利用声子晶体减小锚点损耗的高频MEMS谐振器的性能研究

摘要

增强MEMS谐振器的性能是设计MEMS谐振器的主要目标。为了衡量谐振器的性能，可以用一系列的性能参来表征MEMS谐振器性能，包括谐振频率、品质因数、动态阻抗、非线性、功率容量和频率稳定性，这些参数可以用来衡量谐振器设计的好坏。这些参数中，高品质因素是一个提高谐振器性能的关键参数，并且在这些年的研究中被许多研究者提到过。 锚点损耗是一种弹性波/声学波通过支撑梁从谐振体传导到基底产生的能量损耗。声学波通过支撑梁的耗散会减小谐振器中存储的能量，从而导致谐振器品质因数的降低。因此，锚点损耗是设计MEMS谐振器时常见的关键参数。减小锚点损耗可以提高谐振器的品质因数，从而提升谐振器的性能。一些已知的可以用于减小锚点损耗并提高谐振器品质因数(Q)的技术包括：支撑梁的优化；利用谐振腔将振动的能量集中在谐振体中；利用声子晶体将弹性波反射回谐振体并隔离谐振体与基底之间的弹性波/声学波的传播等。在这些技术中，声子晶体(PnCs)结构是一种广泛应用于减小MEMS谐振器销点损耗的方法。利用一维(1D)声子晶体和二维（2D)声子晶体可以提供高的品质因数，但是一维声子晶体会使器件对机械振动十分敏感。 这篇论文提供了一个减小高频压电CIToS)MEMS谐振器锚点损耗的方法。通过在支撑梁上引入二维(2D)声子晶体（PnCs)结构，可以产生一个阻止声学波通过支撑梁的传播的带隙，并将机械能反射回谐振体，可以增强谐振体中存储的机械能从而提高谐振器的品质因数（Q)。本文的设计讨论了支撑梁的宽度、长度和几何设计对于声子晶体的带隙宽度和谐振器品质因数的影响。在支撑梁的外形上引入十字结构的二维声子晶体结构，这种声子晶体(PnCs)结构的设计可以提供较宽的带隙宽度和较高的品质因数。仿真结果表明，该设计的声子晶体其带隙宽度为380MHz,带隙占比（BG%)为83%,声子晶体的引入将谐振器的品质因数从21.180增加到了221.536。这篇文章同时讨论了另一种T形的声子晶体结构，其在1GHz以下存在一个较宽的带宽为860MHz的带隙，在1GHz以上存在两个带隙。该T形声子晶体结构的品质因数和带隙宽度都比以前的研究较高。

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