一种三阶PT对称微机械微扰敏感系统转让专利
申请号 : CN202110480800.8
文献号 : CN112904047B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 王立峰 , 张尚洋 , 张曼娜 , 黄庆安 , 董蕾
申请人 : 东南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种三阶PT对称微机械微扰敏感系统,其特征在于,所述敏感系统包括衬底(8)、第一微机械结构(1)、第二微机械结构(2)、第三微机械结构(3)、第一可调耦合结构(4)、第二可调耦合结构(5)、第一可调阻尼电路(6)和第二可调阻尼电路(7);其中第一微机械结构(1)、第二微机械结构(2)、第三微机械结构(3)、第一可调耦合结构(4)以及第二可调耦合结构(5)设置在衬底(8)上;第三微机械结构(3)设置在第一微机械结构(1)和第二微机械结构(2)之间,其中第三微机械结构(3)和第一微机械结构(1)通过第一可调耦合结构(4)连接,第三微机械结构(3)和第二微机械结构(2)通过第二可调耦合结构(5)连接;第一可调阻尼电路(6)通过引线(9)连接第一微机械结构(1);第二可调阻尼电路(7)通过引线(9)连接第二微机械结构(2);
所述第一微机械结构(1)包括第一谐振梁(11)、第一谐振梁上电极和锚区(12)、第一谐振梁下电极和锚区(13)、第一反馈梁(14)、第一反馈上梁(15)、第一反馈上梁电极和锚区(16)、第一反馈下梁(17)、第一反馈下梁电极和锚区(18)、第一平衡梁一(19)、第一平衡梁二(110)、第一左连接梁(111)和第一右连接梁(112);第一谐振梁(11)的上、下部分分别连接到第一谐振梁上电极和锚区(12)、第一谐振梁下电极和锚区(13);第一谐振梁(11)的左边通过左连接梁(111)连接第一反馈梁(14)和第一平衡梁一(19);第一谐振梁(11)的右边通过第一右连接梁(112)连接第一平衡梁二(110);第一反馈梁(14)和第一反馈上梁(15)相互靠近形成反馈上电容;第一反馈梁(14)和第一反馈下梁(17)相互靠近形成反馈下电容;
所述第二微机械结构(2)包括第二谐振梁(21)、第二谐振梁上电极和锚区(22)、第二谐振梁下电极和锚区(23)、第二反馈梁(24)、第二反馈上梁(25)、第二反馈上梁电极和锚区(26)、第二反馈下梁(27)、第二反馈下梁电极和锚区(28)、第二平衡梁一(29)、第二平衡梁二(210)、第二左连接梁(211)和第二右连接梁(212);第二谐振梁(21)的上、下部分分别连接到第二谐振梁上电极和锚区(22)、第二谐振梁下电极和锚区(23);第二谐振梁(21)的左边通过第二左连接梁(211)连接第二反馈梁(24)和第二平衡梁(29);第二谐振梁(21)的右边通过第二右连接梁(212)连接第二平衡梁一(210);第二反馈梁(24)和第二反馈上梁(25)相互靠近形成反馈上电容;第二反馈梁(24)和第二反馈下梁(27)相互靠近形成反馈下电容;
所述第三微机械结构(3)包括第三谐振梁(31)、第三谐振梁上电极和锚区(32)、第三谐振梁下电极和锚区(33)、第三平衡梁一(34)、第三平衡梁二(35),第三谐振梁(31)的上、下部分分别连接到第三谐振梁上电极和锚区(32)、第三谐振梁下电极和锚区(33);第三谐振梁(31)的左边连接到第三平衡梁一(34),第三谐振梁(31)的右边连接到第三平衡梁二(35);
所述第一微机械结构(1)和第三微机械结构(3)按M‑M’线镜像对称且质量相等;所述第二微机械结构(2)和第三微机械结构(3)按N‑N’线镜像对称且质量相等;所述第一可调耦合结构(4)的上、下部分按S‑S’线镜像对称且质量相等;所述第二可调耦合结构(5)的上、下部分按S‑S’线镜像对称且质量相等;所述第一可调阻尼电路(6)作用于第一微机械结构(1)的等效阻尼和第二可调阻尼电路(7)作用于第二微机械结构(2)的等效阻尼符号相反、大小相等。
2.根据权利要求1所述的三阶PT对称微机械微扰敏感系统,其特征在于,所述第一可调耦合结构(4)包括,第一上机械耦合梁(41),第一上叉指梁(42)和第一上叉指梁电极和锚区(43),第一下机械耦合梁(44),第一下叉指梁(45)和第一下叉指梁电极和锚区(46);第一上机械耦合梁(41)一端连接第一谐振梁(11)上部,一端连接第三谐振梁(31)上部;第一下机械耦合梁(44)一端连接第一谐振梁(11)下部,一端连接第三谐振梁(31)下部;所述第二可调耦合结构(5)包括,第二上机械耦合梁(51),第二上叉指梁(52)和第二上叉指梁电极和锚区(53),下机械耦合梁(54),第二下叉指梁(55)和第二下叉指梁电极和锚区(56);第二上机械耦合梁(51)一端连接第二谐振梁(21)上部,一端连接第三谐振梁(31)上部;第二下机械耦合梁(54)一端连接第二谐振梁(21)下部,一端连接第三谐振梁(31)下部。
3.根据权利要求2所述的三阶PT对称微机械微扰敏感系统,其特征在于,所述第一可调阻尼电路(6)和第二可调阻尼电路(7)结构相同,包括输出端口(61)、输出端口(62),跨阻放大器(63),带通滤波器(64),增益控制器(65)以及相位控制器(66);输入端口(62)连接到跨阻放大器(63)的输入,跨阻放大器(63)的输出连接到带通滤波器(64)的输入,带通滤波器(64)的输出连接到增益控制器65,增益控制器65的输出连接到相位控制器(66)的输入,相位控制器(66)的输出连接到输出端口(61)。
4.根据权利要求3所述的三阶PT对称微机械微扰敏感系统,其特征在于,所述第一可调阻尼电路(6)的输入(62)和输出(61)通过引线(9)连接到第一微机械结构(1)的第一反馈上梁电极和锚区(16)、第一反馈下梁电极和锚区(18);所述第二可调阻尼电路(7)的输入(62)和输出(61)通过引线(9)连接到第二微机械结构(2)的第二反馈上梁电极和锚区(26)、第二反馈下梁电极和锚区(28)。
5.根据权利要求4所述的三阶PT对称微机械微扰敏感系统,其特征在于,所述第一上叉指梁电极和锚区(43)、第一下叉指梁电极和锚区(46)、第二上叉指梁电极和锚区(53)、第二下叉指梁电极和锚区(56)连接相同电位。
说明书 :
一种三阶PT对称微机械微扰敏感系统
技术领域
背景技术
时间(Time)变换。在Bender教授提出PT对称概念后,国际上众多学者和研究机构很快加入
到了这种非厄米的PT对称的研究之中。到目前为止,PT对称非厄米量子体系的理论框架已
基本形成。除了在量子体系中的研究,PT对称理论也在不同类型的经典物理系统中得到了
验证,同时PT对称系统的一些特殊的性质和现象也被逐步发现。
身、完美吸收、磁光非互易性等;特殊性能包括:超灵敏传感、单模激光等。但目前对于PT对
称系统的研究主要还是集中在光学系统和电学系统。
系统还未见报道。
发明内容
更高灵敏度的微扰响应性能。
械结构、第一可调耦合结构、第二可调耦合结构、第一可调阻尼电路和第二可调阻尼电路;
其中第一微机械结构、第二微机械结构、第三微机械结构、第一可调耦合结构以及第二可调
耦合结构设置在衬底上;第三微机械结构设置在第一微机械结构和第二微机械结构之间,
其中第三微机械结构和第一微机械结构通过第一可调耦合结构连接,第三微机械结构和第
二微机械结构通过第二可调耦合结构连接;第一可调阻尼电路通过引线连接第一微机械结
构;第二可调阻尼电路通过引线连接第二微机械结构。
区、第一反馈下梁、第一反馈下梁电极和锚区、第一平衡梁一、第一平衡梁二、第一左连接梁
和第一右连接梁;第一谐振梁的上、下部分分别连接到第一谐振梁上电极和锚区、第一谐振
梁下电极和锚区;第一谐振梁的左边通过左连接梁连接第一反馈梁和第一平衡梁一;第一
谐振梁的右边通过第一右连接梁连接第一平衡梁二;第一反馈梁和第一反馈上梁相互靠近
形成反馈上电容;第一反馈梁和第一反馈下梁相互靠近形成反馈下电容。根据静电力公式,
相互靠近形成反馈电容,可以产生反馈力。电容电极越靠近,反馈电容越大,反馈静电力越
大。
区、第二反馈下梁、第二反馈下梁电极和锚区、第二平衡梁一、第二平衡梁二、第二左连接梁
和第二右连接梁;第二谐振梁的上、下部分分别连接到第二谐振梁上电极和锚区、第二谐振
梁下电极和锚区;第二谐振梁的左边通过第二左连接梁连接第二反馈梁和第二平衡梁;第
二谐振梁的右边通过第二右连接梁连接第二平衡梁一;第二反馈梁和第二反馈上梁相互靠
近形成反馈上电容;第二反馈梁和第二反馈下梁相互靠近形成反馈下电容。根据静电力公
式,相互靠近形成反馈电容,可以产生反馈力。电容电极越靠近,反馈电容越大,反馈静电力
越大。
分分别连接到第三谐振梁上电极和锚区、第三谐振梁下电极和锚区;第三谐振梁的左边连
接到第三平衡梁一,第三谐振梁的右边连接到第三平衡梁二。
极和锚区;第一上机械耦合梁一端连接第一谐振梁上部,一端连接第三谐振梁上部;第一下
机械耦合梁一端连接第一谐振梁下部,一端连接第三谐振梁下部。
一端连接第二谐振梁上部,一端连接第三谐振梁上部;第二下机械耦合梁一端连接第二谐
振梁下部,一端连接第三谐振梁下部。
接到跨阻放大器的输入,跨阻放大器的输出连接到带通滤波器的输入,带通滤波器的输出
连接到增益控制器,增益控制器的输出连接到相位控制器的输入,相位控制器的输出连接
到输出端口。
电路的输入和输出通过引线连接到第二微机械结构的第二反馈上梁电极和锚区、第二反馈
下梁电极和锚区。第一微机械结构和第二机械结构分别连接可调阻尼电路。通过各自可调
阻尼电路的调节,使第一微机械结构和第二微机械结构的等效阻尼大小相等,符号相反,便
于更好的形成三阶PT对称结构。
述第一可调耦合结构的上、下部分按S‑S’线镜像对称且质量相等;所述第二可调耦合结构
的上、下部分按S‑S’线镜像对称且质量相等,便于更好的形成三阶PT对称结构。
称系统理论,当其偏置在奇点附近时,系统的本征频率变化量与微扰呈1/3次方的关系,且
微扰量越小,系统灵敏度越高;3)该技术方案可能发现微机电系统的新现象或新效应。
附图说明
反馈下梁电极和锚区,19、第一平衡梁一,110、第一平衡梁二,111、第一左连接梁,112、第一
右连接梁,21、第二谐振梁,22、第二谐振梁上电极和锚区,23、第二谐振梁下电极和锚区,
24、第二反馈梁,25、第二反馈上梁,26、第二反馈上梁电极和锚区,27、第二反馈下梁,28、第
二反馈下梁电极和锚区,29、第二平衡梁一,210、第二平衡梁二,211、第二左连接梁,212、第
二右连接梁,41、第一上机械耦合梁,42、第一上叉指梁,43、第一上叉指梁电极和锚区,44、
第一下机械耦合梁,45、第一下叉指梁,46、第一下叉指梁电极和锚区,51、第二上机械耦合
梁,52、第二上叉指梁,53、第二上叉指梁电极和锚区,54、下机械耦合梁,55、第二下叉指梁,
56、第二下叉指梁电极和锚区,61、输出端口,62、输出端口,63、跨阻放大器,64、带通滤波
器,65、增益控制器,66、相位控制器。
可调耦合结构5、第一可调阻尼电路6和第二可调阻尼电路7;其中第一微机械结构1、第二微
机械结构2、第三微机械结构3、第一可调耦合结构4以及第二可调耦合结构5设置在衬底8
上;第三微机械结构3设置在第一微机械结构1和第二微机械结构2之间,其中第三微机械结
构3和第一微机械结构1通过第一可调耦合结构4连接,第三微机械结构3和第二微机械结构
2通过第二可调耦合结构5连接;第一可调阻尼电路6通过引线9连接第一微机械结构1;第二
可调阻尼电路7通过引线9连接第二微机械结构2。该方案中,所述第一微机电结构1包括第
一谐振梁11、第一谐振梁上电极和锚区12、第一谐振梁下电极和锚区13、第一反馈梁14、第
一反馈上梁15、第一反馈上梁电极和锚区16、第一反馈下梁17、第一反馈下梁电极和锚区
18、第一平衡梁一19、第一平衡梁二110、第一左连接梁111和第一右连接梁112;第一谐振梁
11的上、下部分分别连接到第一谐振梁上电极和锚区12、第一谐振梁下电极和锚区13;第一
谐振梁11的左边通过左连接梁111连接第一反馈梁14和第一平衡梁一19;第一谐振梁11的
右边通过第一右连接梁112连接第一平衡梁二110;第一反馈梁14和第一反馈上梁15相互靠
近形成反馈上电容;第一反馈梁14和第一反馈下梁17相互靠近形成反馈下电容。
区26、第二反馈下梁27、第二反馈下梁电极和锚区28、第二平衡梁一29、第二平衡梁二210、
第二左连接梁211和第二右连接梁212;第二谐振梁21的上、下部分分别连接到第二谐振梁
上电极和锚区22、第二谐振梁下电极和锚区23;第二谐振梁21的左边通过第二左连接梁211
连接第二反馈梁24和第二平衡梁29;第二谐振梁21的右边通过第二右连接梁212连接第二
平衡梁一210;第二反馈梁24和第二反馈上梁25相互靠近形成反馈上电容;第二反馈梁24和
第二反馈下梁27相互靠近形成反馈下电容。
分别连接到第三谐振梁上电极和锚区32、第三谐振梁下电极和锚区33;第三谐振梁31的左
边连接到第三平衡梁一34,第三谐振梁31的右边连接到第三平衡梁二35。
第一上机械耦合梁41一端连接第一谐振梁11上部,一端连接第三谐振梁31上部;第一下机
械耦合梁44一端连接第一谐振梁11下部,一端连接第三谐振梁31下部。
上机械耦合梁51一端连接第二谐振梁21上部,一端连接第三谐振梁31上部;第二下机械耦
合梁54一端连接第二谐振梁21下部,一端连接第三谐振梁31下部。
阻放大器63的输入,跨阻放大器63的输出连接到带通滤波器64的输入,带通滤波器64的输
出连接到增益控制器65,增益控制器65的输出连接到相位控制器66的输入,相位控制器66
的输出连接到输出端口61。
62和输出61通过引线9连接到第二微机械结构2的第二反馈上梁电极和锚区26、第二反馈下
梁电极和锚区28。
4的上、下部分按S‑S’线镜像对称且质量相等;所述第二可调耦合结构5的上、下部分按S‑S’
线镜像对称且质量相等,所述第一可调阻尼电路6作用于第一微机械结构1的等效阻尼和第
二可调阻尼电路7作用于第二微机械结构2的等效阻尼符号相反、大小相等,所述第一上叉
指梁电极和锚区43、第一下叉指梁电极和锚区46、第二上叉指梁电极和锚区53、第二下叉指
梁电极和锚区56连接相同电位。
构1的等效阻尼和第二可调阻尼电路7作用于第二微机械结构2的等效阻尼符号相反、大小
相等。
阻尼的大小通过增益控制器和相位控制器共同调整。
节第一可调耦合结构4和第二可调耦合结构5的电压可以对微机械结构之间的耦合强度进
行调节。第一微机械结构1和第二微机械结构2都各自外接阻尼调节电路,通过调节使两个
微机械结构的阻尼满足大小相等正负相反的要求。同时,将可调正/负阻尼电路中包含的谐
振器振动信号经过缓冲器后连接到信号分析仪进行分析。
吸附对谐振器加载质量微扰;调节测试环境气压对系统加载阻尼微扰。