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。

一种MEMS体声波硅谐振器的设计

设计了一种基于SOI衬底工艺的MEMS体声波硅谐振器及其制造方法。利用有限元分析软件对该谐振器进行了模态分析,并针对提高品质因数Q,研究了其损耗机制。结果表明:谐振频率可达108 MHz,且取决于硅材料特性和器件尺寸,而品质因数则决定于支撑损耗。最后,从振动模态和传输线模型角度出发,提出了减少支撑损耗提高Q值的可行性方法,包括将支撑梁放置在振动节点处、梁长度设置为弹性波长的1/4及在衬底端设置声波反射器。

单侧支撑静电硅微谐振器的试验研究

对设计梁长120μm、梁宽2μm的单侧折叠梁微谐振器进行试验研究,测定了常温常压下的谐振频率、品质因子以及不同电压下的谐振振幅,并与相同条件下、相同梁长的双侧支撑微谐振器的试验结果进行了对比.研究表明:谐振振幅是直流偏置电压的线性函数,是交流驱动电压的二次幂函数;相同条件下,单侧支撑微谐振器的振幅输出大于双侧支撑微谐振器的振幅输出.

基于DSP和DDS技术的硅微谐振器智能驱动源设计

介绍了硅微静电梳状谐振器的静电驱动工作原理,重点提出了基于DSP芯片和DDS技术的智能驱动源系统设计框架。详细分析了数字电路部分的接口技术和模拟电路部分中的微弱信号检测技术。结合实验数据和扫频曲线,指出在不同真空度环境下谐振器的各种扫频方法。

硅微机械悬臂梁谐振器的电热激励及光纤拾振技术的研究

用理论分析方法研究了硅微悬臂梁的电热激振机理,得到了微机械悬臂梁电热激励下的温度场分布,并推导出了镀膜双层硅微悬臂梁的电热激励热力矩。利用硅微机械加工工艺制作了双层结构硅微悬臂梁谐振器,通过在硅微悬臂梁上制作的热激励电阻,用电热方法对硅微谐振器实现了激振。设计了光纤传感检测系统用于硅微谐振器微弱谐振信号的拾取,并成功检测到了硅微谐振器的前3阶谐振信号。

静电硅微多折叠梁谐振器设计和试验研究

建立了静电硅微多折叠梁谐振器的横向振动模型,得到了多折叠梁的变形方程和该类谐振器谐振频率的解析表达式。用标准体硅微工艺设计加工出两类共4种该类谐振器,通过试验测定其谐振频率,并用ANSYS软件进行了模态分析。结果表明,该类谐振器谐振频率的理论计算值和ANSYS模拟值与实测值间的相对误差均小于2%,验证了该理论模型的正确性。采用多折叠梁谐振器可以实现低频下大振幅的电能-微机械能的转换。

带尾纤的全光型硅微谐振器

带尾纤的全光型硅微谐振器引入了集成光学技术，具有独立的拾振光路和简单易行的拾振方式，可以完全脱离光学平台运作．对带尾纤的全光型硅微谐振器进行了实验测量及较详细的理论分析，给出了悬臂梁振子的固有谐振频率、谐振频率的总温度系数、悬臂梁对简谐激励的响应等表达式；归纳出了该谐振器具有光纤与振子间未对准误差容限较大，输出测量信号与光纤有效光学长度无关及振子谐振频率不受硅片内应力影响等特点．

光激励硅微机械谐振器的振幅分析及计算(英文)

分无镀膜 (或镀膜很薄 )和有较厚镀膜两种情况 ,对硅微谐振器的光激励振幅进行了分析计算 .针对有较厚镀膜的硅微谐振器 ,在理论分析的基础上 ,提出了一种新的光激振幅计算模型 ,理论计算与实验测试值吻合得很好 .

静电梳状硅微单侧直脚谐振器的力学性能

建立单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的三次超静定简化力学模型,给出该模型中谐振频率、弹性系数和横向最大位移的计算公式。与五次超静定系统的双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的各力学性能参数的计算公式对比发现它们有显著差别。分析表明,与双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器显著不同,单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的谐振频率、弹性系数、横向最大位移会随两根支撑梁的间距变化而改变,并当此间距超过某一值后,上述三变量的变化均很小且趋向于一定值。同样,后者的谐振频率会随支撑梁厚度的变化而单调改变,这也是前者所没有的现象。为此从两者因为超静定次数不同而约束冗余度不同的角度,对此现象进行了物理意义上的解释。经与试验结果对比,单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器横向谐振频率的理论值与实测值吻合较好,最大误差为12.07%。

支承硅微谐振器的弹性系统分析

对支承硅微谐振器的两种弹性系统———直脚型和蟹脚型结构进行了全面的力学分析 ,给出了应力、位移及弹性常数等力学参量的计算方法 ,对两种结构进行了比较 ,并对蟹脚型结构进行了优化设计 ,优化后的结构其应力位移比值σmax/x的最小值可达2 .594MPa/μm

之字型支撑梁硅微谐振器机械性能分析

与相同几何尺寸的其他支撑形式相比,之字型支撑梁降低了硅微谐振器的谐振频率。通过对之字型支撑梁硅微谐振器的力学建模分析,发现其为5次超静定问题,在此基础上得出了谐振频率等重要的性能参数随几何参数的变化关系。分析结果表明,在保证支撑梁垂直长度不变的条件下,对固定的折弯次数n,谐振频率fx 随折弯角度φ的增大而增大;对固定的折弯角度φ,谐振频率fx 随折弯次数n的增大而趋于一个固定值;φ=90°时则等效于双侧直脚型微谐振器。

微机械硅陀螺谐振器结构特征频率分析

一本文应用Ｒａｙｌｅｉｇｈ方法对微机械硅陀螺谐振器的水平和垂直方向的固有特征频率进行了分析，并应用有限元分析工具进行了检验。

基于MEMS硅基谐振器的磁场传感器最新进展

随着智能时代的到来,磁场传感器已经广泛应用于移动设备中,为用户提供定位和导航等服务。目前,基于霍尔效应的磁场传感器和基于磁性材料的磁阻式传感器是人们普遍采用的2种磁场检测传感器。基于霍尔效应的磁场传感器的优点是成本低,不需要外加磁性材料,且制作工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这种传感器的工作范围一般为10μT~1 T,并可以通过增加功耗的方式来提高分辨力。磁阻式磁场传感器拥有较高的分辨力和较宽的工作范围(0.1 nT~1 T),其性能主要取决于磁性材料。除了以上2种方式外,由硅基微机电系统(MEMS)谐振器构成的谐振式磁场传感器利用洛伦兹力对磁场的依赖性实现了对磁场的检测,具有体积小、功耗低、性能优异且与CMOS工艺兼容等优点,近年来受到研究人员的广泛关注。本文回顾了由MEMS硅基谐振器构成的磁场传感器的最新发展动态和性能提升方法,并总结了当前存在的关键挑战和未来机遇。

基于硅微谐振器的高稳定性MEMS压控振荡器

为了实现高品质因数及低相位噪声的压控振荡器,结合硅微谐振器的静电负刚度效应,利用基于锁相环的谐振器闭环驱动检测电路搭建了微机电系统压控振荡器(MEMS VCO)。根据各模块传递函数建立了该控制系统数学模型,利用平均法得到了系统稳态平衡点与稳定性判据,并通过理论推导与仿真实验对系统稳定性进行了分析,给出了保持系统稳定的参数调整策略。同时利用开环及闭环实验方法对该MEMS VCO系统传递函数进行了测试与拟合,并分析了误差产生的原因。最后实验表明,上述MEMS VCO系统的频率稳定性可以达到64.29 ppb。

提高硅微谐振系统性能的一项有效措施

介绍了硅微谐振器系统的工作原理,重点给出了一种基于新型的DDS器件AD9954的智能谐振系统设计与实现。详细分析了AD9954作为智能精密驱动源的粗细搜索两种阶段工作流程并给出与DSP器件的数字接口技术。结合实验数据和扫频曲线,得出在不同真空度环境下谐振器的两种扫频结果,并对谐振系统的工作情况给予评价。

孔结构对水平振动谐振器空气阻尼的比较分析

基于SOI工艺的水平振动梳状硅微谐振器的品质因数Q值在真空封装下能达到105量级以上。但是在常压下,由于受到空气阻尼的影响,其Q值往往降至102量级甚至更小。增加谐振器质量可以提高Q值,但是会增大谐振器面积使绝缘层难以释放。由此提出了一种减小空气阻尼来提高水平振动谐振器Q值的方法,通过设计一系列不同形状的开孔硅微谐振器并比较其实验数据,得到最优的释放孔结构以减小谐振器所受的空气阻尼从而得到更高的Q值。该研究对水平振动谐振器结构设计有一定意义。

离子束探测光学谐振器

研究人员发现，可以通过离子束对微型光学惜振器的性能进行精巧的测量和调节，这一发现将有助于改进在传感和量子计算领域应用的孔洞的生产。 美国国家标准与技术研究所（NIST）研究人员利用半径为50nm的锂离子诱导硅微谐振器表面变形，并通过光学共振波长的变化检测这些变形。

谐振式传感器的新进展

谐振式传感器是一类应用广泛、发展迅速的传感器。文中介绍了近两年出现的一些新型谐振式传感器和常规谐振式传感器的新进展。主要介绍的有多晶硅、薄膜谐振式传感器等。

硅微机械谐振器特性与激励光斑位置关系的研究

阐述了对硅悬臂梁谐振子进行光激励研究的结果。结果表明，谐振子的振幅与激励光斑的位置以及所激励的模态有关。在模态的两节点的中心位置进行激励，可得到最大的振幅，而且振幅随着激励光斑偏离中心位置而下降；在节点处激励时，振幅达到最小。上述结论也适用于其它点热源激励的微机械谐振器。

镀膜硅微机械谐振器光热激励的实验研究

对镀膜双层硅微机械谐振器的光热激励进行了实验研究 ,在大气环境下对硅微谐振器进行了光激电拾实验测试和光激光拾实验测试。成功观测到了硅微谐振器的一阶、二阶和三阶谐振状态。在光激光拾实验测试中提出了一种新颖的“单光源实验测试方法” ,即 :使用同一光源同时实现硅微谐振器的光热激振和微弱谐振信号的提取 ,这与传统的“双光源实验方法”相比 ,简化了实验系统 ,有利于实用化开发。