[发明专利]一种MEMS准零刚度的弹簧振子结构

说明书

本发明公开了一种MEMS准零刚度的弹簧振子结构，包括：多组对称布置的弹簧单元，连接梁和检验质量；弹簧单元在重力作用下受到检验质量的重力产生的压应力和拉应力的作用后刚度接近为零；连接梁用于增大弹簧振子的交叉轴刚度。本发明中预应力由检验质量本身的重力提供，无需额外执行机，因此结构较简单。本发明中弹簧振子振动方向与预应力方向垂直，可用于加速度水平分量测量或者水平震动信号隔离。本发明通过多组受拉应力悬臂梁、受压应力悬臂梁串、并联构成全对称的结构形式，具有较好的交叉轴刚度比，建模、分析和设计较为简单。

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，更具体地，涉及一种由多个受轴向载荷的悬臂梁有机结合构成的全对称的MEMS准零刚度的弹簧振子结构。

背景技术

弹簧振子结构是加速度传感器、隔震器等系统中最常用的机械结构形式。对加速度传感器而言，较低的刚度能放大从加速度信号到检验质量的位移量的增益，有利于实现微弱加速度信号的检测；对隔震器而言，较低的刚度能增大可衰减环境震动的频带范围。因此，准零刚度结构对高精度加速度传感器和高性能隔震系统至关重要。

在传统高精度加速度传感器、隔震器中，利用几何非线性、正负刚度抵消、结构非线性等方法实现的准零刚度结构已经获得了广泛的应用。近几年，准零刚度结构开始被用于MEMS加速度传感器，在高灵敏度、高稳定性等方面展现独特优势。格拉斯哥大学率先利用欧拉梁的非线性效应在竖直方向实现MEMS准零刚度弹簧振子结构，并将其应用到MEMS重力仪中，实现地球重力潮汐的测量(Middlemiss.R.et al.Nature 531，614–617，2016)。类似的工作还包括(CN107092038B)、(Brahim.E.M.et al.MicrosystemsNanoengineering，5(60)，2019)等。这些传感器都依赖重力施加预应力，不能用作水平分量加速度测量。

专利文献CN110040680A及专利文献CN110078014A分别介绍了一种用热和静电力提供预应力施加到欧拉梁上实现准零刚度的方法，理论上既能测量水平方向加速度，又能测量竖直方向加速度；然而提供预应力的额外执行机的引入增大了系统的复杂度，带来了成本、功耗、自发热等方面问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种MEMS准零刚度弹簧振子结构，旨在解决现有技术中由于提供预应力的执行机是额外引入的导致系统结构复杂、功耗大的问题。

本发明提供了一种MEMS准零刚度的弹簧振子结构，包括：弹簧系统，连接梁和检验质量；弹簧系统在重力作用下受到检验质量的重力产生的压应力和拉应力，利用轴向压应力带来的负刚度效应抵消悬臂梁本身正刚度，将受压悬臂梁刚度调节至接近为零；连接梁用于增大弹簧振子的交叉轴刚度。

其中，弹簧系统包括多组对称布置的弹簧单元。

具体地，弹簧系统可以由四组或多组弹簧单元并联组成。

更进一步地，每组弹簧单元由一对或多对分别受压应力和拉应力的悬臂梁串联组成。

进一步优选地，每组弹簧单元包括：串联连接的受压应力悬臂梁和受拉应力悬臂梁，利用受受压应力悬臂梁与受受拉应力悬臂梁组合构成全对称结构形式，实现高交叉轴刚度比。

本发明实施例中，可以通过对弹簧振子结构的几何参数进行合理的设计使弹簧刚度或弹簧振子结构本征频率接近零。

作为进一步优选地，振子的质量为1ng～100g，悬臂梁长度为100nm～100μm。

其中，依据选定的振子质量和悬臂梁长度可在1nm～1mm范围内调节悬臂梁宽度实现准零刚度。

在本发明实施例中，弹簧振子结构还包括：外框架，外框架用于将弹簧振子结构固定于安装基座上。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：