電容式盤結(jié)構(gòu)微諧振器相關(guān)性能研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)（MEMS）憑借其體積小、集成度高、成本低等優(yōu)點，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、振蕩器等無線通信系統(tǒng)中。據(jù)此，本文對電容式盤結(jié)構(gòu)微諧振器的相關(guān)性能進行以下三個方面的研究。
　　第一，研究了慣性沖擊對酒杯狀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，其偏移量與測試電壓和慣性加速度的關(guān)系表達式；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，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，圓盤偏移50％較圓盤無偏移時，其品質(zhì)因數(shù)降低了50.3%。
　　第二，研究了傾斜效應(yīng)對盤結(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和脈沖信號對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試電壓之間的定量關(guān)系表達式。分析結(jié)果顯示，當(dāng)測試電壓一定時，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，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，有無考慮邊緣

4、效應(yīng)時，電容值的平均相對誤差分別為9%和3.3%，可知邊緣效應(yīng)對諧振器性能的影響足夠小，可以忽略不計。最后，利用ANSYS軟件，分別對0.1°和0.25°傾斜圓盤在兩種強慣性沖擊下的可靠性進行仿真分析，結(jié)果顯示，對于0.1°傾斜圓盤諧振器，當(dāng)測試電壓一定時，諧振器所能承受的最大階躍、脈沖加速度的平均相對誤差分別為3.5%和8.3%。這表明仿真值和理論分析值的平均相對誤差很小，驗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)生的電氣剛度對諧振頻率調(diào)諧的可行性；其次，分析了傾斜效應(yīng)對單個諧振器諧振頻率的影響。最后，通過引入調(diào)諧圓盤陣列對原傾斜諧振器陣列進行頻率調(diào)諧，分析了傾斜圓盤陣列的最優(yōu)調(diào)諧電壓，驗證了當(dāng)運動電阻減小到50°時其圓盤諧振器大規(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，