基于MEMS的非线性多模谐振器在微操作应用中的潜力

非线性现象目前在微机电系统（MEMS）领域正引起人们广泛的关注。通过调节可控的调谐电压，MEMS器件尤其是微执行器上的非线性可以被精确地控制。为了捕获和分离微小颗粒，在微操作中产生大而稳定的旋转力是至关重要的。

据麦姆斯咨询报道，近日，国立清华大学（National Tsing Hua University）的研究人员在Scientific Reports期刊上发表了题为“Experimental investigation of rotating nodal line of MEMS-based nonlinear multi-mode resonators”的论文，提出了一种可作为潜在角动量单元的压电MEMS非线性多模谐振器。

通过实时的电学和光学测量，他们研究了器件的非线性行为。实验结果表明，本论文提出的基于MEMS的非线性多模谐振器在微操作应用中具有巨大的潜力。

图1 基于压电MEMS的非线性多模谐振器的角动量单元示意图

MEMS传感器和执行器被广泛用于光学/电气应用（例如光谱学和频率合成器）、汽车工业（例如惯性传感器）、医疗设备（例如微流控和生物力学换能器）以及许多其他领域。为了简化MEMS器件的工作模式，大多数MEMS器件工作在线性区域。因此，MEMS器件的性能是可预测和可控的。

然而，由于应用的要求，一些MEMS器件需要在较大的驱动力下工作，这导致MEMS器件的非线性问题不容忽视。因此，研究MEMS器件中固有的强非线性具有极其重要的意义，几十年来对MEMS器件非线性行为的研究一直在积极进行。

近年来，通过利用其由材料特性引起的内在非线性和由几何特性引起的外在非线性的非线性特性行为，非线性现象被广泛用于改善传感器和执行器的性能。例如，（1）在光学应用中，谐波发生器和调制器使用非线性现象来产生频率梳、高次谐波和参数振荡等；（2）在物理MEMS应用中，参数调制也被认为是提高微谐振器品质因数（Q因数）和信噪比（SNR）的有效方法；（3）在生物MEMS应用中，利用微操作技术可以捕获和分离流体场中的小颗粒。

微观尺度上存在一些显著的非线性现象，例如由二阶非线性行为引起的Duffing效应、由多个相干整数频率引起的参数效应，以及由本征模态的非线性能量传递引起的内部谐振等。在文献中，为了研究谐振器件中的Duffing效应，首先，使用啁啾驱动信号将MEMS器件激励到非线性区域，并通过电学或光学测量记录Duffing曲线的轨迹；然后，MEMS谐振器的参数效应通常通过电学测量来表征，例如记录了宽频率范围内的多个相干整数频率的频谱分析仪；最后，当本征模态具有整数频率关系时，内部谐振即非线性能量传递，将在具有阈值电压的特定频率下发生。

这种非线性现象通常可以通过诸如网络分析仪（NA）的电学测量和诸如激光多普勒测振仪（LDV）的光学测量来观察。然而，文献中大多数关于非线性行为的研究都是通过频域中的电学测量来表征的。与时间相关的非线性行为（如圆极化机械谐振）至今仍很少被研究。通常情况下，基于非线性次谐波行波谐振模态的摩擦耦合或基于声辐射扭矩的声流可以驱动与时间相关的非线性旋转运动。

在本论文中，作者们提出了一种可作为潜在角动量单元的具有集成电极的基于压电MEMS的非线性多模谐振器，如图1所示。提出的非线性多模谐振器通过Coretronic公司提供的三掩模微加工工艺制造，工艺流程如图2（a）所示，其中图2（a）的插图中显示了由光学显微镜拍摄的制造的谐振器的最终结构，图2（b）所示的是谐振器的三维轮廓的激光共聚焦图像。

通过在锆钛酸铅（PZT）薄膜制成的4端口谐振器上施加低于5V的可控低电压，在特定频带中观察到了非线性旋转节点线。驱动电压的强度与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容，易于与电路集成。此外，基于MEMS的非线性多模谐振器的实时旋转运动也分别在啁啾和单输入频率下通过激光多普勒测振仪进行了验证。

当啁啾或正弦驱动信号超过阈值水平时，机械旋转运动将以特定的频率发生。实验结果表明，本文提出的带有集成电极的基于MEMS的非线性多模谐振器在微操作方面的应用中具有巨大的潜力。

图2 器件的制造工艺流程示意图

图3 器件的实验测量设置

图4 频率扫描条件下的本征运动与旋转运动对比

图5 两种单音驱动频率（353KHz和361KHz）下的运动和位移结果

审核编辑：刘清