欲將微機電系統作為感測平台使用，其靈敏度與驅動電訊號大小等議題就顯得相當重要，目前也已有許多新穎的方式被提出用來改善元件的感測靈敏度，如結構改良與引入非線性操作等。在各式非線性振動行為中，機械頻率梳(mechanical frequency comb)因具有提高微機電系統效能的潛力，近年來受到廣泛研究，並應用在各場域中，如增加獵能器的能量汲取效率，或是達到頻率倍增的效果。事實上，機械頻率梳產生的機制不只一種，其中包括由內共振現象所誘發的頻率梳，代表任意兩振動模態之間發生持續性的能量交換。圖一(a)為內共振現象示意圖，當兩振動模態的自然頻率為整數比關係時，系統將從單自由度的諧振運動變為耦合運動，進而使得振動能量在兩模態之間轉移，在時域及頻域上即可觀察到拍頻與頻率梳。本研究基於商用CMOS-MEMS製程平台建構非均勻兩端固定樑，設計其第一模態與第三模態的共振頻率分別在1.3428 MHz與8.0568 MHz，產生由1:6內共振現象所誘發之頻率梳，利用頻率梳間距隨著溫度改變而改變的機制作為感測指標以達成超高靈敏度，如圖一(b)。圖二為元件的掃描式電子顯微鏡照片，可觀察到元件凹凸的表面形貌。感測元件利用鎖相放大器進行訊號輸出與收取，同時使用訊號分析儀觀察頻率梳隨著溫度的變化。圖三(a)為使用鎖相放大器進行反向掃描的頻譜響應結果，可在約1.35 MHz處觀察到訊號強度下降的區間，代表發生內共振現象，在此區間內即可觀察到頻率梳出現。圖三(b)為固定驅動頻率在1.338 MHz時，頻率梳間距隨著溫度變化而改變的結果。圖四將此一變化結果繪製成頻率溫度係數，並比較一般元件的共振頻率對溫度的相依關係，可發現頻率溫度係數從-637 ppm/°C變為-15,614 ppm/°C，增強了24.5倍。本研究顯示，操作微機電元件的非線性特性，使其產生頻率梳，將具有開發超高靈敏度感測器的潛力。本研究成果將於2023年1月德國慕尼黑微機電領域指標型國際會議IEEE MEMS進行口頭發表(錄取率約10%)。（應力所李尉彰教授提供） 圖一 內共振現象與頻率梳示意圖 圖二 非均勻兩端固定樑掃描式電子顯微鏡照片 圖三 頻譜響應與頻率梳間距隨著溫度變化之結果 圖四 頻率溫度係數比較
欲將微機電系統作為感測平台使用，其靈敏度與驅動電訊號大小等議題就顯得相當重要，目前也已有許多新穎的方式被提出用來改善元件的感測靈敏度，如結構改良與引入非線性操作等。在各式非線性振動行為中，機械頻率梳(mechanical frequency comb)因具有提高微機電系統效能的潛力，近年來受到廣泛研究，並應用在各場域中，如增加獵能器的能量汲取效率，或是達到頻率倍增的效果。事實上，機械頻率梳產生的機制不只一種，其中包括由內共振現象所誘發的頻率梳，代表任意兩振動模態之間發生持續性的能量交換。圖一(a)為內共振現象示意圖，當兩振動模態的自然頻率為整數比關係時，系統將從單自由度的諧振運動變為耦合運動，進而使得振動能量在兩模態之間轉移，在時域及頻域上即可觀察到拍頻與頻率梳。本研究基於商用CMOS-MEMS製程平台建構非均勻兩端固定樑，設計其第一模態與第三模態的共振頻率分別在1.3428 MHz與8.0568 MHz，產生由1:6內共振現象所誘發之頻率梳，利用頻率梳間距隨著溫度改變而改變的機制作為感測指標以達成超高靈敏度，如圖一(b)。圖二為元件的掃描式電子顯微鏡照片，可觀察到元件凹凸的表面形貌。感測元件利用鎖相放大器進行訊號輸出與收取，同時使用訊號分析儀觀察頻率梳隨著溫度的變化。圖三(a)為使用鎖相放大器進行反向掃描的頻譜響應結果，可在約1.35 MHz處觀察到訊號強度下降的區間，代表發生內共振現象，在此區間內即可觀察到頻率梳出現。圖三(b)為固定驅動頻率在1.338 MHz時，頻率梳間距隨著溫度變化而改變的結果。圖四將此一變化結果繪製成頻率溫度係數，並比較一般元件的共振頻率對溫度的相依關係，可發現頻率溫度係數從-637 ppm/°C變為-15,614 ppm/°C，增強了24.5倍。本研究顯示，操作微機電元件的非線性特性，使其產生頻率梳，將具有開發超高靈敏度感測器的潛力。本研究成果將於2023年1月德國慕尼黑微機電領域指標型國際會議IEEE MEMS進行口頭發表(錄取率約10%)。（應力所李尉彰教授提供）
圖一 內共振現象與頻率梳示意圖
圖二 非均勻兩端固定樑掃描式電子顯微鏡照片
圖三 頻譜響應與頻率梳間距隨著溫度變化之結果
圖四 頻率溫度係數比較