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MEMS谐振器—板式谐振器在线视频

MEMS谐振器—板式谐振器

下一节:MEMS谐振器的制造

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MEMS谐振器—板式谐振器课程教案、知识点、字幕

接下来我们再看输出端

那么输出端的电流是由于输入端

所耦合的谐振器往复振荡所改变了电容大小

因此我们可以把输出端的动生电流

写为输出电容的一个微分形式

也就是这个公式所表达的

那么我们利用前面和输入端类似的方法

我们能够把输入的动生电流表示成

一个矢量的表达形式

这时候我们能够看出来

由于输入端给了一个电流在输出端

会产生另一个电流

这样我们就可以把一个谐振器看作

一个电流控制的电流源

那么输出端的电流与输入端的电流

二者的比值我们定义为前项的电流增益

也就是Φ21

于是我们能够把Φ21写成输出电流的

矢量形式与输入电流矢量形式的比值

简化以后

可以得到它是两个电容对位移的偏导的比值

和两个电压的比值

于是我们可以按照电流控制的电流源

这样的一个模型

来把整个谐振器表示在这里边

同时我们需要注意到

如果整个谐振器输入端和输出端是对称的

那么当我们从输入端看进去的时候

输出端和输入端的关系就像这个图表示的

反过来如果我们从输出端作为输入端

这时候看进去的话

我们会得到跟它一个完全对称的结果

由于我们对于输入端和输出端是完全对称的

那么实际上把这两个输入和输出的叠加在一起

我们就得到了整个谐振器的

一个等效电路的一个模型

最后我们能够看出来

这一边输入端是一个串联谐振的RLC模型

那么输出端也是一个串联谐振的RLC模型

那么二者之间通过一个电流控制的电流源

所实现了连接

这就是我们整个谐振器从输入端到输出端

所建立起来的一个谐振模型

进一步的

如果谐振器完全是对称的

那么我们可以把上面的模型再进一步的简化

比如说这幅图我们看到的进一步

把谐振器的输入端和输出端连接到一起

可以简化成一个完全的串联谐振模型

那么这个串联谐振模型通过我们前面

向前推导的过程就可以去确定最终简化的

串联谐振模型里边RLC的参数分别是多少

MEMS的谐振器是一个机械的谐振结构

我们也可以用一个质量弹簧和阻尼的

一个谐振系统来对它进行等效

比如说我们看到这样的一个模型

那么它包含了一个阻尼器一个弹簧

和一个反复可以移动的质量块

那么

向右的这个F(t)实际上就是我们在

驱动的过程中所施加的驱动力

对于这样的一个模型我们用总体能量的办法

可以把它的等效的质量

等效的阻尼和等效的谐振频率用

整个谐振器的几何参数 材料参数来表示出来

那么这样的一个谐振模型完全符合我们常用的

质量弹簧阻尼这样的一个二阶振动模型

由于

梳状叉指谐振器它的谐振频率不能升的很高

为了获得更高的频率

我们必须改进谐振器的结构

常用的一个能够升高频率的是一个双端固定的

梁或者双端固定的板这样的一个谐振结构

我们来看绿色的部分是一个双端支撑的平板

那么它与下边的电极之间构成了一个谐振器

通过电极与平板之间电容的变化来驱动

平板上下的振动

对于这样的一个振动形式

由于整个器件的质量降低了

弹性刚度系数提高了

因此它的固有频率可以增加到几兆赫兹

甚至于10兆赫兹以上

但是通常来讲也很难增得更高

我们来看这个图

这是密西根大学通过多晶硅的表面微加工技术

来制造的一个双端固支的谐振板式的结构

那么它的谐振频率可以到8.5个兆赫兹左右

那么Q值可以达到8000

这是一个比较好的器件性能

但是我们需要注意到的

由于整个振动的过程中能量会沿着

振动的板向着支撑点传递

那么支撑点会导致振动能量的耗散

因此进一步提高Q值或者提高频率

都有较大的难度

如果想进一步的提高频率

那么又发展出来一个双端自由的谐振板

所谓双端自由的谐振板

我们来看这个图

它仍旧是一个可以产生一定弯曲程度的

一个振动板

与我们前面所说的双端固支梁不同

是整个板支撑悬空的位置

位于板振动的节点上

换句话说由于节点本身在振动的过程中

在理论上是没有位移的

因此如果把支撑的梁固定在板的节点上

那么也就说支撑的梁并不随着板的振动

而产生位移

因此通过支撑点向外耗散的能量就会降到很低

也就是我们可以把谐振器的频率和Q值

都进一步的提高

我们来看这是一个有限元分析的图

这个板处于一个反向的弯曲振动模式

那么振动的过程中在板的某两个位置

是一个振动的节点

如果将支撑的梁垂直于节点进行固定

我们就得到了一个双端自由的一个谐振板

比如这个图所示的是密西根大学的一些工作

那么它可以把频率提高到将近100兆的水平

仍旧把Q值维持在7450这样的

一个比较高的水准

类似的如果把一个谐振板进一步的向前发展

我们可以在谐振板的振动节点上

来施加四个支撑

就可以来实现一个更高的振荡频率

那么这个图给大家看到的是美国的

Discera公司所量产的

一款MEMS微机械谐振器

它采用了一个离面的轮廓振动模式

也就是整个振动的过程中会反向离面的振动

那么在这个振动过程中将支撑的

梁固定在振动的节点上

以减小振动节点向外的能量耗散

它的制造采用了两微米的多晶硅和一层金属

总体上制造过程是相对比较简单的

那么频率可以在1兆到125兆赫兹

左右的范围

去设计不同的器件尺寸和参数来实现

那么这样的一个谐振器可以在

负40到85摄氏度范围内做到频率稳定性

达到20个ppm

当然这是补偿后的结果

那么它还可以通过与信号处理电路

来实现单片的集成

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

MEMS谐振器—板式谐振器笔记与讨论

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