[论文解读] Parameter Extraction and Support-Loss in MEMS Resonators

Peter G. Steeneken, Ruigrok, J. J. M.+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2013

Advanced MEMS and NEMS Technologies参考文献 7被引用 32

一句话总结

本文提出了一种计算高效的参数提取方法，通过模态频率仿真与匹配边界层技术，实现对MEMS谐振器等效电路参数的提取，并量化支撑损耗引起的Q因子退化。该方法可准确预测钻石盘谐振器的频率相关导纳特性，与测量结果高度一致，且相比传统频率响应分析，显著降低了仿真时间。

ABSTRACT

In this paper it is shown how the equivalent circuit parameters of a MEMS resonator can be simply obtained from an eigenfrequency simulation. Additionally, it is demonstrated that the Q-factor as a result of support losses in a MEMS resonator can be determined using a matched boundary layer. The method is applied to calculate the frequency dependent admittance of a diamond disk resonator. Results agree well with measurements and analytic results. Comparison to a frequency response analysis establishes the validity of the method and shows that it results in a large reduction of the simulation time.

研究动机与目标

• 开发一种快速且准确的方法，从模态频率仿真中提取MEMS谐振器的等效电路参数。
• 利用匹配边界层方法对MEMS谐振器中的支撑损耗机制进行建模，以预测Q因子退化。
• 针对钻石盘谐振器，将该方法与实验测量结果及解析解进行验证。
• 展示与传统频率响应分析相比，该方法在仿真时间上实现了显著减少。

提出的方法

• 利用模态频率仿真提取MEMS谐振器的机械谐振频率与振型。
• 应用匹配边界层技术，模拟由支撑损耗引起的能量耗散，从而实现Q因子的计算。
• 通过推导的机械-电气参数转换关系，将机械响应映射为等效的电气RLC电路模型。
• 利用提取的参数仿真谐振器的频率相关导纳，并与测量结果进行对比。
• 通过将仿真结果与解析解及钻石盘谐振器的实验数据对比，验证该方法的有效性。
• 通过避免全瞬态或频率扫频仿真，仅依赖模态分析，优化计算效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从模态频率仿真中可靠地提取MEMS谐振器的等效电路参数？
• RQ2 利用匹配边界层方法对支撑损耗引起的Q因子退化进行建模，其精度能达到何种程度？
• RQ3 与传统频率响应分析相比，该方法在精度与计算效率方面表现如何？
• RQ4 该方法能否准确预测钻石盘谐振器的频率相关导纳？

主要发现

• 所提出的方法在模拟与测量的钻石盘谐振器导纳响应之间实现了极佳的一致性。
• 采用匹配边界层的支撑损耗模型所预测的Q因子与实验观测结果高度吻合。
• 与传统频率响应分析相比，仿真时间显著缩短，从而实现了更快的设计迭代。
• 基于模态频率的参数提取方法成功捕捉了MEMS谐振器的关键电学行为。
• 该方法被验证为兼具高精度与高效率，为计算量庞大的全波仿真提供了一种实用的替代方案。