梳齒式振動微機械諧振器的相關(guān)特性研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，MEMS技術(shù)在軍民應(yīng)用中越來越廣泛。其中，微諧振器是MEMS中最重要的一種器件，由于它具有能實現(xiàn)機械能和其他能量之間的轉(zhuǎn)換、可以產(chǎn)生較大的振動幅值、設(shè)計靈活等優(yōu)點，在射頻通信、國防軍工、消費電子等領(lǐng)域有著十分重要的作用。
　　 本文主要研究梳齒式微諧振器。首先對其驅(qū)動技術(shù)、組成結(jié)構(gòu)、動態(tài)特征，空氣阻尼等基本原理進行分析。選取了靜電力作為其驅(qū)動力；分析了梳齒式微諧振器的動力學(xué)原理；根據(jù)滑膜阻尼和壓膜阻尼的原理，分析

2、了梳齒式微諧振器的各部分阻尼分布情況，說明了各部分阻尼對諧振器的影響。
　　 針對典型的梳齒結(jié)構(gòu)，分析了梳齒效應(yīng)對于小尺寸的微諧振器的電容、靜電力以及整體性能的影響。將微諧振器的邊緣效應(yīng)分為完全交疊梳齒邊緣效應(yīng)、部分交疊梳齒邊緣效應(yīng)和梳齒橫向邊緣效應(yīng)三個部分，推導(dǎo)出較為精確的完全交疊三維梳齒邊緣效應(yīng)表達(dá)式。通過電磁有限元仿真軟件Ansoft-Maxwell的仿真分析，論證了表達(dá)式的正確性。分析結(jié)果表明：未交疊梳齒長度越小，控制電

3、壓越高，邊緣效應(yīng)變化越明顯；梳齒橫向間距越小，控制電壓越高，邊緣效應(yīng)變化越明顯。
　　 使用有限元分析軟件Ansys對梳齒式微諧振器建模，并進行模態(tài)分析和靜力分析。結(jié)果表明，器件的有效工作模態(tài)為第三階，即沿x軸的平動，其諧振頻率為40255Hz，與理論計算結(jié)果比較吻合；靜力分析中的最大位移是0.019um。利用機電類比原理，推導(dǎo)出梳齒式微諧振器的機電耦合等效電路以及器件的F-V電壓等效電路，通過射頻電路仿真軟件ADS仿真分析，得

4、到等效電路的S(2,1)參數(shù)，諧振頻率為41KHz，論證了此F-V電壓等效電路的正確性。同時，改變阻尼系數(shù)和系統(tǒng)彈性系數(shù)所對應(yīng)的電路電阻和電容的值，進行進一步分析，結(jié)果表明：當(dāng)阻尼系數(shù)增大時，電路輸出幅度減小，但頻率不變；當(dāng)器件彈性系數(shù)增大時，頻率增加，但電路輸出幅值不變。
　　 針對梳齒式微諧振器的頻率調(diào)節(jié)問題，介紹了一種曲線型的調(diào)節(jié)梳齒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由矩形的固定梳齒和曲線型的運動梳齒組成。通過調(diào)節(jié)梳齒上的控制電壓，來改變靜電彈

5、性系數(shù)以及器件的有效彈性系數(shù)，進而調(diào)節(jié)微諧振器的諧振頻率。利用Ansoft軟件仿真分析曲線梳齒的電容、靜電力、靜電彈性系數(shù)以及頻率，結(jié)果表明：曲線梳齒控制電壓的增大使得整個微諧振器的有效彈性系數(shù)降低了27[％]，諧振頻率降低了15[％]，達(dá)到了調(diào)節(jié)頻率的目的。
　　 最后，介紹了MEMS主要的微加工工藝，設(shè)計了針對梳齒式微諧振器的表面微加工工藝和體微加工工藝的流程。對于加工過程中可能出現(xiàn)的粘連現(xiàn)象，進行解釋分析，并提出了通過工藝