利用内共振提升微谐振器模态振幅和温度灵敏度的方法

本发明涉及一种利用内共振提升微谐振器模态振幅和温度灵敏度的方法，具体为一种利用1:3内共振现象提升薄膜微谐振器高频模态振幅和温度灵敏度的方法，属于微机电系统调控。

背景技术：

1、微机电系统（mems，micro-electro-mechanical system）是一种将多种功能集成于微型器件中的技术，涵盖了结构、传感、执行、信号处理、控制、通信与电源等多个模块。微谐振器作为mems的关键组成部分，因其在不同工作条件和性能要求下的应用需求，被设计为多种结构形式，例如单端固定的悬臂梁、双端固定梁、圆盘以及薄膜谐振器等。

2、微谐振器同时具有多个谐振模态，相较于低频模态，高频模态具有以下优点：1.高品质因子，较高的品质因子代表着该模态的能量损耗更低，稳定性更强。2.高灵敏度，高频模态对外部扰动通常具有更大的频率移动和位移响应。3.高分辨率，高频模态的频谱更窄，对微弱扰动也有很好的响应。然而，如何有效激励高频模态一直是一个亟待解决的难题。由于高频模态的振幅更加复杂，所以如果直接激励高频模态，则需要施加高频电压，这不仅对设备的稳定性构成严峻挑战，而且会显著增加系统的功耗。此外，高频模态的振幅通常较低，这使得检测变得更加困难。因此，开发一种简便的激励方式以增强微谐振器高频模态的振幅显得尤为重要。目前提高微谐振器高频模态振幅的方式有以下几种：

3、1、增加串联谐振电路

4、在微谐振器外部添加电感l和电容c形成串联lc谐振电路，利用谐振电路在谐振时电流最大的特点，放大施加在谐振器上的电压从而实现谐振器模态振幅的放大。md.n.jaber等人利用该方法实现了对多空板型微谐振器的振幅放大。但这种方法最大的缺点就是外部的lc串联谐振电路使整个系统变得臃肿，违背了微型谐振器最初的发展方向，使集成化微型化变得困难。

5、2、利用激光加热

6、热效应可以改变材料的物理特性从而实现微谐振器模态的振幅增大。m.zalalutdinov等人利用激光对圆盘微谐振器进行加热，改变了微谐振器的有效弹簧常数，实现了谐振器模态的振幅增大。但这种方法存在着能耗高、操作复杂以及精度差等缺点。

7、3、双电压激励

8、微谐振器的通常存在着多个模态，wen zhao等人通过同时对微悬臂梁谐振器的两个振动模态施加电压，实现了对低振幅模态的振幅放大。但这种方法需要高电压驱动微谐振器，且两个高电压同时作用易使微谐振器产生机械疲劳，对微谐振器产生损坏。

9、因此，使用一种简单易行的方法实现微谐振器高频模态的振幅增强是一个亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用内共振提升微谐振器模态振幅和温度灵敏度的方法，只需要一个信号发生器输出一个低频且低电压的泵浦信号对薄膜微谐振器进行调制，即可实现对薄膜微谐振器高频模态的振幅增强以及温度灵敏度的提升，原理简单，操作简便。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种利用内共振提升微谐振器模态振幅和温度灵敏度的方法，包括如下步骤：

4、s1：在探测电压下测得薄膜微谐振器的基础模态和高频模态；

5、s2：在基础模态处施加泵浦电压，实现对高频模态的振幅增强；

6、s3：在基础模态处施加泵浦电压的同时，使用激光对薄膜微谐振器进行加热，完成对温度的检测。

7、优选的，步骤s1的实现过程为：

8、s11：将激光多普勒测振仪的探头对准薄膜微谐振器的氮化硅薄膜中央，并发出激光，使用激光多普勒测振仪完成对薄膜微谐振器的频率扫描和振动信号的采集；

9、s12：锁相放大器通过导线与压电片连接，薄膜微谐振器粘贴于压电片上，锁相放大器产生的探测电压通过压电片施加到薄膜微谐振器上激励薄膜微谐振器振动，薄膜微谐振器在振动时产生的位移和速度信号由激光多普勒测振仪的探头采集并通过激光多普勒测振仪的控制器转化为电信号，电信号经锁相放大器降噪处理后输入到计算机中，在计算机软件中即可观察到薄膜微谐振器的频率响应曲线，频率响应曲线中第一个谐振峰即为薄膜微谐振器的基础模态f1，在基础模态频率的三倍处的谐振峰为高频模态f2。

10、优选的，步骤s11中，发出激光的波长为633nm；

11、s12中，探测电压的大小为3mv，探测电压的大小可由计算机软件进行控制，3mv的探测电压可保证在有效激励薄膜微谐振器的情况下，不产生非线性现象。

12、优选的，步骤s12中，确定的基础模态f1为268.878khz，高频模态f2为806.688khz，频率比为1：3。

13、优选的，步骤s2的实现过程为：

14、s21：使用信号发生器输出频率为fp的电压信号，该电压信号即为泵浦电压vp，泵浦电压vp的频率fp与薄膜微谐振器基础模态的频率f1相等，泵浦电压vp的大小从50mv逐步增大到500mv，泵浦电压通过压电片施加到薄膜微谐振器上；

15、s22：使用锁相放大器输出探测电压，探测电压的大小为3mv，薄膜微谐振器在振动时产生的位移和速度信号由激光多普勒测振仪的探头采集并通过激光多普勒测振仪的控制器转化为电信号，电信号经锁相放大器降噪处理后输入到计算机中，在计算机软件中即可观察到薄膜微谐振器高频模态f2的频率响应曲线；

16、s23：通过观察薄膜微谐振器高频模态f2的频率响应曲线，薄膜微谐振器高频模态f2的振幅从最初的a0增大到a0’，振幅增大了δa= a0’-a0，实现了对薄膜微谐振器高频模态f2振幅的增强。

17、优选的，步骤s21中，泵浦电压vp大小从50mv逐步增大到500mv的过程为：50mv、100mv、200mv、300mv、400mv、500mv；

18、步骤s23中，a0为0.199mv，a0’为2.313mv，振幅增大了11.623倍，实现了对薄膜微谐振器高频模态振幅的增强。

19、优选的，步骤s3的实现过程为：

20、s31：使用信号发生器输出频率为fp、大小为vp的电压信号，泵浦电压vp的频率fp与薄膜微谐振器基础模态的频率f1相等，泵浦电压vp的大小为200mv，泵浦电压通过压电片施加到薄膜微谐振器上；

21、s32：将加热激光器所发出的激光照射到薄膜微谐振器上，对薄膜微谐振器进行加热，通过温度传感器实时检测薄膜微谐振器的温度，使薄膜微谐振器的温度从28℃逐步升高到36℃；

22、s33：使用锁相放大器输出探测电压，探测电压的大小为3mv，激光多普勒测振仪采集的薄膜微谐振器的振动信号经锁相放大器降噪处理后，传输至计算机中，通过计算机软件中的频率扫描模块进行分析，即得到基础模态f1和高频模态f2的频率响应曲线；

23、s34：通过基础模态f1和高频模态f2的频率响应曲线能够看出，薄膜微谐振器的高频模态振幅得到了显著放大，且对温度的灵敏度也得到了提升。

24、优选的，步骤s32中，薄膜微谐振器从28℃逐步升高到36℃的过程为：28℃、30℃、32℃、34℃、36℃，激光将薄膜微谐振器加热到指定温度后，在不停止照射的情况下完成频率测量，之后继续增大激光功率使薄膜微谐振器到达下一个温度；

25、步骤s34中，基础模态的f1的温度灵敏度为270.65khz/℃，高频模态的f2的温度灵敏度为859.45khz/℃，温度灵敏度提升了3.18倍。

26、优选的，通过利用内共振提升微谐振器模态振幅和温度灵敏度的装置实现，装置包括薄膜微谐振器、压电片、加热激光器、激光多普勒测振仪、锁相放大器、信号发生器和计算机，激光多普勒测振仪包括探头和控制器，探头用于发出激光，将激光对准薄膜微谐振器中央，控制器用于将探头检测的薄膜微谐振器的位移和速度信号转换为电信号；

27、所述激光多普勒测振仪、锁相放大器、压电片依次连接，薄膜微谐振器粘贴到压电片上；所述锁相放大器连接计算机，信号发生器连接压电片，薄膜微谐振器和压电片均置于真空腔内；

28、所述加热激光器发出的激光对准薄膜微谐振器，用于薄膜微谐振器的加热。

29、优选的，所述真空腔底部设置有位移台，用于调节真空腔的位置从而调节薄膜微谐振器的位置；真空腔的真空度为10-2 mbar；

30、所述薄膜微谐振器包括一层单晶硅衬底和在单晶硅衬底上通过化学气相沉积法生长的氮化硅薄膜，氮化硅薄膜的尺寸为：长500μm，宽500μm，厚100nm；

31、压电片为圆形陶瓷片，材料为锆钛酸铅，其压电系数d33为350 pmv-1，压电片的尺寸为：直径30mm，厚2mm。

32、锁相放大器为signal recovey公司生产的7265型，频率范围为0.001hz-250khz，电压灵敏度为2nv-1v，用于输出探测电压，以及对激光多普勒测振仪收集的薄膜微谐振器的振动信号进行处理，并通过计算机软件显示在计算机上；

33、激光多普勒测振仪为polytec公司生产的ofv-5000，所发出的激光光斑为10μm，用于检测薄膜微谐振器的位移和速度变化；

34、加热激光器为上海熙隆光电公司生产的dl-450的半导体激光器。

35、信号发生器为安捷伦公司生产的33220a，用于施加泵浦电压。

36、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

37、本发明的有益效果为：

38、1、本发明只需要一个信号发生器输出一个低频且低电压的泵浦信号对薄膜微谐振器进行调制，即可实现对薄膜微谐振器高频模态的振幅增强以及温度灵敏度提升，原理简单，操作简便。

39、2、本发明首次利用1：3内共振现象，在低频模态施加泵浦电压，实现了高频振动模态的振幅增强，微谐振器的高频振动模态有着高品质因子、高灵敏度的优点，提高高频模态的振幅可以提高该模态的分辨度，使该模态更易被检测到，对后续实际应用有着重要意义。

40、3、本发明通过放大高频模态振幅，成功使用其完成了温度检测，相较于基础模态，高频模态的温度灵敏度有着显著提升。

41、4、本发明所采用的非接触式的调控方法精度高，且整个装置都在低电压下工作，对谐振器的损伤小且寿命高。