采用可调电热微梁的近零刚度MEMS加速度计

MEMS加速度计正越来越多地应用于各种移动和测试设备，以测量运动、冲击和振动。它们的应用场景非常广泛，包括水、陆、空及太空飞行器的惯性导航，以及地震监测、石油勘探、智能手机、可穿戴设备、健康监测、振动监测和冲击传感等。MEMS加速度计有多种设计方案，提供不同的灵敏度、分辨率、动态范围和频率响应特性，以满足不同的应用需求。尤其是可调谐MEMS加速度计，可以在多种工作模式下执行感测功能，适应多种要求各异的应用。

增强加速度计的感测性能，能够发挥其巨大的应用潜力，尤其是在地震监测、石油勘探、重力测量和高精度导航等领域。提高测量分辨率、降低噪音水平能够增强这些应用的功能和检测能力。为了实现MEMS加速度计高分辨率测量，业界探索了多种方案，包括降低弹簧刚度、增大检测质量、提高品质因数、设计低噪声读出电路以及采用高灵敏度换能器等。

最新的一项研究引入了一种基于反弹簧（Anti-spring）效应的新方案，以提高MEMS加速度计的分辨率，实现近零刚度的设计。这种“反弹簧”机制可以分为两类。第一类表现出的近零刚度与制造时的配置相差较大，因此需要在制造后进行预加载。其灵敏度曲线在一定位移范围内保持恒定，预加载可以通过被动方式实现（如重力），或通过使用内建执行器的主动方式实现。该机制可以达到的刚度极限受到制造公差的限制，而制造公差会对灵敏度曲线产生显著的影响。

第二类通过调整弹簧机构的完整刚度-位移行为，在检测质量的制造位置实现近零刚度。这种类型对制造缺陷的敏感性优于第一类，因为可以调整特征刚度曲线以补偿公差。已有研究提出利用检测质量上的相反静电力来调整刚度。然而，通过静电修调获得的灵敏度增益受到吸合现象的限制。还有研究提出使用电热执行器纵向压缩薄梁，以诱发屈曲并改变其横向刚度。然而，在MEMS加速度计的悬置运动部件上添加笨重的执行器，会导致其结构更加笨重且脆弱。

据麦姆斯咨询介绍，黎巴嫩贝鲁特美国大学、阿卜杜拉国王科技大学和鲁汶大学的合作研究团队提出了一种基于可调刚度弹簧机构的可调谐、高灵敏度MEMS加速度计。如下图所示，可调弹簧机构由一组尺寸相同但曲率相反的对称预成形梁组成。弹簧在敏感方向上的初始刚度，可以通过电加热其结构来降低，直至达到近零刚度。由此，MEMS加速度计的灵敏度可以通过电热调节弹簧机构的刚度来调整。

可调刚度机构及其原理

带有可调刚度弹簧的MEMS加速度计示意图

MEMS加速度计芯片

综上所述，这项研究成果在MEMS加速度计中采用了一种可调刚度机构作为弹簧，以调整、提高其灵敏度并改善性能。弹簧机构由平行连接到中间刚性结构的倾斜横梁组成。这些横梁具有曲率相反的类似结构，进行同等水平电加热，以调节弹簧刚度，并实现近零刚度。通过电加热降低弹簧刚度来提高MEMS加速度计的灵敏度，并在近零刚度时实现高灵敏度。研究人员通过实验测量证明了这种可调弹簧概念，展示出与理论良好的一致性。实验结果显示一种原型的灵敏度提高了55倍以上，但仍有优化几何形状、改进测量设置和条件的空间，以实现更高的灵敏度增益。这种可调弹簧机构的原理可推广到多种类型的MEMS加速度计，并能通过不同类型的换能器来实现。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00657-w

审核编辑：刘清