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

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

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

第二類通過調(diào)整彈簧機構(gòu)的完整剛度-位移行為，在檢測質(zhì)量的制造位置實現(xiàn)近零剛度。這種類型對制造缺陷的敏感性優(yōu)于第一類，因為可以調(diào)整特征剛度曲線以補償公差。已有研究提出利用檢測質(zhì)量上的相反靜電力來調(diào)整剛度。然而，通過靜電修調(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加速度計的懸置運動部件上添加笨重的執(zhí)行器，會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更加笨重且脆弱。

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

可調(diào)剛度機構(gòu)及其原理

帶有可調(diào)剛度彈簧的MEMS加速度計示意圖

MEMS加速度計芯片

綜上所述，這項研究成果在MEMS加速度計中采用了一種可調(diào)剛度機構(gòu)作為彈簧，以調(diào)整、提高其靈敏度并改善性能。彈簧機構(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似結(jié)構(gòu)，進行同等水平電加熱，以調(diào)節(jié)彈簧剛度，并實現(xiàn)近零剛度。通過電加熱降低彈簧剛度來提高MEMS加速度計的靈敏度，并在近零剛度時實現(xiàn)高靈敏度。研究人員通過實驗測量證明了這種可調(diào)彈簧概念，展示出與理論良好的一致性。實驗結(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、改進測量設(shè)置和條件的空間，以實現(xiàn)更高的靈敏度增益。這種可調(diào)彈簧機構(gòu)的原理可推廣到多種類型的MEMS加速度計，并能通過不同類型的換能器來實現(xiàn)。

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

審核編輯：劉清