微机械谐振传感器模态耦合作用机理与检测方法研究

The detection method based on bifurcation jump characteristics cased by the mode coupling of resonant element is an emerging resonant test method in the field of Micro-electromechanical Systems (MEMS). The mode coupling mechanism and bifurcation characteristics in micromechanical resonant sensors are not only the challenging basic research of the dynamic design theory, but also the technical problem to improve the detection performance of sensors. With the mode coupling mechanism of micro-resonant sensor, detection method based on bifurcation characteristics, dynamic test and other aspects, this project intends to carry out the following research: 1) A dynamic model of multi-degree micro-resonant sensor is established. Then, the mode coupling behavior and the influence of different factors on the mode coupling are studied. 2) The formation mechanism of different bifurcation behaviors under mode coupling is revealed. A new detection method based on bifurcation characteristics is proposed, and then the influence of driving modes and structural parameters on detection sensitivity and resolution is studied. 3) The dynamic behavior and detection performance of the micro-sensor are verified by designing micro-resonant sensor device. In this project, a multi-degree nonlinear micro resonance sensor will be designed. The detection method based on mode coupling and bifurcation characteristics is proposed, and finally a micro-resonant sensor with high sensitivity, high resolution and good stability with the characteristics of amplitude mutation will be produced.

利用谐振元件模态耦合产生的分岔跳跃现象进行检测是微机电领域一种新兴的传感测试手段，揭示微机械谐振传感器中的模态耦合振动机理和分岔特性既是动力学设计理论中极具挑战的基础性研究，也是提高传感器检测性能亟待解决的技术难题。本项目针对微机械谐振传感器的模态耦合机理、基于分岔跳跃特性的检测方法以及动力学测试等方面，拟开展如下研究：1）建立多自由度微谐振传感器的动力学模型，分析系统的模态耦合作用行为，研究不同因素对模态耦合作用的影响。2）揭示模态耦合作用下不同分岔行为的形成机理，利用分岔特性提出新型的检测方法，探索驱动方式和结构参数对检测灵敏度和分辨率的影响规律。3）设计微谐振传感器件并进行实验测试，验证微传感器的动力学行为和检测性能。本项目将设计多自由度非线性微谐振传感器，利用系统模态耦合作用和分岔特性进行检测，最终制备出具有振幅突变特性的高灵敏度、高分辨率和良好稳定性的微谐振传感器。

传感技术是现代信息技术的三大支柱之一，微机电系统（MEMS）因具有体积小、能耗低、易集成等优点，成为21世纪传感技术领域重点发展的高新技术，然而，随着MEMS谐振传感器结构复杂化和驱动多样化，微尺度力学环境下各种非线性因素导致了器件共振频率对驱动幅值的依赖性，降低了器件的线性度，严重影响了传感器的检测性能。如何处理复杂力学环境中的非线性振动行为成为制约MEMS谐振传感技术进一步发展的瓶颈问题。基于非线性振动的触发式微谐振传感方法，能够极大提高微传感器的信噪比，在一定程度上克服非线性振动对传感器检测性能的不利影响，实现了检测灵敏度的新突破，本项目针对微机械谐振传感器的模态耦合机理、基于分岔跳跃特性的检测方法以及动力学测试等方面，开展了如下研究：建立了多自由度微谐振传感器的动力学模型，详细阐述了压电驱动和静电驱动阵列谐振结构、L型谐振结构、T型谐振结构、Π型谐振结构等系统的多种模态耦合作用行为，推导了模态耦合振动产生的物理条件，并研究了不同驱动参数和耗散因素对非线性动力学行为的影响；揭示了模态耦合作用下不同分岔行为的形成机理，利用振幅跳跃特性提出了分岔式检测方法，分岔点的振幅突跳能够极大提高传感器的灵敏度和分辨率；除此之外，分别设计了不同尺度下的谐振质量和加速度传感器件并进行实验测试，证明了微传感器的动力学行为和检测性能。本项目最终设计了多自由度非线性微谐振质量和加速度传感器，并利用系统模态耦合作用和分岔特性进行了传感器的定量检测和阈值预警，为制备高性能微谐振传感器提高了理论基础和实验支持，并有效解决了非线性振动行为对MEMS谐振传感技术发展的不利影响。