CN114172482B - 一种参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法及装置，属于微机电器件非线性技术领域，分为两个部分，分别是改变pump信号的电压Vp来调控压电谐振器和微悬臂梁谐振器模态耦合强度实现非线性行为的转变现象、其次是改变pump信号的频率fp，获得不同间隔的横跨多模态的频率梳现象，相比于已有的研究，本发明只需要一个调制的正弦信号，就可以在一个系统里实现非线性行为的转变，方法简单，首次在微机械系统中获得了横跨多模态的声学频率梳，作为一种新型的实现横跨多模态频率梳的方法，对样品的要求低，不需要对谐振器结构进行特殊化，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法及装置，具体涉及一种利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法及装置，属于微机电器件非线性技术领域。
背景技术
MEMS是指微型传感器、微型机械结构和高性能电子集成器件等于一体的微型器件。MEMS涉及多学科交叉，包括材料、机械、电子、微电子、生物学、医学、信息等工程技术学科和力学、物理学、化学、光学等基础学科。由于其具有成本低，质量轻，功耗低，体积小，灵敏度高，响应速度快以及可批量生产等优点，使其在物理量探测、生化、环境检测等诸多领域具有广泛应用。
目前，机械谐振器已成为一种高度灵活的平台，可用于开发具有高精度的传感器、滤波器、换能器、振荡器等，并且与各种材料和IC电路具有良好的兼容性。它们还可以在宏观尺度上承载量子现象，并被迅速开发用于量子信息技术和量子-经典分水岭的研究。最近，由于具有低能耗特性，机电谐振器的非线性特性引起了极大的关注。例如：边带、注入锁定、内共振、参量共振、频率梳、混沌等。
在光学领域，频率梳指的是一种在频率上具有固定间隔成分的光源，它实现了对精密光谱学和超快光学的完美结合。光学频率梳在物理参量的超精密测量、光钟、相干通信、微波和光学任意波形产生、光谱学以及测距等领域都有非常重要的作用，由于光学频率梳巨大的应用前景，2005年诺贝尔物理学奖颁给了在光学频率梳领域做出巨大贡献的两位科学家J.Hall 和T.W.Hansch。光学频率梳产生的机制主要包括通过锁模激光器产生、光电调制产生、四波混频产生、光学微腔产生以及时域腔孤子产生等。鉴于光学频率梳获得的巨大成功，以及光学和声学存在极大的相似性，科研人员不由得将目光从光学频率梳转移到声学频率梳上来。目前已有的报道中，声学频率梳的获得主要来自于模态的非线性耦合，产生的原理可以分为简并四波混频和非简并四波混频。2004年南京大学的Cao等人最早预测了可以在机械系统中通过Fermi-Pasta-UIamα链获得频率梳，其实质是多个模态的三阶非线性耦合。随后在2016 年，英国剑桥大学Ganesan对AlN微谐振系统中的声学梳进行了理论研究和观测，这里声学频率梳被认为是由三种谐振模的参量共振引起的。在2020年，Kubena在石英晶体上也观察到了声学频率梳，这被解释为简并四波混频的结果。此外，在同一年，Singh在氮化硅(SiNx) 和石墨烯机械谐振器系统中，证明了两个谐振器在外部电极感应下进行耦合可以产生声学频率梳现象。然而，目前报道的声学频率梳仅仅位于单模附近，如中国专利文件(公开号 CN113098427)公开了一种基于MEMS谐振器耦合振子的声子频率梳生成方法，但该文件产生声学频率梳是利用内共振，且产生的声学频率梳梳子条数是有限的，频率梳仅分布在单模态附近，而横跨多模的声学频率梳尚未报道。由于横跨多模态的频率梳可以在测量距离，测量时间，选择性的筛选颗粒，分子指纹、生物呈像和控制遥感等方面更加精确，所以制备出横跨多模态的频率梳至关重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法及装置。
本发明的技术方案如下：
一种利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法，具体包括步骤如下：
(1)选择两个具有相近模态的微谐振器，所述模态相近为在参数激励下模态之间易于杂化；
(2)在两个微谐振器的相近频率处施加参数激励，其中激励pump信号的频率为fp，诱导两个微谐振器的频率接近的模态之间发生耦合，通过调控参数激励pump信号的电压Vp，改变耦合强度，实现了从无到边带到频率梳再到混沌的非线性行为转变；
(3)固定pump信号的电压Vp,改变pump信号的频率fp，实现了对声学频率梳间隔的调控；
(4)同时采用多普勒测振仪检测振动信号，探测谐振器的功率谱曲线。
根据本发明优选的，小尺寸谐振器为单端固定矩形板结构的悬臂梁即矩形悬臂梁谐振器，包括一个支撑基座和悬臂，悬臂的尺寸为：长450μm，宽50μm，厚2μm，微谐振器的材料为单晶硅；
大尺寸谐振器为圆形板结构的压电陶瓷板，其尺寸为：直径30mm，厚2mm，压电系数d33为350pmV-1,压电陶瓷板的材料是锆钛酸铅(PZT)。
进一步优选的，通过502胶水使得小尺寸的硅悬臂梁谐振器粘结在大尺寸的压电谐振器上。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，选择两个频率接近的谐振器,具体包括步骤如下：
首先采用锁相放大器和多普勒测振仪进行扫描悬臂梁的基本本征频率，然后把测试点转移到压电谐振器上，扫描压电谐振器的频谱响应曲线，发现在此样品尺寸下，压电谐振器和悬臂梁谐振器具有相近的共振频率。
进一步优选的，压电谐振器的模态fc接近悬臂梁的第二阶弯曲模态f2，在参数激励下模态间易于杂化；悬臂梁的第二阶弯曲模态的本征频率f2为93kHz。
根据本发明所优选的，所述步骤(2)中，在两个微谐振器的相近频率处进行参数激励，其中激励信号是频率为fp的pump信号，改变pump信号的电压Vp，通过固定信号发生器输出信号的频率fp，使得Vp连续不断的改变。
进一步优选的，步骤(2)中，通过固定信号发生器输出信号的频率fp，使得Vp连续不断的改变，是指：以每次增加1mVrms的增速，从1mVrms增加至5Vrms。
根据本发明所优选的，所述步骤(3)中，在两个微谐振器的相近频率处施加频率为fp的pump信号，改变pump信号的频率fp。包括具体步骤如下：
固定pump信号的电压Vp，以0.01kHz的幅度增加pump信号的频率fp。
根据本发明所优选的，所述步骤(4)中，探测微谐振器振动功率谱曲线的方法，包括具体步骤如下：
1)利用多普勒激光测振仪采集微谐振器的振动位移和速度信号，作为振动信号；
2)将振动信号通过30dB的衰减器输入到锁相放大器中；
3)改变信号发生器输出的正弦激励pump信号的电压Vp和频率fp，探测锁相放大器在不同Vp和fp下输出的功率谱曲线。
进一步优选的，步骤1)中，激光测振仪的探测光斑通过物镜进行聚焦，并利用三轴位移台调节微谐振器的位置，使激光测振仪的探测光斑聚焦到微谐振器的振幅最大位置处。
一种利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的装置，包括压电谐振器、矩形悬臂梁谐振器、激光测振仪、信号发生器、锁相放大器和计算机，其中激光测振仪包括激光测振仪探头、激光测振仪控制器；
所述锁相放大器、激光测振仪控制器、激光测振仪探头、矩形悬臂梁谐振器、压电谐振器依次循环连接；所述锁相放大器连接所述计算机，所述信号发生器连接所述压电谐振器；
所述压电谐振器用于激励矩形悬臂梁谐振器；所述信号发生器用于对系统施加pump信号；所述激光测振仪用于采集矩形悬臂梁谐振器的振动信号，并通过30dB衰减器传输到低噪声的锁相放大器，所述锁相放大器用于对接收的信号进行数学处理，将结果显示在计算机上。
通过改变pump信号的电压Vp，改变模态耦合的程度，实现了从无到边带到频率梳再到混沌的非线性行为转变；通过调整信号发生器输出信号即pump信号的频率fp，使得压电谐振器的模态fc和悬臂梁的第二阶弯曲模态f2发生耦合，从而获得不同间隔的横跨多模态的频率梳现象，同时用多普勒测振仪检测振动信号，锁相放大器输出微谐振器的功率谱曲线。
优选的，激光测振仪采用OFV-5000/534型的激光测振仪监测悬臂梁和压电谐振器的振动，位移分辨率为2pm，激光聚焦光斑直径为～10μm。
本发明利用参量激励来诱导谐振器失谐来获得大范围频率梳，本发明可获得几百根声学频率梳，频率梳分布范围广，横跨多个模态。由于分布范围广、梳齿条数多，因此在测量方面具有更大的精确度。
本发明的有益效果在于：
1、相比于已有的研究，本发明只需要一个调制的正弦信号，就可以在一个系统里实现非线性行为的转变，方法简单。
2、本方法采用压电激励，具有高效的输出，结构紧凑。没有热效应，不会对样品产生损害。
3、本发明首次在微机械系统中获得了横跨多模态的声学频率梳。
4、本发明仅通过改变pump信号的频率fp就获得了不同间隔的频率梳现象。
5、本发明作为一种新型的实现横跨多模态频率梳的方法，对样品的要求低，不需要对谐振器结构进行特殊化，适用范围广。
6、本发明具有良好的系统集成性，远程和非接触的调谐方式更容易和其他器件集成。
附图说明
图1是本发明利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳装置的连接示意图；
图2是单端固定硅微悬臂梁的光学照片；
图3为悬臂梁第二阶弯曲模态f2在不同驱动电压下的频率响应曲线示意图；
图4为压电谐振器在不同驱动电压下的频率响应曲线示意图；
图5是当信号发生器的输入信号频率为93kHz时，随着pump信号电压Vp变化的功率谱曲线示意图；
图6是频率梳产生的原理示意图；
图7是pump频率fp为93.24kHz的变化示意图；
图8是pump频率fp为93.024kHz的变化示意图；
1、锁相放大器，2、激光测振仪控制器，3、信号发生器，4、计算机，5、激光测振仪探头，6、矩形悬臂梁谐振器，7、压电谐振器。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法，分为两个部分，分别是改变pump信号的电压 Vp来调控压电谐振器和微悬臂梁谐振器模态耦合强度实现非线性行为的转变现象、其次是改变pump信号的频率fp，获得不同间隔的横跨多模态的频率梳现象。具体包括步骤如下：
(1)选择频率接近的两个具有相近模态的谐振器，在参数激励下模态之间易于杂化，采用502胶水把小尺寸的悬臂梁谐振器粘结到大尺寸的压电谐振器上。
(2)在两个微谐振器的相近频率处施加pump信号，固定pump信号的频率fp，逐渐增加pump信号的电压Vp，从而提高压电谐振器与悬臂梁二阶弯曲模态的耦合强度。
微谐振器间模态耦合，是由于在微谐振器的本征频率f2处施加pump信号fp，微谐振器模态处的非零振幅使得微谐振器的形状发生改变，当pump信号fp的电压Vp达到一定阈值时，微谐振器间的模态发生二阶非线性耦合产生边带。进一步增加pump信号的电压 Vp，由于新产生的边带强度比较大，将会进一步发生耦合，最终导致二阶级联获得横跨多模态的频率梳现象。但当pump信号fp的电压Vp超过一定值时，系统将进入混沌状态。
(3)固定pump信号的电压Vp，逐渐改变pump信号的频率fp，获得不同间隔的横跨多模态的声学频率梳现象；
(4)同时用多普勒测振仪检测振动信号，探测微谐振器的功率谱曲线。
若步骤(2)注入的pump信号的电压Vp达到产生频率梳的阈值电压时，这种情况下，若固定pump信号的电压Vp，改变pump信号的频率fp，将会获得不同间隔的横跨多个模态的声学频率梳现象。微谐振器振动信号的检测由多普勒测振仪完成，将多普勒测振仪的测试激光聚焦在需要测试的点上，即可以得到该点的振动信号。
实施例2
根据实施例1所述的利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法，其区别在于：
小尺寸谐振器为单端固定的矩形板结构的悬臂梁即矩形悬臂梁谐振器，包括一个支撑基座和悬臂，具体结构如图2所示。前端为悬臂，后边为支撑基座。悬臂的尺寸为：长450μm，宽50μm，厚2μm，微谐振器的材料为单晶硅。
大尺寸谐振器为圆形板结构的压电陶瓷板，尺寸为：直径30mm，厚2mm，压电系数d33为350pmV-1,压电陶瓷板的材料为PZT。
两个谐振器具有频率相近的模态，在大振幅激励下易于发生耦合。
步骤(1)中，选择频率接近的谐振器，具体包括步骤如下：
采用锁相放大器和多普勒测振仪进行测试，先将测试点放置在悬臂梁谐振器上，发现悬臂梁谐振器的频谱响应曲线在二阶弯曲模态处出现鼓包现象，如图3所示。然后在把测试点转移到压电谐振器上，测试压电谐振器的频谱响应曲线，如图4所示，发现压电谐振器的频谱响应曲线中具有和悬臂梁二阶弯曲模态频率接近的模态，表明我们选择的两个谐振器具有相近的频率。
实施例3
根据实施例2所述的一种利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法，其区别在于：
步骤(2)中，利用pump信号诱导谐振器间模态产生耦合，具体包括步骤如下：
如图6所示，利用信号发生器输出频率为fp的正弦信号即pump信号，fp为悬臂梁和压电谐振器的中间频率，逐渐增加pump信号的电压Vp，当Vp达到阈值Vp1时，两个谐振器的模态间发生二阶非线性耦合，产生边带。继续增加pump信号的电压Vp,耦合强度将会进一步增强，当Vp达到阈值Vp2时会出现频率梳现象，继续增加激励电压，当Vp达到阈值Vp3时系统进入出现混沌区。
fp接近悬臂梁的第二阶弯曲模态的本征频率f2，是指：|fp-f2|<340Hz。
阈值Vp1为75mVrms，阈值Vp2为110mVrms，阈值Vp3为5Vrms。
信号发生器输出的正弦信号的频率fp等于悬臂梁的第二阶弯曲模态的本征频率f2，为 93kHz。
通过改变信号发生器输出信号的电压，使得Vp连续不断的改变，是指：以每次间隔增加1mVrms的增速，从1mVrms增加至5Vrms。
图5为当信号发生器的输入信号频率为93kHz时，随着pump信号电压Vp变化的功率谱曲线示意图。
实施例4
根据实施例3所述的一种利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法，其区别在于：
步骤(3)中，利用pump信号诱导谐振器间模态耦合，具体包括步骤如下：
利用信号发生器输出频率为fp的正弦信号即pump信号，激励谐振器振动，并使得Vp达到阈值Vp2,通过调整信号发生器的频率fp.
固定pump信号的电压Vp，以0.01kHz的幅度增加pump信号的频率fp，从93kHz 增加至93.34kHz，使得fp连续不断的改变。如图7和图8，通过改变pump信号的频率fp，获得了不同间隔横跨多模态的声学频率梳。
实施例5
根据实施例4所述的一种利用参数激励实现尺寸相差较大的两个谐振器间的模态耦合，获得了非线性行为转变和不同间隔横跨多模态频率梳的方法，其区别在于：
步骤(4)中，探测微谐振器功率谱密度曲线的方法，包括具体步骤如下：
1)利用多普勒激光测振仪采集微谐振器的振动位移和速度信号，作为振动信号；激光测振仪是利用激光的多普勒效应对运动物体的位移和速度进行探测的仪器。
2)将振动信号通过30dB的衰减器输入到锁相放大器中；
3)改变信号发生器输出的正弦激励pump信号的频率fp和电压Vp，探测通过锁相放大器对应不同fp和Vp下输出的功率谱曲线。
步骤1)中，激光测振仪的探测光斑通过物镜进行聚焦，并利用三轴位移台调节微谐振器的位置，使激光测振仪的探测光斑聚焦到微谐振器的振幅最大位置处。因为此处更容易激励出谐振器的非线性。
实施例6
一种利用参数激励诱导两个谐振器耦合实现非线性行为转变并获得不同间隔横跨多模态频率梳现象的装置，如图1所示，包括信号发生器3、压电谐振器7、矩形悬臂梁谐振器6、激光测振仪、锁相放大器1和计算机4，激光测振仪包括激光测振仪探头5、激光测振仪控制器2；
锁相放大器1、激光测振仪控制器2、激光测振仪探头5、矩形悬臂梁谐振器6、压电谐振器7依次循环连接；锁相放大器1连接计算机4，压电谐振器7连接信号发生器3；
压电谐振器7用于激励矩形悬臂梁谐振器6；信号发生器3(33220A，安捷伦，美国)用于对谐振器系统施加pump信号；激光测振仪用于采集矩形悬臂梁谐振器6和压电谐振器7的振动信号，并通过30dB衰减器传输到低噪声的锁相放大器1，锁相放大器1用于对接收的信号进行数学处理，将结果显示在计算机4上；
激光测振仪采用OFV-5000/534型的激光测振仪(Polytec，德国)监测悬臂梁的振动，位移分辨率为2pm，激光聚焦光斑直径为～10μm。
Claims (9)
1.一种参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)选择两个具有相近模态的微谐振器，所述模态相近为在参数激励下模态之间易于杂化；
(2)在两个微谐振器的相近频率处施加参数激励，其中激励pump信号的频率为fp，诱导两个微谐振器的频率接近的模态之间发生耦合，通过调控参数激励pump信号的电压Vp，改变耦合强度；在两个微谐振器的相近频率处进行参数激励，其中激励信号是频率为fp的pump信号，改变pump信号的电压Vp，通过固定信号发生器输出信号的频率fp，使得Vp连续不断的改变；通过固定信号发生器输出信号的频率fp，使得Vp连续不断的改变，以每次增加1mVrms的增速，从1mVrms增加至5Vrms；
(3)固定pump信号的电压Vp,改变pump信号的频率fp；
(4)同时采用多普勒测振仪检测振动信号，探测谐振器的功率谱曲线。
2.根据权利要求1所述的参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法，其特征在于，步骤(1)中，两个谐振器尺寸不同，小尺寸谐振器为单端固定矩形板结构的悬臂梁即矩形悬臂梁谐振器，包括一个支撑基座和悬臂，悬臂的尺寸为：长450μm，宽50μm，厚2μm，微谐振器的材料为单晶硅；
大尺寸谐振器为圆形板结构的压电陶瓷板，其尺寸为：直径30mm，厚2mm，压电系数d33为350pmV-1,压电陶瓷板的材料是锆钛酸铅(PZT)。
3.根据权利要求2所述的参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法，其特征在于，步骤(1)中，通过502胶水使得小尺寸的硅悬臂梁谐振器粘结在大尺寸的压电谐振器上。
4.根据权利要求1所述的参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，选择两个频率接近的谐振器,具体包括步骤如下：
首先采用锁相放大器和多普勒测振仪进行扫描悬臂梁的基本本征频率，然后把测试点转移到压电谐振器上，扫描压电谐振器的频谱响应曲线，发现在此样品尺寸下，压电谐振器和悬臂梁谐振器具有相近的共振频率。
5.根据权利要求4所述的参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法，其特征在于，压电谐振器的模态fc接近悬臂梁的第二阶弯曲模态f2；悬臂梁的第二阶弯曲模态的本征频率f2为93kHz。
6.根据权利要求1所述的参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在两个微谐振器的相近频率处施加频率为fp的pump信号，改变pump信号的频率fp：
固定pump信号的电压Vp，以0.01kHz的幅度增加pump信号的频率fp。
7.根据权利要求1所述的参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，探测微谐振器振动功率谱曲线的方法，包括具体步骤如下：
1)激光测振仪的探测光斑通过物镜进行聚焦，并利用三轴位移台调节微谐振器的位置，使激光测振仪的探测光斑聚焦到微谐振器的振幅最大位置处；利用多普勒激光测振仪采集微谐振器的振动位移和速度信号，作为振动信号；
2)将振动信号通过30dB的衰减器输入到锁相放大器中；
3)改变信号发生器输出的正弦激励pump信号的电压Vp和频率fp，探测锁相放大器在不同Vp和fp下输出的功率谱曲线。
8.一种参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的装置，其特征在于，包括压电谐振器、矩形悬臂梁谐振器、激光测振仪、信号发生器、锁相放大器和计算机，其中激光测振仪包括激光测振仪探头、激光测振仪控制器；
所述锁相放大器、激光测振仪控制器、激光测振仪探头、矩形悬臂梁谐振器、压电谐振器依次循环连接；所述锁相放大器连接所述计算机，所述信号发生器连接所述压电谐振器；
所述压电谐振器用于激励矩形悬臂梁谐振器；所述信号发生器用于对系统施加pump信号；所述激光测振仪用于采集矩形悬臂梁谐振器的振动信号，并通过30dB衰减器传输到低噪声的锁相放大器，所述锁相放大器用于对接收的信号进行数学处理，将结果显示在计算机上。
9.根据权利要求8所述的参数激励诱导非线性行为转变并获得横跨多模态声学频率梳的装置，其特征在于，激光测振仪采用OFV-5000/534型的激光测振仪监测悬臂梁和压电谐振器的振动，位移分辨率为2pm，激光聚焦光斑直径为～10μm。
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