浅谈几种MEMS麦克风结构中的非线性振动

摘要

由于尺度效应带来的大变形问题,两端固支梁具有的硬弹簧效应将引发MEMS结构的非线性"达芬"振动,影响其线性度和振幅,周边固支的圆薄板亦然.本文以一种新型高线性度弓形支撑梁和褶皱圆薄板为例,讨论了输入声强力与敏感位移转换环节间的线性关系.进一步地,讨论了MEMS麦克风结构中的应力加强式非线性振动模型对THD、AOP指标的权衡与结构可靠性的影响.以两端固支梁为例，说明MEMS结构中的超静定结构均存在硬弹簧效应，在受较大载荷时会发生非线性“达芬”振动，从而影响结构工作的线性度和稳定性。MEMS麦克风的膜片作为波纹圆板，也与梁结构类似，存在相应的非线性特性。讨论了MEMS麦克风结构中的应力加强式非线性振动模型对THD,AOP指标的权衡与结构可靠性上的权衡。介绍了MEMS麦克风膜片的非线性力学和非线性振动的力学理论，不仅使用有限元仿真的方法，更可以通过寻求解析解的方法，寻找结构的最优参数点。总之，在麦克风系统中，存在本文讨论的力学载荷到位移转换环节的非线性，也存在如文献讨论的位移到电容和电容边缘的非线性，后端尚有电容到电荷或电压的物理量转换环节的非线性和饱和特性，这几个环节的非线性因素，共同决定的麦克风的THD,AOP等性能指标。