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MEMS諧振傳感器新范式:熱噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器的可行性與動(dòng)態(tài)檢測(cè)性能

MEMS ? 來(lái)源:MEMS ? 2024-06-29 10:57 ? 次閱讀
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近日,上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際微納領(lǐng)域權(quán)威期刊《Microsystem& Nanoengineering》上發(fā)表了題目為“Thermal noise-driven resonant sensors”的研究論文,提出了一種新的微納諧振傳感器范式——熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器, 構(gòu)建了該范式下傳感器信噪比、動(dòng)態(tài)范圍與頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的理論框架,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器的可行性與動(dòng)態(tài)檢測(cè)性能,為納米尺度下可在室溫和常壓下工作、更簡(jiǎn)單、更低功耗的諧振傳感器設(shè)計(jì)提供了新思路。西北工業(yè)大學(xué)副教授喬艷(上海交通大學(xué)出站博士后)為第一作者,張文明教授和Abdel-Rahman教授為論文共同通訊作者。

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內(nèi)容摘要

Abstract

MEMS/NEMS諧振傳感器在微小質(zhì)量和微弱力感知方面已被證明具有極大潛能。然而,傳統(tǒng)的外部驅(qū)動(dòng)方式面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是傳感器不可避免地會(huì)受到內(nèi)在固有噪聲的影響,對(duì)其信噪比 (SNR) 和精度造成了根本性的限制。特別是,隨著傳感器尺寸縮小到納米尺度,由于對(duì)熱噪聲的高度敏感性和更為顯著的非線(xiàn)性效應(yīng),這種限制變得越來(lái)越明顯,成為了MEMS/NEMS線(xiàn)性諧振傳感器亟需解決的難題。針對(duì)上述問(wèn)題,本文不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中規(guī)避或抑制噪聲的思想,提出了熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器設(shè)計(jì)新理念,通過(guò)將固有熱噪聲從障礙物轉(zhuǎn)化成傳感器的組成部分,在不借助任何外部驅(qū)動(dòng)力情形下,用固有熱噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的自驅(qū)動(dòng),以減弱熱噪聲對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)性能的制約。傳感器利用在諧振頻率處熱噪聲的動(dòng)態(tài)放大響應(yīng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè),并證明了具有高縱橫比、弱阻尼和高度柔順納米結(jié)構(gòu)是這類(lèi)傳感器的最佳候選者。為了克服驅(qū)動(dòng)力的相位不相干性,研究人員提出了三種噪聲感知的定量傳感機(jī)制,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了熱噪聲驅(qū)動(dòng)的壓力傳感器溫度傳感器。熱噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器為可在室溫和環(huán)境壓力下工作的NEMS傳感器提供了新機(jī)會(huì),同時(shí)為更低成本、更簡(jiǎn)單的低功耗傳感器發(fā)展提供了新思路。

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圖文解析

Detailed Information

本文首先闡明了MEMS諧振器基于熱噪聲的自驅(qū)動(dòng)機(jī)理,厘清了熱噪聲驅(qū)動(dòng)下響應(yīng)與器件剛度、品質(zhì)因子的關(guān)聯(lián)關(guān)系。為了表征熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器的性能,我們給出了其響應(yīng)信噪比(SNR)和動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義,明確了諧振器尺寸參數(shù)和響應(yīng)性能之間的匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并將其與傳統(tǒng)外部驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器的基本性能進(jìn)行了比較,如圖1(a)-(c)所示。發(fā)現(xiàn)熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器的SNR與剛度和單位質(zhì)量的阻尼成反比,而傳統(tǒng)外部傳感器的SNR與總阻尼成反比。隨著器件尺寸的減小,其縱橫比逐漸增加,使得熱噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器的SNR逐漸增大,而傳統(tǒng)外部驅(qū)動(dòng)傳感器的SNR逐漸縮小。同一尺寸下,熱噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器的DR大于外部驅(qū)動(dòng)傳感器的DR。這些結(jié)果凸顯了熱噪聲驅(qū)動(dòng)范式在納米尺度傳感器領(lǐng)域中的顯著優(yōu)勢(shì)。

接著本文提出了熱噪聲自驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器基于“噪聲感知”的三種定量傳感機(jī)制,如圖1(d) 所示。首先,通過(guò)測(cè)量共振頻率的偏移量,可以檢測(cè)調(diào)制傳感器結(jié)構(gòu)剛度或質(zhì)量的刺激。其次,通過(guò)測(cè)量諧振幅值的定量變化,可以檢測(cè)影響傳感器阻尼和激勵(lì)的刺激。第三,通過(guò)測(cè)量傳感器功率譜密度下的面積變化或其運(yùn)動(dòng)RMS,可以估計(jì)影響熱噪聲水平的刺激。推導(dǎo)了衡量頻率穩(wěn)定性的艾倫方差,并提出了響應(yīng)的電測(cè)方法,發(fā)現(xiàn)熱噪聲驅(qū)動(dòng)機(jī)制由于不需要AC激勵(lì)電路,可消除寄生電容與饋通信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響,有利于有用信號(hào)的提取。

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▲ 圖1 熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器設(shè)計(jì)范式原理

以壓強(qiáng)和溫度檢測(cè)為例,本文探究了復(fù)雜環(huán)境下熱噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器的動(dòng)態(tài)性能及其可靠性。圖2是一類(lèi)基于高品質(zhì)因子懸臂梁的熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振壓力傳感器的測(cè)試結(jié)果?;谥C振速度幅值變化建立了壓強(qiáng)檢測(cè)校準(zhǔn)曲線(xiàn),分析了檢測(cè)靈敏度和信噪比、器件尺寸的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)艾倫方差評(píng)估了幅值與諧振頻率的穩(wěn)定性。結(jié)果表明諧振頻率穩(wěn)定性與品質(zhì)因子、共振頻率和積分時(shí)間成正比,幅值穩(wěn)定性與積分時(shí)間成正比。

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▲ 圖2 高品質(zhì)因子噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振壓力傳感器

圖3是一類(lèi)基于低剛度懸臂梁的熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振壓力傳感器的測(cè)試結(jié)果。給出了懸臂梁在前三階彎曲振動(dòng)模態(tài)下的響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)第三階模態(tài)由于低SNR無(wú)法用于傳感。以上結(jié)果表明高階工作模態(tài)在采用峰值幅值傳感機(jī)制的噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器中存在一定限制。但高階模態(tài)在頻移傳感機(jī)制中更為有利,因?yàn)轫憫?yīng)靈敏度和頻率穩(wěn)定性都隨著模態(tài)的增加而提高。

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▲ 圖3 低剛度熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振壓力傳感器

圖4展示了熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振器用于溫度傳感的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用諧振速度、諧振頻率以及速度RMS變化建立了溫度檢測(cè)校準(zhǔn)曲線(xiàn),發(fā)現(xiàn)頻移檢測(cè)機(jī)制的穩(wěn)定性最好。分析了檢測(cè)靈敏度和信噪比、器件結(jié)構(gòu)與尺寸的關(guān)聯(lián)關(guān)系,給出了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。

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▲圖4熱噪聲驅(qū)動(dòng)的溫度傳感器

盡管當(dāng)前工作中傳感器的性能受到較大尺寸(微米級(jí))梁的限制以及硅材料性質(zhì)對(duì)溫度的相對(duì)不敏感性的影響,但這標(biāo)志著對(duì)新型諧振傳感器技術(shù)范式的初步探索,為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)(采用高縱橫比的納米諧振器)、使用更敏感的材料以及整合信號(hào)放大技術(shù),有望提升熱噪聲驅(qū)動(dòng)的傳感器的檢測(cè)性能。

審核編輯:彭菁

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原文標(biāo)題:MEMS諧振傳感器新范式:熱噪聲驅(qū)動(dòng)的諧振傳感器

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