采用可調(diào)電熱微梁的近零剛度MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)正越來(lái)越多地應(yīng)用于各種移動(dòng)和測(cè)試設(shè)備，以測(cè)量運(yùn)動(dòng)、沖擊和振動(dòng)。它們的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，包括水、陸、空及太空飛行器的慣性導(dǎo)航，以及地震監(jiān)測(cè)、石油勘探、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)和沖擊傳感等。MEMS加速度計(jì)有多種設(shè)計(jì)方案，提供不同的靈敏度、分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和頻率響應(yīng)特性，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。尤其是可調(diào)諧MEMS加速度計(jì)，可以在多種工作模式下執(zhí)行感測(cè)功能，適應(yīng)多種要求各異的應(yīng)用。

增強(qiáng)加速度計(jì)的感測(cè)性能，能夠發(fā)揮其巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在地震監(jiān)測(cè)、石油勘探、重力測(cè)量和高精度導(dǎo)航等領(lǐng)域。提高測(cè)量分辨率、降低噪音水平能夠增強(qiáng)這些應(yīng)用的功能和檢測(cè)能力。為了實(shí)現(xiàn)MEMS加速度計(jì)高分辨率測(cè)量，業(yè)界探索了多種方案，包括降低彈簧剛度、增大檢測(cè)質(zhì)量、提高品質(zhì)因數(shù)、設(shè)計(jì)低噪聲讀出電路以及采用高靈敏度換能器等。

最新的一項(xiàng)研究引入了一種基于反彈簧（Anti-spring）效應(yīng)的新方案，以提高M(jìn)EMS加速度計(jì)的分辨率，實(shí)現(xiàn)近零剛度的設(shè)計(jì)。這種“反彈簧”機(jī)制可以分為兩類(lèi)。第一類(lèi)表現(xiàn)出的近零剛度與制造時(shí)的配置相差較大，因此需要在制造后進(jìn)行預(yù)加載。其靈敏度曲線在一定位移范圍內(nèi)保持恒定，預(yù)加載可以通過(guò)被動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)（如重力），或通過(guò)使用內(nèi)建執(zhí)行器的主動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。該機(jī)制可以達(dá)到的剛度極限受到制造公差的限制，而制造公差會(huì)對(duì)靈敏度曲線產(chǎn)生顯著的影響。

第二類(lèi)通過(guò)調(diào)整彈簧機(jī)構(gòu)的完整剛度-位移行為，在檢測(cè)質(zhì)量的制造位置實(shí)現(xiàn)近零剛度。這種類(lèi)型對(duì)制造缺陷的敏感性?xún)?yōu)于第一類(lèi)，因?yàn)榭梢哉{(diào)整特征剛度曲線以補(bǔ)償公差。已有研究提出利用檢測(cè)質(zhì)量上的相反靜電力來(lái)調(diào)整剛度。然而，通過(guò)靜電修調(diào)獲得的靈敏度增益受到吸合現(xiàn)象的限制。還有研究提出使用電熱執(zhí)行器縱向壓縮薄梁，以誘發(fā)屈曲并改變其橫向剛度。然而，在MEMS加速度計(jì)的懸置運(yùn)動(dòng)部件上添加笨重的執(zhí)行器，會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更加笨重且脆弱。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，黎巴嫩貝魯特美國(guó)大學(xué)、阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)和魯汶大學(xué)的合作研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于可調(diào)剛度彈簧機(jī)構(gòu)的可調(diào)諧、高靈敏度MEMS加速度計(jì)。如下圖所示，可調(diào)彈簧機(jī)構(gòu)由一組尺寸相同但曲率相反的對(duì)稱(chēng)預(yù)成形梁組成。彈簧在敏感方向上的初始剛度，可以通過(guò)電加熱其結(jié)構(gòu)來(lái)降低，直至達(dá)到近零剛度。由此，MEMS加速度計(jì)的靈敏度可以通過(guò)電熱調(diào)節(jié)彈簧機(jī)構(gòu)的剛度來(lái)調(diào)整。

可調(diào)剛度機(jī)構(gòu)及其原理

帶有可調(diào)剛度彈簧的MEMS加速度計(jì)示意圖

MEMS加速度計(jì)芯片

綜上所述，這項(xiàng)研究成果在MEMS加速度計(jì)中采用了一種可調(diào)剛度機(jī)構(gòu)作為彈簧，以調(diào)整、提高其靈敏度并改善性能。彈簧機(jī)構(gòu)由平行連接到中間剛性結(jié)構(gòu)的傾斜橫梁組成。這些橫梁具有曲率相反的類(lèi)似結(jié)構(gòu)，進(jìn)行同等水平電加熱，以調(diào)節(jié)彈簧剛度，并實(shí)現(xiàn)近零剛度。通過(guò)電加熱降低彈簧剛度來(lái)提高M(jìn)EMS加速度計(jì)的靈敏度，并在近零剛度時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明了這種可調(diào)彈簧概念，展示出與理論良好的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示一種原型的靈敏度提高了55倍以上，但仍有優(yōu)化幾何形狀、改進(jìn)測(cè)量設(shè)置和條件的空間，以實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度增益。這種可調(diào)彈簧機(jī)構(gòu)的原理可推廣到多種類(lèi)型的MEMS加速度計(jì)，并能通過(guò)不同類(lèi)型的換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00657-w

審核編輯：劉清