TWI711273B - 產生高階諧振頻率的方法及微機電共振子 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種產生高階諧振頻率的方法，其包含：提供一壓電共振膜；以及輸入具有一特定單一頻率之一驅動訊號，驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率。藉此，得以簡易電性控制方法，產生所需之數量之高階諧振頻率。
Description
本發明係關於一種產生高階諧振頻率的方法及微機電共振子；更特別言之，本發明係關於一種應用微機電共振子的非線性特性產生多個高階諧振頻率的方法及微機電共振子的結構。
目前於電子器件中，用以產生時序頻率之石英振盪元件已廣被使用。隨著對電子器件更輕薄、更長使用時間及更高效能的要求，其內部所使用之石英振盪元件，已遭受體積緊湊化、低耗電、高精確度及高可靠性的挑戰。微機電系統(micro-electromechanical system、MEMS)已隨著半導體製造工藝的發展而產生，並有逐漸取代石英振盪元件之趨勢。微機電系統已可將一機械元件或系統微縮至微米等級，並可利用電性方法致動其元件或系統以及訊號的讀取。因此，微機電共振子已被廣泛用於諸如智慧型手機、電腦裝置、攝像器材、時鐘、主機板等各式需要產生時序頻率之電子器件。
微機電共振子之時序頻率可分為線性區域及非線性區域。迄今為止，仍無有效控制於非線性區域之諧振頻率之
方法，發展可控制於非線性區域之諧振頻率之方法已成為關鍵。
本發明係提供應用微機電共振子之非線性特性，而可調控其所產生之高階諧振頻率數量之方法及微機電共振子結構。
於一實施方式中，本發明提供一種產生高階諧振頻率的方法，其包含：提供一壓電共振膜；以及輸入具有一特定單一頻率之一驅動訊號，驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，其中壓電共振膜包含一相對高剛性區域及一相對低剛性區域，上述產生高階諧振頻率的方法更包含：由相對高剛性區域或相對低剛性區域驅動壓電共振膜。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，由相對低剛性區域驅動所產生之此些高階諧振頻率之數量高於由相對高剛性區域驅動所產生之此些高階諧振頻率之數量。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，更包含：控制特定單一頻率以調整此些高階諧振頻率之數量。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，更包含：調變驅動訊號之一頻率偏移值以調變所產生之此些高階諧振頻率之數目。
於另一實施方式中，本發明提供一種產生高階諧振頻率的方法，其包含：提供一壓電共振膜；以及輸入具有一特定頻率範圍之一驅動訊號，驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，特定頻率範圍係由低頻至高頻之一順向頻率掃描範圍。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，特定頻率範圍係由高頻至低頻之一逆向頻率掃描範圍。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，其中壓電共振膜包含一相對高剛性區域及一相對低剛性區域，上述產生高階諧振頻率的方法更包含：由相對高剛性區域或相對低剛性區域驅動壓電共振膜。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，由相對低剛性區域驅動所產生之此些高階諧振頻率之數量高於由相對高剛性區域驅動所產生之此些高階諧振頻率之數量。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，更包含：控制特定頻率範圍以調整此些高階諧振頻率之數量。
於又一實施方式中，本發明提供一種產生高階諧振頻率的方法，其包含：提供一壓電共振膜；輸入一驅動訊號至壓電共振膜，驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率；以及輸入一直流偏壓至壓電共振膜以調變此些高階諧振頻率之數量。
於上述實施方式的產生高階諧振頻率的方法中，更包含：調變直流偏壓之一極性以調變所產生之此些高階諧振頻率之數量。
於一實施方式中，本發明提供一種微機電共振子。微機電共振子包含一底部電極、一壓電共振膜、一第一頂部電極以及一第二頂部電極。壓電共振膜位於底部電極上方，其中壓電共振膜包含一相對高剛性區域及一相對低剛性區域。第一頂部電極位於壓電共振膜之相對低剛性區域上方。第二頂部電極位於壓電共振膜之相對高剛性區域上方。其中，第一頂部電極或第二頂部電極接收一驅動訊號，以驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率。
於上述實施方式的微機電共振子中，壓電共振膜之材質可為鋯鈦酸鉛(PZT，Lead Zirconate Titanate)。
100‧‧‧微機電共振子
110‧‧‧基板
120‧‧‧底部電極
130‧‧‧壓電共振膜
131‧‧‧相對低剛性區域
132‧‧‧相對高剛性區域
141‧‧‧第一頂部電極
142‧‧‧第二頂部電極
200‧‧‧增益放大器
210‧‧‧運算裝置
S101、S102‧‧‧步驟
S201、S202‧‧‧步驟
S301、S302、S303‧‧‧步驟
220‧‧‧鎖相放大器
230‧‧‧頻譜分析儀
300‧‧‧帶通濾波器
410‧‧‧箭頭
420‧‧‧箭頭
510‧‧‧箭頭
520‧‧‧箭頭
L1‧‧‧曲線
L2‧‧‧曲線
第1圖係繪示依據本發明一實施例之產生高階諧振頻率的方法的流程示意圖；第2圖係繪示依據本發明另一實施例之產生高階諧振頻率的方法的流程示意圖；第3圖係繪示依據本發明又一實施例之產生高階諧振頻率的方法的流程示意圖；第4圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子之結構示意圖；
第5圖係繪示第4圖實施例之壓電共振膜之振動模態之有限元素分析示意圖；第6圖係繪示第4圖實施例之微機電共振子由相對低剛性區域驅動之架構示意圖；第7圖係繪示第4圖實施例之微機電共振子由相對高剛性區域驅動之架構示意圖；第8圖係繪示應用第4圖實施例中之微機電共振子產生複數高階諧振頻率之示意圖；第9圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子之一量測系統架構圖；第10圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子受一順向頻率掃描範圍，且由低剛性區域驅動所產生之一非線性表現示意圖；第11圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子受一逆向頻率掃描範圍，且由低剛性區域驅動所產生之一非線性表現示意圖；第12圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子受一順向頻率掃描範圍，且由高剛性區域驅動所產生之一非線性表現示意圖；第13圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子受一逆向頻率掃描範圍，且由高剛性區域驅動所產生之一非線性表現示意圖；第14圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子振動之位移與頻率之關係圖；
第15圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子受一順向頻率掃描範圍，且由低剛性區域驅動所產生之一頻譜表現示意圖；第16圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子受一逆向頻率掃描範圍，且由高剛性區域驅動所產生之一頻譜表現示意圖；第17圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子受一特定單一頻率，且由低剛性區域驅動所產生之一頻譜表現示意圖；第18圖係繪示控制微機電共振子之共振頻率偏移所產生的多個高階諧振頻率之示意圖；第19圖係繪示應用本發明之產生高階諧振頻率的方法之一系統單晶片架構示意圖；第20圖係繪示由相對低剛性區域驅動的狀況下，調變驅動頻率偏移值產生高階諧振頻率的示意圖；第21圖係繪示對應第20圖之頻譜圖；第22圖係繪示以外加之一直流偏壓調變高階諧振頻率的示意圖；以及第23圖係繪示對應第22圖的頻譜圖。
請一併參照第1圖、第2圖及第3圖。第1圖係繪示依據本發明一實施例之產生高階諧振頻率的方法的流程示意圖。第2圖係繪示依據本發明另一實施例之產生高階諧振頻率
的方法的流程示意圖。第3圖係繪示依據本發明又一實施例之產生高階諧振頻率的方法的流程示意圖。
第1圖所揭示一種產生高階諧振頻率的方法，包含：步驟S101係提供一壓電共振膜；步驟S102係輸入具有一特定單一頻率之一驅動訊號，驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率。
第2圖所揭示另一種產生高階諧振頻率的方法，包含：步驟S201係提供一壓電共振膜；步驟S202係輸入具有一特定頻率範圍之一驅動訊號，驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率。
第3圖所揭示又一種產生高階諧振頻率的方法，包含：步驟S301係提供一壓電共振膜；步驟S302係輸入一驅動訊號至壓電共振膜，驅動壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率；步驟S303係輸入一直流偏壓至壓電共振膜以調變此些高階諧振頻率之數量。於一實施例中，上述第1圖至第3圖中之壓電共振膜可包含一相對高剛性區域或一相對低剛性區域，此將於後續說明之。
由第1圖、第2圖及第3圖可知，本發明所揭示可應用多種方式產生並控制高階諧振頻率之數量。舉例而言，可由壓電共振膜之相對高剛性區域進行驅動；或由壓電共振膜之相對低剛性區域進行驅動；同時，其驅動訊號可為特定單一頻率，亦可為一特定頻率範圍。此外，亦可透過輸入直流偏壓或控制驅動訊號的頻率偏移值，達到控制高階諧振頻率數量的效
果。將於後續段落說明達成上述產生高階諧振頻率的方法的可能結構及其運作機制。
請參照第4圖。第4圖係繪示依據本發明又一實施例之微機電共振子100之結構示意圖。本發明用以產生複數高階諧振頻率之一種微機電共振子100，其包含一底部電極120、一壓電共振膜130、一第一頂部電極141以及一第二頂部電極142。壓電共振膜130位於底部電極120上方。壓電共振膜130包含一相對高剛性區域及一相對低剛性區域。第一頂部電極141位於壓電共振膜130之相對低剛性區域上方。第二頂部電極142位於壓電共振膜130之相對高剛性區域上方。當第一頂部電極141或第二頂部電極142接收具有一特定單一頻率或一特定頻率範圍之一驅動訊號時，壓電共振膜130受驅動而於一非線性區域產生振盪，可產生複數個高階諧振頻率。壓電共振膜130係具有一壓電效應。換言之，可因機械性質改變而產生電性改變，或可因電性改變而產生機械性質改變。壓電共振膜130之材質，係可選取為鋯鈦酸鉛(PZT，Lead Zirconate Titanate)，但不限於此。微機電共振子100可更包含一基板110，但此基板110非必需。
請參照第5圖。第5圖係繪示第4圖實施例之壓電共振膜130之振動模態之有限元素分析示意圖。使用有限元素分析方法，對第3圖實施例中之微機電共振子100之壓電共振膜130進行分析，可得到約於頻率為714kHz下之振動模態(flapping mode)。第5圖中，展示了於壓電共振膜130之中央區域，具有相對於壓電共振膜之旁側區域較高之位移。位移係
可透過雷射都卜勒干涉儀(LDV，Laser Doppler Vibrometer)量測而得到。換言之，於壓電共振膜130之中央區域，其位移較大，振動速度較高，為相對低剛性區域(low stiffness regime)131；於壓電共振膜130之外圍區域，其位移較小，振動速度較低，為相對高剛性區域(high stiffness regime)132。
請參照第6圖及第7圖，並請一併參照第4圖。第6圖係繪示第4圖實施例中之微機電共振子100之由相對低剛性區域131驅動之架構示意圖；第7圖係繪示第4圖實施例中之微機電共振子100之由相對高剛性區域132驅動之架構示意圖。第6圖中，驅動訊號由第一頂部電極141注入，而量測訊號由第二頂部電極142輸出時，第一頂部電極141可視為一驅動端，而第二頂部電極142可視為一感測端。底部電極120則相對作為接地之用。由於注入驅動訊號之第一頂部電極141位於壓電共振膜130之相對低剛性區域131上方(請參照第5圖之相對低剛性區域131)，而輸出量測訊號之第二頂部電極142位於壓電共振膜130之相對高剛性區域132上方(請參照第5圖之相對高剛性區域132)，故稱之為由相對低剛性區域驅動。相反地，第7圖中，由於注入驅動訊號之第二頂部電極142位於壓電共振膜130之相對高剛性區域132上方(請參照第5圖之相對高剛性區域132)，而輸出量測訊號之第一頂部電極141位於壓電共振膜130之相對低剛性區域131上方(請參照第5圖之相對低剛性區域131)，故稱之為由相對高剛性區域驅動。
請參照第8圖。第8圖係繪示應用第4圖實施例中之微機電共振子100產生複數高階諧振頻率之示意圖。第8圖
中，具有特定單一頻率(fd)之驅動訊號由第一頂部電極141或第二頂部電極142其中之一輸入，此時可以控制微機電共振子100於非線性區域振盪，產生複數個高階諧振頻率，此可由頻譜分析得到高階諧振頻率之數量及分佈，後續將詳述之。
請參照第9圖。第9圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100之一量測系統架構圖。量測系統包含一鎖相放大器220，其係被用以提供所需之特定單一頻率或特定頻率範圍之驅動訊號。微機電共振子100之由相對低剛性區域131驅動及相對高剛性區域132驅動之架構如前述第6圖及第7圖所展示。同時，量測系統可更包含一運算裝置210及一頻譜分析儀230。運算裝置210可用以控制鎖相放大器220輸出之驅動訊號；頻譜分析儀230可用以分析微機電共振子100振盪產生之頻率分佈。
請參照第10圖至第13圖。第10圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100受一順向頻率掃描範圍，且由相對低剛性區域131驅動所產生之一非線性表現示意圖；第11圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100受一逆向頻率掃描範圍，且由相對低剛性區域131驅動所產生之一非線性表現示意圖；第12圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100受一順向頻率掃描範圍，且由相對高剛性區域132驅動所產生之一非線性表現示意圖；第13圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100受一逆向頻率掃描範圍，且由相對高剛性區域132驅動所產生之一非線性表現示意圖。二種不同型式之頻率掃描範圍被用以檢驗微機電共振子100的非線性表現的
差異性。並且，由微機電共振子100中，壓電共振膜130的相對低剛性區域131及相對高剛性區域132驅動的方式亦被用以比較微機電共振子100的非線性表現的差異性。順向頻率掃描範圍，係指頻率由低至高掃描；而逆向頻率掃描範圍，係指頻率由高至低掃描。第10圖至第13圖中，係展示了四種驅動模式。由第9圖中之鎖相放大器220所提供之驅動訊號係為一交流電壓，其值分別為0.036V、0.200V、0.634V、1.125V以及2.000V，並於各驅動訊號下進行順向頻率掃描範圍以及逆向頻率掃描範圍之量測。可以觀察到，在小的驅動訊號0.036V下，各種驅動模式皆可觀察到微機電共振子100於線性區域下之共振頻率，然而隨著驅動訊號逐漸提高，於非線性區域內之非線性表現則於各驅動模式下有所差異。綜合言之，順向頻率掃描範圍可以得到較逆向頻率掃描範圍更佳之非線性表現。並且，由相對低剛性區域131驅動可得到較由相對高剛性區域132驅動更佳之非線性表現。舉例而言，第10圖係為順向頻率掃描範圍，且由相對低剛性區域131驅動所產生之一非線性表現及電壓輸出值，皆高於第13圖中之逆向頻率掃描範圍，且由相對高剛性區域132驅動所產生之一非線性表現及電壓輸出值。
請參照第14圖。第14圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100振動之位移與頻率之關係圖。第14圖中，可採用LDV法量測微機電共振子100振動所產生之位移。其位移隨頻率之變化所展示出之非線性表現，可呼應前述第10圖之驅動模式中，所產生之最佳之非線性表現。
請參照第15圖及第16圖。第15圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100受一順向頻率掃描範圍，且由相對低剛性區域131驅動所產生之一頻譜表現示意圖；第16圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100受一逆向頻率掃描範圍，且由相對高剛性區域132驅動所產生之一頻譜表現示意圖。第15圖中，展示了於共振頻率±50kHz下之順向頻率掃描範圍。在驅動訊號為36mV時，僅基頻可觀察到，因此無高階諧振頻率產生。當驅動訊號增強時，高階諧振頻率數量開始增加。在驅動訊號為634mV時，可觀察到第二階諧振頻率。在驅動訊號為2V時，可以觀察到數量相當高的高階諧振頻率，總共有14個高階諧振頻率，可以在掃瞄頻率範圍為0.5-10MHz被觀察到。第16圖中，則提供微機電共振子100受一逆向頻率掃描範圍，且由相對高剛性區域132驅動所產生之一頻譜圖以為對照。可以看出，第16圖中，其高階諧振頻率之數量較第14圖中少，即使驅動訊號已到達2V，仍然僅有二個高階諧振頻率被觀察到。上述於驅動訊號較低時，微機電共振子100仍處於線性區域，而於驅動訊號較高時，已可於微機電共振子100的非線性區域，觀察到相當數量的高階諧振頻率。
請參照第17圖。第17圖係繪示依據本發明一實施例之微機電共振子100受一特定單一頻率，且由相對低剛性區域131驅動所產生之一頻譜表現示意圖。與前述第15圖及第16圖不同，於第17圖實施例中，驅動訊號為特定單一頻率，且依然可以觀察到一定數量的高階諧振頻率。透過第15圖、第16圖及第17圖，可知於本發明中，驅動訊號無論為一特定單一頻
率或一特定頻率範圍，皆可產生一定數量的高階諧振頻率。並且，由相對低剛性區域131驅動所產生之高階諧振頻率之數量，高於由相對高剛性區域132驅動所產生之高階諧振頻率之數量。
請參照第18圖。第18圖係繪示控制微機電共振子之共振頻率偏移所產生的多個高階諧振頻率之示意圖。第18圖中，展示了可調整微機電共振子之共振頻率fr偏移，藉以調整微機電共振子之非線性表現。亦即，可透過調整微機電共振子之共振頻率fr偏移值fr+△或fr-△，△為一選取的頻率範圍，進而得到較多的高階諧振頻率的數量。第18圖中，選取三個特定單一頻率(fr、fr±△(△~15kHz))，由相對低剛性區域131進行驅動，以驗證微機電共振子100所產生之非線性表現。可以看出，於三個不同之特定單一頻率下，可產生不同數量的高階諧振頻率。再者，亦可以看出，特定單一頻率可以得到數量較高的高階諧振頻率。當特定單一頻率偏離理想頻率時，雖仍然可得到一定數量的高階諧振頻率，惟其數量已較為減少。
請參照第19圖。第19圖係繪示應用本發明之產生高階諧振頻率的方法之一系統單晶片架構示意圖。第19圖中，使用一微機電共振子100、一增益放大器200以及一帶通濾波器300組成一系統單晶片。微機電共振子100操作於基頻，經增益放大器200放大訊號，並回饋至帶通濾波器300，並透過帶通濾波器300控制，以產生所需之高階諧振頻率。此已展示以單一微機電共振子100即可產生多個高階諧振頻率，不必同時使用多個微機電共振子100產多個高階諧振頻率。
請參照第20圖及第21圖。第20圖係繪示由相對低剛性區域驅動的狀況下，調變驅動頻率偏移值產生高階諧振頻率的示意圖；第21圖係繪示對應第20圖之頻譜圖。第20圖展示了調控驅動訊號之頻率偏移值，可調變所產生的高階諧振頻率的數量。前述實施例已述及，可輸入具有特定單一頻率之一驅動訊號以產生多個高階諧振頻率，且由相對低剛性區域驅動下，可獲取較多數量的高階諧振頻率。第20圖中，特定單一頻率的量測範圍可由負到正之一順向頻率掃描範圍(箭頭410方向)，或是由正到負之一逆向頻率掃描範圍(箭頭420方向)。此時，由第20圖之電性曲線，可以看出不同頻率掃描範圍下所產生之遲滯現象(hysteresis)。亦即，於逆向頻率掃描範圍時，可觀察到與順向頻率掃描範圍時，於相同的頻率偏移值(15kHz)下，其輸出電壓降低至能量低點(即D點)。第21圖則展示了對應第20圖中，對應不同頻率偏移值(A點、B點、D點)所各自產生不同數量的高階諧振頻率。因此，透過調變驅動訊號之頻率偏移值，可調變所產生高階諧振頻率的數量。
請參照第22圖及第23圖。第22圖係繪示以外加之一直流偏壓調變高階諧振頻率的示意圖。第23圖係繪示對應第22圖的頻譜圖。第22圖中，展示了提供一外加直流偏壓時，調變高階諧振頻率的數量的可能性。類似第20圖，特定頻率範圍可由低頻至高頻之一順向頻率掃描範圍(箭頭510方向)，或是由高頻至低頻之一逆向頻率掃描範圍(箭頭520方向)。此時，由第22圖中，可觀察到施加直流偏壓時，電性的遲滯曲線亦產生對應之偏移(A點、B點、C點)，其中曲線L1表示為增加一直
流偏壓(+3V)、曲線L2表減少一直流偏壓(-3V)之遲滯曲線。第23圖中，則展示了直流偏壓之極性(正或負)與所產生之高階諧振頻率之數量有關。因此，可透過調整直流偏壓之極性調變所產生之高階諧振頻率之數量。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S101、S102‧‧‧步驟
Claims (13)
- 一種產生高階諧振頻率的方法，其包含：提供一壓電共振膜；輸入具有一特定單一頻率之一驅動訊號，驅動該壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率；以及控制該特定單一頻率以調整該些高階諧振頻率之數量。
- 如申請專利範圍第1項所述的產生高階諧振頻率的方法，其中該壓電共振膜包含一相對高剛性區域及一相對低剛性區域，該產生高階諧振頻率的方法更包含：由該相對高剛性區域或該相對低剛性區域驅動該壓電共振膜。
- 如申請專利範圍第2項所述的產生高階諧振頻率的方法，其中由該相對低剛性區域驅動所產生之該些高階諧振頻率之數量高於由該相對高剛性區域驅動所產生之該些高階諧振頻率之數量。
- 如申請專利範圍第1項所述的產生高階諧振頻率的方法，更包含：調變該驅動訊號之一頻率偏移值以調變所產生之該些高階諧振頻率之數目。
- 一種產生高階諧振頻率的方法，其包含：提供一壓電共振膜；輸入具有一特定頻率範圍之一驅動訊號，驅動該壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率；以及控制該特定頻率範圍以調整該些高階諧振頻率之數量。
- 如申請專利範圍第5項所述的產生高階諧振頻率的方法，其中該特定頻率範圍係由低頻至高頻之一順向頻率掃描範圍。
- 如申請專利範圍第5項所述的產生高階諧振頻率的方法，其中該特定頻率範圍係由高頻至低頻之一逆向頻率掃描範圍。
- 如申請專利範圍第5項所述的產生高階諧振頻率的方法，其中該壓電共振膜包含一相對高剛性區域及一相對低剛性區域，該產生高階諧振頻率的方法更包含：由該相對高剛性區域或該相對低剛性區域驅動該壓電共振膜。
- 如申請專利範圍第8項所述的產生高階諧振頻率的方法，其中由該相對低剛性區域驅動所產生之該些高階 諧振頻率之數量高於由該相對高剛性區域驅動所產生之該些高階諧振頻率之數量。
- 一種產生高階諧振頻率的方法，其包含：提供一壓電共振膜；輸入一驅動訊號至該壓電共振膜，驅動該壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率；以及輸入一直流偏壓至該壓電共振膜以調變該些高階諧振頻率之數量。
- 如申請專利範圍第10項所述的產生高階諧振頻率的方法，更包含：調變該直流偏壓之一極性以調變所產生之該些高階諧振頻率之數目。
- 一種微機電共振子，其包含：一底部電極；一壓電共振膜，位於該底部電極上方，其中該壓電共振膜包含一相對高剛性區域及一相對低剛性區域；一第一頂部電極，位於該壓電共振膜之該相對低剛性區域上方；以及 一第二頂部電極，位於該壓電共振膜之該相對高剛性區域上方；其中，由該第一頂部電極或該第二頂部電極輸入一驅動訊號，以驅動該壓電共振膜於一非線性區域振盪產生複數個高階諧振頻率。
- 如申請專利範圍第12項所述的微機電共振子，其中該壓電共振膜之材質為鋯鈦酸鉛。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4490640A (en) * | 1983-09-22 | 1984-12-25 | Keisuke Honda | Multi-frequency ultrasonic transducer |
| US8242663B2 (en) * | 2008-09-10 | 2012-08-14 | Georgia Tech Research Corporation | Oscillator having micro-electromechanical resonators and driver circuits therein that support in-phase and out-of-phase signals |
| TWI394365B (zh) * | 2008-08-29 | 2013-04-21 | Avago Technologies Wireless Ip | 單腔聲波諧振器與包含單腔聲波諧振器之電子濾波器 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2141490B1 (en) * | 2008-07-02 | 2015-04-01 | Stichting IMEC Nederland | Chemical sensing microbeam device |
| US8471643B2 (en) * | 2011-05-13 | 2013-06-25 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | Electromechanical systems oscillator with piezoelectric contour mode resonator for multiple frequency generation |
| TWI511916B (zh) * | 2012-06-28 | 2015-12-11 | Nat Univ Tsing Hua | 微機電共振震盪子結構及其驅動方法 |
-
2019
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4490640A (en) * | 1983-09-22 | 1984-12-25 | Keisuke Honda | Multi-frequency ultrasonic transducer |
| TWI394365B (zh) * | 2008-08-29 | 2013-04-21 | Avago Technologies Wireless Ip | 單腔聲波諧振器與包含單腔聲波諧振器之電子濾波器 |
| US8242663B2 (en) * | 2008-09-10 | 2012-08-14 | Georgia Tech Research Corporation | Oscillator having micro-electromechanical resonators and driver circuits therein that support in-phase and out-of-phase signals |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Fetisov, Yuri & Burdin, Dmitri & Chashin, Dmitri & Ekonomov, Nikolai. (2014). High-Sensitivity Wideband Magnetic Field Sensor Using Nonlinear Resonance Magnetoelectric Effect. Sensors Journal, IEEE. 14. 2252-2256. 10.1109/JSEN.2014.2309718. |
| Ishii, Keisuke & Akimoto, Norihito & Tashiro, Shinjiro & Igarashi, Hideji. (1998). Analysis of Nonlinear Phenomena in Piezoelectric Ceramics under High-Power Vibration. Journal of the Ceramic Society of Japan. 106. 555-558. 10.2109/jcersj.106.555. |
| Ishii, Keisuke & Akimoto, Norihito & Tashiro, Shinjiro & Igarashi, Hideji. (1998). Analysis of Nonlinear Phenomena in Piezoelectric Ceramics under High-Power Vibration. Journal of the Ceramic Society of Japan. 106. 555-558. 10.2109/jcersj.106.555. Fetisov, Yuri & Burdin, Dmitri & Chashin, Dmitri & Ekonomov, Nikolai. (2014). High-Sensitivity Wideband Magnetic Field Sensor Using Nonlinear Resonance Magnetoelectric Effect. Sensors Journal, IEEE. 14. 2252-2256. 10.1109/JSEN.2014.2309718. * |
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