電容式盤結(jié)構(gòu)微諧振器相關(guān)性能研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）憑借其體積小、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、通信、航空航天等高尖端領(lǐng)域中。而電容式盤結(jié)構(gòu)微諧振器作為一種新型的MEMS器件，憑借其較大的品質(zhì)因數(shù)和較高的諧振頻率正逐步替代傳統(tǒng)石英晶體諧振器應(yīng)用于濾波器、振蕩器等無(wú)線通信系統(tǒng)中。據(jù)此，本文對(duì)電容式盤結(jié)構(gòu)微諧振器的相關(guān)性能進(jìn)行以下三個(gè)方面的研究。
　　第一，研究了慣性沖擊對(duì)酒杯狀MEMS盤結(jié)構(gòu)諧振器品質(zhì)因數(shù)的影響。首先根據(jù)酒杯狀盤式微諧振器的特殊結(jié)構(gòu)

2、推導(dǎo)出品質(zhì)因數(shù)的理論公式；然后利用能量法推導(dǎo)出諧振器遭受外界慣性沖擊時(shí)，其偏移量與測(cè)試電壓和慣性加速度的關(guān)系表達(dá)式；最后重新推導(dǎo)出諧振器在慣性沖擊下，其品質(zhì)因數(shù)和圓盤偏移量以及偏置電壓的關(guān)系式。分析結(jié)果表明。當(dāng)酒杯狀MEMS盤式諧振器所受偏置電壓一定時(shí)，其品質(zhì)因數(shù)隨著圓盤偏移量的增加而減少。例如，當(dāng)Vp=4V時(shí)，圓盤偏移50％較圓盤無(wú)偏移時(shí)，其品質(zhì)因數(shù)降低了50.3%。
　　第二，研究了傾斜效應(yīng)對(duì)盤結(jié)構(gòu)微諧振器可靠性工作范圍的影響

3、。首先利用能量守恒定律，分別分析了階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)對(duì)傾斜圓盤諧振器可靠性能的影響，并建立了諧振器所能承受的最大慣性加速度和傾斜角度以及測(cè)試電壓之間的定量關(guān)系表達(dá)式。分析結(jié)果顯示，當(dāng)測(cè)試電壓一定時(shí)，0.1°傾斜角的諧振器所能承受的最大階躍、脈沖加速度分別是0.25°傾斜角度諧振器的1.17、1.12倍。然后，考慮到諧振器的邊緣效應(yīng)，當(dāng)圓盤偏移量一定時(shí)，利用MAXWELL軟件仿真0.1°傾斜角的圓盤式諧振器的電容值。結(jié)果顯示，有無(wú)考慮邊緣

4、效應(yīng)時(shí)，電容值的平均相對(duì)誤差分別為9%和3.3%，可知邊緣效應(yīng)對(duì)諧振器性能的影響足夠小，可以忽略不計(jì)。最后，利用ANSYS軟件，分別對(duì)0.1°和0.25°傾斜圓盤在兩種強(qiáng)慣性沖擊下的可靠性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，對(duì)于0.1°傾斜圓盤諧振器，當(dāng)測(cè)試電壓一定時(shí)，諧振器所能承受的最大階躍、脈沖加速度的平均相對(duì)誤差分別為3.5%和8.3%。這表明仿真值和理論分析值的平均相對(duì)誤差很小，驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　第三，研究了DRIE工藝下

5、的傾斜效應(yīng)對(duì)電容式盤結(jié)構(gòu)微諧振器陣列的靜電調(diào)諧的影響。首先理論分析了靜電力產(chǎn)生的電氣剛度對(duì)諧振頻率調(diào)諧的可行性；其次，分析了傾斜效應(yīng)對(duì)單個(gè)諧振器諧振頻率的影響。最后，通過引入調(diào)諧圓盤陣列對(duì)原傾斜諧振器陣列進(jìn)行頻率調(diào)諧，分析了傾斜圓盤陣列的最優(yōu)調(diào)諧電壓，驗(yàn)證了當(dāng)運(yùn)動(dòng)電阻減小到50°時(shí)其圓盤諧振器大規(guī)模集成的可行性。結(jié)果顯示，當(dāng)諧振器均偏置在10V，對(duì)于傾斜角度均為0.1°的諧振器陣列，若使其諧振頻率與不傾斜陣列的諧振頻率間的誤差減小到0，