2014: Высокодобротные дисковые механические резонаторы на поверхностных модах с большими азимутальными индексами

Учеными физического факультета МГУ (проф. Валерий Митрофанов, магистрант Дмитрий Гриценко, кафедра физики колебаний, м.н.с. Артемий Дмитриев, кафедра физической электроники) выполнены теоретические и экспериментальные исследования механических мод колебаний с большими угловыми индексами в дисковых резонаторах, а также разработан метод значительного повышения связи между механической и электрической подсистемами в электромеханических системах.

Микроэлектромеханические системы, в основе которых лежат механические колебательные элементы, соединенные с преобразователями механических колебаний в электрические сигналы, находят сегодня все возрастающее применение в технике, приборостроении, устройствах обработки сигналов, различных химических и биологических сенсорах, в экспериментальной физике. В таких системах многие исследователи надеются в недалеком будущем реализовать состояния, управляемые законами квантовой механики. Добротность механического колебательного элемента является ключевым параметром, определяющим качество и возможности устройств на основе микроэлектромеханических систем, поэтому снижение потерь энергии в них представляется важной задачей. Однако механизмы потерь, способы уменьшения потерь, а также их экспериментальную проверку удобнее изучать в механических резонаторах, имеющих вполне макроскопические размеры.

Цикл работ, выполненных учеными физического факультета МГУ, посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию различных мод механических колебаний в резонаторах, имеющих форму диска. Поверхностные моды с большими значениями углового индекса обладают тем преимуществом, что в них упругие деформации сосредоточены в периферийной области диска. Это позволяет, с одной стороны, значительно снизить потери, обусловленные утечкой энергии в опору резонатора, находящуюся в центре диска, а с другой стороны, обеспечить высокую чувствительность параметров резонатора, таких как собственная частота и добротность, к состоянию поверхности диска, что важно для создания разнообразных сенсоров. Высокодобротные дисковые резонаторы, изготовленные из монокристаллического кремния, позволили исследовать различные механизмы потерь на одном образце резонатора, используя различные моды колебаний. Кроме того, был экспериментально измерен коэффициент нелинейности для этих мод, имеющий геометрическую природу. Нелинейность важна для многих применений механических резонаторов.

Для электромеханических систем важно также обеспечить максимальную связь между механической и электрической подсистемами. С этой целью была разработана, рассчитана и экспериментально исследована на примере дисковых резонаторов из кремния электромеханическая система, основанная на параметрическом взаимодействии механической моды колебаний с двумя радиочастотными колебательными контурами, связь между которыми, в свою очередь, могла регулироваться. Такая трехмодовая электромеханическая система позволила существенно увеличить электромеханическую связь, особенно в так называемом режиме с разрешенной боковой полосой, когда частота механических колебаний превышает полосу частот радиочастотных контуров. При этом в зависимости от настройки последних была реализована как регенерация, так и демпфирование колебаний механической моды.

Результаты исследований опубликованы в статьях A.V. Dmitriev, D.S. Gritsenko, V.P. Mitrofanov,  "Surface vibrational modes in disk-shaped resonators", Ultrasonics 54, 905 (2014), A.V. Dmitriev, D.S. Gritsenko, V.P. Mitrofanov,  "Non-axisymmetric flexural vibrations of free-edge circular silicon wafers", Phys. Lett. A378, 673 (2014), A.V. Dmitriev, V.P. Mitrofanov, "Enhanced interaction between a mechanical oscillator and two coupled resonant electrical circuits", Rev. Sci. Instr. 85, 085005 (2014).