一种MEMS准零刚度的弹簧振子结构
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.Microsystems&Nanoengineering，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：
(1)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。
(2)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。
(3)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。
附图说明
图1是本发明实施例提供的MEMS准零刚度弹簧振子结构示意图。
图2是本发明实施例提供的受轴向应力作用的悬臂梁在横向力作用下变形示意图。
图3是本发明实施例提供的MEMS准零刚度弹簧振子结构物理模型图。
图4本发明实施例提供的基于相似原理的MEMS准零刚度弹簧振子结构示例，其中(a)为弹簧单元中悬臂梁数目不变，悬臂梁结构形式变的示例;(b)为弹簧单元中悬臂梁数目变化的示例。
附图标号含义分别如下：1为受压应力悬臂梁，2为受拉应力悬臂梁，3为连接梁，4为检验质量，5为外框架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种可用于加速度水平分量测量或者水平震动信号隔离的MEMS准零刚度弹簧振子结构;该结构由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，利用地球重力提供预应力，利用受压应力悬臂梁降低悬臂梁刚度，利用受压应力悬臂梁与受拉应力悬臂梁组合实现高交叉轴刚度比。结构采用深硅刻蚀工艺制备，能与MEMS工艺兼容。
本发明通过调节悬臂梁宽度实现调节悬臂梁正刚度或通过调节振子质量实现调节悬臂梁负刚度，或通过调节悬臂梁长度同时调节正刚度和负刚度，可以使受压应力的悬臂梁正刚度与负刚度抵消，从而使弹簧刚度或弹簧振子结构本征频率接近零。作为本发明的一个实施例，可以选用厚度为500μm的单晶硅，结构通过深硅穿透刻蚀工艺制备。
图1示出了一种MEMS准零刚度的弹簧振子结构;该结构由弹簧模块(由受压应力悬臂梁1和受拉应力悬臂梁2组成)、连接梁3、检验质量4、外框架5组成;弹簧模块包含对称布置的四组弹簧或多组弹簧，在重力作用下每组弹簧中的两个悬臂梁分别受到检验质量的重力产生的压应力和拉应力的作用。连接梁3用于增大结构的交叉轴刚度。外框架5用于将结构固定于安装基座上。
作为本发明的一个实施例，悬臂梁长度设计值为10mm;连接梁宽度设计值为100μm;检验质量长和宽设计值分别为20mm，14mm。依据这些参数可计算或仿真得到该结构处于准零刚度状态时对应的悬臂梁的宽度为15μm。
图2示出了受轴向应力悬臂梁的结构;以受轴向压应力的悬臂梁为例，在横向外力作用下，悬臂梁末端发生位移。此时轴向力产生的力矩会使这个位移进一部增大。因此可将轴向压应力对悬臂梁的作用效果等效为该悬臂梁串联一个刚度为Ka的负刚度弹簧。则受压应力的悬臂梁刚度(Kc)可写成：Kc≈Kb-Ka……(1);式中，Kb为无预应力作用时悬臂梁的刚度。当预应力是拉应力时，则其作用效果可等效为串联一个正刚度弹簧。受拉应力的悬臂梁刚度(Kt)可写成：Kt≈Kb+Ka……(2)。
图3示出了本发明实施例提供的MEMS准零刚度弹簧振子结构物理模型;弹簧模块总的刚度依据弹簧串并、联关系可推导为：当悬臂梁宽度为15μm时，受压应力的悬臂梁处于准零刚度状态，系统总刚度：Ks≈4×Kc≈0……(4);即整个弹簧模块处于准零刚度状态。依据实测结果，该结构的刚度为5.8mN/m。
基于正、负刚度抵消原理和多悬臂梁组合的基本思想，还可以在结构形式和悬臂梁数目上进行改动，如图4所示，其中如图(a)所示，悬臂梁数目不变，每个弹簧单元仍由一对分别受压应力和拉应力作用的悬臂梁串联而成，但弹簧系统结构形式发生改变。如图(b)所示，悬臂数目发生变化，每个弹簧单元由两对分别受压应力和拉应力作用的悬臂梁串联而成。。
需要指出，以上所述以及附图仅是本发明的优选实施方式之一，并不用以限制本发明。对于本技术领域的技术人员及研究者来说，在不脱离本发明原理的前提下，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
