新型“准零刚度”反弹簧结构MEMS加速度计，灵敏度等性能指标获得提升

主要观点总结

本文介绍了一种新型反弹簧结构用于提高MEMS加速度计性能的研究。通过理论建模和有限元仿真，验证了新型反弹簧结构能够在无需较大偏置力和位移的条件下实现准零刚度效应。将其集成到电容式MEMS加速度计中，实现了灵敏度提升和噪声降低。该研究成果为MEMS加速度计性能提升和小型化提供了可行路径。

关键观点总结

关键观点1: 新型反弹簧结构的设计原理及优势

反弹簧结构由两个预成形弯梁构成，通过较小的偏置力和位移实现准零刚度。显著减少了偏置力和位移的需求，与现有设计相比降低了一个数量级。

关键观点2: 新型反弹簧结构在MEMS加速度计中的应用

将新型反弹簧结构集成到电容式MEMS加速度计中，验证其实际应用效果。静电偏置后，提高了加速度计的灵敏度和噪声降低。

关键观点3: 研究成果的验证与实验

研究通过对弯曲梁的力学建模和有限元仿真验证了新型反弹簧结构的力学特性。此外，将新型反弹簧结构集成到电容式MEMS加速度计中进行实验验证，包括频率响应、灵敏度、噪声以及零偏不稳定性的测试。

关键观点4: 研究的意义和前景

这项研究为MEMS加速度计性能的提升和小型化提供了可行路径。进一步优化结构设计，降低了偏置力，并结合低噪声ASIC芯片，成功搭建了高精度测振系统，在地震检测实验中成功测量到了地震波信号。

文章预览

“零刚度”高分辨率微机电系统（MEMS）加速度计理论上可实现诸多极端探测应用，例如重力测量和地震监测等。近年来，基于“反弹簧（Anti-spring）”效应的新理论及其实现方法被应用于实现MEMS加速度计的“准零刚度”，以达到更高分辨率的加速度测量。这一基础理论催生了几种准零刚度反弹簧结构的设计，并用于“加速度”物理量测量。这是由于反弹簧结构具有独特的力学特性，其刚度随位移增加而降低，通过引入轴向压缩力可以实现该效应；当位移发生时，轴向力产生反向作用力以抵消部分弹簧的恢复力，从而有效减小总刚度系数，实现“准零刚度”。但是，现有的反弹簧结构MEMS加速度计通常需要复杂的预加载机械结构或大质量体提供较大的偏置力，导致器件尺寸较大（10² mm²量级），从而增加MEMS器件制造难度，并且成本较高。 据麦姆斯咨 ………………………………