微機械諧振器-濾波器通帶特性分析及結構魯棒設計.pdf

1、隨著通信和電子技術的飛速發(fā)展，電訊系統(tǒng)的小型化、微型化成了必然趨勢。微加工技術利用標準集成電路工藝，可以直接將機械濾波器制作在硅芯片上，組成單片系統(tǒng)，從而大大縮小整個系統(tǒng)的體積。由于微機械濾波器的前景十分誘人，多種結構形式的微機械諧振器/濾波器成為當今國際上的研究熱點。 目前，單振動自由度微機械濾波器(諧振器)的動力學(或數(shù)學)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，使其實用性受到限制。多振動自由度微機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)今多振動自由度微機械濾波器的振動模型及解析解還沒有，設計是參照很成熟的模擬濾波器經典設計方法，其核心是“試湊法”，設計濾波器的核心參數(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動微機械諧振器/濾波器為研究對象，主要圍繞兩個方面進行：一是兩振動自由度微機械濾波器通帶波形分析；二是考慮微加工誤差的微機械諧振器

3、/濾波器結構魯棒設計。主要研究內容如下： 首先，基于兩自由度微機械濾波器振動模型，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，將兩自由度振動的幅頻函數(shù)分別在兩個固有頻率處做Taylor展開，再考慮到固有頻率處幅頻函數(shù)對頻率的一階導數(shù)為零，取Taylor展開式到二次項，利用3dB帶寬定義，導出了3dB帶寬近似計算公式。 其次，將結構魯棒設計方法應用于兩個振動自由度的靜電梳驅動折疊梁微機械濾波

4、器的設計：在指定耦合梁寬度等于振子折疊梁寬度的前提下，本文推導出了兩個固有頻率對微梁寬度工藝誤差的靈敏度模型，得到了對工藝誤差不敏感的梳狀振子應滿足的幾何條件，從而將已有的關于單自由度振子結構的設計結論推廣到了多自由度微振動系統(tǒng)，再分別以矩形、正方形作為振子基本形狀，提出了振子結構魯棒設計方法，推導出了折疊梁寬度與補償孔壁厚、補償孔數(shù)量的重要關系。這些關系對微機械濾波器的結構設計具有重要指導意義。同已有的單自由度振子結構的設計計算相比，

5、本論文不僅拓展了僅適用于單自由度的微機械振動系統(tǒng)的結構設計結論，提出可以用于兩自由度以上的多自由度微機械振動系統(tǒng)的方法，同時，本論文提出的方法大大降低了設計難度，簡化了設計過程，避免了諧振子邊壁過薄。 本論文的研究為進一步提高微尺度機械電子元件的研究水平，特別是微機械濾波器的研究和機械諧振器的微型化與集成奠定了一定的理論和技術基礎。本論文的研究工作得到國家自然科學基金項目“電訊系統(tǒng)中硅微機械諧振器及濾波器的振動魯棒控制”(503