压电圆盘谐振器的设计旨在转换特定的轮廓模体声波（BAW）共振形状。利用铋镁铌酸铅-钛酸铅（PMN-PT）薄膜的独特特性，通过激光多普勒振动测量法对微加工制备的圆盘谐振器进行了表征。PMN-PT是一种铁电材料，以其压电和电致伸缩特性而著称。 通过可视化面内位移分布曲线，展示了轮廓模共振形状，特别是切向模和酒杯模族。这些轮廓模形状对于生物传感、射频和旋转传感应用具有重要意义。
压电MEMS器件广泛应用于从生物传感到手机中射频滤波器等众多领域。利用压电效应诱导的声波共振行为，使这些应用成为可能，特别是在传感领域。具有各种几何形状的体声波（BAW）和表面声波（SAW）谐振器已被证明具有工作稳定且微加工技术简单的优势。
在体声波（BAW）谐振器家族中，轮廓模在需要在同一芯片上实现多种模式或频率的应用中尤为具有吸引力，因为器件的谐振频率由谐振器的横向几何形状决定。盘状谐振器产生了一些最有趣的模态形状，特别适用于射频滤波、导航和生物传感应用。
例如，切向模式共振是一种等容模式：这意味着在共振过程中，谐振体的总体积保持不变。这种纯粹类似剪切旋转的模态形状被应用于生物传感领域，因为它产生的位移完全与流体流动方向平行。然而，使用已知的传统压电材料，无法通过直接压电效应将这种模态形状转换为电信号。
如何描述这种“电容器鸣响”现象？设计工程师应如何为特定应用选择合适的电容器，并调整电路板布局以避免出现电容器鸣响的情况？传统麦克风虽能测量声压级（SPL），但缺乏空间分辨率，因此无法识别肇事者（即导致PCB鸣响的电容器）。 “唱歌”电容器的振动振幅非常小。即使是亚纳米级的位移，也会导致PCB产生足够强烈的振动，从而影响消费者的音频体验。
另一种有趣的模态形状是“酒杯”模态共振，其模态形状由径向和切向位移共同构成。虽然可以通过使用与圆盘谐振器应变分布部分匹配的分段电极（图1）来转换该模态，但不可避免的对准误差会导致出现杂散模态。
本研究表明，如图2所示，仅需一个覆盖整个圆盘表面的单电极，即可直接转换切向模和酒杯模族。因此，在实现与目标模态高效耦合的同时，完全消除了对准误差的影响。
利用铅铌镁-铅钛酸盐（PMN-PT）薄膜的独特特性，实现了对这些模态的转换。该单晶材料经过特定切割后，其面内压电系数符号相反，从而导致面内位移方向相反。
实验装置
微加工盘形谐振器固定在扇出式PCB上，并通过线焊与Polytec MSA-100-3D建立电气连接。该振动计可提供平面内和平面外方向的振动信息。通过扫描电激励模式，并使用PSV Software 对模态形状进行分析。
PSV Software 支持根据目标频率定制具有可变空间分辨率的测量点网格。对半径范围为20 µm至60 µm的圆盘进行扫描时，采用等间距的笛卡尔坐标网格，以避免空间和几何偏差以及混叠现象。
图3展示了实验装置。图4展示了器件的整体结构及扫描网格。在此特定测试中，共采集了1,085个位置的测量数据。
为了增强检测面内位移所需的漫反射，在圆盘的顶部电极上集成了光刻胶图案。图5a显示了所测试的圆盘谐振器，而图5b则展示了用于增强后向散射光的表面改性细节特写。
结果
葡萄酒杯模式共振（8.42 MHz）的特征表现为：当施加1 V输入电压幅值时，半径为60 µm的圆盘谐振器上探针端位移为11.46 nm。同一器件在1 V激励下还表现出282 kHz的切向共振，其旋转速率为40 °/s。在两种共振模式下，均观察到位移特性与施加电压之间呈线性关系。
结论与展望
由于PMN-PT材料具有独特的材料特性，仅使用单个电极即可激发切向模态和酒杯模态。单电极设计使电极能够自动对准共振体，从而消除了对准偏差问题。通过激光多普勒振动测量技术对微加工圆盘进行了表征，验证了这些轮廓模态。
该致动器的自对准特性对于无正交误差的陀螺仪以及无TED效应的切向模式振荡器具有吸引力。切向模式的角速度值及其与施加信号振幅的线性关系表明，该圆盘谐振器可作为微型速率台，用于陀螺仪的现场比例因子校准。 因此，该技术为配备内置初级校准阶段的BAW MEMS陀螺仪提供了关键构建模块。
背景信息
- 轮廓模：轮廓模通常出现在几何形状明确的结构中，振动沿结构的轮廓或周长发生。圆柱体、圆盘及其他曲面形状更容易表现出轮廓模，因为它们具有连续的曲线或轮廓，粒子可沿其振动。本文讨论的圆盘谐振器就是一种典型的表现出轮廓模的结构。
- 电致形变：在电磁学中，电致形变是所有电绝缘体（或介电体）的一种特性，它使这些材料在电场作用下发生形状变化。相关的压电效应仅发生在特定类别的介电体中。 电致伸缩适用于所有晶体对称性，而压电效应仅适用于20种压电点群。电致伸缩是一种二次效应，而压电效应则是一种线性效应。
- 压电效应：压电效应 是指某些材料在受到机械应力或压力时产生电荷，反之，当施加电场时，这些材料会发生机械变形的现象。 压电材料是指其晶体学单位胞中不存在对称中心的材料。因此，当晶体受到应力作用时，离子会发生位移，导致正负电荷中心分离。这使得材料能够在机械能（应力）与电能（电荷）之间双向转换。
- 铁电性：铁电性是某些材料所表现出的特性，即这些材料会呈现自发电极化，且该电极化可通过施加外电场予以逆转。铁电材料是压电材料的一个子集。
