CN105207643A - 一种谐振器纳米梁静电控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种谐振器纳米梁静电控制装置，该装置由驱动装置、信号提取装置和控制装置三部分组成，利用石墨烯薄膜传感器的电阻阻值随纳米梁弯曲变形而变化的特性，将石墨烯薄膜传感器变化的电压信号作为控制输入信号，利用轴向平行板控制器产生的轴向控制力控制纳米梁的非线性振动。本发明的目的在于避免谐振器纳米梁静电驱动出现的有害非线性现象，使纳米梁振动处于类线性的稳定振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐振器纳米梁静电控制装置，属于电子器件技术领域。
背景技术
纳米梁振动非线性效应控制是制约纳米机电系统(NanoElectromechanicalSystem，简称NEMS)器件广泛应用的一个难题。
在NEMS器件中，做机械运动的构件通常可以简化为纳米梁，在参数激励和外激励耦合作用下，纳米梁静电耦合非线性系统响应呈现出较为丰富的非线性动力特性，具体表现为系统响应随系统参数的变化呈现出周期、拟周期和混沌运动交替演变的复杂过程，还容易发生诸如弹簧硬化或软化、突跳、迟滞、吸合不稳定、频率漂移等非线性现象。
由于纳米梁具有小尺度和小阻尼，结构振动极易进入非线性振动状态，另一方面空间的非平面振动导致共振频率的迁移，这都将会导致谐振器纳米梁结构振动的不稳定和谐振点的偏移，进而影响最佳频率的匹配和电子设备的工作稳定性，因而，需要对纳米梁的非线性振动共振加以控制。
本发明以纳米制造中纳米梁为关键构件谐振器的稳定振动需求为背景，以避免谐振器纳米梁静电驱动出现非线性振动为目标，利用石墨烯薄膜电阻阻值随着纳米梁弯曲变形而变化的特性（KimKS，ZhaoY，JangH，etal.Large-scalepatterngrowthofgraphemefilmsforstretchabletransparentelectrodes.Nature，2009，457:706-709）提取纳米梁振动信号，以该信号作为控制信号进行纳米梁振动控制，解决纳米器件振动不稳定问题。
发明内容
本发明的目的在于避免谐振器纳米梁静电驱动出现的有害非线性现象，发明一种谐振器纳米梁静电控制装置，利用轴平行板控制器产生的轴向控制力控制纳米梁的非线性振动，使纳米梁振动处于类线性的稳定振动。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种谐振器纳米梁静电控制装置包括驱动装置、信号提取装置和控制装置三部分组成，其特征在于：驱动装置包括信号源、驱动电极和纳米梁，其中信号源一端连接驱动电极，另一端连接纳米梁，且驱动电极位于纳米梁下方，并与纳米梁平行，信号源与驱动电极和纳米梁串联；信号源产生交流电压信号为，式中，V为驱动电压，V 0为驱动电压幅值，ω为驱动信号频率，t为时间，纳米梁产生的简谐振动，式中y表示振动位移，y 0为振动幅值，，，，，，，，，，，ξ=4.73，E，I，ρ d和A分别是杨氏弹性模量、转动惯量，单位长度的质量密度和横截面面积，η为粘弹性系数，W是纳米梁的宽度，g为驱动电极与纳米梁下表面的距离，l为纳米梁的长度，φ为纳米梁的模态函数，ε 0=8.854-10-12C2N-1m-2。
信号提取装置包括石墨烯薄膜传感器、供电电源和分压电阻，三者组成一个闭合电路；其中石墨烯薄膜传感器一端与供电电源相连，另一端与分压电阻串连；输入到控制装置的控制电压，式中，R为石墨烯薄膜传感器电阻阻值，r为分压电阻阻值，ρ为石墨烯薄膜传感器电阻率，A d为的横截面积，h为纳米梁厚度的一半，w为纳米梁的挠度值，x 1和x 2分别为石墨烯薄膜传感器左端和右端的位置坐标，U为控制电源电压值，()ˊ表示，g f为控制电压控制参数。
控制装置包括石墨烯薄膜传感器、滤直流电容、电压放大器和轴向平行板控制器，其中石墨烯薄膜传感器一端连接滤直流电容，另一端连接轴向平行板控制器左极板，滤直流电容另一端连接电压放大器的一端，电压放大器另一端连接轴向平行板控制器右极板；作用于轴向平行板控制器两极板的非线性振动控制电压放大增益为，式中，，，a和b分别为轴向平行板控制器极板的长度和宽度，d 0为轴向平行板控制器两极板间的距离，ε为真空介电常数。
所述石墨烯薄膜传感器粘贴在纳米梁的上表面或者下表面，当纳米梁产生变形时，石墨烯薄膜传感器随着纳米梁弯曲振动发生沿着轴向的长度伸长和缩短变化，石墨烯薄膜传感器的长度变化时，其电阻阻值随之变化，其两端电压也随之变化，进而产生与纳米梁弯曲变形一致的电压信号。
石墨烯薄膜传感器与轴向平行板控制器串联，石墨烯薄膜传感器两端产生的控制信号经电压放大器放大后施加于轴向平行板控制器两个极板，轴向平行板控制器产生与控制信号一致的轴向控制力，该控制力沿轴向方向牵引纳米梁，对纳米梁非线性振动进行控制。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
1.本发明利用石墨烯薄膜电阻值随着其变形而变化的特性，利用石墨烯薄膜变化的电压信号作为控制输入信号，将石墨烯薄膜作为电压感应器应用于纳米梁的非线性振动控制；
2.本发明利用轴向平行板控制器进行纳微结构轴向控制，有效进行纳米梁的非线性振动控制，使纳米梁振动处于类线性的稳定振动，符合纳微电子器件在时钟、调谐等电路中稳定振动的需要；器件尺寸较小，符合纳米梁微小尺度的设计理念。
附图说明
图1为谐振器纳米梁静电控制装置示意图。
图2为信号提取装置电路示意图。
图3为谐振器纳米梁幅频曲线图。
图中：1、信号源；2、驱动电极；3、纳米梁；4、石墨烯薄膜传感器；5、供电电源；6、分压电阻；7、滤直流电容；8、电压放大器；9、轴向平行板控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
如图1和图2所示，一种谐振器纳米梁静电控制装置包括驱动装置、控制装置和信号提取装置三部分组成，所述驱动装置包括信号源1、驱动电极2和纳米梁3，其中信号源1一端连接驱动电极2，另一端连接纳米梁3，且驱动电极2位于纳米梁下方，并与纳米梁平行，信号源与驱动电极和纳米梁串联；信号源产生交流电压信号为，式中，V为驱动电压，V 0为驱动电压幅值，ω为驱动信号频率，t为时间，纳米梁产生的简谐振动为，式中y表示振动位移，y 0为振动幅值，，，，，，，，，，，ξ=4.73，E，I，ρ d和A分别是杨氏弹性模量、转动惯量，单位长度的质量密度和横截面面积，η为粘弹性系数，W是纳米梁的宽度，g为驱动电极与纳米梁下表面的距离，l为纳米梁的长度，φ为纳米梁的模态函数，ε 0=8.854-10-12C2N-1m-2。
所述信号提取装置包括石墨烯薄膜传感器4、供电电源5和分压电阻6，三者组成一个闭合电路；其中石墨烯薄膜传感器4一端与供电电源5相连，另一端与分压电阻6串连；输入到控制装置的控制电压，式中，R为石墨烯薄膜传感器电阻阻值，r为分压电阻阻值，ρ为石墨烯薄膜传感器电阻率，A d为石墨烯薄膜传感器的横截面积，h为纳米梁厚度的一半，w为纳米梁的挠度值，x 1和x 2分别为石墨烯薄膜传感器4左端和右端的位置坐标，U为供电电源电压值，()ˊ表示，g f为控制电压控制参数。
所述控制装置包括滤直流电容7、电压放大器8和轴向平行板控制器9，其中石墨烯薄膜传感器4一端连接滤直流电容7，另一端连接轴向平行板控制器9左极板，滤直流电容7另一端连接电压放大器8的一端，电压放大器8另一端连接轴向平行板控制器9右极板；作用于轴向平行板控制器两极板的非线性振动控制电压放大增益为，式中，，，a和b分别为轴向平行板控制器9两极板的长度和宽度，d 0为轴向平行板控制器9两极板间的距离，ε为真空介电常数。
纳米梁长、宽和高分别为30μm、0.5μm和0.3μm，驱动电极与纳米梁距离为0.5μm，纳米梁密度为2330kg/m3，弹性模量为169GPa，驱动电压1.8V，控制电压为1.5V，纳米梁阻尼为4e-6N.s/m。石墨烯薄膜传感器长、宽和高分别为10μm、0.5μm和0.035μm，且其电阻率为1e-8Ω/m。平行板控制器长宽为10μm和10μm，极板间隙为0.1μm，真空介电常数为8.854e-12C2N-1m-2。当平板电极非线性振动控制电压放大增益为226时，非线性项为零，振动系统处于类线性振动，如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种谐振器纳米梁静电控制装置包括驱动装置、控制装置和信号提取装置三部分组成，所述驱动装置包括信号源（1）、驱动电极（2）和纳米梁（3），其中信号源（1）一端连接驱动电极（2），另一端连接纳米梁（3），且驱动电极（2）位于纳米梁（3）下方，并与纳米梁（3）平行，信号源（1）与驱动电极（2）和纳米梁（3）串联；信号源（1）产生交流电压信号为，式中，V为驱动电压，V 0为驱动电压幅值，ω为驱动信号频率，t为时间，纳米梁（3）产生的简谐振动为，式中y表示纳米梁（3）振动位移，y 0为纳米梁（3）振动幅值，，，，，，，，，，，ξ=4.73，E，I，ρ d和A分别是杨氏弹性模量、转动惯量，单位长度的质量密度和横截面面积，η为粘弹性系数，W是纳米梁（3）的宽度，g为驱动电极（2）与纳米梁（3）下表面的距离，l为纳米梁（3）的长度，φ为纳米梁（3）的模态函数，ε 0=8.854-10-12C2N-1m-2。
2.根据权利要求书1所述一种谐振器纳米梁静电控制装置，其特征在于：所述信号提取装置包括石墨烯薄膜传感器（4）、供电电源（5）和分压电阻（6），三者组成一个闭合电路；其中石墨烯薄膜传感器（4）一端与供电电源（5）相连，另一端与分压电阻（6）串连；输入到控制装置的控制电压，式中，R为石墨烯薄膜传感器（4）的电阻阻值，r为分压电阻（6）阻值，ρ为石墨烯薄膜传感器（4）电阻率，A d为石墨烯薄膜传感器（4）的横截面积，h为纳米梁（3）厚度的一半，w为纳米梁（3）的挠度值，x 1和x 2分别为石墨烯薄膜传感器（4）左端和右端的位置坐标，U为供电电源（5）电压值，()ˊ表示，g f为控制电压控制参数。
3.根据权利要求书1所述一种谐振器纳米梁静电控制装置，其特征在于：所述控制装置包括滤直流电容（7）、电压放大器（8）和轴向平行板控制器（9），其中石墨烯薄膜传感器（4）一端连接滤直流电容（7），另一端连接轴向平行板控制器（9）左极板，滤直流电容（7）另一端连接电压放大器（8）的一端，电压放大器（8）另一端连接轴向平行板控制器（9）右极板，作用于轴向平行板控制器（9）两极板的非线性振动控制电压放大增益为，式中，，，a和b分别为轴向平行板控制器（9）极板的长度和宽度，d 0为轴向平行板控制器（9）两极板间的距离，ε为真空介电常数。
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