静电负刚度谐振式加速度计的非线性振动特性研究

吴天豪，张 晶，苏 岩

(南京理工大学机械工程学院，南京 210096)

0 引言

20世纪70年代，Roylance研究团队发表了有关微加速度计的文章。时至今日，微机电系统(Micro-Elec-tro-Mechanical System，MEMS)加速度计已经发展了近半个世纪。随着应用范围的拓宽，MEMS加速度计也从最早的军事、航空航天领域[1-3]，慢慢延伸到了电子器件、定位导航和医疗设备等领域[4-5]。其中基于静电负刚度敏感原理的静电负刚度谐振式加速度计(Electrostatic Negative Stiffness Resonant Accelerometer，ENSRA)受到广泛关注。由于其本质为频率调制的电容式MEMS加速度计，使得ENSRA一方面避免了电容式MEMS加速度计因电路噪声导致零偏稳定性较差的问题,另一方面也规避了振梁式MEMS加速度计受残余应力影响而产生谐振频率误差的问题。在目前已报道的静电负刚度加速度计中，首尔大学研究团队在2004年报道了一种面内静电负刚度加速度计，灵敏度为128Hz/g,相对灵敏度为5470×10-6[6]；并在2005年报道了一种面外静电负刚度加速度计，灵敏度为70Hz/g，相对灵敏度为5833×10-6[7]。2013年，美国加利福尼亚大学欧文分校A.M.Shkel团队报道了一种灵敏度为4.4Hz/g的加速度计，实现了大于3×105的品质因数和6μg的零偏稳定性[8]。除此之外，中国的清华大学、东南大学和南京理工大学等研究团队也在此方向做了相关研究[9-10]。随着应用领域的不断拓宽，对于MEMS加速度计性能的要求日益提高，研究者们往往通过加入静电力来软化机械刚度，从而提高灵敏度等关键指标[11-12]。但是随着静电力的增大和器件灵敏度的提高，非线性振动效应却愈加明显，反而制约着整体性能的进一步提升。……