基于频率锁定现象的可调刚度差分谐振加速度计触发预警方法

本文报道了一种基于机械频率锁定（Frequency Locking）现象的新型触发预警方法。通过设计分布式静电驱动（Distributed Electrostatic Drive）的差分谐振加速度计，利用调节电极实现刚度调节，将灵敏度从212 Hz/g提升至442 Hz/g。研究首次在MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）加速度计中实验观察到刚度硬化诱导的双重频率锁定现象，并基于三自由度动力学模型揭示其内在共振（1:1:1 Internal Resonance）机制。创新性地提出通过频率跳跃现象实现加速度的二元检测（定量检测与预警），为非线性振动条件下的高稳定性传感提供了新策略。

　　

亮点 (Highlight)

可调刚度差分谐振加速度计的设计

本节提出了差分加速度计的设计模型，如图1(a)所示，包括一个可动检测质量块（Proof Mass）、两个传感谐振器（Sensing Resonators）和四个力放大杠杆（Force Amplifying Levers）。根据设计尺寸和有限元模拟结果，可动质量块M约为25微克，谐振梁的轴向拉伸刚度系数约为35 kN/m。该质量块通过微杠杆机构与传感谐振器机械连接，可将惯性力放大并传递至谐振梁，从而增强加速度灵敏度。

测量环境与刚度调节机制

本节旨在通过实验测量和理论预测，阐明调节电极对MEMS加速度计刚度和灵敏度的影响机制。首先，将MEMS加速度计置于真空腔中。实验测量装置如图2所示。首先，在两个调节电极上施加从0 V到300 V的控制电压V_dc1，并在驱动与传感电极上施加15 V的直流电压。随后，施加振幅为25 mV的扫频交流信号，通过激光多普勒测振仪（Laser Doppler Vibrometer）测量谐振梁的频响特性，分析刚度变化对谐振频率的影响。

基于频率锁定的加速度预警

在前述研究中，我们探讨了小振幅振动下控制电压对谐振加速度计刚度和灵敏度的影响。然而，随着振幅增大，几何非线性和驱动力非线性对谐振梁动态响应的影响日益显著。为提高谐振梁的信噪比（Signal-to-Noise Ratio），加速度计不可避免地工作于非线性振动区，导致峰值频率依赖于振幅（Frequency-Amplitude Dependence），进而引发频率跳跃（Frequency Jump）现象。本节通过实验观察到，加速度诱导的拉伸应力可使谐振器从第一频率锁定现象切换至第二频率锁定现象，伴随峰值频率的跳跃，反之亦然。基于此，提出了一种新型加速度触发预警方法，实现了加速度的二元检测（定量检测与预警）。

结论 (Conclusion)

本研究通过开环测量（Open-Loop Measurement）对一种采用双分布式静电驱动谐振梁的可调刚度差分谐振加速度计进行了理论分析与实验验证。实验结果表明，当谐振梁两侧工作于第一弯曲模态时，灵敏度为212 Hz/g。调节电极的引入可显著降低微梁刚度，并将灵敏度提升至442 Hz/g。特别地，实验研究了由刚度硬化（Stiffness Hardening）诱导的双重频率锁定现象，并通过三自由度动力学模型揭示了其内在共振机制。基于频率锁定现象间的切换，提出了一种创新的加速度预警策略，为非线性振动条件下的高稳定性传感提供了新途径。