盘结构振动的MEMS谐振器关键技术研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文






盘结构振动的 MEMS 谐振器关键
技术研究





研究生: 崔莹莹
指导教师: 董林玺研究员




2012 年 12 月
Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University
for the Degree of Master





The research on the key technology of
MEMS resonators with vibrating plate structure




Candidate: Cui Yingying
Supervisor: Boffin Dong Linxi




December,2012
杭州电子科技大学
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论文作者签名: 日期: 年月日

指导教师签名: 日期: 年月日
杭州电子科技大学硕士学位论文
摘要
微机械系统(MEMS)是一个发展迅速、而且应用也越来越广泛的技术。而 MEMS 器件
中的谐振器凭借其灵敏度高、Q 值高、可靠性好以及低功耗等优良特性在各行业和领域内都
发挥了越来越重要的作用,包括汽车电子、生物医学、定位导航系统以及军事等领域。
本文首先对射频 MEMS 进行了简单的介绍,然后介绍了 MEMS 谐振器,给出了谐振器
的定义、特点以及其在通信系统和振荡器中的应用,得出了研究 MEMS 谐振器的必要性。然
后介绍了几种谐振器的结构参数,对参数中的品质因数进行了重点介绍,接着给出了 MEMS
谐振器的分类和几种典型的产品。
根据以上分析,重点研究了单个圆盘谐振器受到动态信号作用时的可靠工作范围。首先
对忽略圆盘本身形变的情况进行了理论计算,计算分为三种情况:静态信号作用、阶跃信号
作用以及脉冲信号作用。接下来,又对这三种情况下考虑圆盘本身形变时的工作范围进行了
理论计算,并把计算所得的结果和忽略形变时的结果进行了对比。对比发现,当圆盘本身的
形变为盘与电极间距的 1%时,考虑形变时谐振器的精度可以提高 10%。
为了验证上面计算的正确性,运用 ANSYS 软件对单个圆盘谐振器进行了仿真。仿真的
第一步是先对谐振器建模,然后进行模态分析,从模态分析中我们可以得出,形变对谐振器
工作范围的影响是很小的。接下来分别对 MEMS 盘谐振器在静态信号、阶跃信号和脉冲信号
作用下的电压V 和惯性加速度 a 进行了仿真,并由仿真的电压和惯性加速度得出了表征它们
的 P 和q 的值。最后把仿真得出的结果和理论计算的结果进行了对比,发现仿真的结果要偏
大些,这是因为理论计算时形变是用间距的 1%计算的,实际中形变是达不到这么大的,而且
计算中忽略了一些不重要的影响因素。
在论文的最后,利用 ANSYS 软件的有限元分析法分别对盘阵列和方形阵列两种结构的
MEMS 谐振器进行了建模和仿真,得出了动态信号下它们各自的偏移量,并讨论了不同尺寸
和加速度对偏移量的影响,结果表明动态信号下方形阵列的偏移量要远远小于盘阵列结构的
偏移量,所以动态信号对盘阵列谐振器的性能影响较大。

关键词:MEMS,谐振器,品质因数,动态信号,可靠性,ANSYS

I
杭州电子科技大学硕士学位论文
ABSTRACT
Micro Electro Mechanical System (MEMS) is a rapid developing technology, and its