“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。
据麦姆斯咨询报道，近期，上海科技大学吴涛研究员与中国科学院上海微系统与信息技术研究所陈方研究团队提出了一种新型反弹簧结构MEMS加速度计设计，在无需较大偏置力和位移的条件下实现准零刚度效应（如图1）。该反弹簧结构由两个尺寸相同的预成形弯梁构成，这些梁在中部连接到一个刚性结构。通过理论与仿真优化几何参数，显著减少了对实现准零刚度（0.2N/m）的偏置力（18.8 μN）和位移（1.6 μm）的需求，与现有设计相比，所需的偏置力和位移降低了一个数量级。
此外，将该结构集成至尺寸仅为20.58 mm²的电容式MEMS加速度计之中（如图2），验证该结构的实际应用效果。静电偏置后，MEMS加速度计的灵敏度提高了10.4%，噪声降低了10.5%，实验结果与仿真结果一致。这些结果表明，这一创新方法为MEMS加速度计性能的提升和小型化提供了一条可行的路径。上述研究成果以“A Miniaturized MEMS Accelerometer with Anti-Spring Mechanism for Enhancing Sensitivity“为题已被Microsystems & Nanoengineering期刊接收，并且进一步的研究成果被IEEE MEMS 2025选为口头报告。
图1 新型反弹簧结构设计及其原理
图2 新型反弹簧结构MEMS加速度计示意图及其力-位移曲线
这项研究通过对弯曲梁的力学建模，研究了不同几何参数（高宽比）对梁的力学特性影响，推导了实现准刚度系数的关键几何参数（高宽比）为1.155，相关结果如图3所示。
图3 新型反弹簧结构的理论力学特性
同时，通过有限元仿真验证了几何参数（高宽比）对结构力学特性的影响，仿真结果表明，仿真解与理论解一致，反弹簧结构的刚度系数随宽高比增大先降低后增大，成功验证了理论推导的几何参数（高宽比=1.155）实现准零刚度系数（0.03 N/m）的有效性，相关结果如图4所示。
图4 新型反弹簧结构的仿真与理论力学特性
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，通过仿真得到加速度计力-位移曲线，结果表明，该MEMS加速度计的刚度系数从22.7 N/m降低至0.2 N/m，偏置力和偏置位移分别为18.8 μN和1.6 μm，相关结果如图1所示。图5展示了新型反弹簧结构MEMS加速度计的工艺流程。
图5 新型反弹簧结构MEMS加速度计工艺流程
图6为新型反弹簧结构MEMS加速度计的接口电路和测试平台，图6a和b为该MEMS加速度计接口电路的原理以及实物。研究人员利用该平台对该新型反弹簧结构MEMS加速度计性能进行了测试。图7显示了新型反弹簧结构MEMS加速度计性能测试结果，包括频率响应、灵敏度、噪声以及零偏不稳定性。
图6 新型反弹簧结构MEMS加速度计接口电路以及实验装置
图7 新型反弹簧结构MEMS加速度计性能测试结果
综上，这项研究成果提出了一种新型反弹簧结构，用于在实现电容式MEMS加速度计小型化的同时增强其灵敏度。该机制由两个固支并联连接的预成形弯曲梁组成，可以通过较小的偏置力和位移实现“准零刚度”，这已通过理论建模和有限元仿真得到验证。将该结构应用于电容式MEMS加速度计之中，实现了灵敏度提升10.4%，噪声底降低10.5%，以及偏置不稳定性减少4.2%。原型的紧凑尺寸（4.2 mm x 4.9 mm）展示了其在更广泛应用中的灵活性和易集成潜力。
此外，通过进一步优化结构设计，将该MEMS加速度计的偏置力降低至11.78 μN，通过静电力将MEMS加速度计偏置于最低刚度系数位置，实现了88.29%的刚度系数降低，刚度系数仅为1.71 N/m，相关结果如图8所示。结合低噪声ASIC芯片，搭建了一套高精度测振系统，实现了500 ng/√Hz（at 1-10 Hz）的低本底噪声，并在地震检测实验中成功测量到了地震波信号，相关结果如图9所示。进一步详细研究成果将在IEEE MEMS 2025国际会议上进行口头报告。
图8 新型反弹簧结构MEMS加速度计的力学特性测试
图9 新型反弹簧结构MEMS加速度计的噪声性能测试
论文信息：
DOI: 10.1038/s41378-024-00826-x
延伸阅读：
《TDK InvenSense惯性测量单元（IMU）IAM-20685产品分析》
《博世MEMS惯性测量单元（IMU）SMI240产品分析》
《村田MEMS惯性测量单元（IMU）SCHA634产品分析》
《消费类MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2022版》
