非常态环境下硅微谐振器的谐振特性研究

摘要

随着微器件的商业化，非常态工作环境成了影响器件高精度与可靠性获得的重要因素。作为这些微结构的核心元件，微谐振器在非常态环境下的谐振特性研究变得越来越重要。本论文以微谐振器为研究对象，设计温度敏感与阻尼敏感两类谐振器结构，从理论推导、建模仿真与实验验证三方面研究微谐振器谐振频率的温度变化规律，以及系统阻尼与真空关系。主要研究内容和成果如下:
　　1)简述典型支撑梁固有频率的温度系数模型，梳理支撑梁温度敏感参数，分析温度影响支撑梁固有频率的规律性机制，并以此作为设计目标，对典型支撑梁进行结构参数化仿真。仿真结果表明:在温度环境作用下，直脚梁、蟹脚梁与折叠梁支撑结构的谐振频率都随温度增高而线性减小;梁的刚度越大，其温度敏感度越大;相比而言，折叠梁的应力释放能力最强;
　　2)对谐振器在不同真空度下的能量损耗进行分析，建立了品质因子与真空度的理论模型，制定了考察方案，设计了不同数量阻尼齿的谐振器。由分析可知，品质因子随真空度增加而降低;低真空环境下谐振器主要能量损耗源于空气阻尼，而在高真空下则源于锚点损耗、材料损耗等;
　　3)根据设计谐振器的结构特点，制定了整体工艺流程，完成相关关键工艺研究，实现温度敏感与阻尼敏感结构的制备;
　　4)搭建温度测试平台，完成典型温度敏感结构的温度敏感度相关测试。测试结果表明，温度敏感结构的温度敏感度变化趋势与仿真结果基本一致。从有限元仿真与工艺误差两方面入手，分析发现测试结果与仿真结果之间的误差主要源于刻蚀加工和固支形式的变化;
　　5)搭建真空测试平台，通过测试得到阻尼敏感结构品质因子与真空度的关系曲线。理论与实验对比可知，两者在低真空段较为吻合，且谐振器品质因子随着阻尼齿的增多以及支撑梁梁宽的变大而减小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 MEMS微机电系统简介

1．2 MEMS微谐振器概述

1．3 非常态环境下MEMS谐振器的动态性能及研究现状

1．4 研究目标及主要研究内容

第二章 微谐振器结构设计及仿真

2．1 微谐振器的基本工作原理

2．2 微谐振器温度敏感结构设计及仿真

2．3 微谐振器阻尼敏感结构设计

2．4 本章小结

第三章 微谐振器制备工艺研究

3．1 整体工艺设计方案

3．2 温度敏感结构制备

3．3 阻尼敏感结构制备

3．4 本章小结

第四章 非常态环境下谐振器谐振特性测试

4．1 微谐振器测试简介

4．2 不同温度环境下微谐振器的谐振频率测试

4．3 不同压力环境下微谐振器Q值测试

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 前景展望

参考文献

硕士期间科研成果

致谢