多频段、多模式通信系统需要高精度、多频率可调、稳定可靠的时钟器件作为系统的频率参考源，这类器件直接影响了无线通信的整体性能。MEMS谐振器作为时钟器件应用于通信技术，具有高可靠性、高稳定性、低功耗等优点，特别是可调谐MEMS谐振器在具备单频谐振器的特点之外，还具有多频率、多模态可切换的特点。此外，谐振器还能够用于制作多波段滤波器、传感器、开关等器件，在射频（RF）通信、无线传感等领域中起到重要作用。
据麦姆斯咨询报道，北京化工大学的科研团队全面综述了MEMS谐振器调谐工作的主要原理，介绍了4种主要的调谐机理以及对应的研究成果，根据其工作方式的不同，对4种调谐机理的优缺点进行分析，最后阐述了目前可调谐MEMS谐振器的主要应用领。相关研究内容以“可切换/可调谐MEMS谐振器综述”为题发表在《传感器与微系统》期刊上。
工作原理
电参数调谐是指通过改变电路结构或元器件电参数来实现谐振器等效电路参数的改变，进而影响谐振频率。通常对谐振器等效电路的分析常采用巴特沃斯范戴克（BVD）模型。最简单的双端口压电谐振器模型电路如图1（a）所示。
图1 谐振器等效电路与模型示意
根据材料的热膨胀属性，焦耳热的产生会引起器件结构热膨胀，且杨氏模量对温度具有依赖性，器件结构的刚度会受到温度变化的影响。这些因素会导致器件结构内应力发生变化或内部声波相速度传播受到影响等。但一般温度调谐原理因谐振器类型、器件形状和材料结构而有所不同。
可切换/可调谐原则
括相变材（PCM）是指当外界条件发生变化时物质状态发生改变，并吸收或释放能量的一类材料。目前广泛使用的PCM主要有碲化锗（Ge₅₀Te₅₀）、钛酸锶钡（BST）、钛酸钡（BaTiO₃）等，基于这类材料的调谐机制在于当有外部条件（如光、电、热源）作用时，PCM将释放或吸收足够的能量，使材料发生相变，电导率也随之发生变化，进而改变谐振并控制信号。一种Ge₅₀Te₅₀ PCM开关以及与压电氮化铝（AIN）谐振器进行单片集成，如图2（a）所示。利用VO₂的相变特性，将钽酸锂（LiTaO₃）表面声波压电谐振器与VO₂制成的开关进行行单片集成，以实现声谐振的状态切换（如图２（b））。尽管PCM调谐具有操作方便等优势，但在谐振器的制作过程中，PCM薄膜的制备存在一定困难，使得该方法在实现商业化应用的进程中也存在较大的阻碍。
图2 2种不同PCM调谐的谐振
极性切换调谐是指利用一些特殊器件或材料充当可控开关，并集成到设备中以控制不同工作状态之间的切换，或直接改变所施加的电信号极性进行调，一种新型开关机制如图３（a）（Ⅰ）。利用极性切换进行调谐的器件工作原理简单，频率调谐便于操作，但由于控制开关的引入，器件的结构变得更为复杂，集成度更高，增加了工艺过程的难度，且调谐能力受开关寿命影响，这些问题只能通过优化工艺流程及发展工艺技术来解。
图3 极性切换谐振器示意
微流道调谐机制的基础在于高Q值谐振下微流道对目标溶液浓度的变化非常敏感，当流道内部溶液浓度或体积发生变化时，有效折射率也会随之变化。若将微流道与谐振结构耦合，器件等效电路将受流道内液体长度影响，当改变流体量时，谐振响应也会发生变化，从而实现频率调谐。一种改变谐振器内部中空通道中液态金属（LM）水平来调谐的方法，所设计的谐振器为TM₀₁₀模态空心圆柱介电谐振器（图4（a））；一种基于微流体体积调节的可调谐同轴谐振器如图4（b）。该调谐方法的优势在于能够以最小的损耗和高品质因数尽可能实现频率调谐，且该调谐技术操作简单、成本低、调谐高效，有望成为设计高性能和宽调谐范围的波导滤波器的解决方。
图4 4种不同微流道调谐器件
当电流通过一个器件结构时，由于焦耳热的产生会引起结构温度的变化，根据几何形状，结构的刚度将增加或降低，进一步会改变器件谐振频率。因此一个非常小的电热电压能够引起谐振频率的显著变化，利用这种原理可以制成基于温度的频率可调谐振器。一种可调谐双端口环形谐振器如图５（a），利用焦耳热效应实现了一种高掺杂SiC双端固支谐振器如图５（b）。
图5 2种温度调谐器件
温度调谐与上述几种调谐方法相比，其能量效率较低，由电热驱动的器件能耗比静电或压电驱动的器件大几个数量级，且受热时间常数限制，当器件的热时间常数远高于过渡过程时间时，器件的响应速度将会受到缓慢的温度变化过程的影响。这些问题可以通过对器件进一步小型化得到一定的缓。
可调谐谐振器应用范围
可调谐谐振器作为一种多频段、宽范围、性能稳定的时钟器件，在逻辑运算器件、微型传感器、高性能滤波器等领域应用广。基于可调谐谐振器制作一种可编程逻辑门如图6（a），该谐振器利用极性切换调谐机制，将方波信号施加到谐振器上，作为逻辑输入并产生频率调制，谐振器工作在双稳态区域的边缘。用一种可切换双模谐振器来制作一种紧凑型可调谐带通滤波器如图6（b）。
图6 可调谐谐振器的多种应用
结论
这项研究简要介绍了电参数调谐原理和温度调谐原理，根据工作方式的不同，阐述了PCM调谐机制、极性开关调谐机制、微流道调谐机制和温度调谐机制，并对四种调谐机制的优缺点进行分析，最后总结了一些可调谐谐振器的应用。由于可调谐MEMS谐振器具有频率可调性、功耗低、与CMOS可集成等优点，在测量传感、无线通信、生物监测、数字电路等领域得到广泛应用，且其作为频率参考器件所独有的特性，对射频通信的发展起到至关重要的推动作用，未来有望成为6G技术实现的一个重要解决方案。但该类谐振器本身具有的非线性动态特性和滞后响应决定了器件的使用上限，噪声影响决定了器件的下限，因此这方面问题是未来要研究并克服的重点内容之。
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2025)01-0006-05
