CN105515547A - 谐振器纳米梁平行板静电控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置及其控制方法，该系统包括驱动装置、信号提取装置和控制装置三部分。该控制方法包括以下步骤：1)确定纳米梁类线性稳定振动的驱动间隙条件；2)确定电压放大器的非线性反馈控制电压增益<i>g</i>_f。本发明利用石墨烯薄膜的电阻随着其变形而变化的特性，作为位移传感器件应用于纳米梁与驱动电极的振动控制，解决了现有NEMS器件因静电驱动出现的有害非线性影响而失效的问题。

Description

谐振器纳米梁平行板静电控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置及其控制方法，属于电子器件技术领域。

背景技术

纳米梁振动非线性效应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学特性，具体表现为非线性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特性，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。

发明内容

本发明的目的在于消除现有技术中谐振器纳米梁静电驱动出现的有害非线性影响，发明一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置及其控制方法，利用平行板控制器产生的静电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。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置，包括驱动装置、信号提取装置和控制装置，其特征在于：所述驱动装置包括驱动电极、信号源和纳米梁，且三者组成静电驱动电路，其中驱动电极与纳米梁宽度相等，驱动电极位于纳米梁下方，且与纳米梁平行，信号源一端连接驱动电极，另一端连接纳米梁；所述信号提取装置包括石墨烯薄膜传感器、控制电源和分压电阻，且三者组成信号提取电路，其中所述石墨烯薄膜传感器一端与控制电源正极相连，另一端与分压电阻相连，所述分压电阻另一端与控制电源负极相连；所述控制装置包括滤直流电容、电压放大器和平行板控制器，且三者与所述石墨烯薄膜传感器和所述纳米梁共同组成控制电路，其中所述滤直流电容一端与平行板控制器相连，另一端与电压放大器一端相连，所述电压放大器另一端与所述纳米梁相连。

本发明同时提出一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置的控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤一，确定纳米梁类线性稳定振动的驱动间隙条件：

；

式中，g为驱动电极与纳米梁下表面的距离，W是纳米梁的宽度；

步骤二，确定电压放大器的非线性反馈控制电压增益g_f：

；

式中，V₀和U分别表示驱动电压及控制电源所产生的控制电压；；l和h分别为纳米梁的长度和厚度，r为石墨烯薄膜传感器电阻，R为分压电阻，ρ_d为石墨烯薄膜传感器电导率；，式中，h_d为石墨烯薄膜传感器厚度；，，，，x为纳米梁在水平方向上的位置坐标。

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.本发明利用平行板控制器进行纳微结构控制，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为谐振器纳米梁平行板静电控制装置结构示意图。

图2为谐振器纳米梁幅频曲线图。

图3为反馈控制电压增益在不同激励电压下与纳米梁驱动电极间距之间的关系图。

图中：信号源1，滤直流电容2，控制电源3，电压放大器4，分压电阻5，平行板控制器6，石墨烯薄膜传感器7，纳米梁8，驱动电极9。

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：

本实施例谐振器纳米梁平行板静电控制装置如图1所示，包括驱动装置、信号提取装置和控制装置，其特征在于：所述驱动装置包括信号源1、驱动电极9和纳米梁8，且三者组成静电驱动电路，其中驱动电极9与纳米梁8宽度相等，驱动电极9位于纳米梁8下方，且与纳米梁8平行，信号源1一端连接驱动电极9，另一端连接纳米梁8；所述信号提取装置包括石墨烯薄膜传感器7、控制电源3和分压电阻5，且三者组成信号提取电路，其中所述石墨烯薄膜传感器7一端与控制电源3正极相连，另一端与分压电阻5相连，所述分压电阻5另一端与控制电源3负极相连；所述控制装置包括滤直流电容2、电压放大器4和平行板控制器6，且三者与所述石墨烯薄膜传感器7和所述纳米梁8共同组成控制电路，其中所述滤直流电容2一端与平行板控制器6相连，另一端与电压放大器4一端相连，所述电压放大器4另一端与所述纳米梁8相连。

本实施例纳米梁8为一个欧拉-伯努利细长梁，谐振器纳米梁平行板静电控制装置各部件参数如下：纳米梁宽度W=300nm，驱动电压V₀=1.8V，控制电源所产生的控制电压U=1.5V，纳米梁的长度l=30um，纳米梁的厚度h=400nm，分压电阻r=R/20=28Ω，石墨烯薄膜传感器电导率ρ_d=1×10^-8s/m，石墨烯薄膜传感器厚度h_d=0.35nm。

本实施例一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置的控制方法，其具体步骤如下：

步骤一，确定纳米梁类线性稳定振动的条件：

g>923nm；

步骤二，取驱动电极与纳米梁下表面的距离g=1500nm，确定电压放大器的非线性反馈控制电压增益g_f：

g_f=150。

将本发明实施例得到的非线性反馈控制电压增益g_f对纳米梁非线性振动进行控制，得到不同非线性反馈控制电压增益下调谐参数与主共振幅值之间的关系，如图2所示，当调谐参数σ取值范围在零附近时，系统主共振出现峰值，并且当非线性反馈控制电压增益g_f取不同值时，系统表现出不同的振动特性。当非线性反馈控制电压增益g_f分别为0和300时，系统呈现非线性特性，但二者主共振幅值所对应的调谐参数取值不同。当非线性反馈控制电压增益g_f取150时，系统表现出类线性特性，且主共振峰值所对应的频率不同于其他两种峰值频率，这表明g_f存在一个确定值，使得系统主共振呈现出线性特性。从图2还可以看出，选取适当的非线性反馈控制电压增益g_f值可消除系统主共振出现的非线性，但主共振峰值变化不大。

不同激励电压下本发明实施例得到的非线性反馈控制电压增益g_f与纳米梁与驱动电极间距之间的关系如图3所示，在三种不同激励电压下，随着纳米梁驱动间隙g的增大非线性反馈控制电压增益g_f逐渐减小，当纳米梁驱动间隙g取固定值时，驱动电压V₀越大，非线性反馈控制电压增益g_f越大，这种现象说明纳米梁与驱动电极间的间距对纳米梁振动的控制效果具有重要影响，选择合适的间距能够得到良好的振动控制效果。

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。凡在本发明的原理和技术思想范围之内，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 (2)

1.一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置，包括驱动装置、信号提取装置和控制装置，其特征在于：所述驱动装置包括信号源（1）、驱动电极（9）和纳米梁（8），且三者组成静电驱动电路，其中驱动电极（9）与纳米梁（8）宽度相等，驱动电极（9）位于纳米梁（8）下方，且与纳米梁（8）平行，信号源（1）一端连接驱动电极（9），另一端连接纳米梁（8）；所述信号提取装置包括石墨烯薄膜传感器（7）、控制电源（3）和分压电阻（5），且三者组成信号提取电路，其中所述石墨烯薄膜传感器（7）一端与控制电源（3）正极相连，另一端与分压电阻（5）相连，所述分压电阻（5）另一端与控制电源（3）负极相连；所述控制装置包括滤直流电容（2）、电压放大器（4）和平行板控制器（6），且三者与所述石墨烯薄膜传感器（7）和所述纳米梁（8）共同组成控制电路，其中所述滤直流电容（2）一端与平行板控制器（6）相连，另一端与电压放大器（4）一端相连，所述电压放大器（4）另一端与所述纳米梁（8）相连。

2.一种谐振器纳米梁平行板静电控制装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，确定纳米梁类线性稳定振动的驱动间隙条件：

；

式中，g为驱动电极与纳米梁下表面的距离，W是纳米梁的宽度；

步骤二，确定电压放大器的非线性反馈控制电压增益g_f：

；

式中，V₀和U分别表示驱动电压及控制电源所产生的控制电压；；l和h分别为纳米梁的长度和厚度，r为石墨烯薄膜传感器电阻，R为分压电阻，ρ_d为石墨烯薄膜传感器电导率；，式中，h_d为石墨烯薄膜传感器厚度；，，，，x为纳米梁在水平方向上的位置坐标。