基于MEMS技术的微波(RF)滤波器的设计

微波MEMS(RF-MEMS)滤波器是一种基于硅微加工技术的新型器件.由于RF-MEMS器件具有体积小、承受功率大、性能优良、成本低以及易于与后续的电路集成等突出优点,因此,由薄膜体声波谐振器(FBAR)构成的RF-MEMS滤波器在微波通讯系统的射频前端将取代传统的声表面波(SAW)滤波器.从以MEMS技术制作的薄膜体声波谐振器(FBAR)为基本单元构成梯子式(Ladder type)射频滤波器的原理出发,对滤波器的性能和设计进行分析,并对实际滤波器中的问题进行了较详细的探讨.     

平行微带谐振结构器件微尺度效应研究

研究了微尺度条件下射频微机械系统中平行微带谐振器件的相关效应.对该谐振器的表面粗糙度、导热率、电学尺度等因数引起的微尺度效应进行了分析,得出该结构相关微尺度条件下相关物理量的微尺度规律.在微尺度表面粗糙度条件下,对平行微机械微带结构谐振/滤波器的性能做出了分析,得出该器件在电磁、机械、几何等微尺度量影响下的一些性能指标,为射频微机电系统相关微尺度效应研究提供了理论参考.     

小波变换及其在MEMS谐振器运动轨迹的特征提取中的应用

为测量微电机械系统(MEMS)谐振器的动态特性参数,根据MEMS谐振器运动图像的特点,将小波变换应用于MEMS谐振器运动轨迹的特征提取中.基于模糊图像合成技术,利用小波变换对MEMS谐振器的模糊运动图像进行了增强及降噪处理,并结合传统的图像处理方法,提取MEMS谐振器的运动轨迹,最终获得了MEMS谐振器的特性参数,从而可为MEMS器件的设计提供重要参考.实验结果表明,利用小波变换的方法获得了更好的测量精度,测量重复性误差为100nm.     

双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪

硅MEMS陀螺仪成本低、体积小、功耗低,是微小型无人系统及制导武器的核心惯性器件,本文提出一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪,采用两块反相、同频、等幅振动质量块作为敏感单元,通过测量谐振器谐振频率变化来计算转速的大小,通过动力学分析,推导了哥氏力与输入转速的传递函数,用瑞利－里茨法求得在轴向力作用下梁的固有频率方程,利用马蒂厄方程分析了双端音叉谐振器的运动数学表达式及陀螺仪标度因数方程。最后利用ANSYS有限元软件对谐振器进行了稳定性及有预载荷的模态分析,验证了理论推导的正确性。该陀螺仪通过端部支撑结构将两质量块的振动能量相互抵消,减少了振动噪声及能量损耗,利用杠杆反相差分效应,消除了外界加速度引起的误差。     

新型MEMS质量传感器的研究

研究了一种新型MEMS质量传感器的设计、仿真与制造.这种用于流体中微小分子质量检测的MEMS器件,具有高度对称的中空圆盘结构,以谐振的方式工作于简并/解并模态,能在测量时实现对环境波动的自我补偿.器件的中空腔内可以流过被测流体,腔外的真空环境使得圆盘谐振器受到更小的阻尼.利用ANSYS对圆盘在质量吸附前后的模态及频率分裂进行仿真,计算结果显示对质量的测量灵敏度达pg量级.采用MEMS双牺牲层工艺方法成功制作出具有双层结构的空心圆盘谐振器.     

片上集成MEMS射频滤波器

研究采用MEMS工艺技术制造可在硅集成电路片上集成的射频滤波器.MEMS工艺技术实现了高性能嵌入式螺管电感和金属-绝缘层-金属电容元件的集成制造.整个微加工制造工艺为低温工艺,可与CMOS集成电路工艺实现后端集成.基于此工艺,设计和实现了应用于5 GHz射频频段的微小化的片上集成滤波器,包括一种低通滤波器和一种带通滤波器.测试结果表明,5阶低通滤波器的 -1.5 dB 转折频率在5.3 GHz频率,从直流到5 GHz频率的插入损耗小于1.06 dB.实现的带通滤波器为两阶谐振耦合式,在中心频段5.3 GHz的最小插入损耗为4.3 dB,通带内的回波损耗大于13 dB.研究结果表明:该微加工技术适用于无源器件和滤波器电路的CMOS后端集成,适合高性能射频片上系统的应用.     

基于机器微视觉的MEMS平面微运动测试技术

随着微电子机械系统(MEMS)研究的深入和产业化的需求,检测技术在MEMS中的重要性越来越大。基于机器微视觉原理组建MEMS动态测试系统,在此系统之上,提出模糊图像合成技术对MEMS器件的平面微运动特性如谐振器的运动幅度、谐振频率等重要参数进行了测试,给出了测量结果,并对测试结果进行了分析和讨论。     

一种基于电容加载环形谐振器的可调谐滤波器

为了实现多频段射频信号的同时处理,提出了一种基于电容加载环形谐振器的双频可调谐带通滤波器。在对环形谐振器等效电路进行分析的基础上给出了可变电容加载的环形谐振器结构形式,实现了对谐振频率的调谐;然后对可调滤波器的端口电抗特性进行了分析,设计了实现双频可调谐滤波器;最后设计加工了工作于330~400 MHz之间的双频可调谐滤波器,两个通频带之间可以独立调谐,并且通带互相之间的影响很小。     

参数化方法在微机械谐振器设计中的应用

从理论上分析了微机械音叉谐振器的机械力学特性,给出了活动梳齿的工作模态频率解析解,提供谐振器结构设计的依据.利用基于MAST语言实现的MEMS宏模块建立微谐振器系统级通用参数化仿真模型,为验证外围电路提供了基础.事例仿真结果与理论模态分析相一致,验证了模型的有效性.通过减少梁固接端弹性系数、合理安排激励电极能抑制一阶模态扰动.工作模态谐振频率对结构参数的敏感性分析为优化谐振器性能提供基础,使工作模态远离其它高阶模态.敏感性仿真表明在横向振动微谐振器中,工作模态谐振频率随梁长的增加而减小;随梁宽的增加而增大;结构层厚度对横向振动频率没有影响;梳齿部分所有参数的变化造成频率的相反变化.     

一种利用台阶仪测量弹性模量及残余应力的方法

在MEMS器件设计及工艺监控中需要知道所用材料的弹性模量.提出了一种适合MEMS器件加工用的弹性模量测量方法,采用MEMS器件中典型的双支梁结构,并用台阶仪的探针对双支梁结构施加力,同时测得梁的挠度,进而根据弹性理论采用数值方法计算出弹性模量.采用低压化学气相淀积方法制备多晶硅双支梁.应用该方法测量得到多晶硅的弹性模量值为163GPa,残余应力为20.8MPa.     

无线通信系统中的微尺度射频元件

射频元件微型化是微型无线通信系统发展的关键所在.本文从微机械开关、微机械谐振器、微机械滤波器、微机械天线、微机械电感及电容等多方面,介绍微尺度射频元件的研究和应用现状,并对其发展前景作了展望.     

An efficient numerical solution for frequency response function of micromechanical resonator arrays

Array forms of MEMS resonator that uses a specific mid-frequency normal mode have been introduced for acquiring a wider bandwidth of frequency response function (FRF). A conventional frequency response solver based on a modal approach faces computational difficulties in obtaining the FRF of these array forms because of the increase in the order of a linear dynamic model and the number of retained normal modes. The computational difficulties can be resolved by using a substructuring-based model order reduction and a frequency sweep algorithm, which requires a smaller number of retained modes of a reduced dynamic system than the conventional solver. In computing the FRF of a single resonator and its array forms, the presented method shows much better efficiency than the conventional solution by ANSYS as the number of resonators increases. In addition, the effects of multiple resonators in the array forms on filter performance are discussed compared with experimental data.     

Measurement uncertainties in resonant characteristics of MEMS resonators

This paper reports measurement of random uncertainties in resonant characteristics (resonance frequency and quality factor) of microelectromechanical system (MEMS) resonators. We employ different methods to extract resonant characteristics of 4 different MEMS resonators which are either clamped-free or clamped-clamped beams. Each beam type operates either in air or in a partial vacuum, and therefore, different vacuum levels can be examined. Three different methods, including frequency sweep, impulse response, and thermal noise, are applied to each resonator type excited with electrostatic or piezo-crystal actuation. We make a thorough analysis and comparison for three different methods. Depending on device type and operating condition, there exists a better and recommended way to extract resonant characteristics of MEMS resonators. For example, the impulse response is best-suited for the quality factor measurement of a clamped-clamped beam operating in a vacuum. Our results show that the quality factor of MEMS resonators may be noticeably different and exhibit appreciable systematic and random uncertainties, and suggests a better way to extract the quality factor for a given situation.     

多信道二维光子晶体滤波器

根据光波模在光子晶体线缺陷波导和环形谐振腔之间的耦合原理,在二维三角晶格光子晶体中设计了一款由线缺陷主波导、环形谐振腔、60°弯下载波导组成的多信道下载滤波器。利用平面波展开方法计算了完整光子晶体及线缺陷波导的能带结构;基于时域有限差分方法计算了各目标频率光信号在器件中的传输特性,分析了影响器件耦合效率的因素并对其进行了改进。分析表明:通过改变环形谐振腔内介质柱的半径可以调节光子晶体环形谐振腔的谐振频率,而改变线缺陷主波导与环形谐振腔之间耦合区域中介质柱的形状以及将直下载波导改换成60°弯下载波导可以提高线缺陷主波导、60°弯波导与环形谐振腔之间的耦合效率。计算结果显示:优化后的多信道二维光子晶体滤波器具备优良的选频功能,各目标频率光信号的透射率均达90%以上。与传统半导体介质材料器件相比,该器件体积较小,结构简单,易于大规模集成,很有应用前景。     

用于液相检测的微机械扭摆谐振器

提出了一种在扭转模态工作的微机械谐振器,与传统的弯曲模态相比,扭转模态能量损耗低,故更适用于液相检测.通过理论建模优化了结构;通过加入合适的补偿电路使谐振器在液体中的Q值达到500;此传感器包含检测扭摆和参比扭摆,对两个摆在闭环下的频率变化进行记录,对两者差分可有效抵消由于温度漂移及非特异性吸附等引起的频率变化.上述结果验证了此种谐振器用于液相检测生物分子的可行性.     

A loop shaping perspective for tuning controllers with adaptive feedforward cancellation

This paper presents a loop-shaping perspective on the tuning of systems using adaptive feedforward cancellation (AFC). The AFC technique is very useful for reducing/eliminating errors in a controlled system at a selected set of harmonics. Such a technique has applicability for hard disk and optical disk track following, vibration rejection in spindle systems and helicopters, camshaft and piston machining, as well as in fast tool servos for diamond turning. This last application provides the motivation for the work described herein. The paper shows how an AFC loop with N resonators results in 2N parameters, a gain and phase advance parameter for each resonator, which must be adjusted to maximize closed-loop performance. This paper details a frequency shaping method of selecting the AFC phase advance parameters and resonator gains in multiple AFC resonator systems. We have applied these techniques to our prototype diamond turning machine with a fast tool servo for cutting ophthalmic lenses. Experimental results comparing the performance of this machine with and without AFC control are presented.     

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。     

Certain Features of the Development,Modeling, and Tuning of Microwave Filters Based on Cavity Resonators for Use in Microwave Modules on the Basis of Printed-Circuit Boards

The theoretical dependences and physical regularities on which the concept of cavity resonators is based are described. The process of modeling a number of filters and the results are described in detail. The filter assembly and tuning process is described as well. The results for the model and an actual filter are compared and analyzed.     

基于氟化镁晶体微腔产生宽光谱范围克尔光频梳及色散调控研究

为了在基于回音壁模式光学微腔的光学频率梳生成中优化微腔的性能和光频梳的质量,对氟化镁晶体微腔的色散调控进行研究.首先,理论仿真研究了MgF2晶体微腔边缘形状对腔内模场和总色散的影响;接着根据仿真结果实际加工了两种面形的MgF2晶体微腔,分别为边缘平面型和单边楔形;然后,搭建了微腔性能检测系统和晶体微腔光梳生成系统,实测...