IEEE MEMS2025 | 基于双非线性曲梁反弹簧机制的近零刚度MEMS加速度计

逍遥设计自动化

引言
! O2 b: c7 m% s, E- z8 P! O# M5 _随着科技的发展，高分辨率加速度计在惯性导航、地震监测等领域的应用日益广泛。微机电系统(MEMS)加速度计的出现极大地推动了这些领域的进步。然而，在保持小型化的同时实现高分辨率一直是MEMS加速度计设计中的主要挑战。
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+ j% g% r' Z1 Y, N+ h+ M* r+ K最新研究采用反弹簧效应来提高加速度计的灵敏度。这种创新设计运用双非线性曲梁来实现近零刚度，在小型化的基础上显著提升了性能[1]。

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图1展示了所提出的MEMS加速度计的示意图，包括(a)带有双曲梁反弹簧机制的整体结构，(b)反弹簧机制的细节，以及(c)在横向力作用下的梁偏转行为。
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理论与工作原理
1 p! H9 _- u% ^& o5 i- e这种加速度计的基本概念依赖于独特的机械结构，由两个夹持式预成型曲梁组成。这些曲梁在中点处平行连接到刚性转移块上。每个梁的初始形状遵循第一屈曲模态形状，具有特定的几何参数，包括深度、宽度、跨度和初始中点高度。

. [! t# r3 C% v4 h这些曲梁的机械行为主要由其几何特征决定，特别是高宽比(G)。当施加横向力时，梁会受到压缩，导致系统整体刚度显著降低。正是这种行为使加速度计具有高灵敏度。

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图2展示了(a)标准化力-偏转曲线和(b)标准化刚度-偏转曲线，这些曲线显示了在保持梁尺寸不变的情况下，不同高宽比对反弹簧机制的影响。

理论分析表明，轴向力和刚度分别在特定位置达到最大值和最小值。随着高宽比的增加，最大轴向力增加而最小刚度减小。值得注意的是，当高宽比达到特定值Gzero=1.155时，刚度可以达到零，这对于优化器件性能非常重要。
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  K# @" B; e' O. _图3呈现了具有特定尺寸的反弹簧机制的力-偏转和刚度-偏转曲线，对比了理论预测和有限元模拟结果。

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. T% q7 U: ~  G实现与实验结果
6 s  E9 `1 o, C+ w该加速度计采用25微米厚的SOI晶圆制造，使用高掺杂硅来降低载流挠性结构的电阻，从而提高电容检测的效率。

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图4显示了制造完成的MEMS加速度计的扫描电子显微镜图像，突出显示了其紧凑的芯片尺寸为4.2毫米×4.9毫米。

+ R; d5 @: j/ j! }1 X该器件包含差分电容器用于检测质量块位移，以及在质量块两侧的面积变化梳齿状偏置电容器。这些偏置电容器产生静电力，用于使反弹簧机制产生偏置。
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图5展示了器件在不同偏置电压下的行为：(a)零电压，(b)40V，(c)70V，以及(d)偏转变化和(e)刚度变化随电压范围的变化。
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性能测试显示了令人印象深刻的结果。初始刚度从0V时的14.3 N/m降低到60V时的1.74 N/m，刚度降低了88.29%。这种显著的降低是在保持极小的芯片尺寸（仅20.58平方毫米）的情况下实现的，使其尺寸比现有的反弹簧加速度计至少小六倍。

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图6显示了(a)加速度计的测量PSD，(b)测量的地震波信号，以及(c)在地震勘探过程中与标准地震仪的性能对比。
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  X( S' a# J# \( C0 G8 I  v性能与应用
该加速度计展现出优异的性能特征，在1-10赫兹范围内实现了500 ng/√Hz的噪声水平。在地震监测应用中，该器件成功检测到4赫兹时100 μg/√Hz的地震波信号，与标准地震仪的性能相当。

; q/ `) V5 x8 J% I这种创新设计相比传统方法具有多项优势。高灵敏度和小型化的结合使其特别适用于对空间有严格要求但需要高性能的应用场景。该器件在保持小型化的同时能够检测到微弱的地震波，代表了MEMS加速度计技术的重要进展。

- a- |$ m9 F4 f8 u; F  E该设计适用于多个应用领域：
& R6 B: f' t# b需要高精度的惯性导航系统
& l* G( R2 n/ Z! r+ G地震监测和地震勘探
重力测量
3 L' d/ [+ x0 ~/ v, z5 k: O+ i石油探测和勘探
3 M( t, m  a' M, u3 V$ j高分辨率运动感测

在不需要大偏置力和位移的情况下实现显著的刚度降低，是MEMS加速度计设计的重要突破，将推动新一代小型、高灵敏度运动传感器的发展。
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参考文献
[1] R. Xiong, L. Jin, X. Xu, W. Li, S. Du, Y. Wang, F. Chen, and T. Wu, "A novel near-zero stiffness MEMS accelerometer based on dual nonlinear curved beams anti-spring mechanism," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 19-23 January 2025, pp. 40-43.
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