重新定义微机械设计：当MEMS传感器学会'自由变形'会发生什么？
摘要
本文提出一种基于遗传算法(GA)的新型半自动设计方法，通过自由形态几何图形实现微机电系统(MEMS)器件的创新设计。该方法可构建包含自由形态几何结构的MEMS器件，并实现高灵敏度、大带宽与强制造公差特性的协同优化。相较于传统方法，本方案在计算时间和内存消耗方面具有显著优势。自由形态几何结构赋予设计过程更高自由度，从而提升MEMS器件的性能上限与结构多样性。为验证方法有效性，本研究以机械运动放大器为核心的MEMS加速度计为案例进行开发。实验数据显示：相较于传统正交形状设计，采用本方法设计的器件在灵敏度-带宽乘积指标上提升100%，其中灵敏度单项提升达141%，同时对制造公差和参数失配展现出优异鲁棒性。
引言
微机电系统(MEMS)器件凭借其微型化、轻量化及低成本特性，已广泛应用于加速度计、陀螺仪、压力传感器、微型夹持器和麦克风等领域。当前主流MEMS器件多采用简单几何构型（如矩形梁、环形/盘形结构），这种传统正交设计(orthogonal design, OD)在特定应用场景中已显现性能局限。研究表明，复杂几何构型可突破简单结构的物理限制：Middlemiss等学者通过弧形反弹簧将加速度计分辨率提升至纳克量级，此类结构实现的低有效弹簧常数是传统OD无法企及的；Nguyen团队利用弯曲弹簧的非线性硬化效应，使振动能量收集器带宽突破线性共振结构的固有限制；另有研究通过曲面电极设计显著降低MEMS致动器的初始驱动电压。
尽管复杂几何构型展现出卓越性能，其在MEMS领域的应用仍受限于两大瓶颈：首先，传统设计方法依赖复杂的理论推导，需要设计者具备特定领域的专业知识，且设计方案缺乏普适性；其次，现有替代方案存在显著缺陷——拓扑优化法虽可生成复杂几何参数，但常因难以整合制造约束导致设计不可量产；参数化模型降阶(PMOR)技术通过构建机械结构降阶模型(ROM)缩减计算量，但其参数空间的局限性阻碍了非常规自由形态结构的探索。值得注意的是，PMOR技术尚未与进化算法实现有效融合。
针对上述挑战，本文提出一种适用于自由形态几何结构的新型半自动设计方法。该方法兼具以下优势：
(1)支持跨应用场景的MEMS器件设计与优化；
(2)确保设计方案的可制造性及对工艺波动的强适应性；
(3)显著降低计算资源需求。自由形态几何结构的引入极大拓展了设计自由度，为开发高性能、多功能MEMS器件开辟新途径。
本研究以机械运动前置放大器型MEMS加速度计（简称AMPACC）为实证对象（结构示意见图1a）。该器件包含校准质量块(a)、放大微杠杆(b)及电容检测用差分梳齿(c)。当敏感轴方向（图1a中x轴）受加速度激励时，质量块位移经微杠杆机械放大后传递至差分梳齿，通过检测电容变化实现信号转换。值得注意的是，先前研究受限于正交梁单元构建的机械放大器，其性能潜力未被充分挖掘。本文采用自由形态设计(freeform design, FD)替代传统OD，通过优化机械放大器结构实现器件性能的突破性提升。
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