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模态解耦合

下一节:执行器概述

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模态解耦合课程教案、知识点、字幕

接下来我们来介绍一点模态耦合的内容

我们前面提到一阶振动模式和

二阶振动模式有两种关系

首先当二者不相同的时候

那么我们把它叫做一个分离模式

当二者非常相近或者相同的时候

我们把它叫做一个耦合模式

如果对称的支撑结构可以实现频率匹配

那么就很容易实现两种谐振模态的耦合

也就是频率相同或者相近

但是这种频率的耦合会使振动非常不稳定

一阶振动模式很容易转入到二阶振动模式

同时它的零漂和交叉轴干扰都比较明显

因此我们希望两种频率相同

但是又应当避免它们产生相互的耦合

也就是我们把它叫做解耦合

或者换句话说我们希望一阶振动模式

对二阶振动模式没有影响

二阶振动模式对一阶振动模式也没有干扰

那么如果采用一个非对称的支撑结构

比较容易实现二者的解耦合的

可是非对称的支撑模式又会使灵敏度

大幅度的降低

这也是我们所不希望的

所以我们的目标是希望实现一个

在频率匹配下的一个解耦合

换句话说频率相同

但是谐振模式互相不干扰

我们来看一下这个结构

它是通过一个内弹性梁支撑着

一个中心的质量块

那么内弹性梁和中心质量块共同

由外弹性梁支撑在衬底上

这样当两侧的叉指电容施加驱动

产生运动的时候

中心的质量块会沿着水平方向摆动

像这幅图所示

如果耦合进一个角速度以后

耦合进来的二阶谐振模式会使中心的

质量块产生离面的运动

也就是上下的运动

这样就改变了中心质量块

与衬底电极之间的间距

为了使左右摆动这样一个振动模式

和上下振动这样的一个振动模式解耦合

也就是左右摆动的时候

不干扰上下振动

而上下振动的时候不干扰左右的摆动

我们希望对外弹性梁和内弹性梁的结构

进行一些优化

例如我们希望外弹性梁很窄但是很厚

这样整个外弹性梁容易产生左右的摆动

但是不容易产生离面的振动

我们希望内弹性梁很薄但是很宽

这样内弹性梁支撑着中心质量块

容易产生离面的振动而不容易产生

在面内的来回摆动

所以通过对结构的设计和

内外弹性梁弹性刚度系数的一些优化

我们可以使弹性梁的在某些方向上容易运动

在某些方向上容易变形

也就是说弹性刚度系数很小

而在另外一些方向上

主要是垂直方向上它的弹性刚度系数很大

不容易产生变形

这样就实现了对一阶振动模态

和二阶振动模态的解耦合

我们再来看一个圆盘形振动陀螺的

一个解耦合方式

这种陀螺我们前面说到它是通过叉指电容

驱动陀螺围绕圆心做摆动振动

耦合进来角速度以后

会让中心的圆盘产生左右的偏转

从而改变了圆盘和衬底之间电极的间距

对于这样一个模式

我们如果想实现模态的解耦合

需要改造一下它的结构

比如说这幅图所示

中间的圆盘与摆动的环之间通过一个很薄

但是很宽的梁进行耦合

那么很宽的梁保证了圆环在

围绕圆心摆动的时候

能够带动中间的圆盘随之摆动

而很薄的梁又使圆盘所产生的二阶振动

也就是在面内的偏转不至于回传给

外边的谐振环

从而使得一阶振动模式能够耦合到二阶上去

但是二阶不至于干扰一阶振动模式

那么这种解耦合的方式也是通过来设计梁

在某些方向上的强刚度和在某些方向的

弱刚度来实现的

陀螺的制造大体上可以采用表面微加工

和体微加工技术

那么表面微加工技术它的一个典型特点是

结构层的厚度比较小 质量比较小

因此相对的热噪声比较大

陀螺的性能会比较差

为了克服这些缺点那么量产的表面微加工陀螺

基本都采用厚膜多晶硅的办法

包括ST Bosch ADI等等

他们都采用厚的外延多晶硅

使结构层的厚度达到10微米

甚至于50微米的厚度

那么更一般的获得高性能陀螺的制造方法

是采用SOI和硅的反应离子深刻蚀技术

这种刻蚀能够使厚的器件层成为

陀螺的谐振结构

那么很容易把质量块的厚度增加到几十微米

100微米甚至于200微米

那么通常我们可以采用背面刻蚀SOI

衬底层来释放悬空的办法

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-第1小节 MEMS的定义

--MEMS的定义

-第1小节 MEMS的定义--作业

-第2小节 MEMS的应用领域

--MEMS的应用领域

-第2小节 MEMS的应用领域--作业

-第3小节 MEMS的发展

--MSMS的发展

-第3小节 MEMS的发展--作业

-第4小节 MEMS的发展(续)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-第1小节 应力和应变

--应力与应变

-第1小节 应力和应变--作业

-第2小节 弹性梁

--弹性梁

-第2小节 弹性梁--作业

-第3小节 弹性梁(续)

--弹性梁(续)

-第3小节 弹性梁(续)--作业

-第4小节 薄板与流体的基本概念

--薄板与流体的基本概念

-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业

-第5小节 流体的基本概念(续)

--流体的基本概念(续)

-第5小节 流体的基本概念(续)--作业

-第6小节 静电力

--静电力

-第6小节 静电力--作业

-第7小节 尺寸效应

--尺寸效应

-第7小节 尺寸效应--作业

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-第1小节 MEMS光刻技术

--MEMS光刻技术

-第1小节 MEMS光刻技术--作业

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀

--体微加工技术—干法刻蚀

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀

--体微加工技术—时分复用深刻蚀

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

--体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀

-- 体微加工技术—稳态深刻蚀

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用

--体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-第1小节 表面微加工技术概述

-- 表面微加工技术概述

-第1小节 表面微加工技术概述--作业

-第2小节 表面微加工技术的几个问题

--表面微加工技术的几个问题

-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业

-第3小节 表面微加工代工工艺

--表面微加工代工工艺

-第3小节 表面微加工代工工艺--作业

-第4小节 表面微加工的应用

--表面微加工的应用

-第4小节 表面微加工的应用--作业

-第5小节 厚结构层技术

-- 厚结构层技术

-第5小节 厚结构层技术--作业

第三章 微系统制造技术III—键合

-第1小节 键合概述与直接键合

-- 键合概述与直接键合

-第1小节 键合概述与直接键合--作业

-第2小节 阳极键合与聚合物键合

--阳极键合与聚合物键合

-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业

-第3小节 金属键合与键合设备

-- 金属键合与键合设备

-第3小节 金属键合与键合设备--作业

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-第1小节 工艺集成

-- 工艺集成

-第1小节 工艺集成--作业

-第2小节 系统集成

--系统集成

-第2小节 系统集成--作业

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成

--单芯片集成与多芯片集成

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业

-第4小节 三维集成

--三维集成

-第4小节 三维集成--作业

-第5小节 MEMS封装

--MEMS封装

-第5小节 MEMS封装--作业

-第6小节 MEMS封装(续)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 压阻传感器

--压阻传感器

-第2小节 压阻传感器--作业

-第3小节 电容传感器与压电传感器

--电容传感器与压电传感器

-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器

--谐振传感器与遂穿传感器

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-第1小节 压力传感器

--压力传感器

-第1小节 压力传感器--作业

-第2小节 压阻式压力传感器

-- 压阻式压力传感器

-第2小节 压阻式压力传感器--作业

-第3小节 压阻式压力传感器(续)

--压阻式压力传感器(续)

-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器

--电容式压力传感器与谐振式压力传感器

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业

-第5小节 硅微麦克风

--硅微麦克风

-第5小节 硅微麦克风--作业

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--惯性传感器与加速度传感器概述

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器

--压阻式与电容式加速度传感器

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器

--电容式与热传导式加速度传感器

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业

-第4小节 微机械陀螺概述

--微机械陀螺概述

-第4小节 微机械陀螺概述--作业

-第5小节 典型微机械陀螺

--典型微机械陀螺

-第5小节 典型微机械陀螺--作业

-第6小节 典型微机械陀螺(续)

--典型微机械陀螺(续)

-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业

-第7小节 模态解耦合

--模态解耦合

-第7小节 模态解耦合--作业

第五章 微型执行器

-第1小节 执行器概述

--执行器概述

-第1小节 执行器概述--作业

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器

--静电执行器—平板电容执行器

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)

--静电执行器—平板电容执行器(续)

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器

--静电执行器—叉指电容执行器

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业

-第5小节 热执行器

--热执行器

-第5小节 热执行器--作业

-第6小节 压电执行器和磁执行器

-- 压电执行器和磁执行器

-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业

第六章 RF MEMS

-第1小节 RF MEMS概述

-- RF MEMS概述

-第1小节 RF MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS开关I

--MEMS开关I

-第2小节 MEMS开关I--作业

-第3小节 MEMS开关II

--MEMS开关II

-第4小节 MEMS开关III

--MEMS开关III

-第4小节 MEMS开关III--作业

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器

--MEMS谐振器—梳状谐振器

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业

-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-第1小节 光学MEMS概述

-- 光学MEMS概述

-第1小节 光学MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS光开关I

--MEMS光开关I

-第2小节 MEMS光开关I--作业

-第3小节 MEMS光开关II

-- MEMS光开关II

-第3小节 MEMS光开关II--作业

-第4小节 影像再现I—反射器件

-- 影像再现I—反射器件

-第4小节 影像再现I—反射器件--作业

-第5小节 影像再现II—衍射器件

--影像再现II—衍射器件

-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业

-第6小节 影像再现III—干涉器件

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-第1小节 概述

-- 概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 软光刻技术

--软光刻技术

-第2小节 软光刻技术--作业

-第3小节 微流体输运

--微流体输运

-第3小节 微流体输运--作业

-第4小节 微流体输运(续)

--微流体输运(续)

-第4小节 微流体输运(续)--作业

-第5小节 试样处理

--试样处理

-第5小节 试样处理--作业

-第6小节 试样处理(续)

--试样处理(续)

-第7小节 检测技术

--检测技术

-第8小节 微流体应用

--微流体应用

-第8小节 微流体应用--作业

-第9小节 微流体应用(续)

--微流体应用(续)

-第9小节 微流体应用(续)--作业

第九章 BioMEMS

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器

--药物释放 神经探针 生物传感器

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业

-第3小节 可穿戴与可植入微系统

--可穿戴与可植入微系统

-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业

模态解耦合笔记与讨论

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