一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法及其实现装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法及其实现装置，包括：(1)正交模式的同时激励与测量：将调制的脉冲激光聚焦在微谐振器的桥接处，使其产生振动，激励出谐振器的两个形态上互相垂直的正交模式；(2)正交模式的调节造成叠加：利用连续激光照射微谐振器，在梁上产生的热效应调谐其第一阶面内谐振模式与其最邻近的面外谐振模式靠近至叠加；(3)测量振动信号。相比于已有的研究，该发明专利技术只需要一个调制的正弦激发信号，和一个加热的稳态激光就能实现两个正交模式的叠加，方法简单，可重复性好。

A method for improving the quality factor of micro-resonators by superposition of orthogonal modes and its implementation device

【技术实现步骤摘要】
一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法及其实现装置
本专利技术涉及一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法及其实现装置，属于微机电器件传感器

技术介绍
微纳机械谐振器是基于共振原理实现能量流传递、转换和演变的微纳机械结构,具有高灵敏度、高品质因子、高谐振频率等优越性能，已成为众多微/纳机电系统(micro/nano-electromechanicalsystem,MEMS/NEMS)的核心器件，在机械电子、航空航天、信息通讯、生物医学、能源环境、工业控制等领域备受关注,是当前该领域研究的一个重点和热点方向，它的具体应用如对病毒的质量检测、易挥发性物质的化学传感、Casimir力的测量和振动能量的收集等。在谐振器件工作过程中，能量耗散是影响谐振器件综合性能的主要因素，一直是制约微纳机械谐振器件性能提升和应用发展的关键问题。品质因子是衡量谐振器能量耗散特性的关键指标它的常见定义为Q＝ω0/FWHM，其中，ω0为幅频特性曲线中谐振峰的中心频率，FWHM表示谐振峰振幅为1/√2倍处的宽度。可见品质因子决定了谐振器的频率特性曲线的谐振峰的尖锐程度，品质因子越高，谐振峰越尖锐。影响品质因子大小的因素主要有两个方面。一方面，从尺度效应和表面效应来看,随着器件特征尺度的减小，比表面积显著增大，表/界面作用力将显著增强，导致器件品质因子的减小；另一方面，由于谐振器工作环境的影响，外部阻尼是影响微纳机械谐振器件品质因子的主要因素，特别是在流体中，阻尼带来的能量损耗造成的品质因子减小占据绝对主要位置。因此，在工作环境确定的情况下，提高品质因子的途径主要有两个途径。第一，通过优化谐振器的结构以及表面处理，可以减小谐振器的支撑损耗、表面损耗等内禀损耗，特殊的结构甚至可以减小受到的流体阻尼，但是该方法对品质因子的提升有限，因为空气阻尼始终是不能避免的。另一途径是通过能量补偿来提高谐振器的品质因子，具体实施方案是通过外部电路正反馈的方法对能量耗散进行补偿，该方法的缺点是需要额外引入复杂的电路。微谐振器的正交模式是最近研究的热点，因为正交模式是在形态上互相垂直的谐振器的共振，这意味着它们可以用来检测任意方向的矢量信号，如力、位移等。最近几年，有研究发现通过谐振器各个谐振模式之间的耦合可以实现对特定模式的品质因子进行调控。具体的手段是固定以谐振器的某一谐振频率fpump强烈地驱动该谐振器振动，同时在相邻的目标谐振频率fprobe附近进行扫频测量，就实现对目标谐振模式的品质因子的调控。但是，该种方案的缺点在于：必须要同时使用两个激励施加于谐振器，这增加了谐振器系统的复杂度，不利于器件的微型化、集成化。虽然，微谐振器的研究已经从上世纪90年代开始就已经进行，但是关于微谐振器的模态耦合的研究是近几年新兴的研究方向，而模态耦合的研究一般都是在真空中进行，关于微谐振器模态耦合在空气中的行为至今鲜有报道，更没有报道使用模态的叠加来提高品质因子的方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种利用微谐振器的正交模态的叠加来提高品质因子的方法。本专利技术还提供了上述提高微谐振器品质因子的方法的实现装置。术语解释：1、面内模式，是指谐振器在谐振的时候只做在长度和宽度所在平面内的振动，由于谐振器的厚度很小，所以此模式下的振动空气的有效作用面积较小，所以其所受空气阻力最小，因此具有较高的品质因子，但是该模式的振动需要克服沿着宽度方向的正应力，所以此模式的振动振幅较小，且由于一般谐振器的厚度都很薄，所以很难以检测谐振器的面内振动。2、面外模式，是指谐振器在谐振的时候做垂直于长度和宽度所在平面的振动，该模式下的振动受到的空气阻力最大，具有较低的品质因子，但是该模式最容易被激发出来，所以也是一般谐振器最为普遍使用的模式。本专利技术的技术方案为：一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法，微谐振器包括两个悬臂和连接两个悬臂的梁，包括步骤如下：(1)正交模式的同时激励与测量：将调制的脉冲激光聚焦在微谐振器的桥接处，桥接处即梁，使其产生振动，激励出谐振器的两个形态上互相垂直的正交模式；调制的脉冲激光的波长为375nm；该波长处于SUS304不锈钢吸收率最大的波段。调制激光照射到微谐振器的桥接处，以激励其振动。激光照射在微谐振器的表面，会在其厚度方向产生温度梯度，并导致其弯曲。当给激光输入一个正弦信号，则激光会通过TTL调制输出一个同频率的脉冲信号，该脉冲激光便会使微谐振器产生周期性的振动。只有将激励振动的激光聚焦在谐振器的特定位置(桥接处)，才可以同时激励出谐振器的两个形态上互相垂直的正交模式。(2)正交模式的调节造成叠加：利用连续激光照射微谐振器，在梁上产生的热效应调谐其第一阶面内谐振模式与其最邻近的面外谐振模式靠近至叠加；连续激光的波长为445nm；连续激光的功率为25mW。微谐振器的材料为SUS304不锈钢，其在可见波段，波长越短，光吸收系数较高。当连续激光的功率取到25mW时就能产生两个模态的叠加，取得最高的品质因子，最高的品质因子为524。激光器的功率通过光功率计(PD300-UV-193ROHS，OPHIR，以色列)进行校准。通过一个连续激光器照射微谐振器表面，激光的热效应可使微谐振器材料的晶格扩张，导致其局部杨氏模量减小，从而调节微谐振器的各阶谐振频率，当调节稳态激光至适宜的功率时，谐振器的第一阶面内振动模式和靠近其的面外振动模式会达到叠加，这就使得当激励激光扫频至该叠加频率时，等效于同时激励两个模式，而两个模式的耦合作用使得叠加后得到的谐振峰的品质因子高于任意一个单独的谐振模式的品质因子。(3)测量振动信号。根据本专利技术优选的，所述步骤(1)，是指：将调制激光聚焦于微谐振器的桥接处中间，即梁上中间处长为1.25mm、宽为0.2mm的矩形区域。激光测振仪只能测定一个方向的振动，因为测振仪测量激光垂直于谐振器表面，所以只能测定垂直于谐振器表面的振动，也就是面外模式的振动，如果要测定面内模式的振动，需要将测振仪的测量激光聚焦在厚度为50微米的谐振器的侧面，而此时又不能测量出面外模式。所以当激励激光聚焦在桥接处会使其产生微小的应变而使桥接部分形成拱形，这就使得激光测振仪能够同时检测到谐振器沿着平面方向的振动和垂直于平面的振动。调制激光与微谐振器相互作用，光热效应使得材料产生的热膨胀形变，进而促使微谐振器发生振动。根据本专利技术所优选的，所述步骤(2)，是指：利用一束连续激光照射微谐振器的一根悬臂，通过控制连续激光功率实现对其悬臂加热，进而实现对微谐振器的共振频率调谐，使得第一阶面内谐振模式与其最邻近的面外谐振模式的谐振频率逐渐靠近至叠加。通过控制连续激光功率，是指：采用手动调节连续激光的电流，用光功率计标定激光器的输出功率，因为该方法目的在于使得两个振动模态叠加，所以需要多次改变连续激光的功率才能找到使得叠加产生对应的功率大小。根据本专利技术优选的，所述步骤(3)，将探测振动信号的多普勒测振仪的测量激光聚焦在微谐振器的梁上，测量振动信号。利用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。根据本专利技术优选的，所述微谐振器为Π形微谐振器，Π形微谐振器包括谐振器固定端、两根单独的矩形悬臂、连接两根单独的矩形悬臂的梁；两根单独的矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法，微谐振器包括两个悬臂和连接两个悬臂的梁，其特征在于，包括步骤如下：(1)正交模式的同时激励与测量：将调制的脉冲激光聚焦在微谐振器的桥接处，桥接处即梁，使其产生振动，激励出谐振器的两个形态上互相垂直的正交模式；调制的脉冲激光的波长为375nm；(2)正交模式的调节造成叠加：利用连续激光照射微谐振器，在梁上产生的热效应调谐其第一阶面内谐振模式与其最邻近的面外谐振模式靠近至叠加；连续激光的波长为445nm；连续激光的功率为25mW；(3)测量振动信号。

【技术特征摘要】
1.一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法，微谐振器包括两个悬臂和连接两个悬臂的梁，其特征在于，包括步骤如下：(1)正交模式的同时激励与测量：将调制的脉冲激光聚焦在微谐振器的桥接处，桥接处即梁，使其产生振动，激励出谐振器的两个形态上互相垂直的正交模式；调制的脉冲激光的波长为375nm；(2)正交模式的调节造成叠加：利用连续激光照射微谐振器，在梁上产生的热效应调谐其第一阶面内谐振模式与其最邻近的面外谐振模式靠近至叠加；连续激光的波长为445nm；连续激光的功率为25mW；(3)测量振动信号。2.根据权利要求1所述的一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法，其特征在于，所述步骤(1)，是指：将调制激光聚焦于微谐振器的桥接处中间，即梁上中间处长为1.25mm、宽为0.2mm的矩形区域。3.根据权利要求1所述的一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法，其特征在于，所述步骤(2)，是指：利用一束连续激光照射微谐振器的一根悬臂，通过控制连续激光功率实现对其悬臂加热，进而实现对微谐振器的共振频率调谐，使得第一阶面内谐振模式与其最邻近的面外谐振模式的谐振频率逐渐靠近至叠加。4.根据权利要求1所述的一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法，其特征在于，所述步骤(3)，将探测振动信号的多普勒测振仪的测量激光聚焦在微谐振器的梁上，测量振动信号。5.根据权利要求1所述的一种利用正交模态的叠加提高微谐振器品质因子的方法，其特征在于，所述微谐振器为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘铎，罗雯耀，张冬冬，赵超鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37