GHz频率机械耦合阵列组合的盘结构电容式微机械谐振器关键技术研究

The motional resistance and power handling capability of capacitive micromechanical resonators can be improved by mechanically coupled array-composite method. However, due to fabrication non-idealities, when the number of resonators used in the array is large, differences between resonators likely to occur create slight frequency differences that prevent output currents from adding in phase. Meanwhile, Vibration and shock of working environment may reduce the short term stability due to specially working principle of capacitive micromechanical resonators. In the project, GHz capacitive disk resonator based on mechanically coupled array assembly is studied, whose theory of vibration response in different inertial environment, theory of electrical stiffness tuning to correct resonance frequency of the constituent resonators in mechanically coupled array composites and energy consume mechanism of body vibration mode are theoretically studied. The mechanically coupled array assembly resonator whose resonant frequency is larger than 1.5GHz, motional resistance is smaller than 1000 ohm, acceleration sensitivity is smaller than 1ppb/g is optimized based on the studied theory and fabricated by poly silicon surface micromachining process. The study will lay a theoretical foundation for achieving the future goal of on-chip array-composites employing thousands of capacitively transducer micromechanical resonators. Meanwhile, the study is very meaningful for developing the application area[e.g,communicating, sensing and detecting, signal processing] of micromechanical resonators in the complicated inertial environment.

微机械谐振器可以通过机械耦合阵列组合来降低运动电阻、增加功率处理能力。但是当谐振器的耦合数量较大时，制作工艺误差会导致耦合谐振子间的频率差异变大，从而导致各个谐振子间的输出电流有差异。此外由于电容式微机械谐振器的特殊工作原理，工作环境的恶劣振动也会降低谐振器的短期稳定性。据此本项目对GHz频率级别的电容式振动微机械阵列耦合谐振器进行研究，并研究其在不同惯性环境下的振动响应理论、静电力方法调节谐振器阵列的谐振频率理论、体模态谐振器的能耗机理等问题。在理论研究基础上优化设计共振频率达到1.5GHz以上、运动电阻小于1K欧姆、加速度灵敏度小于1ppb/g的微机械阵列耦合谐振器，并采用多晶硅表面微机械工艺制作，实验验证理论结果的正确性。本研究可为将来实现大规模电容式微机械谐振器阵列组合的单片集成打下理论基础，同时对于开展微机械谐振器在复杂惯性环境下的通信、传感和信号处理等实际应用也具有重要理论意义

微机械谐振器的运动电阻、功率处理能力可以通过阵列耦合的方案进行改善，但是由于MEMS工艺加工时候的不均匀性，会导致耦合谐振子间的性能参数如品质因子、运动电阻等发生变化。同时由于电容式MEMS谐振器的工作原理特点，外界振动会带来谐振器的短期稳定性问题。本项目围绕谐振器在不同惯性环境下的振动响应理论、静电力调谐理论、体模态谐振器的能耗机理等问题进行了研究。通过研究工艺对圆盘谐振器的电容、静电力、电气刚度、输出电流的影响，结果表明当电容极板倾斜角为0.1度时，其值分别变到原来的0.76、0.6、0.47和0.32，而运动电阻变为原来的3.15倍；通过对工艺因素对谐振器可靠工作范围的影响研究，得到了谐振器所能承受的最大惯性加速度和倾斜角度以及测试电压之间的理论关系。结果表明，0.1度倾斜角的谐振器所能承受的最大阶跃、脉冲加速度分别是0.25度时的1.17、1.12倍。通过分析工艺对谐振器阵列静电调谐的影响，分析得到了倾斜圆盘阵列的最优调谐电压，研究结果表明当谐振器偏置电压为10V，倾斜角度为0.1度的谐振器阵列需要23.4V的误差调谐电压。通过对谐振器支撑损耗进行研究，得出了支撑梁伸张振动引起的能耗计算公式，从而得到其品质因子变化特性，结果表明若支撑梁发生4°偏移，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%，品质因子下降了27.11%。并得到了带耦合梁质心偏移的盘耦合谐振器电路模型，结果表明：当耦合梁质心分别发生6‰、12‰、18‰偏移时，谐振频率上偏45.7ppm、110ppm、250ppm。得到了谐振器遭受惯性冲击时，其偏移量、品质因子与偏置电压和惯性加速度的理论关系，结果表明品质因数随偏移量的增加而减少。若偏置电压为4V、圆盘偏移50%时，品质因子降低50.3%。项目成果发表在业内高水平SCI期刊：JMM，IEEE Sensors Journal，APL等，本成果可为MEMS谐振器、MEMS振荡器等的规模化制造，稳定性分析和优化设计等提供分析参考。同时规模化集成的MEMS谐振器阵列，后期有望用于低能耗无传感器网络通信，物联网等领域。