具有达芬非线性的谐振式传感器的分辨率极限

谐振式传感器的分辨率从根本上受噪声存在的限制。当所有其他噪声源被消除后，谐振器固有的热机械噪声决定了传感器的最终性能。对于线性谐振器，可通过增大驱动功率来进一步改善传感分辨率。然而，这一趋势无法无限延续，因为在足够高的驱动功率下非线效应会出现并影响噪声性能。因此，谐振器的非线性特性在决定其最终分辨率极限方面起着不可分割的作用。近来，若干工作研究了非线性谐振器作为传感器的特性性能，得出反直觉的结论：在热机械极限下提高谐振器的品质因数并不能改善其传感分辨率。本文进一步分析了最终分辨率极限，并描述了在小于和大于谐振器衰减时间的积分时间下的不同性能区间。我们提供了一个解析模型以阐明达芬非线性对闭环传感器分辨率的影响，并通过数值模拟进行了验证。与以往工作相反，我们的模型与模拟表明，在特定条件下达芬谐振器的最终传感分辨率可通过最大化其品质因数来改善。通过对纳米机械薄膜谐振器的测量，我们从实验上验证了该模型，并证明可实现超越先前已知极限的频率分辨率。