一种基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法及装置，属于微机电器件非线性领域，包括：测得微悬臂梁谐振器的二阶弯曲模态的本征频率f2，及该模态不同泵浦电压下的频率响应；在微悬臂梁谐振器的f2处施加pump信号，使得不同模态发生非线性耦合；固定pump信号的频率f

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法及装置，属于微机电器件非线性


技术介绍

[0002]微机电系统(MEMS，Micro
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electro
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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。其尺寸通常在毫米或微米级，具有重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、易于集成等优点。微机电系统广泛应用于高新技术产业，关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全等。
[0003]MEMS谐振器是在传统半导体工艺基础上制作的机械谐振器。随着集成化和尺寸微型化的发展，谐振器的非线性行为随之出现。通常非线性问题可以分为三类，分别是：(1)几何非线性(Geometric nonlinearity)，即位移的大小对结构的响应发生影响，包括大转动、大位移、几何刚性化、初始应力和突然翻转(Snap through)等问题。(2)材料非线性(Material nonlinearity)，即材料的应力应变关系为非线性。(3)边界条件非线性(Boundary nonlinearity)，即边界条件在分析过程中发生变化。在微谐振器中涉及到的主要是材料非线性与几何非线性。至于材料非线性与几何非线性出现的次序，要结合具体问题具体分析。微机械谐振器的非线性动力学行为对于深刻理解MEMS的复杂运动机制具有重要的理论和实际意义。
[0004]光学频率梳(OFC)是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。光学频率梳相当于一个光学频率综合发生器，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。类比于光学频率梳，声学频率梳是在声学系统中产生的频率梳。它是在共振激励下并基于简并四波混频原理或者非简并四波混频原理，谐振器的不同模态间发生非线性耦合产生的具有多个频率间隔相同的梳齿。
[0005]声学频率梳的产生在频率精密测量、天文物理、量子操控等应用方面具有美好前景。然后，想要产生大范围的频率梳非常难，而频率梳的作用又非常多，因此不论是研究大范围产生声学频率梳的方法还是研究实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法都非常重要。目前报道产生的声学频率梳都是基于简并四波混频原理或者非简并四波混频原理产生的，由于难以满足大范围的零色散关系，产生的频率梳根数较少，存在一定的局限性。因此，研究横跨多模态的频率梳对于提高测量精度以及实现宏观与量子操控相结合具有重大意义。
[0006]随机共振(Stochastic resonance)的概念最初是由Benzi等人在研究古气象冰川问题时提出来的。它描述了一个具有非线性的双稳态系统，在一个周期性调制信号的作用下同时输入噪声和信号，当噪声增强到某一强度的时候，信噪比不仅不会降低，相反系统会
产生随机共振，使得输出信号得到显著增强。1983年，S.Fanve领导的法国科研小组在具有双稳态输出特性的斯密特(Schmitt)触发电路系统中发现了随机共振。他们在电路的输入端同时输入信号和噪声，测量输出信号的功率谱，发现在信噪比与噪声强度的函数曲线上出现了一个最大值，即观察到了“随机共振”现象。1988年，美国的物理学家M.McNamara和G.Vemuri在光学系统实验中也证实了随机共振现象。研究者们主要利用朗之万方程和福克一普朗克(Fokker
‑
Planck)方程讨论随机共振的各种统计性质，逐步发展形成了随机共振的绝热消去(Adiabatic elimination)理论和线性响应(Linear response)理论。作为一种有效的信号处理方法，随机共振广泛用于诸如双稳或多稳非线性系统、激励系统、生物系统等。
[0007]微悬臂梁由于其独特的低对称性能够满足大范围的零色散关系，在共振激励下能够产生横跨多模态的声学频率梳，弥补了目前研究的声学频率梳梳齿稀疏测量精度低的不足。与此同时，微悬臂梁是一个标准的双稳态系统，且结构简单、易于集成，为基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压的阈值，即实现微弱信号的检测，提供了重要条件。因此，利用微悬臂梁研究随机共振非常有意义。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法及装置，只需用信号发生器输出一个经典的白噪声信号，就可以实现检测信号的加强，即产生频率梳，方法简单，原理性强。
[0009]本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法，分为两个部分，分别是利用共振激励获得声学频率梳，其次是在系统中加入一定的白噪声，利用共振激励获得声学频率梳，包括如下步骤：
[0011](1)利用多普勒测振仪和锁相放大器测得微悬臂梁谐振器的二阶弯曲模态的本征频率f2，以及二阶弯曲模态在不同probe电压下的频率响应；
[0012](2)在微悬臂梁谐振器的第二阶弯曲模态的本征频率f2处施加频率为f
p
的pump信号，使得微谐振器与压电片同时失谐，微悬臂梁谐振器的不同模态发生非线性耦合；
[0013]固定信号发生器输出pump信号的频率f
p
，逐步改变pump信号的电压V
pump
，观察微悬臂梁谐振器的频率梳的产生，并确定产生频率梳所需pump信号的电压阈值；
[0014](3)用另一个信号发生器向系统中输入一个噪声信号，重复步骤(2)得到在存在噪声的情况下，微悬臂梁谐振器产生声学频率梳的pump电压阈值。
[0015]优选的，微悬臂梁谐振器为单端固定的矩形悬臂梁，包括支撑基座和悬臂，支撑基座和悬臂的材料均为单晶硅，具体如图2所示，悬臂为自由端，支撑基座优选采用胶水固定在压电片上，悬臂的尺寸为：长450μm，宽50μm，厚2μm；
[0016]压电片为圆形陶瓷片，材料为锆钛酸铅(PZT)，其压电系数d
33
为350pmV
‑1，压电片的尺寸为：直径30mm，厚2mm。
[0017]优选的，步骤(1)中，确定微悬臂梁弯曲模态的本征频率，主要包括：
[0018]1)利用多普勒测振仪对悬臂梁进行频率扫描和振动信号的采集；
[0019]2)经过锁相放大器进行降噪处理和振动信号的显示，确定微悬臂梁弯曲模态的本
征频率。
[0020]进一步优选的，步骤1)中，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，就可以计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用多普勒测振仪和锁相放大器测得微悬臂梁谐振器的二阶弯曲模态的本征频率f2，以及二阶弯曲模态在不同probe电压下的频率响应；(2)在微悬臂梁谐振器的第二阶弯曲模态的本征频率f2处施加频率为f
p
的pump信号，使得微谐振器与压电片同时失谐，微悬臂梁谐振器的不同模态发生非线性耦合；固定信号发生器输出pump信号的频率f
p
，逐步改变pump信号的电压V
pump
，观察微悬臂梁谐振器的频率梳的产生，并确定产生频率梳所需pump信号的电压阈值；(3)采用另一个信号发生器向系统中输入一个噪声信号，重复步骤(2)得到在存在噪声的情况下，微悬臂梁谐振器产生声学频率梳的pump电压阈值。2.根据权利要求1所述的基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法，其特征在于，微悬臂梁谐振器为单端固定的矩形悬臂梁，包括支撑基座和悬臂，支撑基座和悬臂的材料均为单晶硅，支撑基座固定在压电片上，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d
33
为350pmV
‑1，压电片的尺寸为：直径30mm，厚2mm。3.根据权利要求1所述的基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法，其特征在于，步骤(1)中测得微悬臂梁谐振器的二阶弯曲模态的本征频率f2，以及二阶弯曲模态在不同probe电压下的频率响应，具体步骤为：首先通过位移台调节微悬臂梁谐振器的位置，将多普勒激光聚焦到微悬臂梁谐振器的尖端，即振幅最大处，与此同时，聚焦效果通过光学CCD观察；然后锁相放大器向微悬臂梁谐振器输入probe信号激励振动，悬臂梁的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，确定前两阶弯曲模态的本征频率f1、f2，确定f1为18.41kHz,f2为113.79kHz；依次增大probe电压，分别得到微悬臂梁谐振器二阶弯曲模态在0.2V，0.4V，0.6V，0.8V，1V，2V的探测电压下的频率响应。4.根据权利要求3所述的基于随机共振原理实现降低共振激励产生声学频率梳所需泵浦电压阈值的方法，其特征在于，步骤(2)具体步骤如下：2.1：在微悬臂梁谐振器的第二阶弯曲模态的本征频率f2处进行共振激励，激励信号的频率为f
p
，利用信号发生器输出频率为f
p
的正弦波信号，此信号为pump信号，f
p
的大小与f2相同；2.2：固定信号发生器输出p...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘铎，吴晓娟，李岩岩，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：