一种弱耦合谐振器

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种弱耦合谐振器。

背景技术

如今，微系统(MEMS)谐振器凭借体积小、重量轻、成本低、可靠性高及可批量生产等优点，已经应用到了各个领域，如传感器、滤波器、开关等。

现有的MEMS谐振器，如赵剑等人在“A new sensitivity improving approachfor mass sensors through integrated optimization of both cantilever surfaceprofile and cross-section”(Sensors and Actuators B:Chemical,2015.206:p.343-350)中提出了一种新的灵敏度改进方法，即通过同时改变悬臂梁的廓形和截面结构，实现有效刚度和质量分布的综合优化。然后，与传统的矩形悬臂梁传感器不同，设计了一种以凹槽梯形悬臂梁为关键弹性元件的新型压电谐振质量传感器。相比于几何尺寸相同的矩形悬臂梁传感器的模拟灵敏度高出近387.8％。但是这种方案只能用作质量传感器。吕明等人在“Exploiting nonlinearity to enhance the sensitivity of mode-localized masssensor based on electrostatically coupled MEMS resonators”(InternationJournal of Non-Linear Mechanics:2020.121:p.103455)中结合非线性动力学和静电耦合的优点，在两个同长度的弱耦合微梁中引入模态局部化，提出了一种超灵敏的质量传感器。这个方案是两个直梁之间的弱耦合，故而其虽有非线性特性，但是其非线性远远不如曲梁。同时，这个方案中两个直梁耦合的模型，只能用作质量传感器。Ami Iqubal等人在“Bandpass filter based on asymmetric funnel shaped resonators with ultra wideupper stopband characteristics”(AEU-International Journal of Electronics andCommunications,2020.116:p.153062)中提出了一种利用非对称漏斗形谐振器实现宽频带、优良的裙边选择性和良好的通带反射特性的新型微带带通滤波器。但是这个方案只能用于滤波。

可见，在众多的MEMS谐振器中，都只是功能单一的器件，无法适应和满足复杂多变的使用条件，且增加了设计与制作成本。因而亟需一种多功能且性能优越的谐振器。

发明内容

针对现有各种谐振器只是功能单一的器件，无法适用于复杂多变且需要多功能应用的场合，本发明提供了一种弱耦合谐振器，创新性地将模态局部化理论与余弦曲梁的强非线性结合起来。当驱动电压较小且耦合电压不等于零，基于模态局部化理论，通过幅值比的改变来检测质量吸附块的质量，其敏感度相对于现有的单自由度谐振式传感器的敏感度有了大大的提升。当驱动电压较大且耦合电压等于零，可以激励出余弦曲梁的强非线性特性，使其产生一个平坦且宽的带通，可以用来滤波。本发明结构简单，驱动方式易于调节，能够进行微质量传感器和MEMS带通滤波器之间的随意切换，且切换方式简单，无需进行任何的结构优化，能够实现传感器灵敏度大幅提升和滤波器通带频率的大幅增加，并且具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，其可广泛用于化学和生物领域进行微小物质的检测，也可用于微波通信系统中。

本发明提供的技术方案如下：

一种弱耦合谐振器，包括：

由第一固定端(1-1)和第二固定端(1-2)固定的固支直梁(2)；吸附在所述固支直梁(2)上的质量吸附块(8)；以及，由第三固定端(1-3)和第四固定端(1-4)固定的固支余弦曲梁(3)；

其中，所述固支余弦曲梁(3)由驱动电压源(5)通过固定电极(4)驱动；所述第一固定端(1-1)与直梁耦合电压源(6)相连接；所述第三固定端(1-3)与余弦曲梁耦合电压源(7)相连接；

所述固支直梁(2)和所述固支余弦曲梁(3)之间通过直梁耦合电压源(6)和余弦曲梁耦合电压源(7)产生的静电力进行直流电压耦合；通过调节驱动电压和耦合电压的大小，所述弱耦合谐振器在微质量传感器与MEMS带通滤波器之间功能切换。

进一步地，所述固支余弦曲梁(3)的跨度等于所述固支直梁(2)的长度且等于所述固定电极(4)的长度。

进一步地，所述固支余弦曲梁(3)和固支直梁(2)以及固定电极(4)的宽度相等。

进一步地，所述固支直梁(2)与固支余弦曲梁(3)顶端之间的距离小于固支余弦曲梁(3)底端与固定电极(4)之间的距离。

进一步地，所述固定电极(4)是完全固定的，固定电极(4)由驱动电压源(5)产生的交流电和直流电共同驱动。

进一步地，通过调节驱动电压和耦合电压的大小，所述弱耦合谐振器在微质量传感器与MEMS带通滤波器之间功能切换，包括：

当驱动电压小于预设值且耦合电压不等于零，基于模态局部化理论，所述弱耦合谐振器用作微质量传感器，通过固支直梁和固支余弦曲梁的幅值比来检测质量吸附块的质量；

当驱动电压大于预设值且耦合电压等于零，基于余弦曲梁的强非线性特性，所述弱耦合谐振器用作MEMS带通滤波器。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明具有微质量传感器与MEMS带通滤波器之间功能切换的特点，且切换方式简单，只需要通过调节驱动电压和耦合电压的大小就能实现功能之间的切换；

2、本发明采用模态局部化理论，通过振幅比的变化来感知质量；

3、本发明充分利用余弦曲梁的强非线性特性，产生较宽的带通来进行滤波。

综合分析，本发明提供了一种基于多功能用途的弱耦合谐振器，其结构简单，驱动方式易于调节，能够进行微质量传感器和MEMS带通滤波器之间的随意切换，且切换方式简单，无需进行任何的结构优化，能够实现传感器灵敏度大幅提升和滤波器通带频率的大幅增加，并且具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，因而可广泛应用在各个方面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种弱耦合谐振器的结构示意图；

图2为本发明实施例中在确定驱动电压下随着固支直梁厚度变化的特征值变化示意图；

图3为本发明实施例中弱耦合谐振器在平衡状态下，直流驱动电压为10.27V、交流驱动电压为0.001V、耦合电压为2V时，在不同附加质量下的频响曲线示意图；

图4为本发明实施例中弱耦合谐振器在不同附加质量时的敏感度变化示意图；

图5为本发明实施例中弱耦合谐振器在交流驱动电压为0V、耦合电压为0V时，余弦曲梁的位移-电压曲线示意图；

图6为本发明实施例中弱耦合谐振器在交流驱动电压为40V、交流驱动电压为30V、耦合电压为0V时的频响曲线示意图；

图中：1-1、第一固定端、1-2、第二固定端、1-3、第三固定端、1-4、第四固定端，2、固支直梁，3、固支余弦曲梁，4、固定电极，5、驱动电压源，6、直梁耦合电压源，7、余弦曲梁耦合电压源，8、质量吸附块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明充分结合模态局部化理论以及余弦曲梁的强非线性特性，设计出一个弱耦合谐振器，可作为超高敏感度的微质量传感器以及大带宽的MEMS带通滤波器，只需要改变驱动电压和耦合电压的大小，就能随意切换谐振器的功能，切换简单，可以适用于复杂多变且需要多功能应用的场合。

参见图1，其示出了是一种弱耦合谐振器结构示意图，该谐振器包括：第一固定端1-1、第二固定端1-2、第三固定端1-3、第四固定端1-4、固支直梁2、固支余弦曲梁3、固定电极4、驱动电压源5、直梁耦合电压源6、余弦曲梁耦合电压源7、质量吸附块8。

其中，固支直梁2固定于第一固定端1-1和第二固定端1-2之间；质量吸附块8吸附在所述固支直梁2上；

固支余弦曲梁3固定于第三固定端1-3和第四固定端1-4之间；

所述固支余弦曲梁3由驱动电压源5通过固定电极4驱动；所述第一固定端1-1与直梁耦合电压源6相连接；所述第三固定端1-3与余弦曲梁耦合电压源7相连接；

所述固支直梁2和所述固支余弦曲梁3之间通过直梁耦合电压源6和余弦曲梁耦合电压源7产生的静电力进行直流电压耦合；通过调节驱动电压和耦合电压的大小，所述弱耦合谐振器在微质量传感器与MEMS带通滤波器之间功能切换。

当驱动电压小于预设值且耦合电压不等于零，利用模态局部化理论，所述弱耦合谐振器用作微质量传感器，通过固支直梁和固支余弦曲梁的幅值比来检测质量吸附块的质量；当驱动电压大于预设值且耦合电压等于零，利用余弦曲梁的强非线性特性，所述弱耦合谐振器用作MEMS带通滤波器。其中，对于动态响应来说(滤波器就是基于动态分析的)，直流电压V

优选地，固支余弦曲梁3的跨度等于固支直梁2的长度且等于所述固定电极4的长度。本发明中的弱耦合谐振器用作微质量传感器时，只利用了第一阶模态耦合，长度相等能够方便激发出一阶模态。若想激发出高阶模态才需要改变驱动电极的长度。

固支余弦曲梁3和固支直梁2以及固定电极4的宽度相等。

固支余弦曲梁3和固支直梁2之间通过直梁耦合电压源6与余弦曲梁耦合电压源7产生的静电力来相互作用。

固支直梁2与固支余弦曲梁3顶端之间的距离小于固支余弦曲梁3底端与固定电极4之间的距离。

固定电极4是完全固定的，固定电极4由驱动电压源5产生的交流电和直流电共同驱动。

本发明提供了一种基于多功能用途的弱耦合谐振器，其结构简单，驱动方式易于调节，能够进行微质量传感器和MEMS带通滤波器之间的随意切换，且切换方式简单，无需进行任何的结构优化，能够实现传感器灵敏度大幅提升和滤波器通带频率的大幅增加，并且具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，因而可广泛应用在各个方面。

下面以一个具体实例对本发明提供的弱耦合谐振器进行说明。

如图2所示，其示出了按照如表1所示的结构参数尺寸实施时，只有直流驱动电压与耦合电压作用下，特征值随固支直梁厚度的变化情况，横坐标为固支直梁厚度(m)，纵坐标为频率(KHz)。其中，ω

在直梁耦合电压源6和余弦曲梁耦合电压源7之间不施加耦合电压，即V

表1

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。