MEMS振荡器激励新方法

MEMS 振荡器激励新方法

研究MEMS/NEMS振荡器谐振频率的激励和探测，其目的是完成超小力的探测、微机械混频器和滤波器的制作等。使微小的悬臂梁获得激励的方法目前已开发了许多种，其原理有静电学、磁学、压电、光泵和机械激励等。而一个由美国CORNELL 大学和新加坡研究人员组成的一个研究小组则致力于一种新的方法——空气流法。过去MEMS/NEMS 振荡器谐振频率的激励与探测的传统方法，构件受迫振荡，谐振频率通过光学干涉法或光反射法测量，或采用热机械噪声法避免强迫振荡。但对于一种室温条件下振幅仅有0.084nm，需要用光学反射才能探测的轻微振动，这都不是一件容易的事情。所以研究人员要考虑如何提高振幅以使对探测灵敏度的要求降低，从而降低成本。

研究人员发现，MEMS 悬臂梁原理上近似于某些乐器（如单簧管）中自由振动的簧片。由于簧片上部和下部空气压差不稳定，造成簧片在各自固有频率上振动，而压力差是由平行于簧片的气流所引起的，同样的气流激励不同长度的簧片以其各自固有频率振荡。

于是研究小组提出了一种与此类似的方法—气流法来激励MEMS 构件，并完成了有关气流激励微机械低应力二氧化硅悬臂结构的实验。实验中，研究人员将气体通过置于悬臂梁内的凹槽内的一个直径1.6mm 的塑料管送入，气流大小可以控制。这样气体离开管道后并行地流向振荡器表面。最后测量悬臂梁振幅，其输出信号有了极大的提高，当气体为每小时6~8ft.3 时，输出信号最大。在品质因数Q 没有明显加大的情况下，振动幅度提高了5300 倍。实验也表明，气流速度较高的情况下，如果改变谐振频率或降低质量因数，会产生非线性误差。
作为一种新的MEMS/NEMS 结构的激励方式， 气流激励潜在应用广泛， 它将使低成本MEMS/NEMS 传感器和执行器呈现一个新的局面。