一种磁激励压阻拾振式MEMS 谐振器的主动频率调谐方法

摘要

本发明提供了一种磁激励压阻拾振式MEMS谐振器的主动频率调谐方法。将所述谐振器置于匀强磁场中，当正弦交流电压施加在悬臂梁上的激励线圈上时，悬臂梁的振动通过压阻惠斯通电桥感知，压阻惠斯通电桥的输出电压为Uout；通过改变正弦交流电压的频率改变悬臂梁的振动频率，当正弦交流电压的频率等于悬臂梁的固有频率时发生谐振，通过正弦交流电压的频率与悬臂梁的输出电压之间对应关系曲线拟合出谐振器的谐振频率；通过改变惠斯通电桥的直流偏置电流改变谐振器材料的弹性模量，从而改变谐振频率。本发明通过改变惠斯通电桥的直流偏置电流改变谐振器的弹性模量进行频率调谐，无需额外制作加热器，增大的直流偏置电流提高了测量分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐振器频率调谐方法，更确切地说，是一种磁激励压阻拾 振式的MEMS谐振器的主动频率调谐方法。

背景技术

MEMS（Microelectromechanical Systems）谐振器已经广泛地应用于加速度 计、过滤器、生化传感器、温度传感器、压力传感器以及黏密度传感器等领域。 由于在制造过程中工艺条件发生变化，或者因为热漂移等因素，都会导致谐振 器的实际频率与设计频率不匹配，因此在谐振器投入实际使用之前有必要对其 谐振频率进行调谐。目前，MEMS谐振器的频率调谐方法大体可以分为两类： 被动式频率调谐和主动式频率调谐。被动式频率调谐主要通过沉积或者激光制 造等方法进行再加工，调谐范围大，但这种方法却对谐振器进行了不可逆的改 变且不能实时调谐；主动式频率调谐主要通过静电力改变谐振器的刚度、或通 过电热能在结构中产生热应力或是通过电热能改变谐振器的弹性模量等来达到 频率调谐的目的，调谐范围较小，但对谐振器结构不构成改变并且可以在谐振 器的使用寿命内进行实时频率调谐。目前，关于主动频率调谐的报道只有电热 激励和静电激励的谐振器的频率调谐，但是这两者的缺点是非常明显的。电热 激励的谐振器响应较慢，并且需要耗费大量的能量；静电激励的谐振器工艺制 作复杂，同时还需要很高的激励电压。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁激励压阻拾振式MEMS谐振器的主动频率调 谐方法，解决现有电热激励方法响应慢、能量耗费大以及静电激励制作工艺复 杂、需要高激励电压等缺点，同时实现频率调谐的目的。压阻转换用于检测谐 振器的振动同时通过改变谐振器的惠斯通电桥的直流偏置电流来实现频率调谐 的目的。

为了克服现有方法的缺点，本发明提供一种磁激励压阻拾振式MEMS谐振 器的主动频率调谐方法，将所述谐振器置于匀强磁场中，所述匀强磁场的方向 沿着谐振器的悬臂梁长度方向，其中，所述谐振器的激励线圈通过信号发生器 提供正弦交流电压，所述谐振器的压阻惠斯通电桥通过恒流源提供直流偏置电 流I_dc；幅值为V_ac的正弦交流电压施加在谐振器的激励线圈上时，引起悬臂梁振 动，悬臂梁的振动通过压阻惠斯通电桥感知，所述压阻惠斯通电桥的输出电压 为U_out；通过改变正弦交流电压的频率改变悬臂梁的振动频率，当正弦交流电压 的频率等于悬臂梁的固有频率时发生谐振，通过正弦交流电压的频率与悬臂梁 的输出电压之间对应关系曲线进而拟合出谐振器的谐振频率；通过改变惠斯通 电桥的直流偏置电流来改变谐振器材料的弹性模量，进而改变谐振频率。

作为本发明的优选实施例，所述惠斯通电桥的输出电压通过锁相放大器测 量。

一种磁激励压阻拾振式MEMS谐振器的主动频率调谐方法，包括以下步骤：

（1）将该谐振器置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着谐振器中的谐 振体—悬臂梁的长度方向，然后通过第一和第二焊盘给谐振器的激励线圈提供 一个幅值为V_ac的正弦交流电压，正弦交流电压由信号发生器提供，悬臂梁受到 交变的电磁力将会发生往复振动；

（2）悬臂梁的振动通过置于悬臂梁根部的压阻惠斯通电桥感知，惠斯通电 桥的直流偏置电流为I_dc，直流偏置电流由恒流源提供，惠斯通电桥通过第三、 第四、第六和第七焊盘供给恒流电源，并使用锁相放大器通过第五和第八焊盘 测量惠斯通电桥的输出U_out；

（3）改变输入的交流电压V_ac的频率，悬臂梁的振动频率随之发生改变但 等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁的固有频率时将会发生谐振， 通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大器的输出数据，进行拟合即可得 到谐振器的谐振频率；

（4）改变惠斯通电桥的直流偏置电流为I_dc，由于电阻产生焦耳热通过热传 导的方式在谐振器内进行热扩散改变了谐振器材料的弹性模量，进而达到改变 谐振频率的目的。

作为本发明的优选实施例，所述的悬臂梁，其固支条件为单端固支、双端 固支或四周固支，当其固支条件为双端固支或者四周固支时，通过改变惠斯通 电桥的直流偏置电流改变谐振频率。

作为本发明的优选实施例，所述的谐振器是采用磁激励的，外磁场是采用 永磁铁提供的。

作为本发明的优选实施例，所述的磁激励压阻拾振式MEMS谐振器，通过 改变其激励线圈的激励电压改变谐振器的频率。

作为本发明的优选实施例，所述拾振方式为压阻拾振。

作为本发明的优选实施例，所述的谐振器采用MEMS工艺制作。

本发明磁激励压阻拾振式MEMS谐振器进行频率调谐方法至少具有以下优 点：本发明磁激励的高效性可以显著减少激励所需的能量，使其可以用在便携 式设备中，同时激励频率可以高到几个MHz；压阻转换的使用使得谐振器制作 简单、信号调理电路容易并且具有大的动态范围；通过改变惠斯通电桥的直流 偏置电流进行频率调谐，无需额外制作加热器，同时增大的直流偏置电流还可 以提高测量分辨率。

附图说明

图1为本发明所述的磁激励压阻拾振式MEMS谐振器的谐振体结构示意图；

图2为本发明所述的实验装置示意图；

图3为本发明所述的谐振器等效电路示意图；

图4为本发明的实验数据效果图；

图中的标号如下表示：

1-8 第一至第八焊盘 9 惠斯通电桥 10 激励线圈 11 矩形悬臂梁

具体实施方式

以下结合附图对本发明采用磁激励压阻拾振式MEMS谐振器主动频率调谐 方法的工作过程作更加详细地说明：

请参阅图1和图2所示，本发明采用磁激励压阻拾振式MEMS谐振器主动 频率调谐方法包括以下步骤：

1）将该谐振器置于外界匀强磁场中，匀强磁场的方向沿着谐振器中的谐振 体—悬臂梁11的长度方向，然后通过第一和第二焊盘1、2给谐振器的激励线 圈10提供一个幅值为V_ac的正弦交流电压，正弦交流电压由信号发生器提供， 悬臂梁11受到交变的电磁力将会发生往复振动；

2）悬臂梁11的振动通过置于悬臂梁11根部的压阻惠斯通电桥9感知，惠 斯通电桥9的直流偏置电流为I_dc，直流偏置电流由恒流源提供，惠斯通电桥9 通过第三、第四、第六和第七焊盘3、4、6、7供给恒流电源，并使用锁相放大 器通过第五和第八焊盘5、8测量惠斯通电桥9的输出U_out；

3）改变输入的交流电压V_ac的频率，悬臂梁11的振动频率也会发生改变但 等于交流电压频率，当输入电压的频率等于悬臂梁11的固有频率时将会发生谐 振，通过输入的交流电压的频率以及采集锁相放大器的输出数据，进行拟合即 可得到谐振器的谐振频率；；

4）改变惠斯通电桥9的直流偏置电流为I_dc，由于电阻产生焦耳热通过热传 导的方式在谐振器内进行热扩散改变了谐振器材料的弹性模量，进而达到改变 谐振频率的目的。

在此，需要特别指出的是，本发明所述的压阻拾振式MEMS谐振器是采用 磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的；优选为钐钴永磁铁。谐振体可以是矩 形、三角形、梯形或其他任意形状的悬臂梁，但固支条件必须为单端固支。当 固支条件为双端固支或者四周固支时，通过改变惠斯通电桥的直流偏置电流也 能改变谐振频率，但其原因却是由于产生的焦耳热引起谐振体内部产生了热应 力，进而改变了谐振频率。所述的磁激励压阻拾振式MEMS谐振器，通过改变 其激励线圈的激励电压，也能改变谐振器的频率。

图3为本发明的谐振器等效电路示意图，R为构成惠斯通电桥9的电阻条阻 值，ΔR为谐振体振动时所引起的电阻条阻值的变化值，R₁为激励线圈10的电 阻。一般来说，悬臂梁11的长度和宽度都远大于其厚度，因此当悬臂梁11的 长度小于其宽度时，悬臂梁11的谐振频率f与惠斯通电桥9的直流偏置电流I_dc的关系式为：

$f=-\frac{1}{2}{f}_0(\frac{I_{\mathrm{dc}}^2\mathrm{Rw\beta }}{\mathrm{\lambda ld}}+\frac{V_{\mathrm{ac}}^2\mathrm{w\beta }}{2R_1\mathrm{\lambda ld}}-2).---\left(1\right)$

式（1）中，f₀为悬臂梁11在周围环境温度中的谐振频率；w为悬臂梁11的宽 度；β为悬臂梁11的弹性模量的线性温度系数；λ为悬臂梁11的热导率；l为悬 臂梁11的长度；d为悬臂梁11的厚度。当悬臂梁11的长度大于其宽度时，悬 臂梁11的谐振频率f与惠斯通电桥9的直流偏置电流I_dc的关系式为：

$f=-\frac{1}{2}{f}_0(\frac{I_{\mathrm{dc}}^2\mathrm{Rl\beta }}{\mathrm{\lambda wd}}+\frac{V_{\mathrm{ac}}^2\mathrm{l\beta }}{2R_1\mathrm{\lambda wd}}-2).---\left(2\right)$

由公式（1）和（2）可知，改变惠斯通电桥9的直流偏置电流或者激励线圈10 的输入交流电压，的确可以对谐振器进行主动频率调谐，并且是非线性地调谐。

图4为本发明的实施效果图，所使用的悬臂梁为单端固支的矩形悬臂梁， 其长度、宽度和厚度分别为：1363.80μm、2263.11μm和34.12μm，测量是在常 压常温的空气中实施的，悬臂梁激励线圈的供电电压为0.5V，惠斯通电桥的直 流偏置电流为0.5–5mA，外界磁场强度为0.28T，频率调谐范围可达3403ppm。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领 域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的 变换，均为本发明的权利要求所涵盖。