微谐振器——文献综述

毕业设计（论文）文献综述毕业设计（论文）题目微谐振器的动态特性分析文献综述题目带有低噪音低功耗放大器的单片CMOS-MEMS三轴加速器学院专业姓名班级学号指导教师微谐振器的动态特性分析和研究一.前言：随着信息技术的高速发展，人类的生产生活得到了极大地改善。

微电子技术和传感技术的发展是信息技术的发展历程中两个十分重要的组成部分，有着十分关键的作用。

信息的采集对信息系统至关重要，而传感器作为信息采集的主要器件，其性能情况直接决定着信息系统能否正常工作，因此传感器系统是整个系统的核心组成部分。

在已知的自然界中存在着各式各样的信号，如速度、加速度、振动、声音、压力、重力、摩擦力等，这些信号都是非电学信号，在现有的科技条件下，是没办法直接进行处理控制的，因此在处理这些自然信号时，通常都是先将自然信号通过相对应的传感器，使之转化为可受控制的电学信号，然后再通过相应的电路系统进行识别，进而处理和控制这些自然信号。

传感器自诞生以来就对人类的科技进歩发挥着重大的影响，传统的传感器由于制作工艺的不成熟，使得其体积大、成本高、精度低，经过技术不断的提高和改进，现在的新型传感器已经向着微型化、低成本、高精度的方向发展，其中MEMS传感器是典型的新型传感器系统。

在传统的传感器系统中，传感器、执行器、信号处理电路、控制电路是分散开来的，但是MEMS传感器使用了最先进的微机械加工技术，将它们集成在了一起，因此获得了具有很高分辨率和很微型体积的新型传感器。

MEMS传感器的这些特点，使得它在于电路系统的集成过程中十分便利，因而在很大程度上扩展了传感器技术的应用深度和应用领域。

MEMS传感器与传统传感器相比具有可靠性高、稳定性强、体积小、成本低、重量轻和智能化等优势[5]。

MEMS( micro electromechanical system) 是指采用微机械加工技术可以批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统[1]。

MEMS 技术的发展显示出巨大的生命力, 它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。

目前MEMS 产品如微传感器、微执行器和微电子机械部件正在工业过程控制、通讯、计算机和机器人、环境保护和监测、人类健康、战斗机、汽车运输和农业等领域得到广泛的应用。

其中在工业仪表、打印机、传真机、汽车、医疗检测和DNA 分析等方面已取得可观的经济效益。

工业发达国家十分重视MEMS 技术的发展,把MEMS看作是一个21世纪新的经济增长点, 并投入人力和财力大力推进MEMS的开发和研究, 积极促进其产业化发展的速度。

展望21 世纪初期的一、二十年, MEMS技术将会有更大的发展,新原理、新功能、新结构的微传感器、微执行器、微型机构以及微系统将会不断出现。

MEMS的发展将像微电子一样, 对科学技术和人类生活产生革命性的影响, 并可望形成类似于微电子的新产业。

二.微谐振器静电驱动原理：静电驱动是MEMS 中应用最广泛、最典型的动力驱动之一，它是一种使电能转换成机械能的方法。

静电驱动是利用电荷间的吸引力和排斥力的相互作用驱动电极位移的运动方式。

静电作用属于表面力，在尺寸发生微小变化时，能够产生很大的能量，并且器件的制造工艺与IC 工艺具有良好的兼容性，已成为MEMS 微驱动方式发展的重要趋势。

横向梳状谐振器中的梳齿因为具有对称性，所以可以用一个梳齿为例，来说明整个系统的梳齿的静电驱动原理。

图 3.2 为单个静电梳齿的结构图。

图 3.2 单个静电梳齿结构图其中l为梳齿的长度为，w为梳齿的宽度，t为微梳齿的厚度，d为动齿和定齿纵向之间的距离，l0为梳齿的初始交叠长度，g为梳齿横向间距。

传统的计算梳齿静电力的方法，是忽略梳齿的边缘效应，将梳齿的动齿和定齿简化成平行板电容器模型，然后利用虚位移定理来求解梳齿所受的静电力问题。

图2.3为可动梳齿运动时，单个梳齿剖面图及电容分布。

三.MEMS谐振器的分类根据谐振器的工作结构不同，MEMS谐振器主要有梳状、梁式及盘式这三种典型基本结构。

梳妆谐振器是利用梳妆叉指电容作为换能器，而梁式和盘式谐振器都是利用平板电容作为换能器。

有了比较大的能量转换。

不过梳状MEMS谐振器是靠大质量块和柔性梁工作，这就使得刚度质量比较低，谐振频率相应的也比较低，因此难以提高到中频和高频范围，所以梳妆MEMS谐振器适用于高Q值、低频率的振荡器。

3.3.1 梳状MEMS谐振器20世纪80年代末出现了利用梳状叉指电容研制的梳状谐振器[23]是较早的MEMS谐振器之一，该梳状谐振器（如图3.6所示）包括两个叉值换能器和连接叉值换能器的柔性梁，柔性梁通过锚固定在电极上。

梳状谐振器以梳状叉指电容作为换能器，因此其电容与位移呈线性关系，这样就能够避免平板电容引起的非线性问题。

梳状MEMS 谐振器中柔性梁的设计比较灵活，可以有直角型、弓形、蟹脚型等多种形式，因此可以产生比较大的谐振振幅，也就有了比较大的能量转换。

不过梳状MEMS谐振器是靠大质量块和柔性梁工作，这就使得刚度质量比较低，谐振频率相应的也比较低，因此难以提高到中频和高频范围，所以梳妆MEMS谐振器适用于高Q值、低频率的振荡器。

图 3.6 梳状谐振器3.3.2 梁式MEMS谐振器双端固支梁谐振器是Bannon等人于1996年设计的（如图3.7所示），谐振器的下面是激励电极，双端固支的多晶硅梁悬于激励电极的上方，这样就形成了平面电容换能。

在真空状态下谐振器Q值可达8000，谐振频率可达8.5M//z。

梁式谐振器有多种不同的结构形式，可以在从几十兆到几百兆赫兹的频率下工作，并且其Q值能够满足通信系统的要求。

对于简单的梁式结构，随着尺寸的不断减小，输出频率甚至可以达到GHz的程度，但尺寸减小带来的微尺寸效应，不仅是对工艺制作的巨大挑战，而且较小尺寸也限制了谐振器的功率能力，因此在进一歩提高频率上，梁式MEMS 谐振器的发展空间受到了限制。

图 3.7 梁式谐振器3.3.3 盘式MEMS谐振器盘式结构的谐振器是Michigan大学于1999年研制的，谐振器圆盘直径为34um ，工作频率可达156M//z，Q值超过9400。

根据圆盘振动模式的不同，盘式MEMS谐振器分为圆盘谐振器和酒杯式圆形谐振器。

圆盘谐振器的圆盘悬空在衬底表面的圆盘，圆盘的中心通过锚固定在衬底上，周围侧壁与外电极形成电容换能。

酒杯式圆形谐振器(如图3.8所示）的圆盘也悬空在衬底表面的圆盘上，但它是靠圆盘外侧的支撑梁来支撑整个结构，驱动电极通过侧壁的电极来实现，通过外张模式沿着两个垂直直径的方向伸缩来实现高频振动。

一般来说，盘式谐振器都具有较大的刚度，在特征尺寸不是很小的情况下就能够达到很高的谐振频率，因此盘式MEMS谐振器为MEMS 谐振器在较高频段的应用提供了可能。

图 3.8 盘式谐振器四.总结:随着MEMS 产品日益扩大的应用，微器件的稳定性和可靠性对微系统和微器件数学模型和仿真、测试技术的研究也提出了更高的要求，包括考虑各种物理效应耦合的微构件运动仿真、考虑误差故障的微结构性能仿真分析，以及相关的检测技术研究。

微结构的耦合仿真需要考虑的因素非常多，由于时间限制，本文主要研究的是微器件梳齿谐振器的静态驱动机电耦合。

但实际的微器件工作环境受到温度、湿度、电场、空气阻尼等多种影响，一般计算机模拟中考虑的因素越多，计算的结果就越接近实际工况，但是这样不可避免的消耗越多计算时间、增加计算难度。

故障仿真也有类似的问题。

寻找合适的仿真方法以兼顾计算精度和计算时间这两方面的要求将是MEMS 仿真研究下一步的发展目标。

五.参考文献：[1] Janusz Bryzek. Impact of MEMS technology on society . Sensors and actuators ，1996 ，56 ：1-9.[2] Minhang Bao ，Weiyuan Wang. Future of microelectromechanical systems.Sensors andactuators ，1996 ，54 ：135-141.[3] 王立代，熊沈蜀，周兆英.基于 MEMS 压力传感器的微小型空速计.清华大学学报(自然科学版)，2005，(8)[4] 袁光，丁衡高，高钟毓，等.叉指式硅微加速度计的结构设计.清华大学学报(自然科学版)，1998，38(11)：38-41[5] 朱一纶，王寿荣，裘安萍.硅微机械谐振式陀螺仪.中国惯性技术学报学报2003，11(4)：45-48[6] Fuller S B ， Wilhelm E J ， Jacobson J M.Ink-jet printed nanoparticle microelectromechanical systems.Journal of Microelectromechanical Systems，2002，11(1)：54-60[7] Bin Mi， David A Smith，Harold Kahn，et al.Static and Electrically Actuated Shaped MEMS Mirrors.JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS 2005， 14(1) [8] Kevin R Cochran，Lawrence Fan，Don L DeVoe.Moving reflector type micro optical switch for high-power transfer in a MEMS-based safety and arming system.Journal of Micromechanics and Microengineering，2004，14(1)[9] Paolo Dario ，Maria Chiara Carrozza ，Antonella Benvenuto ，et al.Micro-systems in biomedical applications.Journal of Micromechanics and Microengineering，2000，10(2)：235-244[10] 王亚珍，朱文坚.微机电系统(MEMS)技术及发展趋势.机械设计与研究，2004，20(1)[11] 温诗铸，微型机械与纳米机械学研究.现代科学仪器，1998，(Z1)[12] 郑英彬.叉指式微速度计的耦合场分折：[硕士学位论文].四川：中国工程物理研究院，2002[13] 高钟毓.静电场耦合微机电系统的动态模型.机械工程学报，2001，37(3)[14] F Shen ， LU P ， O'Shea S J ， et al.Thermal Effects on Coated Resonant Microcantilevers.Sensors and Actuators，2001，95：17-23[15] D R Baselt ， B Fruhberger ， E Klaassen ， et al. Design and performance of a microcantilever-based hydrogen sensor.Sensors and Actuators B，2003，88：120–131[16] C Cabuz， E I Cabuz， T R Ohnstein，et al.Factors enhancing the reliability of touch-mode electrostatic actuators.Sensors and Actuators，2000，79，245–250[17] Remtema T，Lin L W. Active Frequency Tuning for Micro Resonators by Localized Thermal Stressing Effects.Sensors and Actuators，2001，91：326-332 [18] Ali H Nayfeh，Mohammad I Younis. A new approach to the modeling and simulation of flexible microstructures under the effect of squeeze-film damping. Journal of Micromechanics and Microengineering， 2004，14：170–181[19] 孙道恒.MEMS 耦合场分析与系统级仿真.中国机械工程，2002，13(9)[20] Gerhard Wachutka.Coupled-Field Modeling of Microdevices and Microsystems. in ：proceeding MSM 2002。