CN102762954A - 改进的微机械共振器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种用于微机电(MEMS)共振器的改进的结构。根据本发明的第一方面，按照本发明的共振器结构具有与给定的机械振幅相结合的特征振荡频率，所述共振器结构通过将适于振荡的第一元件(1)以及适于振荡的第二元件(2)锚定在位于该共振器结构的基板的给定点处的锚定点（A），从而进行所述机械振幅的设定，以使得所述第一元件和所述第二元件中的至少一个被配置成相对于所述锚定点(A)同步地振荡，并且该锚定点的位置被选择为基本上位于由所述第一元件(1)以及所述第二元件(2)的尺寸所界定的接头突出部分(1、2)内。

Description

改进的微机械共振器
技术领域
本发明一般涉及微机械共振器的设计，更具体地涉及微电机系统(MEMS)共振器的设计。本发明的目的是提供一种该微电机系统(MEMS)技术的改进的共振器结构，其具有适合在苛刻的条件下、尤其在小规模的应用中以可靠的方式使用的结构。
背景技术
共振器是各种时序及频率基准应用中的关键器件。共振器被致动，以接近其自然、特征共振频率振荡，该共振频率由该共振器或者具有此功能的类似器件的材料、形状及／或特征尺寸所决定。
为了用于基准及时序功能，该操作频率的精确的可控制性／可设置性是必要的。在通常的应用中，频率控制的不准确性允许在1-100ppm(百万分之一)的范围中。这样的ppm级的精确度为制造公差设定了很紧的限制。再者，在最后的调整中额外的机械及／或电微调通常是必要的。
微机械共振器被广泛地用在以MEMS为基础的设备中作为其关键器件。这样的设备的范例可为微陀螺仪、微振动马达、微电机及微波系统。该共振器由静电致动所驱动，以便接近其特征、自然共振频率振荡。
另外，微机械共振器能用作频率基准装置中的基于石英共振器的技术的具体实施方式，从而在特定应用场合中，在微机械共振器能完全地替代基于石英的振荡器技术之前，它们的频率精度必须提高。
微机械共振器是以此类规模所需的方式通过将光刻技术及蚀刻技术结合制造而成，以便提供优于传统的基于石英的共振器技术的优点。然而，该制造工艺能够在待制成的装置的尺寸中造成直至数个百分比的差异。
为了更好地理解现有技术的技术方案相对于本发明的各具体实施例的区别，下面参照图1A与1B：
图1A表示现有技术的共振器的基本结构。
图1B表示现有技术的共振器的集总机械模型。
据此，图1A图示了现有技术中的这种共振器的基本结构。简单的共振器包括弹簧元件(梁件)及长方形质量元件(质量)。该弹簧元件可例如为图1所示的机械式悬臂弹簧(梁件)。
在图1A的简单共振器中，特征共振频率ω0为：
ω 0 = k m - - - ( 1 )
其中，弹簧常数k为
k = Y w 3 h 4 L 3 - - - ( 2 )
图1B说明现有技术的基本共振器的集总模型。其中，Y是该弹簧材料的杨氏模数，w是该弹簧元件的宽度，h是该弹簧元件的高度，且L是该弹簧元件的特征长度。该弹簧元件的宽度w通常为非常小，且由于立方定律的相互关系，该共振频率ω0对于该弹簧元件宽度w的变化是灵敏的。
该共振频率ω0的一阶变化相对于该弹簧元件的宽度的变化为：
Δ ω 0 ω 0 = 3 2 Δw w - - - ( 3 )
其中，Δω0是由该弹簧元件宽度的无穷小的变化Δw所造成的频率的无穷小的变化。在微机械共振器的设计中最显著的问题之一为该共振频率的变动，该变动是由不充分的控制或该共振器结构的机械尺寸中的较差的精确度所造成。
例如，基于方程式3估计，可以看出如果该弹簧元件宽度变动4％，该共振频率亦变动，然而，变动多达6％或60,000ppm。
与此有关，专利公告第WO 2009/092846A1号描述了一种现有技术的方法，该方法用于控制制造精度对与频率变动相关问题的影响。
然而，应当理解的是，在扰动的情形下，作用在共振器上的力通过使该共振器及／或其部件经受加速度而影响其功能。据此，即使该共振器具有坚固的设计，但该共振器结构被变形，且其振荡运动被干扰。强烈扰动力的影响可额外地造成仅仅一端被支撑的长弹簧状结构的宽幅度的运动，从而，它们会在某些条件下碰撞该结构的其他部件，且甚至遭受机械式损坏或干扰用于控制该结构的操作的电信号。为应对此等情况，有必要给电极间的间隙设计防护距离，从而在相对小的结构中必须获得充分高的电容时，该电极间的间隙例如在电容式共振器中会造成问题。在另一方面，获得更高电容的目标可能需要将更多质量加入至弹簧元件，从而例如通过该质量的惯性最终会以不期望的方式影响该共振频率。
发明内容
本发明的目的是为微电机系统(MEMS)共振器提供改进的设计结构，其对于干扰是不灵敏的，又有利于与高电容结合获得小尺寸，且能够用作可靠的频率基准。
根据本发明的第一方面，按照本发明的共振器结构具有与给定的机械振幅相结合的特征振荡频率，所述共振器结构通过将适于振荡的第一元件以及适于振荡的第二元件锚定在位于该共振器结构的基板的给定点处的锚定点，从而进行所述机械振幅的设定，以使得所述第一元件和所述第二元件中的至少一个被配置成相对于所述锚定点同步地振荡，并且该锚定点的位置被选择为基本上位于由所述第一元件以及所述第二元件的尺寸所界定的接头突出部分内。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构包括所述第一元件的一种形式，其包括至少一个支撑梁。该支撑梁能附接至类似于该第一元件的多个其它弹簧元件上，所述多个其它弹簧元件不须具有相同的特征尺寸。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，第一元件包括多个树枝状突起部。这里，每一树枝状突起部可具有各个特征尺寸，该特征尺寸可为其横截面的面积、长度、宽度、厚度及／或质量，各个特征尺寸用于设定该树枝状突起部的各个共振频率及／或设定该第一元件的特征频率。在本发明的具体实施例中，为了用于传感器结构及／或激励框架结构的具体实施例，树枝状突起部亦可在电容应用中用于提供电极区域。这里，通过恰当选择该支撑点，允许使用较小振幅的机械振荡，最终借助于小的电极间间隙可以提供更高的电容，于是亦提供更紧凑的尺寸。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，树枝状突起部包括多个梁状的分支。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，该第一元件及该第二元件的至少一个的特征尺寸被预先设定，以将该机械式特征振荡的频率设定至一给定值。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，在第一元件中，在该多个树枝状突起部中的至少一个树枝状突起部中，至少一个特征尺寸被预先设定，以将该机械式特征振荡的频率设定至一给定值。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构包括具有相同的机械式特征振荡的频率的多个树枝状突起部。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构所包括的多个树枝状突起部的机械式特征振荡的频率按给定的规则被调整为彼此不同。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，树枝状突起部的特征频率借助于该树枝状突起部的机械特征尺寸及／或质量而被预先设定。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，该第一元件及该第二元件的至少某些元件包括梁状的分支，所述梁状的分支借助于不同导向的连接元件而附接至支撑梁。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构包括具有E字形的多个共振器，其中，所述多个共振器的至少一个实现为具有字母形共振器结构。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，所述字母形元件的至少一个具有选自字母A、B、C、E、F、H、I、K、L、M、N、S、T、U、V、W、X、Y、Z的形状。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，该锚定点被选择用于激发在给定机械式尺寸的给定特征频率处的给定谐振机械式振荡。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，该锚定点被选择用于抑制在给定机械式尺寸的给定特征频率处的给定谐振机械式振荡。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构在梁状的分支之间包括按手指交叉布置的梁件，以便提供激发框架结构。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构包括不规则碎片状的结构。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构包括折迭式音叉结构。
根据本发明的具体实施例，按照本发明的第一方面的共振器结构包括T字形结构。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，该第一元件及该第二元件的至少一个被配置成具有弯曲形状。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，该锚定点被选择为使得用以设定该第一元件及该第二元件的特征振荡频率的给定尺寸导致给定的平均音律间隔的频率比。
根据本发明的具体实施例，在按照本发明的第一方面的共振器结构中，该第一元件、第二元件、该树枝状突起部及支撑梁的至少一个的尺寸被具体地设计为，使得共振器的共振频率变化对制造中的尺寸变动的灵敏度、亦即d(Δω0/ω0)/dδ为零或接近于零。
根据本发明的具体实施例，在该微机械共振器的弹簧元件中，特征尺寸对该树枝状突起部的对应尺寸的比例最大为10、优选地不大于7、更优选地不大于5。
根据本发明的具体实施例，该弹簧结构被锚定成为音叉结构的一部分。根据本发明的具体实施例，该音叉结构是折迭式音叉结构。据此，该锚定点被用作该音叉的轴，该轴位于该音叉结构的叉股之间。根据本发明的具体实施例，该折迭式音叉结构由此被配置成具有E字形几何形状。根据另本发明的另一具体实施例，该折迭式音叉结构由此被配置成具有T字形几何形状。根据本发明的具体实施例，该折迭式音叉结构据此被配置成具有E字形以及T字形几何形状。根据本发明的具体实施例，该锚定点被选择为将该折迭式音叉结构的轴分成具有给定特征频率的各个特征尺寸，这导致间隔的频率比。
根据本发明的具体实施例，该轴的一部分具有独立的树枝状突起结构，用以提供激励框架结构及／或维持相对于该轴的另一部分的振荡的给定相位。维持该相位能例如借助于静电信号来完成。
根据本发明的具体实施例，该树枝状突起部的共振频率能以其宽度、密度、长度及杨氏模数表达如下：
ω f = 0.8 Y ρ w f L 2
根据本发明的具体实施例，该微机械共振器结构具有致动器机构，其用于实现激励框架结构。根据变型的实施例，该机构为静电式的。根据本发明的具体实施例，电极间隙被选择最大为振荡的振幅的三倍、优选地为振荡的振幅的两倍大。
根据本发明的具体实施例，该共振器结构在其激励框架结构中具有静电阻尼器，该静电阻尼器作为共振器结构的一部分，用以电衰减由该共振器结构及其部件中的机械力所造成的运动的振幅及／或完全的耦合。
附图说明
由于在现有技术的讨论中参照了图1A-1C及2，下面参照作为下面的说明书的一部分的图3～9描述本发明的示例性实施例，其中，
图1A图示了现有技术的共振器的基本结构。
图1B图示了现有技术的共振器的基本结构的集总机械模型。
图1C-2图示了现有技术的音叉共振器；
图3-5图示了一些共振器的具体实施例的音叉结构；及
图6-9图示了根据本发明的具体实施例的共振器结构。
具体实施方式
在所示出的具体实施例中，一些振荡器的振荡方向已被示意地说明，然而，未将关于基板、或基底所发生的振荡的方向仅只限于那些在示例性实施例中所提到的方向。
共振器是时序或频率基准应用中的关键器件。在时序应用中，一种通常被使用的共振器结构为图1C及2中所示的音叉的结构。其中，该音叉的二个叉股以相反相位振动，从而在它们的公共点处的净运动为零。因此有利的是，在锚定点的损失于是被最小化。
图3图示了这种音叉型共振器的基本结构。因该结构的一端部被固定在锚定点，加速度产生非常高的扭矩，该扭矩进而致动该共振器。由于充分高的加速度的结果，该共振器的叉股甚至会接触基板或壳体。
图4图示了在该音叉的叉股端部附近具有多个电极的硅微机械式音叉共振器。该共振器可借助于靠近该共振器电极的反向电极而被静电地激发／致动。
图5表示了图4中所显示的音叉共振器的功能。因共振器锚定件及电极锚定件位于该结构的远侧端，该装置对由外力所产生的加速度或该基板的尺寸扭曲是灵敏的。例如，共振器电极和反向电极间的电极间隙可被该基板的变形所影响。
图6表示了一种新型音叉共振器。通过将锚定点定位在该折迭式音叉的叉股1、2内侧(其中，术语“锚定件”意指各个电极的锚定点)，锚定点A可以接近该共振器的质量中心。此配置基本上能够抑制由来自外力的加速度所造成的运动的振幅。
图7表示了一种改进的共振器结构，其具有共振器及位于该音叉的叉股内侧的锚定件。当锚定件靠近共振器的质量中心、且进一步使锚定件彼此接近时，该装置对于由外力所产生的加速度或该基板的尺寸扭曲是不灵敏的。
图8表示了一种可能的技术，该技术用于将接触区域设置在图7所示的改进的共振器结构中。其中，二个额外的锚定件位于该共振器结构的外侧，且电接触点被连接至这些电极。外部锚定件借助于挠性梁结构电连接至共振器及电极。由于电接触点的挠性，即使该共振器基板或壳体将遭受变形或外部锚定件将被位移，该共振器及该电极将不会位移。
图9表示了本发明的具体实施例，其中锚定件被移动至音叉叉股的右侧，即音叉叉股的另一侧，也即致动器电极的中心。
该锚定点的恰当选择能减少共振器的机械式振荡的振幅，从而，该机械式运动例如在电极间隙处以较小的尺寸变得更加迅速，于是，和使用大尺寸相比能够获得更高的电容。
根据一个具体实施例，通过恰当地选择锚定点并且调整共振器的振动部分的长度或其他特征尺寸，可将振荡的特定频率分量与该共振器的特定部件相关联。据此，可以在共振器的各个部件之间产生相位偏移。
因此，其至少在理论上是可以抵消或抑制在该共振器中所发生的特定谐振频率分量，具体来说，如果利用另一电极框架结构在由该共振器的特征部分的尺寸所决定的频率处以相反相位产生/输入振动，从而，该振动在该频率处以相反的相位恰当地作用至该共振器的振荡相位。

Claims (20)

1.一种共振器结构，其具有与给定的机械振幅相结合的特征振荡频率，其特征在于，所述共振器结构通过将适于振荡的第一元件(1)以及适于振荡的第二元件(2)锚定在位于该共振器结构的基板的给定点处的锚定点（A），从而进行所述机械振幅的设定，以使得所述第一元件和所述第二元件中的至少一个被配置成相对于所述锚定点(A)同步地振荡，并且该锚定点的位置被选择为基本上位于由所述第一元件(1)以及所述第二元件(2)的尺寸所界定的接头突出部分(1、2)内。
2.如权利要求1所述的共振器结构，其特征在于，所述第一元件的一种形式包括至少一个支撑梁。
3.如权利要求1或2所述的共振器结构，其特征在于，所述第一元件包括多个树枝状突起部(D)。
4.如权利要求3所述的共振器结构，其特征在于，该树枝状突起部(D)包括多个梁状的分支。
5.如权利要求1-4之任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述第一元件(1)及／或所述第二元件(2)中的至少一个的特征尺寸(d1、d2)被预先设定，以将所述机械式特征振荡的频率设定至一给定值。
6.如权利要求1-5的任一项所述的共振器结构，其特征在于，在所述第一元件(1)中，在所述多个树枝状突起部中的树枝状突起部(D)的特征尺寸(d2)被预先设定，以将该机械式特征振荡的频率设定至一给定值。
7.如权利要求1-6的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述共振器结构包括具有相同的机械式特征振荡的频率的多个树枝状突起部(D)。
8.如权利要求1-6的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述共振器结构所包括的多个树枝状突起部(D)各自的机械式特征振荡的频率按给定的规则被调整为彼此不同。
9.如权利要求8所述的共振器结构，其特征在于，所述树枝状突起部(D)的特征频率借助于该树枝状突起部的机械特征尺寸(d2)及／或质量(m2)而被预先设定。
10.如权利要求1-9的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述第一元件(1)及／或所述第二元件(2)中的至少某些元件包括梁状的分支，所述梁状的分支借助于不同导向的连接元件而附接至所述支撑梁。
11.如权利要求1所述的共振器结构，其特征在于，所述共振器结构包括具有E字形的多个共振器，至少一个所述共振器基本上被实现为具有字母形共振器结构。
12.如权利要求1所述的共振器结构，其特征在于，所述字母形元件之一基本上具有选自字母A、B、C、E、F、H、I、K、L、M、N、S、T、U、V、W、X、Y、Z的形状。
13.如权利要求12所述的共振器结构，其特征在于，所述锚定点(A)被选择用于激发在给定的机械尺寸(d1、d2)的给定特征频率处的给定谐振机械式振荡。
14.如权利要求12所述的共振器结构，其特征在于，所述锚定点(A)被选择用于抑制在给定的机械式尺寸的给定特征频率处的给定谐振机械式振荡。
15.如权利要求1-14的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述共振器结构在梁状的分支(PH1)之间包括按手指交叉布置的其它梁件(PH2)，以便提供激发框架结构。
16.如前述权利要求的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述共振器结构包括不规则碎片状的结构。
17.如前述权利要求的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述共振器结构包括折迭式音叉结构。
18.如前述权利要求的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述共振器结构包括T字形结构。
19.如前述权利要求的任一项所述的共振器结构，其特征在于，所述第一元件(1)及该第二元件(2)中的至少一个被配置成具有弯曲形状。
20.如前述权利要求的任一项所述的共振器结构，其特征在于，通过选择所述锚定点(A)，使得用以设定所述第一元件(1)以及所述第二元件(2)的特征振荡频率的给定尺寸导致给定的平均音律间隔的频率比。
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