【《MEMS谐振器典型结构与原理概述》2700字】

MEMS谐振器典型结构与原理概述目录TOC\o"1-3"\h\u9430MEMS谐振器典型结构与原理概述 1294821.1MEMS谐振器典型结构 191561.2微机械谐振器的驱动与检测 41.1MEMS谐振器典型结构微谐振器按照加工工艺、制作材料、驱动及检测方式、振动方向、支撑方式、工作模态、谐振频率的频段的不同可以分为多种类型。下面简单介绍几种典型结构的MEMS谐振器。1.1.1MEMS谐振器材料微机械谐振器可以由制作材料分为单晶硅谐振器,多晶硅谐振器,碳化硅谐振器,多晶铐化硅谐振器,金刚石谐振器等。由于硅材料力学性能稳定，没有机械退滞，并且其材料制备和加工工艺成熟，且与多晶硅相比，单晶硅具有更小的材料内摩阻损失和更低的内部应力，因而单晶硅微机械谐振器具有更高的Q值，是制作微机械谐振器的理想材料。所以本文使用单晶硅作为谐振器材料仿真。1.1.2微梁谐振器微两端固支梁谐振器或微悬臂梁谐振器被广泛应用于微传感或驱动系统的核心关键组件。微梁谐振器相对简单的结构形状使其在设计和加工方面有着非常大的优势。广泛应用于诸如平均残余应力测量、杨氏模量测定、显微镜、安装表面健康监测系统、质量流传感器到分子生物或DNA分析等[22]。梁谐振器工作模态一般为弯曲模态，而纵向振动的杆谐振器工作模态为体模态，本文部分研究内容便是纵向振动的杆谐振器的热弹性阻尼及空洞对其的影响。图2-1（a）为两端固支微梁谐振器谐振器振型图，图2-1（b）为两端固支杆谐振器振型图。图2-1两端固支微梁谐振器谐振器与两端固支杆谐振器振型图1.1.3圆盘式谐振器圆盘式谐振器有中心固定与带支撑梁的结构。图2-2中圆盘式谐振器由中心的锚点支撑,圆盘的径向设有一个输入电极和一个输出电极,轴向设有一个产生偏置电压的地极。在圆盘谐振器的输入电极上施加交流电压时,当交流电信号的频率与圆盘径向振动的谐振频率一致时，圆盘作径向伸缩振动，圆盘和输出电极间的电容随圆盘振动变化而变化,这样在输出电极上产生一个和电容变化相关的电流,这个电流和圆盘的振动幅度成比例。圆盘式谐振器相对微梁谐振器刚度高，谐振频率范围大，应用广泛。图2-3为两端固支微梁谐振器谐振器振型图。图2-2微机械圆盘式谐振器结构示意图[10]图2-3微机械圆盘式谐振器振型图当圆盘式谐振器使用带支撑梁的结构，且将圆盘形状改为矩形时便能得到带支承梁式平面谐振器，相对于带支承梁圆盘式谐振器，在质量一致时具有更高的品质因子与谐振频率，且结构简单，在研究谐振器微结构特征（空洞）的空间分布对其频率、品质因子和灵敏度的影响规律时比较方便，所以本文采用带支承梁式平面谐振器进行研究，同时考虑到电极以及谐振器工作过程，采用T字梁。图2-4（a）为带T字梁支承平面谐振器模型，图2-4（b）为其体模态振型图。图2-4带T字梁支承平面谐振器模型及其体模态振型图1.1.4其他谐振器结构1.1.4.1微环谐振器微环谐振器通常由一条直波导和环形波导构成，直波导中的输入光，经过中间耦合区域时，一部分光耦合到环形波导中，一部分光保留在直波导中。耦合到环形波导中的光，经过一个周长的传播后，又来到耦合区域，又会有部分光耦入到直波导中，部分光保留在环形波导中。如此反复。微环谐振器具有成本低、结构紧凑、集成度高、插入损耗小，串扰低等优点，在光信号处理、滤波、波分复用、解复用、路由、波长变换、调制、开关、激光等方面都有广泛的应用。1.1.4.2薄膜体声波谐振器薄膜体声波谐振器是在硅或砷化镓等半导体衬底之上,借助MEMS技术以及薄膜技术制造出来的。薄膜体声波谐振器通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，谐振频率可以高达GHz。薄膜体声波谐振器具有体积小,成本低,品质因子高、功率承受能力强、频率高且与IC技术兼容等特点，在无线收发器中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能，有较高Q值和易实现微型化等特点，在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。1.1.4.3硅微机械音叉式谐振器硅微机械音叉式谐振器主要由两根平行的梁组成,两根梁的末端合并后再与其他可动结构或者与硅体连接。硅微机械音叉式谐振器在音叉的两个臂上连接了梳齿电容结构,用来驱动音叉臂在硅片平面内侧向、反相振动,两个音叉臂在硅片平面内侧向反相振动时,音叉臂的末端在合并处产生能够互相抵消的力矩大小相等、方向相反的应力，因此整个音叉振动系统与外界的能量耦合减小,能量耗散减小，具有较高的Q值。1.2微机械谐振器的驱动与检测微机械谐振器的驱动方式一般有静电驱动、压电驱动、电热驱动、电容驱动等。另外微机械谐振器的检测方式一般有电容检测、压阻检测、光学检测以及磁场检测等。以下是常用的微机械谐振器的驱动与检测方式的工作原理及各自的优缺点。1.1.1微机械谐振器的驱动静电驱动利用电容极板之间的静电力作为驱动力，是一种高效的振动驱动方式，它的结构一般有两个电极，,施加在电极上的交变电压产生交变的静电驱动力,它作用在振动元件上,通过改变极板间电容产生谐振。静电驱动方式虽然驱动力比较小，但其工艺兼容好，可以用体硅微机械和表面微机械加工制作，便于与IC器件实现系统集成。此外，静电驱动器件具有结构简单、易于制作、功耗低及动态响应快等优点。电热驱动利用材料的热膨胀效应制作的。当给激励电阻施加电压后，因电压产生的热效应引起激励电阻发生热膨胀，从而激励微机械谐振器工作。电热驱动具有驱动电压低、驱动力大、制作工艺简单等优点，但热驱动的响应频率低，动态特性较差，而且加热引起的局部材料的热膨胀，会导致诸振器变形并且引起温度漂移。电磁驱动利用通电后的谐振器在磁场中受到洛伦兹力作用而使结构产生受迫振动的一种驱动方法，这种方法容易实现，稳定性和驱动效率较高,不易引起其他干扰，但是它信号非常小，而且由于电磁驱动必须利用磁场,所以封装体积大，谐振器微型化比较困难且不利于系统集成化。电容驱动是利用电容极板之间的电荷变化来使微机械谐振器产生谐振频率的一种驱动方法。电容驱动微机械谐振器的能量损耗小，品质因子高，因而，电容驱动是微机械谐振器普遍使用的一种驱动方式。压电驱动机制建立在压电材料的逆压电效应之上。当在压电材料表面施加电场（电压），压电材料会在电场作用下产生机械形变，逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程。压电驱动具有驱动电压低，响应速度快等优点，然而由于和衬底材料的热膨胀系数不同，提高了谐振器对温度的敏感度，与CMOS电路制作工艺兼容性差。1.1.2谐振器检测方式电容检测是利用电容极板之间的电荷变化来实现微机械谐振器特性测量的一种检测方法，结构简单、易于制作、功耗低、能量损耗小。压阻检测的物理机制是单晶材料的压阻效应，压阻效应是对于金属或者半导体材料在外力作用下，其电阻发生改变的现象，这种变化仅对材料的电阻率产生影响，并不会如同压电效应一般产生电荷