MEMS谐振器品质因数调节方法探究

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MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)谐振器作为谐振式传感器的关键组件具有广泛应用,如用于重力测量和地震监测的高分辨率加速度计、谐振式温度传感器、谐振式磁力计等,MEMS谐振器是微机械传感器未来热门的发展方向。谐振式传感器的稳定性、分辨率等性能指标与其核心组件MEMS谐振器的品质因数密切相关。因此,为提高谐振式传感器的性能,本文提出了一种基于参数泵浦法调节谐振器品质因数的方案。首先调研了国内外关于调节谐振器品质因数的研究,发现谐振系统的非线性阻尼现象可用于调节品质因数,确定了使用参数泵浦法调节品质因数的方案,即通过使用交流信号静电调制谐振器的刚度,将外界能量注入到谐振器模态系统中使其阻尼发生变化,从而提升谐振器模态品质因数。本文在介绍了谐振器品质因数的定义和实验测量方法后,对参数泵浦法类似于斯托克斯散射的基本物理原理进行了阐述并做了仿真分析,仿真结果表明参数泵浦法可以增强谐振器振幅和品质因数,证明了该方案的可行性。实验结果表明,在泵浦信号作用下,谐振器的振动特性发生了改变。实验详细论证了谐振器品质因数增强以及闭环条件下频率稳定性提升与泵浦信号的幅值、频率之间的关系。随着不断增大泵浦信号的幅值,谐振器的品质因数随之增大,从而导致闭环振荡器电路频率稳定性的提高。对比没有施加泵浦信号的情况,泵浦幅值为0.5 V时,通过衰减响应观察到了非线性阻尼现象,且谐振器的品质因数由2.7k增强到125k,频率的本底噪声由3.25 mHz/(?)降低到0.47 mHz/(?)。实验在多种参数条件下都表明参数泵浦法调节谐振器品质因数的可行性。最后,通过参数泵浦法增强谐振器品质因数方案在谐振式磁力计的成功应用,表明该方案可以作为一项共性技术应用于谐振式传感器。
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