諧振器納米梁平行板靜電控制裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置及其控制方法，屬于電子器件
技術領域。
【背景技術】
[0002] 納米梁振動非線性效應是制約納米機電系統(tǒng)(Nano Electromechanical System， 簡稱NEMS)器件廣泛應用的一個難題。在NEMS器件中，做機械運動的構件通常可以簡化為納 米梁，在參數(shù)激勵和外激勵耦合作用下，納米梁靜電耦合非線性系統(tǒng)響應呈現(xiàn)出較為豐富 的非線性動力學特性，具體表現(xiàn)為非線性系統(tǒng)響應隨系統(tǒng)參數(shù)的變化呈現(xiàn)出周期、擬周期 和混沌運動交替演變的復雜過程，還容易發(fā)生諸如彈簧硬化或軟化、突跳、遲滯、吸合不穩(wěn) 定、頻率漂移等非線性現(xiàn)象。由于納米梁具有小尺度和小阻尼特性，結構振動極易進入非線 性振動狀態(tài)，另一方面，空間的非平面振動導致共振頻率的迀移，這都將會導致諧振器納米 梁結構振動的不穩(wěn)定和諧振點的偏移，進而影響最佳頻率的匹配和電子設備的工作穩(wěn)定 性。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于消除現(xiàn)有技術中諧振器納米梁靜電驅動出現(xiàn)的有害非線性影 響，發(fā)明一種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置及其控制方法，利用平行板控制器產生的 靜電控制力控制納米梁的非線性振動，使納米梁振動處于類線性的穩(wěn)定振動。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案： 本發(fā)明提供一種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置，包括驅動裝置、信號提取裝置和 控制裝置，其特征在于:所述驅動裝置包括驅動電極、信號源和納米梁，且三者組成靜電驅 動電路，其中驅動電極與納米梁寬度相等，驅動電極位于納米梁下方，且與納米梁平行，信 號源一端連接驅動電極，另一端連接納米梁;所述信號提取裝置包括石墨烯薄膜傳感器、控 制電源和分壓電阻，且三者組成信號提取電路，其中所述石墨烯薄膜傳感器一端與控制電 源正極相連，另一端與分壓電阻相連，所述分壓電阻另一端與控制電源負極相連;所述控制 裝置包括濾直流電容、電壓放大器和平行板控制器，且三者與所述石墨烯薄膜傳感器和所 述納米梁共同組成控制電路，其中所述濾直流電容一端與平行板控制器相連，另一端與電 壓放大器一端相連，所述電壓放大器另一端與所述納米梁相連。
[0005] 本發(fā)明同時提出一種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置的控制方法，其具體實施 步驟如下： 步驟一，確定納米梁類線性穩(wěn)定振動的驅動間隙條件： ^ 0.05 5 式中，g為驅動電極與納米梁下表面的距離，W是納米梁的寬度； 步驟二，確定電壓放大器的非線性反饋控制電壓增益gf:
式中，Vo和U分別表示驅動電壓及控制電源所產生的控制電壓
m分別為 納米梁的長度和厚度，r為石墨烯薄膜傳感器電阻，R為分壓電阻，Pd為石墨烯薄膜傳感器電 導率；4 ，式中，hd為石墨烯薄膜傳感器厚度；A = n = RUS，
X為 納米梁在水平方向上的位置坐標。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)點在于： 1. 本發(fā)明利用石墨烯薄膜電阻值隨著其變形而變化的特性，利用石墨烯薄膜變化的 電壓信號作為控制輸入信號，將石墨烯薄膜作為電壓感應器應用于納米梁的非線性振動控 制； 2. 本發(fā)明利用平行板控制器進行納微結構控制，有效進行納米梁的非線性振動控制， 使納米梁振動處于類線性的穩(wěn)定振動，符合納微電子器件在時鐘、調諧等電路中穩(wěn)定振動 的需要;器件尺寸較小，符合納米梁微小尺度的設計理念。
【附圖說明】
[0007] 圖1為諧振器納米梁平行板靜電控制裝置結構示意圖。
[0008] 圖2為諧振器納米梁幅頻曲線圖。
[0009] 圖3為反饋控制電壓增益在不同激勵電壓下與納米梁驅動電極間距之間的關系 圖。
[0010]圖中：信號源1，濾直流電容2,控制電源3,電壓放大器4,分壓電阻5,平行板控制器 6,石墨稀薄膜傳感器7,納米梁8,驅動電極9。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明： 本實施例諧振器納米梁平行板靜電控制裝置如圖1所示，包括驅動裝置、信號提取裝置 和控制裝置，其特征在于:所述驅動裝置包括信號源1、驅動電極9和納米梁8,且三者組成靜 電驅動電路，其中驅動電極9與納米梁8寬度相等，驅動電極9位于納米梁8下方，且與納米梁 8平行，信號源1 一端連接驅動電極9，另一端連接納米梁8;所述信號提取裝置包括石墨烯薄 膜傳感器7、控制電源3和分壓電阻5,且三者組成信號提取電路，其中所述石墨烯薄膜傳感 器7-端與控制電源3正極相連，另一端與分壓電阻5相連，所述分壓電阻5另一端與控制電 源3負極相連;所述控制裝置包括濾直流電容2、電壓放大器4和平行板控制器6,且三者與所 述石墨烯薄膜傳感器7和所述納米梁8共同組成控制電路，其中所述濾直流電容2-端與平 行板控制器6相連，另一端與電壓放大器4 一端相連，所述電壓放大器4另一端與所述納米梁 8相連。
[0012]本實施例納米梁8為一個歐拉-伯努利細長梁，諧振器納米梁平行板靜電控制裝置 各部件參數(shù)如下：納米梁寬度W=300nm，驅動電壓V〇=1.8V，控制電源所產生的控制電壓U= 1.5V，納米梁的長度l=30um，納米梁的厚度h=400nm，分壓電阻r=R/20=28 Ω，石墨稀薄膜傳 感器電導率Pd=l X l(T8s/m，石墨稀薄膜傳感器厚度hd=0.35nm。
[0013] 本實施例一種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置的控制方法，其具體步驟如下： 步驟一，確定納米梁類線性穩(wěn)定振動的條件： g > 923nm； 步驟二，取驅動電極與納米梁下表面的距離g=1500nm，確定電壓放大器的非線性反饋 控制電壓增益gf: gf =150〇
[0014] 將本發(fā)明實施例得到的非線性反饋控制電壓增益gf對納米梁非線性振動進行控 制，得到不同非線性反饋控制電壓增益下調諧參數(shù)與主共振幅值之間的關系，如圖2所示， 當調諧參數(shù)σ取值范圍在零附近時，系統(tǒng)主共振出現(xiàn)峰值，并且當非線性反饋控制電壓增益 gf取不同值時，系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的振動特性。當非線性反饋控制電壓增益gf分別為〇和300 時，系統(tǒng)呈現(xiàn)非線性特性，但二者主共振幅值所對應的調諧參數(shù)取值不同。當非線性反饋控 制電壓增益gf取150時，系統(tǒng)表現(xiàn)出類線性特性，且主共振峰值所對應的頻率不同于其他兩 種峰值頻率，這表明 gf#在一個確定值，使得系統(tǒng)主共振呈現(xiàn)出線性特性。從圖2還可以看 出，選取適當?shù)姆蔷€性反饋控制電壓增益gf值可消除系統(tǒng)主共振出現(xiàn)的非線性，但主共振 峰值變化不大。
[0015] 不同激勵電壓下本發(fā)明實施例得到的非線性反饋控制電壓增益gf與納米梁與驅 動電極間距之間的關系如圖3所示，在三種不同激勵電壓下，隨著納米梁驅動間隙g的增大 非線性反饋控制電壓增益gf逐漸減小，當納米梁驅動間隙g取固定值時，驅動電壓Vo越大，非 線性反饋控制電壓增益gf越大，這種現(xiàn)象說明納米梁與驅動電極間的間距對納米梁振動的 控制效果具有重要影響，選擇合適的間距能夠得到良好的振動控制效果。
[0016] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在 本發(fā)明的原理和技術思想范圍之內，所作的任何修改、等同替換以及改進，均應包含在本發(fā) 明所述的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置，包括驅動裝置、信號提取裝置和控制裝置， 其特征在于:所述驅動裝置包括信號源（1)、驅動電極(9)和納米梁(8)，且=者組成靜電驅 動電路，其中驅動電極(9)與納米梁(8)寬度相等，驅動電極(9)位于納米梁(8)下方，且與納 米梁(8)平行，信號源（1)一端連接驅動電極(9)，另一端連接納米梁(8);所述信號提取裝置 包括石墨締薄膜傳感器(7)、控制電源（3)和分壓電阻巧），且=者組成信號提取電路，其中 所述石墨締薄膜傳感器(7)-端與控制電源(3)正極相連，另一端與分壓電阻巧)相連，所述 分壓電阻巧)另一端與控制電源(3)負極相連;所述控制裝置包括濾直流電容(2)、電壓放大 器(4)和平行板控制器(6)，且=者與所述石墨締薄膜傳感器(7)和所述納米梁(8)共同組成 控制電路，其中所述濾直流電容(2)-端與平行板控制器(6)相連，另一端與電壓放大器(4) 一端相連，所述電壓放大器(4)另一端與所述納米梁(8)相連。2. -種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置的控制方法，其特征在于包括W下步驟： 步驟一，確定納米梁類線性穩(wěn)定振動的驅動間隙條件：式中，g為驅動電極與納米梁下表面的距離，W是納米梁的寬度； 步驟二，確定電壓放大器的非線性反饋控制電壓增益gf:式中，Vo和U分別表示驅動電壓及控制電源所產生的控制電壓；；1和h分別為納 米梁的長度和厚度，r為石墨締薄膜傳感器電阻，R為分壓電阻，Pd為石墨締薄膜傳感器電導 率；，式中，hd為石墨締薄膜傳感器厚度；池，。=〇丄U，,X為 納米梁在水平方向上的位置坐標。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種諧振器納米梁平行板靜電控制裝置及其控制方法，該系統(tǒng)包括驅動裝置、信號提取裝置和控制裝置三部分。該控制方法包括以下步驟：1)確定納米梁類線性穩(wěn)定振動的驅動間隙條件；2)確定電壓放大器的非線性反饋控制電壓增益<i>g</i>f。本發(fā)明利用石墨烯薄膜的電阻隨著其變形而變化的特性，作為位移傳感器件應用于納米梁與驅動電極的振動控制，解決了現(xiàn)有NEMS器件因靜電驅動出現(xiàn)的有害非線性影響而失效的問題。
【IPC分類】H03H9/24, H03H9/02
【公開號】CN105515547
【申請?zhí)枴緾N201510923834
【發(fā)明人】劉燦昌, 岳書常, 劉文曉, 鞏慶梅, 馬馳騁, 周繼磊
【申請人】山東理工大學
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月14日