MEMS悬臂梁致动器是多种MEMS传感器和执行器的通用共性结构之一。然而，传统悬臂梁结构长期受到“高谐振频率”与“大静态变形”之间性能权衡的限制：提高静态形变能力通常需要降低结构刚度，从而牺牲器件的动态响应速度。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器技术全国重点实验室提出了一种基于分段栅格刻蚀的压电 MEMS 悬臂梁“频率–角度”解耦设计方法，通过在悬臂梁自由端局部引入栅格刻蚀结构，调控梁结构的局部刚度与质量分布，在增强静态变形能力的同时保持较高的谐振频率。相关成果以“Frequency-angle decoupling design for grid-etched piezoelectric MEMS cantilevers and its application to quasi-static micromirrors”为题发表于微系统技术领域一区学术期刊《Microsystems & Nanoengineering》。论文第一作者为博士研究生薛文立，通信作者为王栎皓助理研究员和武震宇研究员。

研究背景

MEMS悬臂梁具有结构简单、驱动方式多样、易于集成等优势，被广泛应用于微扫描镜、微夹持器、微谐振器和微开关等器件中。然而，悬臂梁致动器的性能通常受到经典机械理论所决定的结构权衡约束：增大悬臂梁的静态变形能力（如倾角和位移），通常需要降低结构刚度，但这必然导致谐振频率下降，进而影响动态响应速度。虽然研究人员们此前尝试了多种策略，如采用多段串联梁、局部减薄或低杨氏模量材料等，但本质上均通过全局降低刚度来换取变形能力，始终难以打破“频率-变形”此消彼长的约束关系。

研究亮点

针对上述瓶颈，研究团队从力学分布调控的角度出发，提出了一种全新的设计思路——不对整体刚度“做减法”，而是沿悬臂梁长度方向对刚度和质量进行空间重新分布。

理论机制创新

从悬臂梁的动力学响应与静态弯曲机理出发，建立了频率—变形权衡关系的理论模型。分析表明，悬臂梁谐振频率主要受根部刚度和自由端质量影响，而端部倾角则与梁结构整体柔顺性密切相关。这种非对称影响为实现“频率—角度”解耦提供了理论依据。

基于这一机制，提出在悬臂梁自由端局部引入栅格刻蚀结构。该设计能够在自由端形成柔顺变形区域，增强自由端倾角和位移；同时，由于自由端局部质量被降低，器件谐振频率不会像传统整体减薄结构那样显著下降，从而实现静态变形能力与动态响应性能的解耦优化。

结构设计与优化

实验结果

为实现上述结构，研究团队开发了基于空腔 SOI（C-SOI）的单压电层双释放工艺。该工艺首先在器件层中预制局部栅格腔体结构，再通过晶圆键合和后续微纳加工步骤形成压电 MEMS 悬臂梁。

应用验证：双轴压电MEMS微镜

总结与展望

本研究提出了一种面向压电 MEMS 悬臂梁的“频率—角度”解耦设计方法，通过自由端局部栅格刻蚀实现了结构刚度与质量分布的空间调控，有效突破了传统悬臂梁中谐振频率与静态变形之间的性能约束机制。该方法在实验中实现了端部倾角和位移的大幅提升，并成功应用于双轴准静态 MEMS 微镜，结果表明，微镜扫描性能实现了显著提升。