本發(fā)明涉及一種利用內共振提升微諧振器模態(tài)振幅和溫度靈敏度的方法，具體為一種利用1:3內共振現(xiàn)象提升薄膜微諧振器高頻模態(tài)振幅和溫度靈敏度的方法，屬于微機電系統(tǒng)調控。

背景技術：

1、微機電系統(tǒng)（mems，micro-electro-mechanical?system）是一種將多種功能集成于微型器件中的技術，涵蓋了結構、傳感、執(zhí)行、信號處理、控制、通信與電源等多個模塊。微諧振器作為mems的關鍵組成部分，因其在不同工作條件和性能要求下的應用需求，被設計為多種結構形式，例如單端固定的懸臂梁、雙端固定梁、圓盤以及薄膜諧振器等。

2、微諧振器同時具有多個諧振模態(tài)，相較于低頻模態(tài)，高頻模態(tài)具有以下優(yōu)點：1.高品質因子，較高的品質因子代表著該模態(tài)的能量損耗更低，穩(wěn)定性更強。2.高靈敏度，高頻模態(tài)對外部擾動通常具有更大的頻率移動和位移響應。3.高分辨率，高頻模態(tài)的頻譜更窄，對微弱擾動也有很好的響應。然而，如何有效激勵高頻模態(tài)一直是一個亟待解決的難題。由于高頻模態(tài)的振幅更加復雜，所以如果直接激勵高頻模態(tài)，則需要施加高頻電壓，這不僅對設備的穩(wěn)定性構成嚴峻挑戰(zhàn)，而且會顯著增加系統(tǒng)的功耗。此外，高頻模態(tài)的振幅通常較低，這使得檢測變得更加困難。因此，開發(fā)一種簡便的激勵方式以增強微諧振器高頻模態(tài)的振幅顯得尤為重要。目前提高微諧振器高頻模態(tài)振幅的方式有以下幾種：

3、1、增加串聯(lián)諧振電路

4、在微諧振器外部添加電感l(wèi)和電容c形成串聯(lián)lc諧振電路，利用諧振電路在諧振時電流最大的特點，放大施加在諧振器上的電壓從而實現(xiàn)諧振器模態(tài)振幅的放大。md.n.jaber等人利用該方法實現(xiàn)了對多空板型微諧振器的振幅放大。但這種方法最大的缺點就是外部的lc串聯(lián)諧振電路使整個系統(tǒng)變得臃腫，違背了微型諧振器最初的發(fā)展方向，使集成化微型化變得困難。

5、2、利用激光加熱

6、熱效應可以改變材料的物理特性從而實現(xiàn)微諧振器模態(tài)的振幅增大。m.zalalutdinov等人利用激光對圓盤微諧振器進行加熱，改變了微諧振器的有效彈簧常數(shù)，實現(xiàn)了諧振器模態(tài)的振幅增大。但這種方法存在著能耗高、操作復雜以及精度差等缺點。

7、3、雙電壓激勵

8、微諧振器的通常存在著多個模態(tài)，wen?zhao等人通過同時對微懸臂梁諧振器的兩個振動模態(tài)施加電壓，實現(xiàn)了對低振幅模態(tài)的振幅放大。但這種方法需要高電壓驅動微諧振器，且兩個高電壓同時作用易使微諧振器產生機械疲勞，對微諧振器產生損壞。

9、因此，使用一種簡單易行的方法實現(xiàn)微諧振器高頻模態(tài)的振幅增強是一個亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種利用內共振提升微諧振器模態(tài)振幅和溫度靈敏度的方法，只需要一個信號發(fā)生器輸出一個低頻且低電壓的泵浦信號對薄膜微諧振器進行調制，即可實現(xiàn)對薄膜微諧振器高頻模態(tài)的振幅增強以及溫度靈敏度的提升，原理簡單，操作簡便。

2、本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種利用內共振提升微諧振器模態(tài)振幅和溫度靈敏度的方法，包括如下步驟：

4、s1：在探測電壓下測得薄膜微諧振器的基礎模態(tài)和高頻模態(tài)；

5、s2：在基礎模態(tài)處施加泵浦電壓，實現(xiàn)對高頻模態(tài)的振幅增強；

6、s3：在基礎模態(tài)處施加泵浦電壓的同時，使用激光對薄膜微諧振器進行加熱，完成對溫度的檢測。

7、優(yōu)選的，步驟s1的實現(xiàn)過程為：

8、s11：將激光多普勒測振儀的探頭對準薄膜微諧振器的氮化硅薄膜中央，并發(fā)出激光，使用激光多普勒測振儀完成對薄膜微諧振器的頻率掃描和振動信號的采集；

9、s12：鎖相放大器通過導線與壓電片連接，薄膜微諧振器粘貼于壓電片上，鎖相放大器產生的探測電壓通過壓電片施加到薄膜微諧振器上激勵薄膜微諧振器振動，薄膜微諧振器在振動時產生的位移和速度信號由激光多普勒測振儀的探頭采集并通過激光多普勒測振儀的控制器轉化為電信號，電信號經鎖相放大器降噪處理后輸入到計算機中，在計算機軟件中即可觀察到薄膜微諧振器的頻率響應曲線，頻率響應曲線中第一個諧振峰即為薄膜微諧振器的基礎模態(tài)f1，在基礎模態(tài)頻率的三倍處的諧振峰為高頻模態(tài)f2。

10、優(yōu)選的，步驟s11中，發(fā)出激光的波長為633nm；

11、s12中，探測電壓的大小為3mv，探測電壓的大小可由計算機軟件進行控制，3mv的探測電壓可保證在有效激勵薄膜微諧振器的情況下，不產生非線性現(xiàn)象。

12、優(yōu)選的，步驟s12中，確定的基礎模態(tài)f1為268.878khz，高頻模態(tài)f2為806.688khz，頻率比為1：3。

13、優(yōu)選的，步驟s2的實現(xiàn)過程為：

14、s21：使用信號發(fā)生器輸出頻率為fp的電壓信號，該電壓信號即為泵浦電壓vp，泵浦電壓vp的頻率fp與薄膜微諧振器基礎模態(tài)的頻率f1相等，泵浦電壓vp的大小從50mv逐步增大到500mv，泵浦電壓通過壓電片施加到薄膜微諧振器上；

15、s22：使用鎖相放大器輸出探測電壓，探測電壓的大小為3mv，薄膜微諧振器在振動時產生的位移和速度信號由激光多普勒測振儀的探頭采集并通過激光多普勒測振儀的控制器轉化為電信號，電信號經鎖相放大器降噪處理后輸入到計算機中，在計算機軟件中即可觀察到薄膜微諧振器高頻模態(tài)f2的頻率響應曲線；

16、s23：通過觀察薄膜微諧振器高頻模態(tài)f2的頻率響應曲線，薄膜微諧振器高頻模態(tài)f2的振幅從最初的a0增大到a0’，振幅增大了δa=?a0’-a0，實現(xiàn)了對薄膜微諧振器高頻模態(tài)f2振幅的增強。

17、優(yōu)選的，步驟s21中，泵浦電壓vp大小從50mv逐步增大到500mv的過程為：50mv、100mv、200mv、300mv、400mv、500mv；

18、步驟s23中，a0為0.199mv，a0’為2.313mv，振幅增大了11.623倍，實現(xiàn)了對薄膜微諧振器高頻模態(tài)振幅的增強。

19、優(yōu)選的，步驟s3的實現(xiàn)過程為：

20、s31：使用信號發(fā)生器輸出頻率為fp、大小為vp的電壓信號，泵浦電壓vp的頻率fp與薄膜微諧振器基礎模態(tài)的頻率f1相等，泵浦電壓vp的大小為200mv，泵浦電壓通過壓電片施加到薄膜微諧振器上；

21、s32：將加熱激光器所發(fā)出的激光照射到薄膜微諧振器上，對薄膜微諧振器進行加熱，通過溫度傳感器實時檢測薄膜微諧振器的溫度，使薄膜微諧振器的溫度從28℃逐步升高到36℃；

22、s33：使用鎖相放大器輸出探測電壓，探測電壓的大小為3mv，激光多普勒測振儀采集的薄膜微諧振器的振動信號經鎖相放大器降噪處理后，傳輸至計算機中，通過計算機軟件中的頻率掃描模塊進行分析，即得到基礎模態(tài)f1和高頻模態(tài)f2的頻率響應曲線；

23、s34：通過基礎模態(tài)f1和高頻模態(tài)f2的頻率響應曲線能夠看出，薄膜微諧振器的高頻模態(tài)振幅得到了顯著放大，且對溫度的靈敏度也得到了提升。

24、優(yōu)選的，步驟s32中，薄膜微諧振器從28℃逐步升高到36℃的過程為：28℃、30℃、32℃、34℃、36℃，激光將薄膜微諧振器加熱到指定溫度后，在不停止照射的情況下完成頻率測量，之后繼續(xù)增大激光功率使薄膜微諧振器到達下一個溫度；

25、步驟s34中，基礎模態(tài)的f1的溫度靈敏度為270.65khz/℃，高頻模態(tài)的f2的溫度靈敏度為859.45khz/℃，溫度靈敏度提升了3.18倍。

26、優(yōu)選的，通過利用內共振提升微諧振器模態(tài)振幅和溫度靈敏度的裝置實現(xiàn)，裝置包括薄膜微諧振器、壓電片、加熱激光器、激光多普勒測振儀、鎖相放大器、信號發(fā)生器和計算機，激光多普勒測振儀包括探頭和控制器，探頭用于發(fā)出激光，將激光對準薄膜微諧振器中央，控制器用于將探頭檢測的薄膜微諧振器的位移和速度信號轉換為電信號；

27、所述激光多普勒測振儀、鎖相放大器、壓電片依次連接，薄膜微諧振器粘貼到壓電片上；所述鎖相放大器連接計算機，信號發(fā)生器連接壓電片，薄膜微諧振器和壓電片均置于真空腔內；

28、所述加熱激光器發(fā)出的激光對準薄膜微諧振器，用于薄膜微諧振器的加熱。

29、優(yōu)選的，所述真空腔底部設置有位移臺，用于調節(jié)真空腔的位置從而調節(jié)薄膜微諧振器的位置；真空腔的真空度為10-2?mbar；

30、所述薄膜微諧振器包括一層單晶硅襯底和在單晶硅襯底上通過化學氣相沉積法生長的氮化硅薄膜，氮化硅薄膜的尺寸為：長500μm，寬500μm，厚100nm；

31、壓電片為圓形陶瓷片，材料為鋯鈦酸鉛，其壓電系數(shù)d33為350?pmv-1，壓電片的尺寸為：直徑30mm，厚2mm。

32、鎖相放大器為signal?recovey公司生產的7265型，頻率范圍為0.001hz-250khz，電壓靈敏度為2nv-1v，用于輸出探測電壓，以及對激光多普勒測振儀收集的薄膜微諧振器的振動信號進行處理，并通過計算機軟件顯示在計算機上；

33、激光多普勒測振儀為polytec公司生產的ofv-5000，所發(fā)出的激光光斑為10μm，用于檢測薄膜微諧振器的位移和速度變化；

34、加熱激光器為上海熙隆光電公司生產的dl-450的半導體激光器。

35、信號發(fā)生器為安捷倫公司生產的33220a，用于施加泵浦電壓。

36、本發(fā)明未詳盡之處，均可參見現(xiàn)有技術。

37、本發(fā)明的有益效果為：

38、1、本發(fā)明只需要一個信號發(fā)生器輸出一個低頻且低電壓的泵浦信號對薄膜微諧振器進行調制，即可實現(xiàn)對薄膜微諧振器高頻模態(tài)的振幅增強以及溫度靈敏度提升，原理簡單，操作簡便。

39、2、本發(fā)明首次利用1：3內共振現(xiàn)象，在低頻模態(tài)施加泵浦電壓，實現(xiàn)了高頻振動模態(tài)的振幅增強，微諧振器的高頻振動模態(tài)有著高品質因子、高靈敏度的優(yōu)點，提高高頻模態(tài)的振幅可以提高該模態(tài)的分辨度，使該模態(tài)更易被檢測到，對后續(xù)實際應用有著重要意義。

40、3、本發(fā)明通過放大高頻模態(tài)振幅，成功使用其完成了溫度檢測，相較于基礎模態(tài)，高頻模態(tài)的溫度靈敏度有著顯著提升。

41、4、本發(fā)明所采用的非接觸式的調控方法精度高，且整個裝置都在低電壓下工作，對諧振器的損傷小且壽命高。