微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器的製造方法
2023-06-04 13:57:01 1
微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器，包括：襯底，以及設置於襯底上的振動結構和驅動結構；其中，驅動結構用於驅動微機械諧振器的振動結構往復運動，並在振動結構往復運動的同時，生成作用在振動結構上、且促進振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在振動結構上、且制約振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消，進而控制微機械諧振器工作在其固有頻率，提高了微機械諧振器工作時的穩定性。
【專利說明】微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器
【技術領域】
[0001]本發明涉及諧振器【技術領域】，更為具體的說，涉及一種微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器。
【背景技術】
[0002]微機電系統(Micro Electro Mechanical System, MEMS)技術是集傳感器、計算機、激勵、控制、通信、能耗等技術為一體，在設計和製作過程中又必須考慮結合微機械加工技術、集成電路製作技術、電子控制、熱力學效應、流通效應、磁場、光學效應等，近年來MEMS技術發展很快。
[0003]作為MEMS技術的一部分，微機械諧振器的設計和研究是很有必要的，其特點是可以作為晶體振蕩器的替代物，與微電路集成在一個晶片上，並可以直接輸出頻率的變化，便於和數字處理期間接口等，因此應用前景十分廣泛。
[0004]微機械諧振器主要分為靜電驅動、壓電驅動、磁驅動等幾種驅動方式，現有的壓電驅動的微機械諧振器中，只要靜電力作用在振動結構上，就會對整個振動結構的剛度造成影響，這種現象稱為靜電彈簧軟化效應(electro-static spring softening)和靜電彈簧硬化效應(electro-static spring hardening),分別對應造成振動結構剛度的降低和增力口，進而會改變諧振器工作頻率，導致諧振器性能產生額外的漂移。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，本發明提供了一種微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器，降低了微機械諧振器的工作頻率漂移情況，使微機械諧振器的工作頻率保持穩定。
[0006]下面為本發明提供的技術方案:
[0007]一種微機械諧振器的振動控制方法，包括:
[0008]對所述微機械諧振器上電，驅動所述微機械諧振器的振動結構往復運動；
[0009]且在所述振動結構往復運動的同時，生成作用在所述振動結構上、且促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在所述振動結構上、且制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得所述振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消。
[0010]優選的，所述促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力為:
[0011]通過一個電容電極生成的、且沿所述振動結構運動方向或沿與所述振動結構運動方向相交於第一預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0012]通過多個電容電極生成的、且均沿所述振動結構運動方向或均沿與所述振動結構運動方向相交於各自的第二預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。
[0013]優選的，所述制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力為:
[0014]通過一個電容電極生成的、且沿與所述振動結構運動方向相交於第三預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0015]通過多個電容電極生成的、且均沿與所述振動結構運動方向相交在各自的第四預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。
[0016]—種微機械諧振器,包括:
[0017]襯底，以及設置於所述襯底上的振動結構和驅動結構；
[0018]其中，所述驅動結構用於驅動所述微機械諧振器的振動結構往復運動，並在所述振動結構往復運動的同時，生成作用在所述振動結構上、且促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在所述振動結構上、且制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得所述振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消。
[0019]優選的,所述驅動結構包括:
[0020]至少一個第一電容電極和至少一個第二電容電極，其中，
[0021]所述第一電容電極和第二電容電極用於驅動所述振動結構往復運動，且所述促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力為:
[0022]通過一個所述第一電容電極生成的、且沿所述振動結構運動方向或沿與所述振動結構運動方向相交於第一預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0023]通過多個所述第二電容電極生成的、且均沿所述振動結構運動方向或均沿與所述振動結構運動方向相交於各自的第二預設角度的方向上的多個子靜電力的合力；
[0024]以及，所述制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力為:
[0025]通過一個所述第二電容電極生成的、且沿與所述振動結構運動方向相交於第三預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0026]通過多個所述第二電容電極生成的、且均沿與所述振動結構運動方向相交在各自的第四預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。
[0027]優選的，所述振動結構包括:
[0028]活動質量塊；
[0029]分別設置於所述活動質量塊兩側的第一可動梳齒和第二可動梳齒；
[0030]以及，固定於所述襯底上、且沿所述活動質量塊的延伸方向上，分別與所述活動質量塊的兩端固定連接的第一彈性支撐梁和第二彈性支撐梁，且所述第一彈性支撐梁和第二彈性支撐梁使所述活動質量塊、第一可動梳齒和第二可動梳齒與所述襯底之間有間隙。
[0031]優選的，所述第一電容電極包括:
[0032]固定於所述襯底上的第一固定梳齒和第二固定梳齒；
[0033]所述第一固定梳齒與第一可動梳齒對應伸入，所述第二固定梳齒與第二可動梳齒對應伸入；
[0034]其中，所述固定梳齒的任意一梳齒與所述可動梳齒無接觸部位，所述可動梳齒的任意一梳齒與所述固定梳齒無接觸部位。
[0035]優選的，所述第一固定梳齒的梳齒之間和第二固定梳齒的梳齒之間具有高度差。
[0036]優選的，所述第一固定梳齒、第二固定梳齒、第一可動梳齒和第二可動梳齒的梳齒均為矩形梳齒。
[0037]優選的，所述第二電容電極為平板電容電極，所述平板電容電極包括:
[0038]固定於所述襯底上、且設置於所述活動質量塊兩側的第一極板和第二極板，所述第一極板和第二極板與活動質量塊有交疊區域。
[0039]與現有技術相比，本發明提供的技術方案具有以下優點:
[0040]本發明提供的一種微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器，包括:襯底，以及設置於所述襯底上的振動結構和驅動結構；其中，所述驅動結構用於驅動所述微機械諧振器的振動結構往復運動，並在所述振動結構往復運動的同時，生成作用在所述振動結構上、且促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在所述振動結構上、且制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得所述振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消。
[0041]由上述內容可知，促進靜電力會使振動結構出現靜電彈簧軟化效應，而制約靜電力會使振動結構出現靜電硬化效應，因此，本發明提供的微機械諧振器，通過在振動結構往復運動的同時，同時生成促進其往復運動的靜電力和制約其往復運動的靜電力，通過調節兩個不同作用的靜電力的大小關係，使得振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消，進而控制微機械諧振器工作在其固有頻率，提高了微機械諧振器工作時的穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
[0043]圖1為本申請實施例提供的一種微機械諧振器的振動控制方法的流程圖；
[0044]圖2為本申請實施例提供的一種微機械諧振器的結構示意圖；
[0045]圖3為圖2中沿AA』方向的切面圖。
【具體實施方式】
[0046]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0047]正如【背景技術】所述，在現有的壓電驅動的微機械諧振器中，只要靜電力作用在振動結構上，就會對整個振動結構的剛度造成影響，這種現象稱為靜電彈簧軟化效應(electro-static spring softening)和靜電彈簧硬化效應(electro-static springhardening),分別對應造成振動結構剛度的降低和增加,進而會改變諧振器工作頻率,導致諧振器性能產生額外的漂移。
[0048]基於此，本申請實施例提供了一種微機械諧振器的振動控制方法和微機械諧振器，結合圖1、圖2和圖3，對本申請實施例提供的微機械諧振器的振動控制方法和微機械諧振器進行詳細說明。
[0049]參考圖1所示，為本申請實施例提供的一種微機械諧振器的振動控制方法的流程圖，其中，方法包括:
[0050]S1、驅動振動結構運動。
[0051 ] 對微機械諧振器上電，驅動微機械諧振器的振動結構往復運動。
[0052]S2、控制微機械諧振器工作在其固有頻率。
[0053]在振動結構往復運動的同時，生成作用在振動結構上、且促進振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在振動結構上、且制約振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消，進而使微機械諧振器工作在其固有頻率，提高了微機械諧振器工作時的穩定性。
[0054]其中，驅動振動結構往復運動的靜電力，可以由生成促進靜電力的結構和/或制約靜電力的結構生成；或者，驅動振動結構往復運動的靜電力由單獨的一結構生成，與生成促進靜電力的結構和生成制約靜電力的結構無關，對此本申請不作具體限制，需要根據實際需要進行具體設計。
[0055]進一步的，本申請實施例提供的促進振動結構的往復運動的促進靜電力為:
[0056]通過一個電容電極生成的、且沿振動結構運動方向或沿與振動結構運動方向相交於第一預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0057]通過多個電容電極生成的、且均沿振動結構運動方向或均沿與振動結構運動方向相交於各自的第二預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。
[0058]以及，制約振動結構的往復運動的制約靜電力為:
[0059]通過一個電容電極生成的、且沿與振動結構運動方向相交於第三預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0060]通過多個電容電極生成的、且均沿與振動結構運動方向相交在各自的第四預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。需要說明的是，本申請對於上述實施例提供的各個預設角度的具體方向和度數大小不作具體限制，需要根據實際應用進行具體設計。
[0061]相對應上述實施例提供的方法，本申請實施例還提供了一種微機械諧振器，其中，微機械諧振器包括:襯底，以及設置於襯底上的振動結構和驅動結構；
[0062]其中，驅動結構用於驅動微機械諧振器的振動結構往復運動，並在振動結構往復運動的同時，生成作用在振動結構上、且促進振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在振動結構上、且制約振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消，進而使微機械諧振器工作在其固有頻率，提高了微機械諧振器工作時的穩定性。
[0063]其中，驅動結構包括:
[0064]至少一個第一電容電極和至少一個第二電容電極，其中，
[0065]第一電容電極和第二電容電極用於驅動振動結構往復運動，且促進振動結構的往復運動的促進靜電力為:
[0066]通過一個第一電容電極生成的、且沿振動結構運動方向或沿與振動結構運動方向相交於第一預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0067]通過多個第二電容電極生成的、且均沿振動結構運動方向或均沿與振動結構運動方向相交於各自的第二預設角度的方向上的多個子靜電力的合力；
[0068]以及，制約振動結構的往復運動的制約靜電力為:
[0069]通過一個第二電容電極生成的、且沿與振動結構運動方向相交於第三預設角度的方向上的靜電力；或者，
[0070]通過多個第二電容電極生成的、且均沿與振動結構運動方向相交在各自的第四預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。需要說明的是，本申請對於上述實施例提供的各個預設角度的具體方向和度數大小不作具體限制，需要根據實際應用進行具體設計。
[0071]具體的，結合圖2和圖3所示，圖2為本申請實施例提供的一種微機械諧振器的結構示意圖，圖3為圖2中沿AA』方向的切面圖。微機械諧振器包括:襯底、振動結構和驅動結構；
[0072]其中，振動結構包括:
[0073]活動質量塊3 ；
[0074]分別設置於活動質量塊3兩側的第一可動梳齒41和第二可動梳齒42 ；
[0075]以及，固定於襯底I上、且沿活動質量塊3的延伸方向X上，分別與活動質量塊3的兩端固定連接的第一彈性支撐梁51和第二彈性支撐梁52，且第一彈性支撐梁51和第二彈性支撐梁52使活動質量塊3、第一可動梳齒41和第二可動梳齒42與襯底I之間有間隙。
[0076]進一步的，本申請實施例提供的彈性支撐梁:第一彈性支撐梁51包括第一支撐錨點51a和第一彈性元件51b，第一支撐錨點51a固定於襯底I上，第一彈性元件51b的一端與第一支撐錨點51a固定連接，另一端與活動質量塊3固定連接；
[0077]以及，第二彈性支撐梁52包括第二支撐錨點52a和第二彈性元件52b，第二支撐錨點52a固定於襯底I上，第二彈性元件52b的一端與第二支撐錨點52a固定連接，另一端與活動質量塊3固定連接。其中，本申請實施例對於第一彈性元件和第二彈性元件的形狀不做具體限制，優選的，第一彈性元件和第二彈性元件均為轉動彈簧。
[0078]另外，驅動結構包括:
[0079]至少一個第一電容電極和至少一個第二電容電極，其中，
[0080]第一電容電極包括:
[0081]固定於襯底I上的第一固定梳齒21和第二固定梳齒22 ；
[0082]第一固定梳齒21與第一可動梳齒41對應伸入，第二固定梳齒22與第二可動梳齒42對應伸入；
[0083]其中，固定梳齒的任意一梳齒與可動梳齒無接觸部位，可動梳齒的任意一梳齒與固定梳齒無接觸部位。即第一可動梳齒41的任意一梳齒的頂部，與對應第一固定梳齒21的兩個梳齒之間的面無接觸，且第一固定梳齒21的任意一梳齒的頂部，與對應第一可動梳齒41的兩個梳齒之間的面無接觸；
[0084]以及，第二可動梳齒42的任意一梳齒的頂部，與對應第二固定梳齒22的兩個梳齒之間的面無接觸，且第二固定梳齒22的任意一梳齒的頂部，與對應第二可動梳齒42的兩個梳齒之間的面無接觸。
[0085]另外，第一固定梳齒21的梳齒之間和第_■固定梳齒22的梳齒之間具有聞度差。即固定梳齒的相鄰兩個梳齒之間在一面齊平，且其中一梳齒的聞度小於另一梳齒的聞度，且本申請實施例優選的高度低的梳齒的高度大於高度高的梳齒的高度的一半，使得微機械諧振器工作時，可動梳齒的梳齒和對應的固定梳齒的梳齒之間具有電勢差，且固定梳齒的高低梳齒的邊緣電容(即未交疊部分的電容)會產生驅動可動梳齒運動的驅動力，即驅動振動結構往復運動的驅動力；同時，由兩個梳齒的交疊區域產生的靜電力與振動結構的運動方向相切，制約振動結構做往復運動，即產生了制約靜電力，並且由於固定梳齒中高度低的梳齒的聞度大於聞度聞的梳齒的聞度的一半，即兩梳齒之間交置面積大，因此制約靜電力大於高低梳齒的邊緣電容產生驅動可動梳齒運動的驅動力(即促進靜電力)，因而第一電容電極對振動結構的影響主要體現在靜電彈簧硬化效應。
[0086]第二電容電極為平板電容電極，第二電容電極包括:
[0087]固定於襯底I上、且設置於活動質量塊3兩側的第一極板61和第二極板62,第一極板61和第二極板62與活動質量塊3有交疊區域，即活動質量塊3伸入至第一極板61和第二極板62之間。
[0088]其中，第一極板和第二極板組成了第二電容電極，當對微機械諧振器上電後，活動質量塊分別和第一極板與第二極板之間具有電勢差，當振動結構做往復運動時，活動質量塊會出現接近一極板，而遠離另一極板的情況。具體為活動質量塊與接近的極板之間靜電力大於與遠離的極板之間靜電力、且活動質量塊與接近的極板之間靜電力方向與活動質量塊運動方向相同，故第二電容電極對振動結構的影響主要體現在靜電彈簧硬化效應。
[0089]因此，通過合理的設計調整第一電容電極和第二電容電極的結構，以調整兩個電容電極最終表現的靜電力(即第一電容電極對應的制約靜電力和第二電容電極對應的促進靜電力)的大小，最終可使得靜電彈簧硬化產生的頻率偏移和靜電彈簧軟化產生的頻率偏移之間相互抵消，以控制微機械諧振器工作在其固有頻率，提高了微機械諧振器工作時的穩定性。
[0090]本申請實施例提供的一種微機械諧振器的振動控制方法及微機械諧振器，包括:襯底，以及設置於所述襯底上的振動結構和驅動結構；其中，所述驅動結構用於驅動所述微機械諧振器的振動結構往復運動，並在所述振動結構往復運動的同時，生成作用在所述振動結構上、且促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在所述振動結構上、且制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得所述振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消。
[0091]由上述內容可知，促進靜電力會使振動結構出現靜電彈簧軟化效應，而制約靜電力會使振動結構出現靜電硬化效應，因此，本申請實施例提供的微機械諧振器，通過在振動結構往復運動的同時，同時生成促進其往復運動的靜電力和制約其往復運動的靜電力，通過調節兩個不同作用的靜電力的大小關係，使得振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消，進而控制微機械諧振器工作在其固有頻率，提高了微機械諧振器工作時的穩定性。
【權利要求】
1.一種微機械諧振器的振動控制方法，其特徵在於，包括: 對所述微機械諧振器上電，驅動所述微機械諧振器的振動結構往復運動； 且在所述振動結構往復運動的同時，生成作用在所述振動結構上、且促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在所述振動結構上、且制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得所述振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消。
2.根據權利要求1所述的微機械諧振器的振動控制方法，其特徵在於，所述促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力為: 通過一個電容電極生成的、且沿所述振動結構運動方向或沿與所述振動結構運動方向相交於第一預設角度的方向上的靜電力；或者， 通過多個電容電極生成的、且均沿所述振動結構運動方向或均沿與所述振動結構運動方向相交於各自的第二預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。
3.根據權利要求1所述的微機械諧振器的振動控制方法，其特徵在於，所述制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力為: 通過一個電容電極生成的、且沿與所述振動結構運動方向相交於第三預設角度的方向上的靜電力；或者， 通過多個電容電極生成的、且均沿與所述振動結構運動方向相交在各自的第四預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。
4.一種微機械諧振器，其特徵在於，包括: 襯底，以及設置於所述襯底上的振動結構和驅動結構； 其中，所述驅動結構用於驅動所述微機械諧振器的振動結構往復運動，並在所述振動結構往復運動的同時，生成作用在所述振動結構上、且促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力，以及生成作用在所述振動結構上、且制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力，以使得所述振動結構在往復運動中由靜電彈簧軟化效應產生的頻率偏移和由靜電彈簧硬化效應產生的頻率偏移之間相互抵消。
5.根據權利要求4所述的微機械諧振器，其特徵在於，所述驅動結構包括: 至少一個第一電容電極和至少一個第二電容電極，其中， 所述第一電容電極和第二電容電極用於驅動所述振動結構往復運動，且所述促進所述振動結構的往復運動的促進靜電力為: 通過一個所述第一電容電極生成的、且沿所述振動結構運動方向或沿與所述振動結構運動方向相交於第一預設角度的方向上的靜電力；或者， 通過多個所述第二電容電極生成的、且均沿所述振動結構運動方向或均沿與所述振動結構運動方向相交於各自的第二預設角度的方向上的多個子靜電力的合力； 以及，所述制約所述振動結構的往復運動的制約靜電力為: 通過一個所述第二電容電極生成的、且沿與所述振動結構運動方向相交於第三預設角度的方向上的靜電力；或者， 通過多個所述第二電容電極生成的、且均沿與所述振動結構運動方向相交在各自的第四預設角度的方向上的多個子靜電力的合力。
6.根據權利要求5所述的微機械諧振器，其特徵在於，所述振動結構包括: 活動質量塊； 分別設置於所述活動質量塊兩側的第一可動梳齒和第二可動梳齒； 以及，固定於所述襯底上、且沿所述活動質量塊的延伸方向上，分別與所述活動質量塊的兩端固定連接的第一彈性支撐梁和第二彈性支撐梁，且所述第一彈性支撐梁和第二彈性支撐梁使所述活動質量塊、第一可動梳齒和第二可動梳齒與所述襯底之間有間隙。
7.根據權利要求6所述的微機械諧振器，其特徵在於，所述第一電容電極包括: 固定於所述襯底上的第一固定梳齒和第二固定梳齒； 所述第一固定梳齒與第一可動梳齒對應伸入，所述第二固定梳齒與第二可動梳齒對應伸入； 其中，所述固定梳齒的任意一梳齒與所述可動梳齒無接觸部位，所述可動梳齒的任意一梳齒與所述固定梳齒無接觸部位。
8.根據權利要求7所述的微機械諧振器，其特徵在於，所述第一固定梳齒的梳齒之間和第_■固定梳齒的梳齒之間具有聞度差。
9.根據權利要求7所述的微機械諧振器，其特徵在於，所述第一固定梳齒、第二固定梳齒、第一可動梳齒和第二可動梳齒的梳齒均為矩形梳齒。
10.根據權利要求6所述的微機械諧振器，其特徵在於，所述第二電容電極為平板電容電極，所述平板電容電極包括: 固定於所述襯底上、且設置於所述活動質量塊兩側的第一極板和第二極板，所述第一極板和第二極板與活動質量塊有交疊區域。
【文檔編號】H03H9/24GK104333344SQ201410528195
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】郭梅寒 申請人:深迪半導體(上海)有限公司