驱动方式分析：理解机器工作原理

下面以图4.1所示的双端固定音叉谐振器为例分析驱动和检测方法。谐振器由两根材料和结构相同的平行梁构成，平行梁在端部合并，形成类似于音叉结构的谐振元件。采用适当的激振方式，可使音叉的两根平行梁在xOy平面内反相振动（图4.1）。

图4.1　双端固定音叉谐振器结构示意图

要使图4.1所示双端固定音叉谐振器的两根梁在xOy平面内作反相横向弯曲振动，则必须分别在两根梁的y方向施加反相激励力。在微机械传感器领域，产生激励力的方式有：

（1）热激励

热激励机制是基于热膨胀理论。例如，在梁某边有热源，则沿着梁和与梁垂直方向上会产生温度梯度（图4.1的y方向），由于热膨胀的梯度，造成梁的弯曲。如果存在沿整个横截面上的温度梯度，即如果热能进入梁的深度比梁厚度更大，那么，此时的激励状态是最佳的。并且，由此所引发的机械弯曲力矩与频率无关。如果穿透深度小于梁的厚度，引发的力矩则反比于频率，这时适用于高频。另外，微梁中的热耗可引起热压应力，可能造成微梁弯曲，这会带来传感器的性能问题，即使弯曲问题可以避免，热应力也必须很好地控制住。

热激励可分为电热激励和光热激励两种。它们之间只是热源的区别。(www.xing528.com)

（2）电磁激励

借助外磁场，可以很容易实现磁激励。激励力是通过微桥电流产生的洛伦兹力。通常采用H型谐振器，其中的一个梁用作激励，另外一个梁用作检测（磁感应）。如果采用低掺杂硅作为材料制作微桥，这一方式具有重要优点，即只需要用硅一种材料，不因淀积薄膜损害单晶砖的优良材料特性。但问题是，信号非常小，而且难以将磁铁集成进传感器。另外，小电流流过微梁存在热耗散问题，由于热膨胀，这会在微梁中产生压应力。

（3）静电力激励

利用两个电容极板之间的静电吸引力可简单实现静电激励，是较容易实现的一种激励方式，下节将重点讨论此激励方式。

（4）压电激励

压电激励广泛用于石英谐振器，因为石英本身就是一种压电晶体。对硅基器件的压电激励，必须采用其他材料，并且最好为薄膜形式。通常使用的材料为ZnO，可用溅射工艺产生。如果ZnO夹在两个电极中间，电压会导致膜的厚度及膜的横向尺寸变化。后者被用来使梁和膜发生弯曲模态振动。ZnO的主要问题为：对湿度、光和热处理过程敏感，以及与集成电路不相容。而且，ZnO层淀积在谐振器上会由于热膨胀的差异，降低品质因子，增大温度灵敏度。