北科大新闻网11月24日电（通讯员 张泽华）近日，数理学院闻小龙副教授团队在英国自然出版集团（Nature）的《Microsystems & Nanoengineering》期刊发表重要研究性论文，该期刊为仪器仪表领域顶级期刊，最新影响因子为9.9，仪器仪表领域全球排名第一，学校为论文第一单位和第一通讯单位。

随着高性能微机电系统（MEMS）在惯性导航、精密测量及智能传感等领域的广泛应用，传感器灵敏度、测量范围与稳定性间的矛盾日益突出。传统MEMS传感器在追求高灵敏检测时往往牺牲测量范围或线性度，难以同时实现“高灵敏—宽量程—高稳定”的协同优化。如何突破这一长期存在的性能瓶颈，成为高端传感技术领域亟待解决的关键科学问题。

闻小龙带领团队与剑桥大学Ashwin Seshia教授、法国FEMTO-ST研究所Najib Kacem副教授合作，发现并证实了一种基于参数调制的非线性耦合MEMS谐振器能量可调传递机制，成功实现了高灵敏度与宽量程兼顾的新传感方案，并用MEMS电场传感器进行了验证。

图1. 采用的MEMS谐振器测试平台示意图

a 弱耦合音叉谐振器的示意图及简化测量电路；使用锁相放大器产生频率为ω_1的交流驱动信号和频率为ω_p的泵浦信号；谐振器1的振幅在ω_1频率处测量，谐振器2的振幅通过是德科技信号分析仪在ω_1+ω_p频率处测量。b 在耦合谐振器系统非线性区域施加参数泵浦的机理示意图。图中展示了各个频率阶段及其对应的模态振型，以及能量传递路径。Mode 1的弯曲分裂形态对应于该频率处机械模式的模式分裂，通过在谐振器1上测量得到。间接激发的Mode 2也通过谐振器1进行测量。右侧图示为无参数调制时，各模态在正向频率扫描下的非线性骨干曲线。c 待研究的MEMS结构彩色光学图像。该器件采用绝缘体上硅MEMS工艺制造，结构层厚度为25μm。

研究以弱耦合双端固支音叉（Double-Ended Tuning Fork, DETF）MEMS谐振器为测试平台，提出了在非线性区间基于红边带参数调制（red-sideband parametric modulation）技术，实现了两个耦合模态之间的能量可控传递与模式分裂（mode splitting），并首次在实验中观察到由强非线性作用引发的虚拟模态耦合（virtual coupling）现象，为MEMS器件中的相干能量操控开辟了新的物理途径。图1展示了该研究所采用的弱耦合双音叉微谐振器结构及其实验测试平台。

图2. 线性参数调制下弱耦合谐振器系统的实验结果与数值模拟

a 在不同泵浦频率下，谐振器1在Mode 1频率附近的三个振幅频率响应谱。所选泵浦频率使得Mode 2的斯托克斯边带分别位于机械Mode 1的左侧、附近及右侧。b 通过不同泵浦信号频率进行多次驱动频率扫描所得的二维渲染热力图。离散样本由OriginLab软件自动渲染完成，图a中的三条谱线位置已标注于热力图中。c 数值模拟得到的对应热力图。其色标与扫描范围均与实验结果保持一致。d–f 一组类似图示，其纵轴为泵浦信号电压。为清晰起见，虽采用相同色标范围，但使用橙色系进行渲染。

该工作在理论上突破性地建立了完整的非线性降阶模型与多尺度理论框架，系统揭示了参数调制引发的声子交换、边带生成以及相干能量转移机制。图2展示了系统在线性工作区下的实验结果，与数值模拟结果高度吻合。在非线性工作状态下，谐振曲线出现明显的双稳态与跳变特征。随着泵浦信号强度的提升，两个混合模态的频率间隔可连续调节，能量在模态之间灵活可控，实现了真正意义上的非线性能量传递。这种“虚拟模态”调控使得能量在不同机械通道间定向传输，为MEMS器件性能提升提供了新的自由度。

研究得到国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划颠覆性技术创新重点专项及中国留学基金委的资助，并获欧洲EIPHI项目支持。

作者简介：

闻小龙，博士，北京科技大学物理系副主任、副教授、硕士生导师。先后在中科院电子所、清华大学微电子所、剑桥大学工程系做博士生、博士后及访问学者。现任北京市弱磁检测及应用工程技术研究中心副主任，国际电工学会（IEC）静电学技术委员会注册专家，全国静电标委会、全国微机电技术标准化技术委员会委员，中国计量测试学会空间计量专业委员会委员，Microsystems & Nanoengineering青年编委等。

从事微型谐振器、静电场传感器及磁场传感器研究，负责了国家重点研发计划课题及子任务、国家自然科学基金重点项目子任务、传感技术联合国家重点实验室基金等科研项目，在MINE、IEEE JMEMS、TIM、Sensors等期刊发表学术论文50余篇，以第一发明人获授权美国发明、欧洲及中国发明专利20余项。参与了多项IEC国际标准、国家标准的制修订工作。成果获得北京市技术发明奖一等奖、传感器全国（国际）创新大赛特等奖（排名第1）、中国科学院成果转化奖一等奖等荣誉。

（摄影：数理学院）

（责编：姜智颖）