MEMS谐振器刚度非线性特性及其表征

为了准确表征微电子机械系统(MEMS)谐振器在大振幅运动时的行为特性,建立了刚度非线性MEMS谐振器集总参数模型,并创建了一整套MEMS谐振器非线性特性的表征方法和测试系统。搭建了基于锁相环和自动增益控制的MEMS谐振器闭环工作电路,分析了不同驱动振幅下,MEMS谐振器的工作状态。推导建立了工作振幅、工作频率与MEMS谐振器刚度非线性之间的数量关系。最后,基于衰减模式和稳定振荡模式两种工作形态,实际测量了MEMS谐振器的无阻尼自然谐振频率和刚度非线性。结果显示:无阻尼自然谐振频率和刚度非线性系数的测量重复性分别为18.6×10-6和1.50%。针对实测的MEMS谐振器无激励振幅自衰减曲线,分别用理想二阶系统谐振器模型和刚度非线性谐振器模型进行残差分析。结果显示后者的残差要比前者的残差小9.5%,表明刚度非线性MEMS谐振器模型更接近真实情况,也验证了该刚度非线性特性表征方法的准确性。基于该方法,测量了MEMS谐振器刚度非线性系数和无阻尼自然谐振频率的温度特性,得到的无阻尼自然谐振频率的温度系数为-0.487Hz/℃,线性拟合度达99.964%。

小波变换及其在MEMS谐振器运动轨迹的特征提取中的应用

为测量微电机械系统(MEMS)谐振器的动态特性参数,根据MEMS谐振器运动图像的特点,将小波变换应用于MEMS谐振器运动轨迹的特征提取中。基于模糊图像合成技术,利用小波变换对MEMS谐振器的模糊运动图像进行了增强及降噪处理,并结合传统的图像处理方法,提取MEMS谐振器的运动轨迹,最终获得了MEMS谐振器的特性参数,从而可为MEMS器件的设计提供重要参考。实验结果表明,利用小波变换的方法获得了更好的测量精度,测量重复性误差为100nm。

I^2形MEMS谐振器的电阻差分检测方法

为克服I2形MEMS谐振器输入端(热执行)与输出端(压阻敏感)直接耦合所造成的输出信号品质较差的缺点,设计并制作了一种电阻差分检测电路。该电路通过外接电阻的方法,产生与输出信号中耦合成分幅值相同、相位相反的差分信号。将差分信号与谐振器输出信号相组合,从而实现解耦的目的。实验结果表明,电阻差分检测可有效消除了输出信号中的耦合成分,使频谱响应曲线得到更直观的体现。与其他消除耦合信号的技术方案相比(混频检测电路、惰性谐振器等),电阻差分检测法电路设计简单,无需改动器件的加工工艺,有利于满足未来器件小型化要求。

K波段单片硅MEMS谐振器

介绍了基片集成波导技术和ICP深刻蚀微机械通孔阵列的硅基MEMS谐振器,通孔阵列和地平面形成不辐射介质波导,采用CPW电流探针与谐振腔进行信号耦合,在单层硅片上实现了平面电路与三维硅填充谐振腔的信号传输,得到低成本高性能可与平面电路集成的MEMS谐振器.谐振器工作于主模TE101模式,在片测试的Q值大于180,谐振频率21GHz,与仿真结果吻合,芯片尺寸为4.7mm×4.6mm×0.5mm.

两种基于MEMS谐振器的原子力显微镜探针

目前商用原子力显微镜(AFM)大多使用的微悬臂式探针,力灵敏度可达到pN级别。然而受到工艺水平及检测方法限制,微悬臂谐振频率难以超过3.5 MHz,且Q值较低,制约了AFM的成像速度以及在液体中的成像效果。另外,光杠杆的检测方法无法与探针本身进行片上集成,较小的悬臂也给激光束的聚焦带来困难。基于以上考虑,本文提出两种基于MEMS谐振器的探针,振频率可达11 MHz,Q值为4 000,并集成了执行与传感功能以及批量加工纳米针尖的工艺。目前两种探针都已经实现对树脂图案的成像功能,力灵敏度最高可达5pN/√Hz。

MEMS谐振器的并联电容噪声抑制

由于谐振频率和谐振器质量呈线性关系,基于MEMS谐振器的等效机械和电路模型,可用于质量传感器应用。然而,动态模式下的MEMS谐振器具有容性传导特性,其两端口结构在电极之间会存在并联电容,扭曲其传输特性,增加整个系统的频率噪声。虽然通过改进工艺可以一定程度地降低并联电容,然而工艺的复杂度和成本会因此大大增加。针对这个问题,提出了纯电路的改进策略,使用可调电容或同等MEMS对两种方式来补偿并联电容的影响,从而降低频率噪声。实验测量结果显示补偿后频率噪声大大减少,分别从300和100 Hz降低到了100和1 Hz,大大满足了其应用精度要求。

MEMS谐振器的滑模变结构控制

微电机系统(MEMS)是由多种学科交叉融合的跨学科研究领域。本文利用滑模变结构控制法对MEMS谐振器混沌运动进行了控制。最后用数值模拟验证了所选控制器的有效性。

压电传导单晶硅MEMS谐振器设计

压电传导单晶硅MEMS谐振器是压电谐振器的一种,与传统的声表面波谐振和薄膜体声波谐振的不同在于使用体硅作为能量传导介质。单晶硅比石英晶体具有更高的能量密度,因此谐振器具有更好的线性度和更高的Q值。文章从基本谐振器设计原理为基点针对单晶硅传导测试指标做分析,设计了中心频率在10MHz的压电传导单晶硅MEMS谐振器。

SiTime推出超越石英性能的MEMS谐振器

SiTime公司近期推出TempFlatMEMS谐振器。在TemPFlat出现之前，所有MEMS振荡器都采用补偿电路来达到所需频率稳定度；而SiTime的TempFlatMEMS是一个革命性的突破．通过消除温度补偿需求，大幅度地促进了性能的提高、尺寸的缩小、功耗和成本的降低。

钻石基板MEMS谐振器问世 突破微波领域新纪录

MIPT超硬与新奇碳材料技术研究所（TISNCM）与西伯利亚联邦大学研究人员最新研究了一种较硅晶压电更快的“声波”谐振器——钻石基板MEMS谐振器，已经成功地模拟超灵敏的传感器，突破微波领域的新纪录。

MEMS谐振器的创新

目前，时钟和频率控制产品已成为每个电子器件必备的核心器件。看一下我们身边的各种设备就知道了：在数字电视中有4～7个时钟器件；摄像机中有4～6个时钟器件；汽车中则有15-35个这样的器件；DVD刻录机中有2-4个时钟器件；在几乎人手一个的便携式媒体播放器中，也有2～4个时钟器件在工作……。而调研公司In—Stat预计，未来，时钟和频率控制器件将走进手机中，这无疑会进一步扩大谐振器的市场空间，并吸引谐振器厂商加快对该领域的技术研发与创新。

一种圆环结构MEMS谐振器设计

本文设计了一种圆环结构的高Q值MEMS压电谐振器,这种结构的谐振器可在单片RF系统上生产,减少能量损耗,提高Q值,而且不同频率的压电微谐振器的阵列的批量制造在单个芯片上,对其原理进行了分析,仿真,并做出实物进行测试,谐振频率在97.4MHz,Q值达到6499.15。

参激微机械谐振器幅频响应的翘尾效应及其电热调控

静电参激的微机械谐振器具有响应幅值大、相位噪声小等优势,近年来成为MEMS动力学领域研究热点.本文研究了微机械梁谐振器在强静电参激下的高阶非线性响应及基于电热电流的响应调控方法.首先,实验发现强静电力参数激励下微机械梁谐振器的幅频响应不再是Duffing硬化曲线,而在响应后半段出现“翘尾”现象.接着,建立了非线性谐振器的参激动力学模型,理论分析表明“翘尾”现象是由非线性阻尼和高阶非线性刚度共同作用引起.然后,研究了梁本体的电热电流对参激响应的影响规律,电热电流的引入会增加微谐振器的热弹性阻尼和轴向应力,从而实现响应幅值和共振区间的大幅调控.

基于声子晶体的兰姆波谐振器品质因数改善机制研究

针对兰姆波谐振器谐振频率在超过6 GHz时传输损耗高的问题,提出了一种基于具有明显带隙的声子晶体(PnC)阵列的锚杆,能有效提高薄膜铌酸锂兰姆波谐振器(LWR)的品质因数(Q),从而降低兰姆波滤波器的插入损耗。通过构建PnC结构有限元仿真模型研究了PnC结构的色散关系,采用PnC延迟线模型设计,研究了PnC阵列的传输特性,并通过建立谐振器性能的对比分析。结果表明,在谐振频率稳定的条件下,与传统均匀梁锚杆谐振器相比,PnC阵列锚杆谐振器的Q值提升了5倍。

MEMS圆盘谐振器形变对电气刚度影响分析

电气刚度是影响MEMS谐振器谐振频率精度的因素之一。但是对于谐振器受到应力时,产生的形变量对电气刚度的影响的理论研究报道甚少。鉴于此,本文对电容式盘结构谐振器受径向静电力和纵向惯性力下的形变量以及电气刚度的改变量进行了系统的理论分析。研究结果表明,当圆盘与电极间隙为50 nm,且电压达到50 V时,圆盘由于静电力产生的径向形变量可达间隙的2.05%,电气刚度改变6.15%。当圆盘半径为100μm,且受到10 000 gn的纵向惯性力时,其最大形变量可以达到圆盘厚度的2.4%,电气刚度改变2.4%。本文分析结果对其他盘结构谐振器的分析亦有重要借鉴意义。

村田研发出32.768kHz MEMS谐振器

全球知名的电子元器件制造商,村田制作所(以下简称“村田”)充分利用已被汽车等行业采用的Murata Electronics Oy(原VTI Technologies)的MEMS技术,研发出了有助于IoT设备和可穿戴设备等的小型化和低功耗的超小32.768kHz MEMS谐振器,实现了比现有小型产品更小50%以上、低ESR特性、出色的频率精度和低功耗。村田计划将该产品作为MEMS谐振器“WMRAG系列”,于2018年12月份开始量产。

俄罗斯科学家打造金刚石MEMS谐振器

根据莫斯科物理技术研究所（MOSCOW Institute of Physics and Technology，M1PTl的研究人员发现一种较硅晶压电更快的“声波”谐振器，已经成功地模拟超灵敏的传感器，突破微波领域的新纪录。

微机电硅谐振器动态建模及同步控制

由于微机电(MEM)硅谐振器高能量输出下的周期性振荡、分岔、混沌等非线性因素,使其振荡频率控制精度有限。针对双端固支梁微机电硅谐振器,提出了一种输出反馈同步控制方法,通过振荡器同步以提高其振荡频率控制性能。首先,对双端固支梁MEM硅谐振器系统结构及非线特性进行了分析,并建立了充分考虑系统非线性特性的动态模型;在此基础上,设计了基于同步误差的输出反馈同步控制器,实现了多MEM硅谐振器同步控制,并使得相应的同步误差渐近收敛到零。最后,通过仿真实验证明了所提出方法的有效性。

基于相位相关技术的MEMS旋转角度高分辨力测量

为实现MEMS微结构周期运动过程中各个时刻的旋转角度及其动态特性参数的高分辨力测量,针对频闪成像技术获得的微结构运动图像序列,提出了一种基于相位相关技术与Radon变换技术相结合的旋转角度测量方法。该方法通过Radon变换将图像的空间坐标转换为极坐标的参数空间,使得空间坐标的旋转投影为参数坐标的平移运动,然后通过相位相关技术的亚像素运动估计算法,得到物体旋转角度的高分辨力测量结果。实验结果显示,用该方法测量旋转角度分辨力优于0.01°,表明该方法可以有效地减少由旋转产生的形变对测量结果的影响,提高测量结果的稳定性并减少测量误差。

基于相关拟合校准技术的MEMS平面微运动纳米精度测量

微电子机械系统(MEMS)谐振器周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数为MEMS器件的设计提供重要参考.提出一种基于相位相关技术的亚像素运动估计算法,可对相关拟合方法进行误差校准补偿,从而提高对物体运动的分辨力,实现纳米精度测量.利用该算法对MEMS器件的运动历程做分析,得到特定驱动频率下MEMS器件的幅度-相位曲线.利用扫频测量原理,获得了MEMS器件的幅频特性.实验结果表明,该方法具有较好的测量精度,测量分辨力优于5.nm.