统不可或缺的组件。

近期，西安交通大学韦学勇教授课题组报道了一种高精度谐振式MEMS力传感器，并建立了一套配备视觉检测系统的微操作系统，用于校准和材料力学性能测试。由于所设计的力传感器具有超高分辨率，因此通过使用由校准位移补偿的静电力作为参考，开发了一种精确的校准技术。通过校准过程，在亚纳牛顿水平上的相对误差减小到0.1%，这在分析和实验上都得到了充分的研究。校准结果表明，所提出的力传感器具有20.13 pN的分辨率和4.9 pN/√Hz@1Hz的低噪声水平。该力传感器的测量动态范围可达120 dB。通过测量原子力显微镜（AFM）探针的刚度，证明了该力传感器在评估微纳米材料力学性能方面的潜在应用，有助于纳米材料科学的探索。相关研究成果以“Design and characterization of a piconewton MEMS force sensor”为题发表在Measurement期刊上。

该MEMS力传感器的工作原理是测量由施加的力引起的机械谐振器谐振频率的变化。该力传感器由两个灵敏的双端固支音叉（DETF）组成。当外力Fin施加到传感器上时，通过两级杠杆作用将其放大，这会导致谐振结构中轴向力的变化，从而改变其固有频率。通过将样品制备成预期形状，如下图所示，即可进行材料的弯曲和扭转刚度测试。

研究人员提出了一种基于有限元模型（FEM）与粒子群优化算法（PSO）相结合的MEMS传感器通用优化方法。该优化方法能够在有限芯片尺寸下，高效获取传感器的最优设计参数。与初始参数相比，利用优化方法实现了5倍的灵敏度提高。

（a）MEMS力传感器的有限元模型；（b）灵敏度优化过程；（c）dv1、dv2和灵敏度随迭代次数的变化。

所设计的MEMS力传感器采用“玻璃上硅（Silicon-on-Glass）”工艺制作，如下图所示。

由于所设计的MEMS力传感器具有超高分辨率，因此通过使用由校准位移补偿的静电力作为参考，开发了一种精确的校准技术。静电力校准配置可以集成到传感器芯片中，有效地降低了力传感器校准的复杂性。通过实验和理论分析，研究了静电力校准产生的误差。通过校准力传感器的位移灵敏度，其静电力校准产生的相对误差可以降低到0.1%以下，比补偿前低了两到三个数量级。

（a）基于校准获得的灵敏度，在不同直流电压下测量的静电力；（b）位移灵敏度补偿前后的相对误差。

所设计的MEMS力传感器能够测量20.14 μN的力，具有20.13 ± 0.89 pN的超高分辨率。该传感器为微纳米材料测试和生物力学力分析等应用提供了有效的解决方案，展示了其在推进这些领域的研究和应用方面的潜力。

（a）静电力测量的实验分辨率；（b）传感范围校准。

总而言之，研究人员设计了一种具有皮牛顿分辨率的高精度MEMS力传感器。虽然该研究取得了一定的进展，但该力传感器主要用于微纳米材料的力学特性测试。因此，目前测量的力主要是准静态信号。可以开发专用电路，以提高力传感器的动态测量能力，并拓展应用场景。此外，在高激励下，DETF的动态响应表现出硬化杜芬（Duffing）效应。采用非线性抑制技术可以进一步提高传感器的分辨率。利用片上位移执行器可以进一步集成力传感器的校准功能。例如，特定结构通过电热膨胀来实现位移馈送。另外，可以进一步研究力传感器的长期使用自校准技术，以提高可用性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.measurement.2025.117482