工艺误差导致的阵列耦合MEMS谐振器性能变化特性研究

摘要

微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉融合并具有战略意义的前沿研究领域，是未来的主导产业之一。而在谐振器方面，圆盘式MEMS谐振器由于工作频率高、品质因数大、能够同射频通信系统单片集成等优点，得到了越来越多的研究，但是圆盘MEMS谐振器尚存在需解决的问题。为此，本论文研究的内容包括：
　　第一，工艺误差导致的Wine-Glass模式圆盘谐振器支撑损耗问题。研究工艺误差导致支撑梁位置变化而带来的谐振器性能变化问题，推导出了支撑梁伸张振动引起的能耗计算公式，据此研究了谐振器的品质因数变化特性，结果表明当存在工艺误差时，新引入的梁伸张振动模式减小了圆盘的振幅，其影响程度要大于弯曲模态对谐振器的性能的影响。当支撑梁发生4°偏移时，谐振频率上偏0.07％，圆盘振幅降低13.7%。而当梁偏移达到16°时，谐振频率上偏0.96%，圆盘振幅降低69.8%。其品质因数也会逐渐降低，若梁偏移至16°，品质因数Q下降了27.11%。
　　第二，机械阵列耦合圆盘谐振器的耦合梁尺寸偏差所引起的谐振器性能变化问题。论文就耦合梁由于工艺偏差所导致的质心偏移问题作出了详细的理论研究分析。论文推导出了梯形耦合梁等效电路模型，并结合已有的Radial-Contour振动模式圆盘谐振器的等效电路模型设计出了一个耦合梁质心偏移程度可以控制的双圆盘耦合谐振器电路模型。并通过ANSYS及Pspice软件分别对其机械模型与电路模型进行仿真。分析结果表明：当耦合梁质心分别发生6‰，12‰，18‰偏移时，谐振器谐振频率最大上偏45.7ppm，110ppm，250ppm；当耦合梁质心往两圆盘中一圆盘方向偏移时，该圆盘振幅减小，而另一圆盘振幅增大，并且该变化过程相对质心偏移情况呈近似线性关系。如当梁质心往右盘偏至最大（18‰）时，左盘振幅增大至1.785μA（无偏移情况下为1.724μA），增幅为35.9‰；同时，右盘振幅减小至1.657μA，减小38.7‰；同时品质因数也随着质心的偏移而减小，若质心偏移18‰，其Q值将减小19‰。

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第1章 绪论

1.1 MEMS微电子机械系统的概述

1.2 MEMS的组成

1.3 MEMS的特点

1.4 MEMS的发展

1.5 MEMS的应用

1.6 MEMS谐振器概述

1.7 电容式MEMS谐振器发展

1.8 关于支撑损耗的研究状况及发展趋势

1.9 关于耦合谐振器的研究状况及发展趋势

1.10 本文主要研究内容及工作安排

第2章 MEMS圆盘谐振器

2.1 Radial-Contour模式圆盘谐振器

2.2 Wine-Glass模式圆盘谐振器

2.3 其他——环形谐振器

2.4 圆盘谐振器面临的问题

2.5 本章小结

第3章 Wine-Glass振动模式圆盘谐振器由于其自身工艺误差引起的支撑损耗的研究分析

3.1 引言

3.2 关于支撑损耗

3.3 品质因数的理论公式

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 耦合梁尺寸偏差导致的阵列圆盘谐振器组性能变化研究分析

4.1 引言

4.2 伸张振动模式耦合梁

4.3 双圆盘耦合谐振器

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 论文的不足与展望

致谢

参考文献

附录