CN117856759A - 实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法和装置 - Google Patents
实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法和装置，属于微机电系统调控技术领域，包括：S1：首先在探测电压下测得悬臂梁微谐振器前两阶弯曲模态的频率响应，确定本征频率；S2：在一阶弯曲模态处泵浦，实现二阶弯曲模态本征频率的调谐；S3：在一阶弯曲模态和红边带模态处同时泵浦，一阶弯曲模态和红边带模态发生非线性模态耦合，实现二阶弯曲模态的频谱展宽。本发明只需用信号发生器输出泵浦信号对微谐振器进行调制，就可以实现微谐振器共振频率的调谐和频谱展宽，原理性强，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法和装置，属于微机电系统调控技术领域。
背景技术
微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。因其高精度、重量轻、尺寸小、高效能、系统级集成、封装集成和可大批量并行制造等优势被广泛应用于高新技术产业，事关经济民生和国防安全。
微谐振器是MEMS的重要组成部分。为满足不同条件下的工作需求和性能需求，微谐振器被设计成各种各样的结构，例如单端固定的悬臂梁、双端固定的梁、圆盘和梳齿状谐振器等。调谐共振频率以及实现宽频检测对于射频滤波器、基于频移的信号处理和传感器的制造、能量采集等非常重要。调谐共振频率以及实现频谱展宽主要是通过改变谐振器的力学性质来实现的。调谐微谐振器的共振频率的方式主要有以下几种：
1、栅极电压
加栅极电压属于电容调谐，在栅极上加直流电压可用于调节纳米管中的张力，从而调整谐振器的振荡频率。Vera Sazonova等人利用加栅极电压的方式实现了对双端固定的碳纳米管频率的调谐。电容调谐的缺点是频率调谐范围受限于可变电容的变化范围，且通常需要较高的电压来调谐。
2、应变
应变调谐属于机械调谐，它对频率的调谐是通过改变微谐振器的结构实现的。Zhiyuan Ning等人报道了碳纳米管的谐振频率不仅可以通过栅极电压横向调谐，还可以通过直接拉动碳纳米管所施加的轴向应变调谐。应变调谐的缺点是结构复杂，易受机械疲劳影响。
3、热调谐
热调谐是指通过温度来影响材料的物理性质，进而调节共振频率。Fan Ye等人利用石墨烯负的热膨胀系数及其对极高温度的优异耐受特性，通过焦耳加热装置实现了对石墨烯谐振器的频率调谐。专利文献CN108981898A公开了一种利用光热效应实现微悬臂梁共振频率调谐的方法、实现系统及应用，展示了通过光热效应实现对悬臂梁微谐振器的频率调谐。但热调谐的缺点是能耗较高，响应速度较慢，温度变化可能影响器件性能等。
对于微谐振器来说，共振频率的调谐以及能够实现宽频的检测和能量采集都十分重要。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法和装置，只需用信号发生器输出泵浦信号对微谐振器进行调制，就可以实现微谐振器共振频率的调谐和频谱展宽，原理性强，操作简便。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，分为两个部分，分别是在微谐振器的一阶弯曲模态处激励实现二阶弯曲模态本征频率的调谐以及在一阶弯曲模态和红边带模态处和频激励实现二阶弯曲模态的频谱展宽，包括如下步骤：
S1：首先在探测电压下测得悬臂梁微谐振器前两阶弯曲模态的频率响应，确定本征频率；
S2：在一阶弯曲模态处泵浦，实现二阶弯曲模态本征频率的调谐；
S3：在一阶弯曲模态和红边带模态处同时泵浦，一阶弯曲模态和红边带模态发生非线性模态耦合，实现二阶弯曲模态的频谱展宽。
优选的，步骤S1确定本征频率的过程为：
S11：激光多普勒测振仪的探头发出激光，激光对准悬臂梁微谐振器的悬臂梁尖端，利用激光多普勒测振仪对悬臂梁微谐振器进行频率扫描和振动信号的采集；
S12：锁相放大器向悬臂梁微谐振器输入探测电压信号激励振动，探测电压大小为100mV，悬臂梁微谐振器的微悬臂梁位移和速度信号经过多普勒测振仪的控制器转化为电压信号，再经锁相放大器进行降噪处理，微悬臂梁的频率响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上，通过观察计算机上的频率响应曲线，曲线上出现的前两个峰的频率即为微悬臂梁的前两阶弯曲模态的频率：一阶弯曲模态本征频率f 1和二阶弯曲模态本征频率f 2。
优选的，步骤S2的实现过程为：
S21：采用信号发生器输出频率为f p1的正弦泵浦信号，大小与一阶弯曲模态的频率f 1相同，为18.4149 kHz，并逐步增大泵浦电压V p1，V p1的大小从0V逐步增大到7V，此泵浦信号通过压电片施加在微悬臂梁上；
S22：采用锁相放大器输出一个微弱的探测信号，其大小为V probe=10mV，然后选择锁相放大器自带的频率响应分析模块的频率扫描（该频率扫描范围为113kHz-114.5kHz），频率响应分析模块在锁相放大器中为frequency response analyzer模块，为一种现有模块，微悬臂梁的二阶模态频谱响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上；
S23：微悬臂梁二阶模态的本征频率从f 2变化到f 2’，最大频移，可达42.9 Hz，实现了对二阶弯曲模态的本征频率的调谐。
优选的，步骤S21中，V p1的大小从0V逐步增大到7V的过程为：0、0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V。
优选的，步骤S3的实现过程为：
S31：采用两个信号发生器，一个信号发生器输出频率为f p1的正弦泵浦信号，大小与一阶弯曲模态的频率f 1相同，并逐步增大泵浦电压V p1，V p1的大小从0.5V逐步增大到7V；
另一个信号发生器输出频率为f pr的正弦泵浦信号，大小与红边带模态的频率f r相同，红边带模态即一阶弯曲模态和二阶弯曲模态的差频模态，其大小为二阶弯曲模态本征频率f 2减一阶模态本征频率f 1，泵浦电压V pr恒为1V；两个泵浦信号通过压电片同时施加在微悬臂梁上；
S32：然后选择锁相放大器自带的频率响应分析模块的频率扫描（该频率扫描范围为113kHz-114.5kHz），此过程不加探测信号，微悬臂梁的二阶模态频谱响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上；
S33：微悬臂梁二阶模态呈现为宽频状态，线宽增大至原来的数倍，实现了对二阶弯曲模态的线宽的调谐。
优选的，S31中，V p1的大小从0.5V逐步增大到7V的过程为：0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V。
优选的，S12中，一阶弯曲模态本征频率f 1为18.4149kHz，二阶弯曲模态本征频率f 2为113.8027kHz；
S23中，f 2’为113.7598kHz，最大频移为42.9Hz。
优选的，S33中，线宽从原来的8.11 Hz增加到225.62 Hz，线宽增大至原来的27.8倍，实现了对二阶弯曲模态的线宽的调谐。
另一方面，本发明提供一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的装置，包括激光多普勒测振仪、悬臂梁微谐振器、压电片、真空腔、锁相放大器、信号发生器和计算机，多普勒测振仪包括探头和控制器，探头用于发出激光对准悬臂梁微谐振器的悬臂梁尖端，控制器用于将探头检测到的位移和速度信号转化为电压信号；
所述激光多普勒测振仪、锁相放大器、压电片和悬臂梁微谐振器依次连接；所述锁相放大器连接计算机，信号发生器连接压电片，悬臂梁微谐振器和压电片置于真空腔内；
所述信号发生器的数量为两个，两个信号发生器连接至压电片的同一位置；
所述真空腔底部设置有位移台，位移台上有调节上下左右的螺丝，可以手动调节螺丝，用于调节真空腔的位置从而调节悬臂梁微谐振器的位置；真空腔的真空度为10- 2mbar。
信号发生器（33220A，安捷伦，美国）用于对谐振器施加外部激励泵浦信号；
激光多普勒振动仪为非接触式光学传感器，用于检测微悬臂梁的位移和速度变化，型号为OFV-5000/534，聚焦光斑为10 μm；
锁相放大器为Signal recovery公司生产的7265型数字锁相放大器，频率范围为0.001Hz-250kHz，电压灵敏度为2nV-1V，用于输出探测信号，以及对微悬臂梁的振动信号进行采集和降噪处理，并将结果显示在计算机上。
优选的，悬臂梁微谐振器为单端固定的矩形悬臂梁，包括支撑基座和悬臂，材料为单晶硅；悬臂为自由端，支撑基座采用胶水固定在压电片上；悬臂的尺寸为：长450μm，宽50μm，厚2μm；
压电片为圆形陶瓷片，材料为锆钛酸铅（PZT），其压电系数d33为350 pmV-1，压电片的尺寸为：直径30mm，厚2mm。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
1、本发明只需用信号发生器输出泵浦信号对微谐振器进行调制，就可以实现微谐振器共振频率的调谐以及宽频能量采集，原理性强，操作简便。
2、本发明装置简单，所用谐振器体积小、灵敏度高，易于集成。
3、本发明首次在微悬臂梁单一系统中实现了微谐振器共振频率的调谐和频谱展宽，对于研究谐振器的非线性动力学行为以及拓展实际应用具有重要意义。
4、本发明采用非接触的调控方式精准有效，不会损伤微谐振器，且没有杂散共振。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的装置示意图；
图2为单端固定硅微悬臂梁的光学照片；
图3为微悬臂梁一阶弯曲模态的振型图；
图4为微悬臂梁二阶弯曲模态的振型图；
图5为微悬臂梁一阶弯曲模态在探测电压下的频率响应示意图；
图6为微悬臂梁二阶弯曲模态在探测电压下的频率响应示意图；
图7为实现微悬臂梁共振频率调谐的原理示意图；
图8为实现微悬臂梁频谱展宽的原理示意图；
图9为在一阶模态泵浦时二阶弯曲模态本征频率的变化，其中的曲线从下至上依次代表一阶模态泵浦电压为0、0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V；
图10为在一阶模态和红边带模态处和频激励时二阶弯曲模态的响应，从下面第二条曲线至上依次代表一阶模态泵浦电压为0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V，红边带泵浦电压大小恒为1V；最底部曲线为未施加和频激励时二阶弯曲模态的响应；
图中，1-悬臂梁微谐振器，2-压电片，3-真空腔，4-锁相放大器，5-探头，6-控制器，7-信号发生器，8-激光。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1
一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，包括如下步骤：
S1：首先在探测电压下测得悬臂梁微谐振器前两阶弯曲模态的频率响应，确定本征频率；
S2：在一阶弯曲模态处泵浦，实现二阶弯曲模态本征频率的调谐；
S3：在一阶弯曲模态和红边带模态处同时泵浦，一阶弯曲模态和红边带模态发生非线性模态耦合，实现二阶弯曲模态的频谱展宽。
实施例2
一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤S1确定本征频率的过程为：
S11：激光多普勒测振仪的探头发出激光，激光对准悬臂梁微谐振器的悬臂梁尖端，聚焦效果可通过光学CCD观察，光学CCD是一个图像采集器，可以很清晰地看到梁和激光聚焦的点，可以通过它观察激光的聚焦效果。利用激光多普勒测振仪对悬臂梁微谐振器进行频率扫描和振动信号的采集；
S12：锁相放大器向悬臂梁微谐振器输入探测电压信号激励振动，探测电压大小为100mV（即V probe=10mV，该电压由锁相放大器发出，可以由与之相连的计算机显示并控制，可以在计算机上直接输入需要的数值），悬臂梁微谐振器的微悬臂梁位移和速度信号经过多普勒测振仪的控制器转化为电压信号，再经锁相放大器进行降噪处理，微悬臂梁的频率响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上，如图5所示为微悬臂梁一阶弯曲模态在探测电压下的频率响应示意图，图6为微悬臂梁二阶弯曲模态在探测电压下的频率响应示意图，通过观察计算机上的频率响应曲线，曲线上出现的前两个峰的频率即为微悬臂梁的前两阶弯曲模态的频率：一阶弯曲模态本征频率f 1和二阶弯曲模态本征频率f 2，一阶弯曲模态本征频率f 1为18.4149kHz，二阶弯曲模态本征频率f 2为113.8027kHz。一阶弯曲模态的振型如图3所示，二阶弯曲模态的振型如图4所示。
品质因子的计算公式为Q=f 0/FWHM，其中，f 0为中心频率，FWHM为半峰宽（线宽），可通过画图软件origin自带的洛伦兹拟合方式得到中心频率和半峰宽。微悬臂梁一阶、二阶弯曲模态的线宽分别4.94Hz，8.11Hz；品质因子分别为Q 1=3727.71，Q 2=14032.39。
步骤S11中多普勒测振仪通过激光的多普勒效应对运动物体的位移和速度进行探测。多普勒测振仪是非接触式光学传感器，可以通过激光的多普勒效应对运动物体的位移和速度进行探测。当从测振仪激光探头发出的激光照射到运动物体上时，从运动物体反射或散射回的激光将发生明显的频移。通过测量反射光的频移量以及相对于入射光的相位，就可以计算出运动物体的位移量和速度值。由多普勒测振仪探头发出的633nm的激光通过显微物镜聚焦到微悬臂梁表面，探测到的振动信号经过多普勒测振仪控制器转化为电压信号。
步骤S12中锁相放大器对输入信号进行傅利叶变换，从而消除被检测信号中特定频率成份之外的噪声信号，提高信噪比，并将信号显示在计算机上。
实施例3
一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，如实施例2所述，所不同的是，步骤S2的实现过程为：
S21：采用信号发生器输出频率为f p1的正弦泵浦信号，大小与一阶弯曲模态的频率f 1相同，为18.4149 kHz，并逐步增大泵浦电压V p1，V p1的大小从0V逐步增大到7V，依次为0、0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V，此泵浦信号通过压电片施加在微悬臂梁上；
S22：采用锁相放大器输出一个微弱的探测信号，即在与锁相放大器连接的计算机上输入探测信号，其大小为V probe=10mV，然后选择锁相放大器自带的频率响应分析模块的频率扫描（该频率扫描范围为113kHz-114.5kHz），频率响应分析模块在锁相放大器中为frequency response analyzer模块，为一种现有模块，微悬臂梁的二阶模态频谱响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上；图9展示了在一阶模态泵浦时二阶弯曲模态本征频率的变化。
S23：微悬臂梁二阶模态的本征频率从f 2，变化到f 2’113.7598 kHz，f 2为113.8027kHz，f 2’为113.7598 kHz，最大频移，可达42.9 Hz，实现了对二阶弯曲模态的本征频率的调谐。
如图7所示，f 1和f 2分别指一阶模态和二阶模态的本征频率，指二阶模态频率的偏移量，即最大频移。
本发明的S23中实现了对二阶弯曲模态的本征频率的调谐。这是由于在一阶模态造成了梁的大变形，造成了梁的等效抗弯刚度的减小，从而造成了二阶模态本征频率的减小。
梁的弯矩与每一点的曲率/>的关系表示为
；
其中，表示悬臂梁材料的杨氏模量；/>表示悬臂梁截面的二次矩，其大小为宽×高的三次方再除以12，即I=bh3/12；/>表示梁变形后（作弯曲振动后）截面法线相对于x轴偏转的角度；x表示x轴，为梁未变形时梁的中轴线；y表示梁的横向位移即梁的变形大小，即挠度，y方向与x方向垂直；
在小变形的条件下，足够小可以忽略不计，此时可在线性区域内分析问题。但在大变形的条件下，/>不可忽略。因为/>恒为正数，所以在大变形条件下，梁的等效刚度/>是减小的，而梁的本征频率正比于/>，所以微悬臂梁二阶弯曲模态本征频率的随之减小。但在此过程中，一阶弯曲模态的本征频率并无明显变化，这是因为微悬臂梁谐振器不同模态进入非线性区域的临界值与/>成反比，而一阶弯曲模态的品质因子Q 1远远小于二阶弯曲模态的品质因子Q 2，因此不容易进行非线性区域，频率不易发生改变。
实施例4
一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，如实施例3所述，所不同的是，步骤S3的实现过程为：
S31：采用两个信号发生器，一个信号发生器输出频率为f p1的正弦泵浦信号，大小与一阶弯曲模态的频率f 1相同，大小为18.4149kHz，并逐步增大泵浦电压V p1，V p1的大小从0.5V逐步增大到7V，依次为0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V；
另一个信号发生器输出频率为f pr的正弦泵浦信号，大小与红边带模态的频率f r相同，红边带模态即一阶弯曲模态和二阶弯曲模态的差频模态，其大小为二阶弯曲模态本征频率f 2减一阶模态本征频率f 1，泵浦电压V pr恒为1V；两个泵浦信号通过压电片同时施加在微悬臂梁上；
红边带模态指一阶弯曲模态和二阶弯曲模态的差频模态。为打通能量转移通道，需要满足，/>为约化普朗克常数，/>表示一阶模态的角频率，/>表示在红边带模态处施加的泵浦信号的角频率，/>表示角频率，f表示频率，角频率与频率的关系为/>，因此红边带泵浦f pr的大小需要随二阶弯曲模态的频率f 2的变化而变化。具体操作为V p1的大小从0.5V逐步增大到7V的过程中，施加的红边带泵浦的频率f pr随之从95.3876 kHz变化到95.3449 kHz。在一阶模态处和红边带模态处同时泵浦又称为和频激励。
S32：然后选择锁相放大器自带的频率响应分析模块的频率扫描（该频率扫描范围为113kHz-114.5kHz），此过程不加探测信号，微悬臂梁的二阶模态频谱响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上；
步骤S32中不加探测信号是指不输入任何大小的探测电压，只进行扫频，按步骤S31的顺序观察二阶弯曲模态处的频率响应，测量结果显示在与锁相放大器相连接的计算机上。图10从上到下的前八条曲线展示了二阶弯曲模态在变化的泵浦电压V p1下的频率响应，最底部的曲线为二阶弯曲模态在不受和频激励、探测电压为10 mV时的频率响应，以便与前八条曲线的线宽形成对比。
S33：微悬臂梁二阶模态呈现为宽频状态，线宽从原来的8.11 Hz增加到225.62Hz，线宽增大至原来的27.8倍，实现了对二阶弯曲模态的线宽的调谐。
对图10中的九条曲线进行线性拟合和线宽拟合。施加和频激励前，微悬臂梁二阶弯曲模态频率响应曲线（最底部曲线）为洛伦兹线型，线宽为8.11Hz。施加和频激励后，微悬臂梁二阶弯曲模态频率响应曲线（从上到下的前八条曲线）为高斯线型，线宽为225.62Hz左右。由于和频激励诱导一阶弯曲模态和红边带模态发生耦合，二阶弯曲模态的线宽增大至原来的27.8倍，为实现宽频能量采集提供了基础。
如图8所示，f 1、f r和f 2分别指一阶模态、红边带模态和二阶模态的本征频率，指二阶模态频率的偏移量。
实施例5
一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的装置，如图1所示，包括激光多普勒测振仪、悬臂梁微谐振器1、压电片2、真空腔3、锁相放大器4、信号发生器7和计算机，多普勒测振仪包括探头5和控制器6，探头5用于发出激光8对准悬臂梁微谐振器的悬臂梁尖端，控制器用于将探头5检测到的位移和速度信号转化为电压信号；
激光多普勒测振仪、锁相放大器4、压电片2和悬臂梁微谐振器1依次连接；锁相放大器4连接计算机，信号发生器7连接压电片2，悬臂梁微谐振器1和压电片2置于真空腔3内；
信号发生器7的数量为两个，两个信号发生器7连接至压电片的同一位置；
真空腔3底部设置有位移台，位移台上有调节上下左右的螺丝，可以手动调节螺丝，用于调节真空腔的位置从而调节悬臂梁微谐振器的位置；真空腔的真空度为10-2mbar。
信号发生器7（33220A，安捷伦，美国）用于对谐振器施加外部激励泵浦信号；
激光多普勒振动仪为非接触式光学传感器，用于检测微悬臂梁的位移和速度变化，型号为OFV-5000/534，聚焦光斑为10 μm；
锁相放大器4为Signal recovery公司生产的7265型数字锁相放大器，频率范围为0.001Hz-250kHz，电压灵敏度为2nV-1V，用于输出探测信号，以及对微悬臂梁的振动信号进行采集和降噪处理，并将结果显示在计算机上。
悬臂梁微谐振器1为单端固定的矩形悬臂梁，包括支撑基座和悬臂，材料为单晶硅，如图2所示；悬臂为自由端，支撑基座采用胶水固定在压电片上；悬臂的尺寸为：长450μm，宽50μm，厚2μm；
压电片2为圆形陶瓷片，材料为锆钛酸铅（PZT），其压电系数d33为350 pmV-1，压电片的尺寸为：直径30mm，厚2mm。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：首先在探测电压下测得悬臂梁微谐振器前两阶弯曲模态的频率响应，确定本征频率；
S2：在一阶弯曲模态处泵浦，实现二阶弯曲模态本征频率的调谐；
S3：在一阶弯曲模态和红边带模态处同时泵浦，一阶弯曲模态和红边带模态发生非线性模态耦合，实现二阶弯曲模态的频谱展宽。
2.根据权利要求1所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，步骤S1确定本征频率的过程为：
S11：激光多普勒测振仪的探头发出激光，激光对准悬臂梁微谐振器的悬臂梁尖端，利用激光多普勒测振仪对悬臂梁微谐振器进行频率扫描和振动信号的采集；
S12：锁相放大器向悬臂梁微谐振器输入探测电压信号激励振动，探测电压大小为100mV，悬臂梁微谐振器的微悬臂梁位移和速度信号经过多普勒测振仪的控制器转化为电压信号，再经锁相放大器进行降噪处理，微悬臂梁的频率响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上，通过观察计算机上的频率响应曲线，曲线上出现的前两个峰的频率即为微悬臂梁的前两阶弯曲模态的频率：一阶弯曲模态本征频率f 1和二阶弯曲模态本征频率f 2。
3.根据权利要求2所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，步骤S2的实现过程为：
S21：采用信号发生器输出频率为f p1的正弦泵浦信号，大小与一阶弯曲模态的频率f 1相同，并逐步增大泵浦电压V p1，V p1的大小从0V逐步增大到7V，此泵浦信号通过压电片施加在微悬臂梁上；
S22：采用锁相放大器输出一个探测信号，其大小为V probe=10mV，然后选择锁相放大器自带的频率响应分析模块的频率扫描，微悬臂梁的二阶模态频谱响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上；
S23：微悬臂梁二阶模态的本征频率从f 2变化到f 2’，最大频移，实现了对二阶弯曲模态的本征频率的调谐。
4.根据权利要求3所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，步骤S21中，V p1的大小从0V逐步增大到7V的过程为：0、0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V。
5.根据权利要求4所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，步骤S3的实现过程为：
S31：采用两个信号发生器，一个信号发生器输出频率为f p1的正弦泵浦信号，大小与一阶弯曲模态的频率f 1相同，并逐步增大泵浦电压V p1，V p1的大小从0.5V逐步增大到7V；
另一个信号发生器输出频率为f pr的正弦泵浦信号，大小与红边带模态的频率f r相同，红边带模态即一阶弯曲模态和二阶弯曲模态的差频模态，其大小为二阶弯曲模态本征频率f 2减一阶模态本征频率f 1，泵浦电压V pr恒为1V；两个泵浦信号通过压电片同时施加在微悬臂梁上；
S32：然后选择锁相放大器自带的频率响应分析模块的频率扫描，微悬臂梁的二阶模态频谱响应曲线显示在与锁相放大器相连接的计算机上；
S33：微悬臂梁二阶模态呈现为宽频状态，线宽增大至原来的数倍，实现了对二阶弯曲模态的线宽的调谐。
6.根据权利要求5所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，S31中，V p1的大小从0.5V逐步增大到7V的过程为：0.5V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V。
7.根据权利要求3所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，S12中，一阶弯曲模态本征频率f 1为18.4149kHz，二阶弯曲模态本征频率f 2为113.8027kHz；
S23中，f 2’为113.7598kHz，最大频移为42.9Hz。
8.根据权利要求5所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的方法，其特征在于，S33中，线宽从原来的8.11 Hz增加到225.62 Hz，线宽增大至原来的27.8倍，实现了对二阶弯曲模态的线宽的调谐。
9.一种实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的装置，用于实现权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，包括激光多普勒测振仪、悬臂梁微谐振器、压电片、真空腔、锁相放大器、信号发生器和计算机，多普勒测振仪包括探头和控制器，探头用于发出激光对准悬臂梁微谐振器的悬臂梁尖端，控制器用于将探头检测到的位移和速度信号转化为电压信号；
所述激光多普勒测振仪、锁相放大器、压电片和悬臂梁微谐振器依次连接；所述锁相放大器连接计算机，信号发生器连接压电片，悬臂梁微谐振器和压电片置于真空腔内；
所述信号发生器的数量为两个，两个信号发生器连接至压电片的同一位置；
所述真空腔底部设置有位移台，用于调节真空腔的位置从而调节悬臂梁微谐振器的位置；真空腔的真空度为10-2 mbar。
10.根据权利要求9所述的实现悬臂梁微谐振器频率调谐和频谱展宽的装置，其特征在于，悬臂梁微谐振器为单端固定的矩形悬臂梁，包括支撑基座和悬臂，材料为单晶硅；悬臂为自由端，支撑基座采用胶水固定在压电片上；悬臂的尺寸为：长450μm，宽50μm，厚2μm；
压电片为圆形陶瓷片，材料为锆钛酸铅，其压电系数d33为350pmV-1，压电片的尺寸为：直径30mm，厚2mm。
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