一種無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件，包括基底、設(shè)置在基底上的第一驅(qū)動電極、第二驅(qū)動電極、感應(yīng)電極、位于同一軸線上的第一扭轉(zhuǎn)支撐梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁，以及由第一扭轉(zhuǎn)支撐梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁共同支撐的扭轉(zhuǎn)平板。扭轉(zhuǎn)平板能夠繞第一扭轉(zhuǎn)支撐梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁所構(gòu)成的扭轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，第一驅(qū)動電極和第二驅(qū)動電極設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線的同一側(cè)，感應(yīng)電極設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線的另一側(cè)，第一扭轉(zhuǎn)支撐梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁的橫向截面積相等。本發(fā)明的微機電諧振器件中，驅(qū)動電極能產(chǎn)生純扭轉(zhuǎn)力矩，純扭轉(zhuǎn)力矩引起純扭轉(zhuǎn)變形，純扭轉(zhuǎn)變形不產(chǎn)生熱彈性阻尼。
【專利說明】一種無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)MEMS領(lǐng)域，涉及一種具有無熱彈性阻尼的扭轉(zhuǎn)式微機電諧振器件。
【背景技術(shù)】
[0002]品質(zhì)因數(shù)是MEMS諧振器件的重要性能指標。對于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。熱彈性阻尼是由于機械結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下發(fā)生壓縮、拉伸，使得體積發(fā)生變化，導(dǎo)致熱量產(chǎn)生并耗散掉，也即諧振器件的振動能量變?yōu)闊崮芎纳⒌簟τ谂まD(zhuǎn)式諧振器件，當前的普遍觀點是:彈性力學(xué)的結(jié)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(zhuǎn)變形不會引起體積發(fā)生變化，所以不會有熱彈性阻尼。但實際上，當前扭轉(zhuǎn)器件的驅(qū)動電極產(chǎn)生的不是純扭轉(zhuǎn)力矩。圖2當前的常用的扭轉(zhuǎn)器件示意圖。由于只有一個驅(qū)動電極，驅(qū)動電極產(chǎn)生的靜電力不僅使扭轉(zhuǎn)支撐梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，而且使扭轉(zhuǎn)支撐梁產(chǎn)生彎曲變形。扭轉(zhuǎn)支撐梁的彎曲變形會導(dǎo)致體積發(fā)生變化，會產(chǎn)生熱彈性阻尼。這也是為什么當前的封裝在真空中的扭轉(zhuǎn)器件，并沒有因為無熱彈性阻尼，而達到應(yīng)有的高品質(zhì)因數(shù)。圖3a和圖3b就分別是支撐梁純扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合變形引起的扭轉(zhuǎn)平板的位置示意圖。工程中，由于驅(qū)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(fā)明內(nèi)容】

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

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明微機電諧振器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為當前常用的扭轉(zhuǎn)器件示意圖。
[0015]圖3a為當前常用的扭轉(zhuǎn)器件的扭轉(zhuǎn)支撐梁發(fā)生純扭轉(zhuǎn)變形引起的扭轉(zhuǎn)平板位置示意圖。
[0016]圖3b為當前常用的扭轉(zhuǎn)器件的扭轉(zhuǎn)支撐梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合變形引起的扭轉(zhuǎn)平板位置圖。
[0017]圖4為本發(fā)明微機電諧振器件的側(cè)視圖。
[0018]圖中有:扭轉(zhuǎn)平板1、第一扭轉(zhuǎn)支撐梁2、第二扭轉(zhuǎn)支撐梁3、基底4、第一驅(qū)動電極
5、第二驅(qū)動電極6、感應(yīng)電極7、驅(qū)動電極8。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合實施例和說明書附圖來進一步說明本發(fā)明技術(shù)方案。
[0020]本發(fā)明的無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件，包括基底4、設(shè)置在基底4上的第一驅(qū)動電極5、第二驅(qū)動電極6、感應(yīng)電極7、位于同一軸線上的第一扭轉(zhuǎn)支撐梁2和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁3，以及由第一扭轉(zhuǎn)支撐梁2和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁3共同支撐的扭轉(zhuǎn)平板I。第一扭轉(zhuǎn)支撐梁2和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁3所在的共同軸線構(gòu)成扭轉(zhuǎn)軸線，扭轉(zhuǎn)平板I能夠繞扭轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。第一驅(qū)動電極5和第二驅(qū)動電極6設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線的同一側(cè)，感應(yīng)電極7設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線的另一側(cè)，第一扭轉(zhuǎn)支撐梁2和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁3的橫向截面積相等。第一驅(qū)動電極5、第二驅(qū)動電極6和感應(yīng)電極7均位于扭轉(zhuǎn)平板I的下方，與扭轉(zhuǎn)平板I間隔設(shè)置，且均不與第一扭轉(zhuǎn)支撐梁2和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁3連接。第一驅(qū)動電極5設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線與第二驅(qū)動電極6之間，第一驅(qū)動電極5相對扭轉(zhuǎn)軸的力臂長度小于是第二驅(qū)動電極6相對扭轉(zhuǎn)軸的力臂長度。本發(fā)明中，第一扭轉(zhuǎn)支撐梁2、第二扭轉(zhuǎn)支撐梁3、第一驅(qū)動電極5、第二驅(qū)動電極6和扭轉(zhuǎn)平板I共同構(gòu)成了無熱彈性阻尼結(jié)構(gòu)。[0021]圖3a是當前的器件擬產(chǎn)生的理想變形(支撐梁的純扭轉(zhuǎn)變形時，扭轉(zhuǎn)平板I的位置)。但是，當前的器件只有一個驅(qū)動電極8，無法產(chǎn)生純扭轉(zhuǎn)力矩，靜電力還導(dǎo)致支撐梁彎曲變形。所以真實的變形是:支撐梁產(chǎn)生彎曲-扭轉(zhuǎn)耦合變形。圖3b是支撐梁產(chǎn)生彎曲-扭轉(zhuǎn)耦合變形時，扭轉(zhuǎn)平板I的位置。
[0022]如圖1和圖4，本發(fā)明的器件采用了兩個面積相同的驅(qū)動電極:第一驅(qū)動電極5和第二驅(qū)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(qū)動電極5和第二驅(qū)動電極6產(chǎn)生的靜電力大小相等，方向相反，相互抵消，支撐梁不會產(chǎn)生彎曲變形。但第一驅(qū)動電極5和第二驅(qū)動電極6產(chǎn)生的驅(qū)動力矩不同，所以最后的合力矩是純扭轉(zhuǎn)力矩，扭轉(zhuǎn)支撐梁只有扭轉(zhuǎn)變形。
[0023]另外，如果不要求兩個驅(qū)動電極面積相同，那么為了產(chǎn)生大小相等的靜電力，第一驅(qū)動電極5和第二驅(qū)動電極6的驅(qū)動電壓必須不一樣。這樣要求增加電壓大小轉(zhuǎn)換裝置，使器件復(fù)雜化。只有第一驅(qū)動電極5和第二驅(qū)動電極6面積相同，驅(qū)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(quán)利要求】
1.一種無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件，其特征在于，該器件包括基底(4)、設(shè)置在所述基底(4)上的第一驅(qū)動電極(5)、第二驅(qū)動電極(6)、感應(yīng)電極(7)、位于同一軸線上的第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(2 )和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(3 )，以及由所述第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(2 )和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(3 )共同支撐的扭轉(zhuǎn)平板(I)，所述扭轉(zhuǎn)平板(I)能夠繞第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(2 )和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(3)所構(gòu)成的扭轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述第一驅(qū)動電極(5)和第二驅(qū)動電極(6)設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線的同一側(cè)，所述感應(yīng)電極(7)設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線的另一側(cè)，所述第一扭轉(zhuǎn)支撐梁(2)和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁(3)的橫向截面積相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件，其特征在于，所述第一驅(qū)動電極(5)、第二驅(qū)動電極(6)和感應(yīng)電極(7)均位于扭轉(zhuǎn)平板(I)的下方，與扭轉(zhuǎn)平板(I)間隔設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件，其特征在于，所述第一驅(qū)動電極(5)設(shè)置在扭轉(zhuǎn)軸線與第二驅(qū)動電極(6)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無熱彈性阻尼扭轉(zhuǎn)微機電諧振器件，其特征在于，施加在第一驅(qū)動電極(5)上的電壓與第二驅(qū)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(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】李普, 方玉明, 臺永鵬 申請人:東南大學(xué)