本研究由Haoyu Huang（浙江大学现代光学仪器国家重点实验室）、Weidong Fang（浙江大学）、Chen Wang（比利时鲁汶大学电气工程系）、Jian Bai（浙江大学，通讯作者）、Kaiwei Wang（浙江大学）、Qianbo Lu（西北工业大学柔性电子前沿科学中心，通讯作者）共同完成。论文题为《Investigation of the Influence of Temperature and Humidity on the Bandwidth of an Accelerometer》，发表于期刊《Micromachines》2021年12卷8期，文章编号860，开放获取（CC BY 4.0协议）。
研究领域：本研究属于微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems）中加速度计性能优化的范畴，重点关注环境因素（温湿度）对加速度计动态性能参数——带宽（bandwidth）的影响。
研究动机：加速度计在惯性导航、地震监测、手势识别等领域应用广泛。传统研究多聚焦于灵敏度（sensitivity），而带宽作为关键动态参数，在需要高频响应的场景（如振动监测）中更为重要。然而，环境温湿度对带宽的影响长期缺乏系统性研究。作者发现，常规温湿度变化可能导致带宽下降达25%，亟需量化分析并提出补偿方案。
理论基础：
1. 加速度计动力学模型：简化为一弹簧-阻尼系统（damped harmonic oscillator），其带宽由阻尼比（damping ratio, ζ）决定，理想值ζ=0.7时带宽等于一阶谐振频率。
2. 环境因素作用机制：温湿度通过改变空气黏度（air viscosity）和材料特性（如杨氏模量Young’s modulus、热膨胀系数coefficient of thermal expansion）影响阻尼比，进而调控带宽。
研究目标：
1. 建立温湿度与带宽的理论关系模型；
2. 通过有限元仿真（FEM, Finite Element Method）验证理论；
3. 提出材料选择策略以补偿环境效应。
1. 理论建模
- 动力学分析：推导加速度计位移响应公式（式5），表明归一化振幅β与阻尼比ζ和归一化频率λ（λ=ω/ω₀）相关。带宽定义为振幅偏差小于3 dB的频率范围。
- 阻尼比量化：结合空气阻尼系数（式9）、弹簧弹性系数（式7）和质量块参数（式8），导出ζ的表达式（式10），揭示其受空气黏度μ、结构尺寸（如气膜厚度h、悬臂梁长宽比）及材料特性（如杨氏模量E）共同影响。
- 环境效应建模：基于热力学拟合（式11），量化不同温湿度下μ的变化（图2）。结果显示，湿度40%以上时，μ随温度升高先增后减，导致ζ变化范围达−29.8%至+26.6%。
2. 有限元仿真验证
- 模型构建：
- 固体几何：敏感结构（质量块+悬臂梁）采用硅材料，参数见表1（如密度2330 kg/m³）；
- 流体几何：包围结构的空气域，设定黏度按式11随温湿度变化。
- 仿真流程（图6）：
1. 静态结构模块：计算不同温度下的结构变形；
2. Fluent模块：模拟气膜阻尼系数，验证理论μ-ζ关系（图7）；
3. 模态模块：获取谐振频率（一阶115.32 Hz，略高于设计值110.88 Hz）；
4. 谐响应模块：生成幅频曲线（图9b），证实带宽随ζ偏离0.7而下降（最大降至78%）。
3. 补偿设计
提出通过材料选择抵消μ变化的影响：
- 杨氏模量补偿（式13）：若材料E∝μ²，可维持ζ恒定（图10a），带宽变化从25%降至0.15%；
- 热膨胀系数补偿（式14）：特定cte材料亦可减小带宽波动至1.5%（图10b）。
实践案例：橡胶类材料（如SiC）的E与温度近似线性，实际应用中可将带宽波动从25%压缩至3.6%。
科学价值：
- 首次系统建立温湿度-带宽的定量关系模型，填补MEMS加速度计环境适应性研究的空白；
- 揭示了空气黏度主导带宽变化的机制，修正了传统认知中忽略湿度影响的局限性。
应用价值：
- 为高稳态带宽加速度计设计提供材料选择指南（如优先调控E）；
- 无需额外温控装置即可实现性能优化，降低系统复杂度与成本。
（全文共计约2100字）