一種無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件的製作方法

2023-10-21 11:48:57

一種無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件的製作方法
【專利摘要】本發明公布了一種無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件，包括基底、設置在基底上的第一驅動電極、第二驅動電極、感應電極、位於同一軸線上的第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁，以及由第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁共同支撐的扭轉平板。扭轉平板能夠繞第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁所構成的扭轉軸線旋轉，第一驅動電極和第二驅動電極設置在扭轉軸線的同一側，感應電極設置在扭轉軸線的另一側，第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁的橫向截面積相等。本發明的微機電諧振器件中，驅動電極能產生純扭轉力矩，純扭轉力矩引起純扭轉變形，純扭轉變形不產生熱彈性阻尼。
【專利說明】一種無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件
【技術領域】
[0001]本文發明屬於微機電系統MEMS領域，涉及一種具有無熱彈性阻尼的扭轉式微機電諧振器件。
【背景技術】
[0002]品質因數是MEMS諧振器件的重要性能指標。對於封裝在真空中的器件，熱彈性阻尼是最重要的能量耗散因素之一。熱彈性阻尼是由於機械結構在應力作用下發生壓縮、拉伸，使得體積發生變化，導致熱量產生並耗散掉，也即諧振器件的振動能量變為熱能耗散掉。對於扭轉式諧振器件，當前的普遍觀點是:彈性力學的結果表明[S.A.Chandorkar, R.N.Candler, A.Duwel, R.Melamud, M.Agarwal, K.Ε.Goodson, Τ.ff.Kenny, Multimodethermoelastic dissipation, Journal of Applied Physics, 105 (2009) 043505.],扭轉變形不會引起體積發生變化，所以不會有熱彈性阻尼。但實際上，當前扭轉器件的驅動電極產生的不是純扭轉力矩。圖2當前的常用的扭轉器件示意圖。由於只有一個驅動電極，驅動電極產生的靜電力不僅使扭轉支撐梁產生扭轉變形，而且使扭轉支撐梁產生彎曲變形。扭轉支撐梁的彎曲變形會導致體積發生變化，會產生熱彈性阻尼。這也是為什麼當前的封裝在真空中的扭轉器件，並沒有因為無熱彈性阻尼，而達到應有的高品質因數。圖3a和圖3b就分別是支撐梁純扭轉變形和扭轉-彎曲耦合變形引起的扭轉平板的位置示意圖。工程中，由於驅動電極面積較大，靜電力相對支撐梁的剛度較大。因此，忽略彎曲變形在很多場合是不正確的。

【發明內容】

[0003]技術問題:本發明提供一種能夠使扭轉支撐梁產生純扭轉變形，而不會產生熱彈性阻尼的無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件。
[0004]技術方案:本發明的無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件，包括基底、設置在基底上的第一驅動電極、第二驅動電極、感應電極、位於同一軸線上的第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁，以及由第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁共同支撐的扭轉平板。扭轉平板能夠繞第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁所構成的扭轉軸線旋轉，第一驅動電極和第二驅動電極設置在扭轉軸線的同一側，感應電極設置在扭轉軸線的另一側，第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁的橫向截面積相等。
[0005]本發明中，第一驅動電極、第二驅動電極和感應電極均位於扭轉平板的下方，與扭轉平板間隔設置。
[0006]本發明中，第一驅動電極設置在扭轉軸線與第二驅動電極之間。
[0007]本發明中，施加在第一驅動電極上的電壓與第二驅動電極上的電壓大小相等，相位相反。
[0008]本發明的無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件中，在扭轉軸的同一側(如圖4所示)，設置兩個面積相同的驅動電極:第一驅動電極和第二驅動電極。第一驅動電極相對轉軸力臂是L1，第二驅動電極的力臂(LJL2)15施加在第一驅動電極和第二驅動電極上電壓大小相等，但相位相反。這樣，第一驅動電極和第二驅動電極產生的靜電力因為大小相等，方向相反，而相互抵消，但第二驅動電極產生的靜電力矩大於第一驅動電極產生的靜電力矩。所以，扭轉支撐梁僅受純扭轉力矩作用，不會發生彎曲變形。此外，為了能產生大的純扭轉力矩，設計時應使L1儘量小些，L2儘量大些。
[0009]需要特別指出的是:兩個驅動電極也可以關於轉軸對稱設置。這樣同樣能產生純扭轉力矩。但是，驅動電極與感應電極在同一側，將嚴重影響感應電極的位置設置。為了高的靈敏度，感應電極面積一般都較大。布置在同一側將有較大困難。
[0010]有益效果:本發明與現有技術相比，具有以下優點:
[0011]當前的器件只有一個驅動電極，無法產生純扭轉力矩，會導致扭轉支撐梁產生彎曲-扭轉耦合變形。彎曲變形會導致熱彈性阻尼產生。
[0012]本發明的器件採用了兩個面積相同驅動電極，分別施加大小相等但相位相反的電壓，能產生純扭轉力矩，靜電驅動力卻可以相互抵消。這樣，扭轉支撐梁只發生扭轉變形。不會產生熱彈性阻尼。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明微機電諧振器件的結構示意圖。
[0014]圖2為當前常用的扭轉器件示意圖。
[0015]圖3a為當前常用的扭轉器件的扭轉支撐梁發生純扭轉變形引起的扭轉平板位置示意圖。
[0016]圖3b為當前常用的扭轉器件的扭轉支撐梁發生扭轉-彎曲耦合變形引起的扭轉平板位置圖。
[0017]圖4為本發明微機電諧振器件的側視圖。
[0018]圖中有:扭轉平板1、第一扭轉支撐梁2、第二扭轉支撐梁3、基底4、第一驅動電極
5、第二驅動電極6、感應電極7、驅動電極8。
【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例和說明書附圖來進一步說明本發明技術方案。
[0020]本發明的無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件，包括基底4、設置在基底4上的第一驅動電極5、第二驅動電極6、感應電極7、位於同一軸線上的第一扭轉支撐梁2和第二扭轉支撐梁3，以及由第一扭轉支撐梁2和第二扭轉支撐梁3共同支撐的扭轉平板I。第一扭轉支撐梁2和第二扭轉支撐梁3所在的共同軸線構成扭轉軸線，扭轉平板I能夠繞扭轉軸線旋轉。第一驅動電極5和第二驅動電極6設置在扭轉軸線的同一側，感應電極7設置在扭轉軸線的另一側，第一扭轉支撐梁2和第二扭轉支撐梁3的橫向截面積相等。第一驅動電極5、第二驅動電極6和感應電極7均位於扭轉平板I的下方，與扭轉平板I間隔設置，且均不與第一扭轉支撐梁2和第二扭轉支撐梁3連接。第一驅動電極5設置在扭轉軸線與第二驅動電極6之間，第一驅動電極5相對扭轉軸的力臂長度小於是第二驅動電極6相對扭轉軸的力臂長度。本發明中，第一扭轉支撐梁2、第二扭轉支撐梁3、第一驅動電極5、第二驅動電極6和扭轉平板I共同構成了無熱彈性阻尼結構。[0021]圖3a是當前的器件擬產生的理想變形(支撐梁的純扭轉變形時，扭轉平板I的位置)。但是，當前的器件只有一個驅動電極8，無法產生純扭轉力矩，靜電力還導致支撐梁彎曲變形。所以真實的變形是:支撐梁產生彎曲-扭轉耦合變形。圖3b是支撐梁產生彎曲-扭轉耦合變形時，扭轉平板I的位置。
[0022]如圖1和圖4，本發明的器件採用了兩個面積相同的驅動電極:第一驅動電極5和第二驅動電極6，分別施加大小相等但相位相反的電壓。這樣第一驅動電極5和第二驅動電極6產生的靜電力大小相等，方向相反，相互抵消，支撐梁不會產生彎曲變形。但第一驅動電極5和第二驅動電極6產生的驅動力矩不同，所以最後的合力矩是純扭轉力矩，扭轉支撐梁只有扭轉變形。
[0023]另外，如果不要求兩個驅動電極面積相同，那麼為了產生大小相等的靜電力，第一驅動電極5和第二驅動電極6的驅動電壓必須不一樣。這樣要求增加電壓大小轉換裝置，使器件複雜化。只有第一驅動電極5和第二驅動電極6面積相同，驅動電壓大小一樣，只需反相即可，靜電力就可相互抵消。反相是非常容易的。
【權利要求】
1.一種無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件，其特徵在於，該器件包括基底(4)、設置在所述基底(4)上的第一驅動電極(5)、第二驅動電極(6)、感應電極(7)、位於同一軸線上的第一扭轉支撐梁(2 )和第二扭轉支撐梁(3 )，以及由所述第一扭轉支撐梁(2 )和第二扭轉支撐梁(3 )共同支撐的扭轉平板(I)，所述扭轉平板(I)能夠繞第一扭轉支撐梁(2 )和第二扭轉支撐梁(3)所構成的扭轉軸線旋轉，所述第一驅動電極(5)和第二驅動電極(6)設置在扭轉軸線的同一側，所述感應電極(7)設置在扭轉軸線的另一側，所述第一扭轉支撐梁(2)和第二扭轉支撐梁(3)的橫向截面積相等。
2.根據權利要求書I所述的無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件，其特徵在於，所述第一驅動電極(5)、第二驅動電極(6)和感應電極(7)均位於扭轉平板(I)的下方，與扭轉平板(I)間隔設置。
3.根據權利要求1或2所述的無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件，其特徵在於，所述第一驅動電極(5)設置在扭轉軸線與第二驅動電極(6)之間。
4.根據權利要求1或2所述的無熱彈性阻尼扭轉微機電諧振器件，其特徵在於，施加在第一驅動電極(5)上的電壓與第二驅動電極(6)上的電壓大小相等，相位相反。
【文檔編號】H03H9/24GK103762957SQ201410001061
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】李普, 方玉明, 臺永鵬 申請人:東南大學