基于电热弹性屈曲的非线性鼓膜式 MEMS 谐振器的超宽调谐
应用物理
2022-12-14 v1 系统与控制
系统与控制
摘要
与线性对应器件相比，非线性微机电系统（MEMS）谐振器通过实现频率调谐和增加带宽，在传感和信号处理方面开辟了新的机遇。在此，我们设计、制备并研究了呈现强非线性动力学的鼓膜式谐振器，并建立了降阶模型（ROM）以准确捕捉其响应。该谐振器经历静电介导的热弹性屈曲，将其固有频率从 4.7 MHz 调谐至 11.3 MHz，即可调谐因子达 2.4 倍。此外，所施加的屈曲使谐振器的非线性在纯硬化、纯软化甚至软化到硬化之间切换。获取这些奇异动力学需要对谐振器临界屈曲点附近的温度和直流静电力进行精确控制。为解释所观察到的可调谐性，我们建立了一维基于物理的 ROM，可预测这些鼓膜式谐振器基弯曲模态的线性和非线性响应。该 ROM 捕捉了来自三个方面的内应力的动力学效应：制备工艺的残余应力、各组成层之间热膨胀失配，以及所施加的静电力。该 ROM 即使在临界屈曲状态附近也能复现所观察到的线性和非线性响应的可调谐性（误差在 5.5% 以内）。这些显著的非线性和大范围固有频率可调谐性是片上声学器件在信号处理、滤波和 MEMS 波导等广泛应用中的宝贵特性。
引用
@article{arxiv.2210.06982,
title = {Ultra-tuning of nonlinear drumhead MEMS resonators by electro-thermoelastic buckling},
author = {Ali Kanj and Paolo F. Ferrari and Arend M. van der Zande and Alexander F. Vakakis and Sameh Tawfick},
journal= {arXiv preprint arXiv:2210.06982},
year = {2022}
}