[发明专利]一种弱耦合谐振器

说明书

本发明公开了一种弱耦合谐振器，涉及微机电系统技术领域，包括：由第一固定端和第二固定端固定的固支直梁；吸附在固支直梁上的质量吸附块；由第三固定端和第四固定端固定的固支余弦曲梁；固支余弦曲梁由驱动电压源通过固定电极驱动；第一固定端与直梁耦合电压源相连接；第三固定端与余弦曲梁耦合电压源相连接；固支直梁和固支余弦曲梁之间通过直梁耦合电压源和余弦曲梁耦合电压源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，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。本发明能够进行微质量传感器和MEMS带通滤波器之间的随意切换，并且具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点。

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。