CN111960374B - 一种pt对称垂动微机电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PT对称垂动微机电系统，包括衬底、锚区、第一微机电结构、第二微机电结构、第一可调阻尼电路和第二可调阻尼电路；所述第一微机电结构、第二微机电结构共享衬底和锚区，且为镜像对称结构；所述第一微机电结构包括第一谐振梁、第一差分电容下电极、第一差分电容上电极、第一上电极锚区和第一耦合结构。所述第一可调阻尼电路作用于第一微机电结构的等效阻尼和第二可调阻尼电路作用于第二微机电结构的等效阻尼符号相反、大小相等本发明有利于进一步完善PT对称理论体系，能使微机电系统获得更高灵敏度的微扰响应性能，能为微机电系统的设计提供了一种新原理和新思路，可能发现微机电系统的新现象或新效应。

Description

一种PT对称垂动微机电系统
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是一种PT对称垂动微机电系统。
背景技术
在1998年，美国华盛顿大学的C. M. Bender教授提出了一种PT对称的哈密顿量，该哈密顿量不具有厄米性，但也同样有实解。这里的P和T分别代表了宇称（Parity）变换和时间（Time）变换。在Bender教授提出PT对称概念后，国际上众多学者和研究机构很快加入到了这种非厄米的PT对称的研究之中。到目前为止，PT对称非厄米量子体系的理论框架已基本形成。
除了在量子体系中的研究，PT对称理论也在不同类型的经典物理系统中得到了验证，同时PT对称系统的一些特殊的性质和现象也被逐步发现。研究最早、报道最多的PT对称系统是光学系统，然后逐步扩散到电学、声学等多种系统。利用PT对称理论构造的经典物理系统获得了一些特殊性质和有趣现象，例如，单向隐身、完美吸收、磁光非互易性等；特殊性能包括：超灵敏传感、单模激光等。但目前对于PT对称系统的研究主要还是集中在光学系统和电学系统，而基于微机电的PT对称系统还未见研究报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种PT对称垂动微机电系统，本发明能使微机电系统获得更高灵敏度的微扰响应性能。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种PT对称垂动微机电系统，包括衬底、锚区、第一微机电结构、第二微机电结构、第一可调阻尼电路和第二可调阻尼电路；所述第一微机电结构、第二微机电结构共享衬底和锚区，且为镜像对称结构；其中，
所述第一微机电结构包括第一谐振梁、第一差分电容下电极、第一差分电容上电极、第一上电极锚区和第一耦合结构；
所述第二微机电结构包括第二谐振梁、第二差分电容下电极、第二差分电容上电极、第二上电极锚区和第二耦合结构；
锚区设置在衬底上，第一谐振梁的末端与锚区相连，第一上电极锚区设置在衬底上且位于第一谐振梁的顶端的侧面，第一差分电容上电极与第一上电极锚区连接且位于第一谐振梁的上方，第一差分电容下电极设置在衬底上且位于第一谐振梁的顶端的正下方，第一差分电容下电极与第一差分电容上电极正对靠近放置，第一谐振梁的顶端部分位于第一差分电容下电极与第一差分电容上电极中间位置，第一耦合结构位于第一谐振梁的侧面位置，第一耦合结构和第二耦合结构正对靠近形成静电耦合结构；
所述第一差分电容下电极和第一差分电容上电极分别与第一可调阻尼电路相连；所述第二差分电容下电极和第二差分电容上电极分别与第二可调阻尼电路相连；
所述第一可调阻尼电路作用于第一微机电结构的等效阻尼和第二可调阻尼电路作用于第二微机电结构的等效阻尼符号相反、大小相等。
作为本发明所述的一种PT对称垂动微机电系统进一步优化方案，第一可调阻尼电路和第二可调阻尼电路的电路结构相同，第一可调阻尼电路包括依次顺序连接的机电转换电路、增益控制电路、相位控制电路和电机转换电路。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）有利于进一步完善PT对称理论体系；
（2）能使微机电系统获得更高灵敏度的微扰响应性能；
（3）能为微机电系统的设计提供了一种新原理和新思路；
（4）可能发现微机电系统的新现象或新效应。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2为本发明的可调阻尼电路原理图。
附图标记解释为：1-衬底，2-锚区，A-第一微机电结构、B-第二微机电结构，CA-第一可调阻尼电路，CB-第二可调阻尼电路，A1-第一谐振梁，A2-第一差分电容下电极，A3-第一差分电容上电极，A4-第一上电极锚区，A5-第一耦合结构，B1-第二谐振梁，B2-第二差分电容下电极，B3-第二差分电容上电极，B4-第二上电极锚区，B5-第二耦合结构，C1-输入端，C3-机电转换电路，C5-增益控制电路，C6-相位控制电路，C4-电机转换电路，C2-输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种PT对称垂动微机电系统，包括衬底1、锚区2、第一微机电结构A、第二微机电结构B、第一可调阻尼电路CA和第二可调阻尼电路CB；所述第一微机电结构（A）、第二微机电结构B共享衬底1和锚区2，且为镜像对称结构；其中，
所述第一微机电结构A包括第一谐振梁A1、第一差分电容下电极A2、第一差分电容上电极A3、第一上电极锚区A4和第一耦合结构A5；
所述第二微机电结构B包括第二谐振梁B1、第二差分电容下电极B2、第二差分电容上电极B3、第二上电极锚区B4和第二耦合结构B5；
锚区设置在衬底上，第一谐振梁A1的末端与锚区2相连，第一上电极锚区设置在衬底上且位于第一谐振梁A1的顶端的侧面，第一差分电容上电极A3与第一上电极锚区A4连接且位于第一谐振梁A1的上方，第一差分电容下电极A2设置在衬底上且位于第一谐振梁A1的顶端的正下方，第一差分电容下电极A2与第一差分电容上电极A3正对靠近放置，第一谐振梁A1的顶端部分位于第一差分电容下电极A2与第一差分电容上电极A3中间位置，第一耦合结构A5位于第一谐振梁A1的侧面位置，第一耦合结构A5和第二耦合结构B5正对靠近形成静电耦合结构；
第二差分电容下电极B2与第二差分电容上电极B3正对靠近放置。第二上电极锚区B4与第二差分电容上电极B3连接。第二谐振梁B1的末端与锚区2相连。第二谐振梁B1的顶端部分位于第二差分电容下电极B2与第二差分电容上电极B3中间位置。第二耦合结构B5位于第二谐振梁B1的侧面位置。
所述第一差分电容下电极A2和第一差分电容上电极A3分别与第一可调阻尼电路CA相连；所述第二差分电容下电极B2和第二差分电容上电极B3分别与第二可调阻尼电路CB相连；
所述第一可调阻尼电路CA作用于第一微机电结构A的等效阻尼和第二可调阻尼电路CB作用于第二微机电结构B的等效阻尼符号相反、大小相等。
图2为本发明的可调阻尼电路原理图，第一可调阻尼电路和第二可调阻尼电路的电路结构相同，第一可调阻尼电路包括依次顺序连接的机电转换电路、增益控制电路、相位控制电路和电机转换电路。
第一可调阻尼电路CA和第二可调阻尼电路CB电路结构相同：信号从输入端C1进入，分别经过机电转换电路C3、增益控制电路C5、相位控制电路C6和电机转换电路C4从输出端C2出来。
本发明的一种PT对称垂动微机电系统的工作原理为：
PT对称原理：第一谐振梁A1或、第二谐振梁B1均称为谐振梁，第一微机电结构A和第二微机电结构B呈镜像对称，它们具有完全相同的质量和弹性系数，同时可调阻尼电路CA作用于第一微机电结构A的等效阻尼和第二可调阻尼电路CB作用于微机电结构B的等效阻尼符号相反、大小相等。
可调阻尼电路原理：通过机电转换电路C3将谐振梁的机械能转换成电能，然后对该电信号进行增益控制C5、相位控制C6，最后通过电机转换电路C4转换成机械能反馈到谐振梁。阻尼的正/负通过相位控制器来调整，当反馈信号与谐振梁振动信号同相时，系统体现负阻尼；当反馈信号与谐振梁振动信号反相时，系统体现正阻尼。阻尼的大小通过增益控制器和相位控制器共同调整。
本发明的一种PT对称垂动微机电系统的工作过程为：
将PT对称微机电系统置于真空环境，两个谐振梁之间采用电压进行偏置，通过调节电压可以对谐振梁之间的耦合强度进行调节。两个谐振梁都各自外接阻尼调节电路，通过调节使两个谐振梁的阻尼满足大小相等正负相反的要求。同时，将可调正/负阻尼电路中包含的谐振梁振动信号经过缓冲器后连接到信号分析仪进行分析。
系统处于PT对称时，可以通过调节耦合电压寻找系统的奇点。对系统奇点加载微扰信号可以采用以下3种方式：利用微扰电压对谐振梁加载刚度微扰；采用颗粒吸附对谐振梁加载质量微扰；调节测试环境气压对系统加载阻尼微扰。因此，本发明的直接潜在应用包括电荷敏感、质量敏感或气压敏感。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种PT对称垂动微机电系统，其特征在于，包括衬底、锚区、第一微机电结构、第二微机电结构、第一可调阻尼电路和第二可调阻尼电路；所述第一微机电结构、第二微机电结构共享衬底和锚区，且为镜像对称结构；其中，
所述第一微机电结构包括第一谐振梁、第一差分电容下电极、第一差分电容上电极、第一上电极锚区和第一耦合结构；
所述第二微机电结构包括第二谐振梁、第二差分电容下电极、第二差分电容上电极、第二上电极锚区和第二耦合结构；
锚区设置在衬底上，第一谐振梁的末端与锚区相连，第一上电极锚区设置在衬底上且位于第一谐振梁的顶端的侧面，第一差分电容上电极与第一上电极锚区连接且位于第一谐振梁的上方，第一差分电容下电极设置在衬底上且位于第一谐振梁的顶端的正下方，第一差分电容下电极与第一差分电容上电极正对靠近放置，第一谐振梁的顶端部分位于第一差分电容下电极与第一差分电容上电极中间位置，第一耦合结构位于第一谐振梁的侧面位置，第一耦合结构和第二耦合结构正对靠近形成静电耦合结构；
所述第一差分电容下电极和第一差分电容上电极分别与第一可调阻尼电路相连；所述第二差分电容下电极和第二差分电容上电极分别与第二可调阻尼电路相连；
所述第一可调阻尼电路作用于第一微机电结构的等效阻尼和第二可调阻尼电路作用于第二微机电结构的等效阻尼符号相反、大小相等。
2.根据权利要求1所述的一种PT对称垂动微机电系统，其特征在于，第一可调阻尼电路和第二可调阻尼电路的电路结构相同，第一可调阻尼电路包括依次顺序连接的机电转换电路、增益控制电路、相位控制电路和电机转换电路。
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