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纳机电系统(NEMS)在基础研究及应用方面越来越受到人们的重视。高频NEMS谐振器为典型NEMS器件,具有超小的质量和超高的品质因子,在质量传感和力传感方面具有无可比拟的优势。另外,性能优越的NEMS谐振器可以实现信号混频,在无线通信、高频信号处理等领域也具有极其广阔的应用前景。然而,NEMS谐振器相比MEMS谐振器在静电激励下非线性效应更明显,在一定程度上给应用带来限制。鉴于此,本文建立静电力激励下的NEMS谐振器振动方程,重点从实验上考察了NEMS谐振器的非线性振动特性及混频特性。
理论方面,将更优化的形函数引入到固支梁振动模型中,并从弹簧质量系统推导了静电力激励下的H型NEMS谐振器振动方程,并针对多种边缘效应对振动方程进行了修正,并指出退化后的H型梁模型同样适用于固支梁振动模型,详细地分析了修正后的H型纳米梁的振动方程,着重讨论了K对纳米梁弹簧“变软”和“变硬”的影响。
非线性方面,考察了4组H型纳米梁非线性振动特性,厚度均为200nm,长度从8μm-15μm,重点讨论了15μm长的H型纳米梁在不同静电激励下的非线性特性。在小激励下,该纳米梁谐振频率为3.65MHz,品质因子为12.0。分析了机械非线性项和静电力非线性项共同作用对纳米梁频率偏移的影响。在不同交流激励条件下,考察了直流偏压的改变对纳米梁谐振频率和品质因子的影响,分析了弹簧“变软”和“变硬”效应。并利用Ansys仿真软件分析了锚区腐蚀深度对纳米梁振动频率的影响。
混频方面,从实验上详细研究H型梁的两种混频方式:向下混频、向上混频。通过在梁上施加两路信号,经过梁的自适应过程实现信号混频,最后由多普勒测振仪检测梁的混频特性。实验结果表明梁在向下混频时的振幅随两路信号频率的平移而改变,出现所谓的窗口效应;对于这两种混频方式,混频分量越接近梁的本征频率,梁的振幅越大,反之梁振幅下降越多;在输入信号功率一定时,对比向上混频,向下混频使得梁的振幅更大,更优越。