近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)在國際微納領(lǐng)域權(quán)威期刊《Microsystem& Nanoengineering》上發(fā)表了題目為“Thermal noise-driven resonant sensors”的研究論文，提出了一種新的微納諧振傳感器范式——熱噪聲驅(qū)動的諧振傳感器, 構(gòu)建了該范式下傳感器信噪比、動態(tài)范圍與頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的理論框架，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱噪聲驅(qū)動的傳感器的可行性與動態(tài)檢測性能，為納米尺度下可在室溫和常壓下工作、更簡單、更低功耗的諧振傳感器設(shè)計(jì)提供了新思路。西北工業(yè)大學(xué)副教授喬艷（上海交通大學(xué)出站博士后）為第一作者，張文明教授和Abdel-Rahman教授為論文共同通訊作者。

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內(nèi)容摘要

Abstract

MEMS/NEMS諧振傳感器在微小質(zhì)量和微弱力感知方面已被證明具有極大潛能。然而，傳統(tǒng)的外部驅(qū)動方式面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是傳感器不可避免地會受到內(nèi)在固有噪聲的影響，對其信噪比 (SNR) 和精度造成了根本性的限制。特別是，隨著傳感器尺寸縮小到納米尺度，由于對熱噪聲的高度敏感性和更為顯著的非線性效應(yīng)，這種限制變得越來越明顯，成為了MEMS/NEMS線性諧振傳感器亟需解決的難題。針對上述問題，本文不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中規(guī)避或抑制噪聲的思想，提出了熱噪聲驅(qū)動的諧振傳感器設(shè)計(jì)新理念，通過將固有熱噪聲從障礙物轉(zhuǎn)化成傳感器的組成部分，在不借助任何外部驅(qū)動力情形下，用固有熱噪聲來實(shí)現(xiàn)傳感器的自驅(qū)動，以減弱熱噪聲對傳感器動態(tài)性能的制約。傳感器利用在諧振頻率處熱噪聲的動態(tài)放大響應(yīng)來進(jìn)行檢測，并證明了具有高縱橫比、弱阻尼和高度柔順納米結(jié)構(gòu)是這類傳感器的最佳候選者。為了克服驅(qū)動力的相位不相干性，研究人員提出了三種噪聲感知的定量傳感機(jī)制，并通過實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了熱噪聲驅(qū)動的壓力傳感器和溫度傳感器。熱噪聲驅(qū)動的傳感器為可在室溫和環(huán)境壓力下工作的NEMS傳感器提供了新機(jī)會，同時(shí)為更低成本、更簡單的低功耗傳感器發(fā)展提供了新思路。

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圖文解析

Detailed Information

本文首先闡明了MEMS諧振器基于熱噪聲的自驅(qū)動機(jī)理，厘清了熱噪聲驅(qū)動下響應(yīng)與器件剛度、品質(zhì)因子的關(guān)聯(lián)關(guān)系。為了表征熱噪聲驅(qū)動的諧振傳感器的性能，我們給出了其響應(yīng)信噪比(SNR)和動態(tài)范圍(DR)的定義，明確了諧振器尺寸參數(shù)和響應(yīng)性能之間的匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并將其與傳統(tǒng)外部驅(qū)動的諧振傳感器的基本性能進(jìn)行了比較，如圖1(a)-(c)所示。發(fā)現(xiàn)熱噪聲驅(qū)動的諧振傳感器的SNR與剛度和單位質(zhì)量的阻尼成反比，而傳統(tǒng)外部傳感器的SNR與總阻尼成反比。隨著器件尺寸的減小，其縱橫比逐漸增加，使得熱噪聲驅(qū)動的傳感器的SNR逐漸增大，而傳統(tǒng)外部驅(qū)動傳感器的SNR逐漸縮小。同一尺寸下，熱噪聲驅(qū)動的傳感器的DR大于外部驅(qū)動傳感器的DR。這些結(jié)果凸顯了熱噪聲驅(qū)動范式在納米尺度傳感器領(lǐng)域中的顯著優(yōu)勢。

接著本文提出了熱噪聲自驅(qū)動的諧振傳感器基于“噪聲感知”的三種定量傳感機(jī)制，如圖1(d) 所示。首先，通過測量共振頻率的偏移量，可以檢測調(diào)制傳感器結(jié)構(gòu)剛度或質(zhì)量的刺激。其次，通過測量諧振幅值的定量變化，可以檢測影響傳感器阻尼和激勵(lì)的刺激。第三，通過測量傳感器功率譜密度下的面積變化或其運(yùn)動RMS，可以估計(jì)影響熱噪聲水平的刺激。推導(dǎo)了衡量頻率穩(wěn)定性的艾倫方差，并提出了響應(yīng)的電測方法，發(fā)現(xiàn)熱噪聲驅(qū)動機(jī)制由于不需要AC激勵(lì)電路，可消除寄生電容與饋通信號對輸出信號的影響，有利于有用信號的提取。

▲ 圖1 熱噪聲驅(qū)動的諧振傳感器設(shè)計(jì)范式原理

以壓強(qiáng)和溫度檢測為例，本文探究了復(fù)雜環(huán)境下熱噪聲驅(qū)動的傳感器的動態(tài)性能及其可靠性。圖2是一類基于高品質(zhì)因子懸臂梁的熱噪聲驅(qū)動的諧振壓力傳感器的測試結(jié)果?；谥C振速度幅值變化建立了壓強(qiáng)檢測校準(zhǔn)曲線，分析了檢測靈敏度和信噪比、器件尺寸的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過艾倫方差評估了幅值與諧振頻率的穩(wěn)定性。結(jié)果表明諧振頻率穩(wěn)定性與品質(zhì)因子、共振頻率和積分時(shí)間成正比，幅值穩(wěn)定性與積分時(shí)間成正比。

▲ 圖2 高品質(zhì)因子噪聲驅(qū)動的諧振壓力傳感器

圖3是一類基于低剛度懸臂梁的熱噪聲驅(qū)動的諧振壓力傳感器的測試結(jié)果。給出了懸臂梁在前三階彎曲振動模態(tài)下的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)第三階模態(tài)由于低SNR無法用于傳感。以上結(jié)果表明高階工作模態(tài)在采用峰值幅值傳感機(jī)制的噪聲驅(qū)動的傳感器中存在一定限制。但高階模態(tài)在頻移傳感機(jī)制中更為有利，因?yàn)轫憫?yīng)靈敏度和頻率穩(wěn)定性都隨著模態(tài)的增加而提高。

▲ 圖3 低剛度熱噪聲驅(qū)動的諧振壓力傳感器

圖4展示了熱噪聲驅(qū)動的諧振器用于溫度傳感的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用諧振速度、諧振頻率以及速度RMS變化建立了溫度檢測校準(zhǔn)曲線，發(fā)現(xiàn)頻移檢測機(jī)制的穩(wěn)定性最好。分析了檢測靈敏度和信噪比、器件結(jié)構(gòu)與尺寸的關(guān)聯(lián)關(guān)系，給出了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。

▲圖4熱噪聲驅(qū)動的溫度傳感器

盡管當(dāng)前工作中傳感器的性能受到較大尺寸（微米級）梁的限制以及硅材料性質(zhì)對溫度的相對不敏感性的影響，但這標(biāo)志著對新型諧振傳感器技術(shù)范式的初步探索，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。通過優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)（采用高縱橫比的納米諧振器）、使用更敏感的材料以及整合信號放大技術(shù)，有望提升熱噪聲驅(qū)動的傳感器的檢測性能。

審核編輯：彭菁