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

增強加速度計的感測性能，能夠發揮其巨大的應用潛力，尤其是在地震監測、石油勘探、重力測量和高精度導航等領域。提高測量分辨率、降低噪音水平能夠增強這些應用的功能和檢測能力。為了實現MEMS加速度計高分辨率測量，業界探索了多種方案，包括降低彈簧剛度、增大檢測質量、提高品質因數、設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）效應的新方案，以提高MEMS加速度計的分辨率，實現近零剛度的設計。這種“反彈簧”機制可以分為兩類。第一類表現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加載。其靈敏度曲線在一定位移范圍內保持恒定，預加載可以通過被動方式實現（如重力），或通過使用內建執行器的主動方式實現。該機制可以達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生顯著的影響。

第二類通過調整彈簧機構的完整剛度-位移行為，在檢測質量的制造位置實現近零剛度。這種類型對制造缺陷的敏感性優于第一類，因為可以調整特征剛度曲線以補償公差。已有研究提出利用檢測質量上的相反靜電力來調整剛度。然而，通過靜電修調獲得的靈敏度增益受到吸合現象的限制。還有研究提出使用電熱執行器縱向壓縮薄梁，以誘發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行器，會導致其結構更加笨重且脆弱。

據麥姆斯咨詢介紹，黎巴嫩貝魯特美國大學、阿卜杜拉國王科技大學和魯汶大學的合作研究團隊提出了一種基于可調剛度彈簧機構的可調諧、高靈敏度MEMS加速度計。如下圖所示，可調彈簧機構由一組尺寸相同但曲率相反的對稱預成形梁組成。彈簧在敏感方向上的初始剛度，可以通過電加熱其結構來降低，直至達到近零剛度。由此，MEMS加速度計的靈敏度可以通過電熱調節彈簧機構的剛度來調整。

可調剛度機構及其原理

帶有可調剛度彈簧的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剛度機構作為彈簧，以調整、提高其靈敏度并改善性能。彈簧機構由平行連接到中間剛性結構的傾斜橫梁組成。這些橫梁具有曲率相反的類似結構，進行同等水平電加熱，以調節彈簧剛度，并實現近零剛度。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高靈敏度。研究人員通過實驗測量證明了這種可調彈簧概念，展示出與理論良好的一致性。實驗結果顯示一種原型的靈敏度提高了55倍以上，但仍有優化幾何形狀、改進測量設置和條件的空間，以實現更高的靈敏度增益。這種可調彈簧機構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。

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

審核編輯：劉清