梳齒式振動微機械諧振器的相關特性研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，MEMS技術在軍民應用中越來越廣泛。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、設計靈活等優(yōu)點，在射頻通信、國防軍工、消費電子等領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、組成結構、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。
　　 針對典型的梳齒結構，分析了梳齒效應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分為完全交疊梳齒邊緣效應、部分交疊梳齒邊緣效應和梳齒橫向邊緣效應三個部分，推導出較為精確的完全交疊三維梳齒邊緣效應表達式。通過電磁有限元仿真軟件Ansoft-Maxwell的仿真分析，論證了表達式的正確性。分析結果表明：未交疊梳齒長度越小，控制電

3、壓越高，邊緣效應變化越明顯；梳齒橫向間距越小，控制電壓越高，邊緣效應變化越明顯。
　　 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)所對應的電路電阻和電容的值，進行進一步分析，結果表明：當阻尼系數(shù)增大時，電路輸出幅度減小，但頻率不變；當器件彈性系數(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)梳齒結構，該結構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