压电片谐振器轮廓模态的单电极传导

压电片谐振器用于传递特定的轮廓模态体声波(BAW)谐振振型。基于铌镁酸铅-钛酸铅 （PMN-PT）薄膜的独特性，必须使用激光多普勒测振仪来测量微型盘式谐振器。PMN-PT是一种铁电材料，以其良好的压电和电致伸缩性能而闻名。面内位移曲线，可显示出轮廓模态、共振模态、切向模态和酒杯模态族。这些轮廓模态对生物传感、射频和旋转传感应用具有重要意义。 

压电MEMS器件的应用极其广泛，几乎无处不在，从生物传感到手机上用到的射频滤波器。正是由压电引起的声波共振特性使得这些应用成为可能，尤其是传感领域的使用。事实证明，多种形状的体声波(BAW)和表面声波(SAW)谐振器功能强大，且加工简单。 

由于器件的谐振频率由谐振器的横向尺寸所决定，因此，在同一晶粒上需要多个模态或多个谐振频率时，体波谐振器的轮廓模态就特别适合这类应用。盘式谐振器产生的一些有趣的模态振型，尤其对射频滤波、导航和生物传感领域的应用非常有用。 

例如，切向模态是一种等容模态：这意味着谐振体的总体积在共振过程中不会改变。这种纯粹的剪切旋转模态振型被用于生物传感，因为它产生的位移完全平行于流体流向。然而，使用传统已知压电材料的方向性压电效应是无法传递这种模态振型的。

图1：使用分体式电极激发出盘式谐振器的酒杯模态

另一种有趣的模态振型是酒杯共振模态振型，它由径向和切向的位移模态振型组合而成。虽然可以用分体式电极（图1）来传递这种模态，它与盘式谐振器的应变曲线部分匹配，但不可避免的会因为错位问题而导致出现虚假模态。

图2：单个金电极的盘式谐振器同时激发出酒杯模态和切向模态

本次研究表明，可以使用覆盖整个圆盘表面的单个电极来直接传递切向模态和酒杯模态族，如图2所示。因此，在对有用的模态进行有效耦合时，可完全消除错位影响。 

正是铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）薄膜的特性，使得这些模态的转导成为可能。特定切割方式下，这种单晶材料的具有面内相反的压电系数，这会导致产生相反方向的面内位移。

     试验搭建 

将微型盘式谐振器固定在扇出型印刷电路板上，通过焊线与德国Polytec公司的 MSA-100-3D显微式激光测振仪相连，可测试出谐振器的面内和面外振动信息。使用上述激光测振仪为谐振器提供电激励并进行扫描测试，然后使用PSV软件对模态振型进行分析。

PSV软件可以根据用户需求自定义测试网格，提供不同的空间分辨率，以匹配感兴趣的测试频率。谐振器盘半径在20~60 μm之间，建立笛卡尔坐标系，设置等间距测点，以避免出现几何偏差。

图3：试验搭建，MSA-100-3D显微式激光扫描测振系统

图3为试验装置。图4为器件和待测网格整体图。本次测试共设置了1085个测点。 

为增强面内位移检测所需的反射光强度，我们在盘的电极上方上布置了光刻胶图案。图5a为被测的盘式谐振器整体图，图5b为增强漫反射对被测表面进行处理的细节图。

图4：试验装置整体图 (A) 和定义扫描点 (B)

图5：盘式谐振器表面处理，以增强漫反射

     测试结果

当输入电压幅值为1V时，半径为60 μm的盘式谐振器在酒杯模态（谐振频率为8.42 MHz）的端部位移为11.46 nm。同一器件在1V电压的激励下，在282 kHz时出现切向共振，并导致40°/s的旋转速率。根据测试结果，这两种谐振模态振型的位移与施加的电压线性相关。

结论和展望 

由于PMN-PT材料的独特性能，我们使用单个电极激发出切向模态和酒杯模态。使用单电极可以使电极自动对准谐振器，避免出现错位问题。激光多普勒测振仪则用来表征微型盘式谐振器的轮廓模态振型。 

该致动器的自对准特性，对于关注切向模态的无正交误差陀螺仪、无TED振荡器而言具有很大吸引力。切向模态的旋转速度以及与其外加的信号幅值呈线性关系表明，盘式谐振器可以用作陀螺仪现场校准标度因数的微型速率转台。因此，该技术为体波MEMS陀螺仪内置初级校准平台提供了关键要素。