微機(jī)械諧振器-濾波器通帶特性分析及結(jié)構(gòu)魯棒設(shè)計(jì).pdf

1、隨著通信和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電訊系統(tǒng)的小型化、微型化成了必然趨勢(shì)。微加工技術(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝，可以直接將機(jī)械濾波器制作在硅芯片上，組成單片系統(tǒng)，從而大大縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積。由于微機(jī)械濾波器的前景十分誘人，多種結(jié)構(gòu)形式的微機(jī)械諧振器/濾波器成為當(dāng)今國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。 目前，單振動(dòng)自由度微機(jī)械濾波器(諧振器)的動(dòng)力學(xué)(或數(shù)學(xué))模型及解析解雖然十分完善，但由于其通帶帶寬有限，通帶形狀不夠陡峭即形狀因子(Shapefactor)不

2、夠理想，使其實(shí)用性受到限制。多振動(dòng)自由度微機(jī)械濾波器顯然在通帶帶寬、通帶形狀等方面更具潛力。但是現(xiàn)今多振動(dòng)自由度微機(jī)械濾波器的振動(dòng)模型及解析解還沒有，設(shè)計(jì)是參照很成熟的模擬濾波器經(jīng)典設(shè)計(jì)方法，其核心是“試湊法”，設(shè)計(jì)濾波器的核心參數(shù)如3dB帶寬截止頻率，需要大量試算，十分麻煩。 本論文以典型的靜電梳驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振器/濾波器為研究對(duì)象，主要圍繞兩個(gè)方面進(jìn)行：一是兩振動(dòng)自由度微機(jī)械濾波器通帶波形分析；二是考慮微加工誤差的微機(jī)械諧振器

3、/濾波器結(jié)構(gòu)魯棒設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容如下： 首先，基于兩自由度微機(jī)械濾波器振動(dòng)模型，本文提出了估算3dB帶寬截止頻率的新方法：3dB帶寬截止頻率在固有頻率附近，將兩自由度振動(dòng)的幅頻函數(shù)分別在兩個(gè)固有頻率處做Taylor展開，再考慮到固有頻率處幅頻函數(shù)對(duì)頻率的一階導(dǎo)數(shù)為零，取Taylor展開式到二次項(xiàng)，利用3dB帶寬定義，導(dǎo)出了3dB帶寬近似計(jì)算公式。 其次，將結(jié)構(gòu)魯棒設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于兩個(gè)振動(dòng)自由度的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波

4、器的設(shè)計(jì)：在指定耦合梁寬度等于振子折疊梁寬度的前提下，本文推導(dǎo)出了兩個(gè)固有頻率對(duì)微梁寬度工藝誤差的靈敏度模型，得到了對(duì)工藝誤差不敏感的梳狀振子應(yīng)滿足的幾何條件，從而將已有的關(guān)于單自由度振子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)論推廣到了多自由度微振動(dòng)系統(tǒng)，再分別以矩形、正方形作為振子基本形狀，提出了振子結(jié)構(gòu)魯棒設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)出了折疊梁寬度與補(bǔ)償孔壁厚、補(bǔ)償孔數(shù)量的重要關(guān)系。這些關(guān)系對(duì)微機(jī)械濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。同已有的單自由度振子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算相比，

5、本論文不僅拓展了僅適用于單自由度的微機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)論，提出可以用于兩自由度以上的多自由度微機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的方法，同時(shí)，本論文提出的方法大大降低了設(shè)計(jì)難度，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，避免了諧振子邊壁過(guò)薄。 本論文的研究為進(jìn)一步提高微尺度機(jī)械電子元件的研究水平，特別是微機(jī)械濾波器的研究和機(jī)械諧振器的微型化與集成奠定了一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。本論文的研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“電訊系統(tǒng)中硅微機(jī)械諧振器及濾波器的振動(dòng)魯棒控制”(503