CN102868384B - 微机械谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微机械谐振器，所述微机械谐振器至少包括：构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括两个具有轴对称结构的谐振振子结构、主支撑梁、第一耦合梁、第一锚点、第二锚点、驱动电极。与传统的电容驱动-压阻检测微机械谐振器相比，本发明利用差分电容激励驱动组成惠斯通电桥的两个谐振振子结构工作，消除输出信号中混有的电容信号，以获得单纯的压阻信号；同时，本发明利用耦合结构将惠斯通电桥的两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，消除了输出信号中出现两个谐振频率的问题；进一步，本发明结构简单，输出信号大，灵敏度高，受温度影响小。
Description
技术领域
本发明属于微机械谐振器检测技术领域，涉及一种体模态微机械谐振器。
背景技术
时钟芯片作为电路系统中的时间基准源，在电路系统中有着重要的作用。传统的时钟芯片一般采用石英晶振作为谐振器产生信号波形。但石英晶振一般是采用切割工艺制作，使得其体积很难减小，从而阻碍了电路系统的微型化，此外石英晶振也无法和电路系统集成制作，提高了制作成本。近年来，由于微加工技术的发展，MEMS（Microelectron Mechanical System， 微电子机械系统）谐振器得到很大的发展。MEMS谐振器具有尺寸小、功耗小、成本低、与CMOS IC（Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit，互补金属氧化物半导体集成电路）工艺相兼容等优点，在无线通讯等领域的需求与日俱增，将成为晶体谐振器的替代物。
根据工作方式的不同，微机械谐振器可以分为：弯曲模态，扭转模态及体模态三种类型。与同尺寸的其它模态谐振器相比，体模态微机械谐振器具有更高的品质因素（Q）及谐振频率，因而体模态微机械谐振器是目前研究的热点。
体模态微机械谐振器的谐振振子可以是梁、方形板、圆环板或者圆形板结构。图1a至图1d是工作在体模态的几种谐振振子结构的模态示意图，其中，虚线表示谐振振子结构在工作（谐振状态）时外部轮廓的形变趋势，图1a为工作在Length Extensional (LE)模态的直拉梁谐振振子结构，图1b为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图1c为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图1d为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆环板谐振振子结构。以LE模态直拉梁谐振振子结构为例，电容驱动-压阻检测LE模态直拉梁微机械谐振器的测试电路示意图如图2a所示，其中，直拉梁谐振振子结构1’通过位于所述谐振振子结构对称轴的支撑梁2’连接至锚点3’，且一锚点3’同时通过电阻R连接至第一直流电源Vd和通过电容C连接至电流输出端iout，另一锚点3’接地，对称分布于所述谐振振子结构1’端部的驱动电极4’，通过电阻R连接至第二直流电源Vp，且通过电容C连接至交流电源Vin，同时，所述驱动电极4’与所述谐振振子结构1’的端部形成有驱动间隙。图2b是图2a的等效电路图，所述微机械谐振器可以看做是一个与机械谐振相关的可变电阻，谐振器的电容信号动态特性可以看做是一个Rm-Lm-Cm串联网络，CF表示寄生的反馈电容。
体模态微机械谐振器传输特性的检测方法主要有：1. 电容驱动-电容检测（T. Mattila, J. Kiihamaki, T. Lamminmaki, O. Jaakkola, P. Rantakari, A. Oja, H. Seppa, H. Kattelus,and I. Tittonen, "A 12 MHz micromechanical bulk acoustic mode oscillator," Sensors and Actuators a-Physical, vol. 101, pp. 1-9, Sep. 2002.）；2. 电容驱动-压阻检测（J. T. M. Van Beek, P. G. Steeneken, and B. Giesbers, "A 10MHz piezoresistive MEMS resonator with high Q," Proceedings of the 2006 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, pp. 475-480,Jun. 2006）。
由于电容间隙易于制作，并且在检测过程中能量损耗小，因而电容驱动-电容检测是一种广泛采用的检测技术。但是，微机械谐振器采用电容检测时存在以下问题：1）输出信号比较微弱，检测困难；2）由于寄生效应的影响，特别是在高频情况下，寄生电容引起的反馈信号将谐振器自身的输出信号淹没，因而无法测量出谐振器自身的输出信号。
采用电容驱动-压阻检测的方法时，输出信号较大，也不存在寄生效应的影响。然而，在传统的电容驱动-压阻检测的测试方法中，输出信号是谐振器的电容信号与压阻信号的叠加，因此不能直接得到谐振器的单纯的压阻输出信号。为了消除电容信号，微机械谐振器可采用图3a所示的惠斯通电桥结构，则谐振器可以看做是两个反相位变化的可变电阻，如图3b所示。不过，采用图3a所示的惠斯通电桥结构时，组成电桥的两个谐振振子结构1’是借助支撑梁2’通过锚点3’固支在一起，从而两个谐振振子结构1’各自独立运动，由于制作微机械谐振器存在加工精度容差，则导致制作出来的两个谐振振子结构1’不完全一致，从而引起输出信号通常会出现两个谐振频率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机械谐振器，用于解决现有技术中电容驱动-压阻检测的微机械谐振器中存在压阻信号叠加有电容信号、以及输出信号通常会出现两个谐振频率的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机械谐振器，所述微机械谐振器至少包括：
构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括：
两个具有轴对称结构的谐振振子结构，各该谐振振子结构的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴；
主支撑梁，位于所述第一对称轴上，且两个谐振振子结构通过各自的主支撑梁相互连接；
第一耦合梁，一端连接于相互连接的所述主支撑梁上；
第一锚点，连接于所述第一耦合梁的另一端，且所述第一锚点连接于输出端；
第二锚点，与所述主支撑梁的自由端相连接，其中，一谐振振子结构的第二锚点连接至第一直流电源，另一谐振振子结构的第二锚点接地；
驱动电极，分别分布于各该谐振振子结构的相对侧，且与各该谐振振子结构之间形成有驱动间隙，所述驱动电极通过电阻连接至第二直流电源，且所述驱动电极通过电容连接至交流电源，其中，与一谐振振子结构相连接的交流电源输出正电压，与另一谐振振子结构相连接的交流电源输出负电压。
可选地，所述谐振振子对为至少两个时，各该谐振振子对通过第二耦合梁进行连接，各该谐振振子对中，所述的第二锚点通过第二耦合梁连接至主支撑梁。
可选地，所述谐振振子对为至少两个时，各该谐振振子对通过连接所述第二锚点的主支撑梁的一自由端相互连接，且所述自由端相互连接的主支撑梁通过第二耦合梁连接至第二锚点。
可选地，所述谐振振子结构为直拉梁、矩形板、椭圆形板或椭圆环形板。
可选地，所述第一耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
可选地，所述第二耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
可选地，所述谐振振子对还包括第三耦合梁，所述第三耦合梁也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁上，且所述第三耦合梁连接有第三锚点；其中，所述第三耦合梁与所述第一耦合梁分别分布于所述第一对称轴两侧。
可选地，所述第三耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
可选地，所述谐振振子结构为直拉梁时，所述第一对称轴垂直于直拉梁。
可选地，所述谐振振子结构为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。
可选地，所述谐振振子结构为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线。
可选地，所述谐振振子对还包括位于所述第二对称轴上且一端连接于所述谐振振子结构的旁支撑梁、以及连接于所述旁支撑梁另一端的第四锚点。
如上所述，本发明的微机械谐振器，与传统的电容驱动-压阻检测微机械谐振器相比，具有以下有益效果：
1）本发明的微机械谐振器采用惠斯通电桥结构，利用差分电容激励驱动组成惠斯通电桥的两个谐振振子结构工作，由于驱动信号是差分信号，因而可以消除输出信号中混有的电容信号，以获得单纯的压阻信号，实现了微机械谐振器的单纯的压阻信号的检测；
2）本发明利用耦合结构将惠斯通电桥的两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，消除了输出信号中出现两个谐振频率的问题，保证了整个微机械谐振器具有单一的谐振频率；
3）本发明结构简单，受温度影响小，同时由于本发明采用惠斯通电桥结构，不仅增强了输出信号的强度，而且也提高了输出信号的灵敏度。
附图说明
图1a至图1d显示为现有技术中的工作在体模态的几种谐振振子结构的模态示意图，其中，图1a为工作在Length Extensional (LE)模态的直拉梁谐振振子结构，图1b为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图1c为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图1d为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆环板谐振振子结构。
图2a显示为现有技术中的LE模态直拉梁微机械谐振器的测试电路示意图。
图2b显示为图2a的等效电路图。
图3a显示为现有技术中的采用惠斯通电桥结构的LE模态直拉梁微机械谐振器的测试电路示意图。
图3b显示为图3a的等效电路图。
图4a至图4c显示为本发明的微机械谐振器为一对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对时，所述谐振振子结构为直拉梁的测试电路示意图。
图5a显示为本发明的微机械谐振器为两对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对时，所述谐振振子对之间通过并联方式进行耦合连接的测试电路示意图，其中，所述谐振振子结构为LE模态直拉梁。
图5b显示为本发明的微机械谐振器为两对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对时，所述谐振振子对之间通过串联方式进行耦合连接的测试电路示意图，其中，所述谐振振子结构为LE模态直拉梁。
图6显示为本发明的微机械谐振器为一对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对时，所述谐振振子结构为SE模态矩形板的测试电路示意图。
图7显示为本发明的微机械谐振器为一对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对时，所述谐振振子结构为SE模态正方形板的测试电路示意图。
图8显示为本发明的微机械谐振器为一对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对时，所述谐振振子结构为RE模态圆形板的测试电路示意图。
图9a至9b显示为本发明的微机械谐振器的衬底为Cavity-SOI时的相关制作步骤。
图10显示为本发明的微机械谐振器的衬底为普通的SOI硅片时的相关制作步骤。
元件标号说明
1’、1 谐振振子结构
2’支撑梁
3’锚点
4’、5驱动电极
1谐振振子结构
21主支撑梁
22旁支撑梁
31第一耦合梁
32第二耦合梁
33第三耦合梁
41第一锚点
42第二锚点
43第三锚点
44第四锚点
Vd第一直流电源
Vp第二直流电源
Vin交流电源
iout电流输出端
Vout电压输出端
R电阻
C电容
101衬底
1011凹腔
1012器件结构
1013器件结构下方的空间
102焊盘
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图4a至图10。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
如图4a至 4c所示，本发明提供一种微机械谐振器，所述微机械谐振器至少包括：构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括：谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5。在本实施例一中，构成惠斯通电桥结构的谐振振子对为一对，构成的惠斯通电桥结构为半桥结构，但并不局限于此，所述构成惠斯通电桥结构的谐振振子对的个数还可以为至少两个时，详情请参阅实施例二。
所述谐振振子结构1为两个且均为轴对称结构，各该谐振振子结构1的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴。所述谐振振子结构1的材料为压阻材料，为单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗或碳化硅。
其中，所述谐振振子结构1为直拉梁、矩形板、椭圆形板或椭圆环形板：
1）所述谐振振子结构1为直拉梁时，所述第一对称轴垂直于直拉梁；
2）所述谐振振子结构1为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边，优选地，所述谐振振子结构1为正方形板；进一步，所述谐振振子结构1为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴还可以分别为所述正方形板两条对角线的延长线；
3）所述谐振振子结构1为椭圆形板时，所述第一对称轴位于所述椭圆形板的短轴或长轴，优选地，所述谐振振子结构1为圆形板；
4）所述谐振振子结构1为椭圆环形板时，所述第一对称轴位于所述椭圆环形板的短轴或长轴，优选地，所述谐振振子结构1为圆环形板。
具体地，在本实施例一中，如图4a所示，两个所述谐振振子结构1为单晶硅直拉梁，所述第一对称轴垂直于直拉梁，图4a中各该谐振振子结构1的虚线表示各该谐振振子结构1在工作（谐振状态）时外部轮廓的形变趋势。
所述主支撑梁21位于所述第一对称轴上，且两个所述谐振振子结构1通过各自的主支撑梁21相互连接。具体地，在本实施例一中，所述主支撑梁21为两个，各该单晶硅直拉梁谐振振子结构1通过各自的一个主支撑梁21相互连接。
所述第一耦合梁31的一端连接于相互连接的所述主支撑梁21上，其中，所述第一耦合梁31为直拉梁或弯曲折叠梁。具体地，在本实施例一中，如图4a所示，所述第一耦合梁31为弯曲折叠梁。需要说明的是，在另一实施例中，如图4c所示，所述第一耦合梁31为直拉梁。
所述第一锚点41连接于所述第一耦合梁31的另一端，其中，所述第一锚点41形成有焊盘（如图4a中填充有交叉网格处所示），且所述第一锚点41通过所述的焊盘连接于输出端。在本实施例一中，由于惠斯通电桥结构为半桥结构，因此输出端需连接电容C以滤除直流电位，则所述第一锚点41通过所述的焊盘和电容C连接于电流输出端iout。
所述第二锚点42与所述主支撑梁21的自由端相连接，其中，所述第二锚点42形成有焊盘（如图4a中填充有交叉网格处所示），一谐振振子结构1的第二锚点42通过所述焊盘连接至第一直流电源Vd，另一谐振振子结构1的第二锚点42通过所述焊盘接地。
所述驱动电极5分别分布于各该谐振振子结构1的相对侧，且与各该谐振振子结1之间形成有驱动间隙，所述驱动电极5通过电阻R连接至第二直流电源Vp，且所述驱动电极5通过电容C连接至交流电源Vin，其中，与一谐振振子结构1相连接的交流电源输出正电压+Vin，与另一谐振振子结构相连接的交流电源输出负电压-Vin，以使两个谐振振子结构为差分驱动方式，从而保证谐振振子对构成惠斯通电桥结构。优选地，在本实施例一中，所述驱动电极5为两个位于各该直拉梁谐振振子结构1端部相对侧且与其形成有驱动间隙的驱动电极，所述驱动电极5对称分布于各该直拉梁谐振振子结构1的第一对称轴的两侧。
需要指出的是，所述第一直流电源Vd为正电源或负电源均可，且所述第二直流电源Vp为正电源或负电源均可；所述交流电源Vin输出电压的极性与其对应的第二锚点42连接第一直流电源Vd或接地没有相关性，换言之，连接于上侧的一谐振振子结构1的交流电源Vin为正极性时，连接于上侧的一谐振振子结构1的第二锚点42可以接第一直流电源Vd（如图4a所示），也可以接地；连接于下侧的另一谐振振子结构1的交流电源Vin为负极性时，连接于下侧的另一谐振振子结构1的第二锚点42可以接地（如图4a所示），也可以接第一直流电源Vd。即，在所述谐振振子对中，一谐振振子结构1与另一谐振振子结构1所接的交流电源Vin极性不同以保证差分驱动，且各该谐振振子结构1的第二锚点42分别连接有第一直流电源Vd或接地即可。
需要说明的是，在另一实施例中，所述谐振振子对还包括第三耦合梁33，所述第三耦合梁33也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁21上，且所述第三耦合梁33连接有第三锚点43，优选地，如图4b所示，所述第三耦合梁33与所述第一耦合梁31对称分布于所述第一对称轴两侧。
如图9a至10所示，本发明的微机械谐振器的制作方法如下：
（1）通过溅射工艺或者蒸发工艺在衬底101上沉积一层金属薄膜，然后通过光刻及腐蚀工艺制作出金属焊盘102。
（2）利用光刻和深反应离子刻蚀制作并释放器件结构1012。
需要说明的是，本发明的衬底101可以为具有凹腔结构的绝缘衬底上的硅（Cavity-Silicon On Insulation，Cavity-SOI），也可以为普通的绝缘衬底上的硅（Silicon On Insulation，SOI）。
本发明的器件结构下方是具有凹腔结构的，如图9a至9b所示，当衬底为Cavity-SOI时，由于Cavity-SOI衬底具有预先制作好的凹腔1011，因而在步骤（2）制作好器件结构1012的同时也将微机械谐振器结构进行了释放，从而，采用Cavity-SOI作为衬底的微机械谐振器的制作方法具有释放结构简单，成品率高，成本低等优点。
如图10所示，当衬底为SOI时，由于衬底101中不存在预先制作好的凹腔，则在步骤（2）中，当制作完器件结构1012后，此时微机械谐振器结构并没有被释放，因此需要利用HF腐蚀去除SOI衬底101中裸露出的氧化埋层（部分未被腐蚀的氧化埋层如图10中填充有斜线的部分所示），从而释放器件结构1012下方的空间1013。
为使本领域技术人员进一步理解本发明的微机械谐振器的实施方式，以下将详细说明本发明的微机械谐振器的具体工作步骤及工作原理：
本发明的微机械谐振器是体模态的微机械谐振器，应用于电容驱动-压阻检测的方法中：
a）在微机械谐振器的驱动电极5上同时施加由第二直流电源Vp和交流电源Vin提供的相叠加的驱动信号，其中，与一谐振振子结构1相连接的交流电源输出正电压+Vin，与另一谐振振子结构1相连接的交流电源输出负电压-Vin，以使两个谐振振子结构为差分驱动方式，从而保证谐振振子对构成惠斯通电桥结构；
b）当施加的交流信号的频率等于微机械谐振器自身的谐振频率时，微机械谐振器就处于谐振工作状态，又由于谐振振子结构1为压阻材料，具有相应的压阻特性，则本发明的微机械谐振器可被视为与机械谐振相关的两个反相位变化的可变电阻；
c）在微机械谐振器的第二锚点42两端施加一个直流偏移电压(一个第二锚点42连接第一直流电源Vd，一个第二锚点42接地)，从而为微机械谐振器提供一个静态的偏置电流；
d）由于本发明的微机械谐振器可被视为与机械谐振相关的可变电阻，则连接有电流输出端iout的第一锚点41处会产生一个动态的电流信号，通过测量这个动态电流信号的大小，就可以得到微机械谐振器的谐振特性。
与传统的电容驱动-压阻检测微机械谐振器相比，本发明的微机械谐振器具有以下有益效果：
1）本发明的微机械谐振器采用惠斯通电桥结构，利用差分电容激励驱动组成惠斯通电桥的两个谐振振子结构工作，由于驱动信号是差分信号，因而可以消除输出信号中混有的电容信号，以获得单纯的压阻信号，实现了微机械谐振器的单纯的压阻信号的检测；
2）本发明利用耦合结构将惠斯通电桥的两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，消除了输出信号中出现两个谐振频率的问题，保证了整个微机械谐振器具有单一的谐振频率；
3）本发明结构简单，受温度影响小，同时由于本发明采用惠斯通电桥结构，不仅增强了输出信号的强度，而且也提高了输出信号的灵敏度。
实施例二
实施例二与实施例一的技术方案基本相同，不同之处主要在于：实施例一中，构成惠斯通电桥结构的谐振振子对为一对，构成的惠斯通电桥结构为半桥结构；在本实施例二中，构成惠斯通电桥结构的谐振振子对的个数为两个，构成的惠斯通电桥结构为全桥结构，其中，本实施例二中单个谐振振子对的相关内容（结构、制作方法及工作原理）请参考实施例一的具体介绍，在此不再一一赘述。
如图5a及图5b所示，本发明提供一种微机械谐振器，所述微机械谐振器至少包括：构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括：谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5。在本实施例二中，构成惠斯通电桥结构的谐振振子对为两对，但并不局限于此，所述构成惠斯通电桥结构的谐振振子对的个数还可以多于两个，各该谐振振子对之间的连接方式请参考本实施例二的连接方法。
所述谐振振子对为两个时，所述谐振振子对之间通过并联或串联方式进行耦合连接：所述谐振振子对之间通过并联方式进行耦合连接时，如图5a所示，各该谐振振子对通过第二耦合梁32进行连接，各该谐振振子对中，所述的第二锚点42通过第二耦合梁32连接至主支撑梁21；所述谐振振子对之间通过串联方式进行耦合连接时，如图5b所示，各该谐振振子对通过连接所述第二锚点42的主支撑梁21的一自由端相互连接，且所述自由端相互连接的主支撑梁21通过第二耦合梁32连接至第二锚点42。其中，所述第二耦合梁32为直拉梁或弯曲折叠梁。需要指出的是，实施谐振振子对中的谐振振子结构1可为直拉梁、矩形板、椭圆形板或椭圆环形板。
在本实施例二中，如图5a所示，所述谐振振子对两个，且所述谐振振子对之间通过并联方式进行耦合连接，其中，各该谐振振子对中的所述谐振振子结构1为多晶硅直拉梁，且第一耦合梁31和所述第二耦合梁32均为弯曲折叠梁，且各该谐振振子对中还包括连接于主支撑梁21上的第三耦合梁33和连接于所述第三耦合梁33的第三锚点43，其中，所述主支撑梁21为位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁，同时，所述第三耦合梁33也为弯曲折叠梁，但并不局限于此，所述的第一耦合梁31、第二耦合梁32和第三耦合梁33的类型也可以不同，例如，在另一实施例中，第一耦合梁和第三耦合梁的为直拉梁，第二耦合梁为弯曲折叠梁。
需要说明的是，各该谐振振子对中不局限于包含所述第三耦合梁和连接于第三耦合梁的第三锚点的情况，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以没有第三耦合梁和连接于第三耦合梁的第三锚点。
需要进一步说明的是，实施例二中谐振振子对构成的惠斯通电桥结构为全桥结构，输出端的电位差直接将直流电位相互抵消，因此所述第一锚点41和输出端之间可以连接电容C也可以不连接电容C。在本实施例二中，如图5a所示，所述第一锚点41和输出端之间没有添加电容C，则所述第一锚点41直接通过所述的焊盘连接于电压输出端Vout，输出值为电势差。同理，对于所述谐振振子对之间通过串联方式进行耦合连接时，上述全桥结构输出端为电压输出端Vout同样适用。
与传统的电容驱动-压阻检测微机械谐振器相比，本发明的微机械谐振器具有以下有益效果：
1）本发明的微机械谐振器采用惠斯通电桥结构，利用差分电容激励驱动组成惠斯通电桥的两个谐振振子结构工作，由于驱动信号是差分信号，因而可以消除输出信号中混有的电容信号，以获得单纯的压阻信号，实现了微机械谐振器的单纯的压阻信号的检测；
2）本发明利用耦合结构将惠斯通电桥的两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，消除了输出信号中出现两个谐振频率的问题，保证了整个微机械谐振器具有单一的谐振频率；
3）本发明结构简单，受温度影响小，同时由于本发明采用惠斯通电桥结构，不仅增强了输出信号的强度，而且也提高了输出信号的灵敏度。
实施例三
实施例三与实施例一的技术方案基本相同，均为一对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，不同之处主要在于：实施例一中所述谐振振子结构为直拉梁；本实施例三中，所述谐振振子结构为矩形板，谐振振子对中（结构、制作方法及工作原理）其余的相同之处请参阅实施例一的相关描述，在此不再一一赘述。
如图6所示，本实施例三提供一种微机械谐振器，所述微机械谐振器至少包括：构成惠斯通电桥结构的一对谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括：矩形板谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5，同时，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第三耦合梁33和连接于所述第三耦合梁33的第三锚点43，其中，所述主支撑梁21为位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁，但并不局限于此，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以没有第三耦合梁和连接于第三耦合梁的第三锚点。
所述矩形板谐振振子结构1为碳化硅，其第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。在本实施例三中，如图6所示，所述第一对称轴平行于矩形板的长边，即主支撑梁21连接于矩形板谐振振子结构1的宽边。
所述驱动电极5分别分布于各该矩形板谐振振子结构1的相对侧，并且所述驱动电机5与谐振振子结构1形成有驱动间隙，在本实施例三中，如图6所示，所述驱动电极5为两个，且对称分布于各该矩形板谐振振子结构1的第一对称轴的两侧，即所述驱动电极5对称分布于各该矩形板谐振振子结构1的长边相对侧。需要说明的是，在另一实施例中，所述矩形板谐振振子结构还可优选为正方形板。
与传统的电容驱动-压阻检测微机械谐振器相比，本发明的微机械谐振器具有以下有益效果：
1）本发明的微机械谐振器采用惠斯通电桥结构，利用差分电容激励驱动组成惠斯通电桥的两个谐振振子结构工作，由于驱动信号是差分信号，因而可以消除输出信号中混有的电容信号，以获得单纯的压阻信号，实现了微机械谐振器的单纯的压阻信号的检测；
2）本发明利用耦合结构将惠斯通电桥的两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，消除了输出信号中出现两个谐振频率的问题，保证了整个微机械谐振器具有单一的谐振频率；
3）本发明结构简单，受温度影响小，同时由于本发明采用惠斯通电桥结构，不仅增强了输出信号的强度，而且也提高了输出信号的灵敏度。
实施例四
实施例四与实施例三的技术方案基本相同，均为一对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，不同之处主要在于：实施例三中所述谐振振子结构为矩形板，且第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边；本实施例四中，所述谐振振子结构为正方形板，且第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线，所述谐振振子对中（结构、制作方法及工作原理）其余的相同之处请参阅实施例一及实施例三的相关描述。
如图7所示，本实施例四提供一种微机械谐振器，所述微机械谐振器至少包括：构成惠斯通电桥结构的一对谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括：正方形板谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5，其中，正方形板谐振振子结构1的第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线，即主支撑梁21连接于正方形板谐振振子结构1的角部；所述正方形板谐振振子结构1为非晶硅。
需要说明的是，在本实施例四中，如图7所示，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第三耦合梁33和连接于所述第三耦合梁33的第三锚点43，其中，所述主支撑梁21为位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁，但并不局限于此，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以没有第三耦合梁和连接于第三耦合梁的第三锚点。
需要进一步说明的是，在本实施例四中，如图7所示，所述谐振振子对还包括旁支撑梁22和第四锚点44，其中，所述旁支撑梁22位于所述第二对称轴上，且其一端连接于谐振振子结构1，其另一端连接于第四锚点，所述旁支撑梁22连接于正方形板谐振振子结构1的角部，但不局限于此，在另一实施例中，所述谐振振子对也可以不含所述旁支撑梁和第四锚点。
所述驱动电极5分别分布于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧，并且所述驱动电机5与谐振振子结构1形成有驱动间隙，在本实施例四中，如图7所示，所述驱动电极5为两对，且每对分别对称分布于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧，即每对所述驱动电极5分别对称分布于各该正方形板谐振振子结构1的边相对侧，但并不局限于此，所述驱动电机可以只为一对，且分布于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧。
与传统的电容驱动-压阻检测微机械谐振器相比，本发明的微机械谐振器具有以下有益效果：
1）本发明的微机械谐振器采用惠斯通电桥结构，利用差分电容激励驱动组成惠斯通电桥的两个谐振振子结构工作，由于驱动信号是差分信号，因而可以消除输出信号中混有的电容信号，以获得单纯的压阻信号，实现了微机械谐振器的单纯的压阻信号的检测；
2）本发明利用耦合结构将惠斯通电桥的两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，消除了输出信号中出现两个谐振频率的问题，保证了整个微机械谐振器具有单一的谐振频率；
3）本发明结构简单，受温度影响小，同时由于本发明采用惠斯通电桥结构，不仅增强了输出信号的强度，而且也提高了输出信号的灵敏度。
实施例五
实施例五与实施例一的技术方案基本相同，均为一对构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，不同之处主要在于：实施例一中所述谐振振子结构为直拉梁；本实施例五中，所述谐振振子结构为圆形板，谐振振子对中（结构、制作方法及工作原理）其余的相同之处请参阅实施例一的相关描述，在此不再一一赘述。
如图8所示，本实施例五提供一种微机械谐振器，所述微机械谐振器至少包括：构成惠斯通电桥结构的一对谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括：圆形板谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5，其中，所述第一对称轴为圆形板的直径延长线。
需要说明的是，所述谐振振子结构1并不局限于圆形板，所述谐振振子结构1还可为椭圆形板或椭圆环板，其中，所述第一对称轴为椭圆形板或椭圆环板中的长轴或短轴的延长线，进一步，圆环板为椭圆环板的优选情况，所述第一对称轴为圆环板的直径延长线。
需要进一步说明的是，如图8所示，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第三耦合梁33和连接于所述第三耦合梁33的第三锚点43，其中，所述主支撑梁21为位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁，但并不局限于此，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以没有第三耦合梁和连接于第三耦合梁的第三锚点。
所述驱动电极5分别分布于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧，并且所述驱动电机5与谐振振子结构1形成有驱动间隙，在本实施例五中，如图8所示，所述驱动电极为两个与所述圆形板匹配的圆弧形驱动电极，对称分布于各该圆形板谐振振子结构1的相对侧。
综上所述，与传统的电容驱动-压阻检测微机械谐振器相比，本发明的微机械谐振器具有以下有益效果：
1）本发明的微机械谐振器采用惠斯通电桥结构，利用差分电容激励驱动组成惠斯通电桥的两个谐振振子结构工作，由于驱动信号是差分信号，因而可以消除输出信号中混有的电容信号，以获得单纯的压阻信号，实现了微机械谐振器的单纯的压阻信号的检测；
2）本发明利用耦合结构将惠斯通电桥的两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，消除了输出信号中出现两个谐振频率的问题，保证了整个微机械谐振器具有单一的谐振频率；
3）本发明结构简单，受温度影响小，同时由于本发明采用惠斯通电桥结构，不仅增强了输出信号的强度，而且也提高了输出信号的灵敏度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种微机械谐振器，其特征在于，所述微机械谐振器至少包括构成惠斯通电桥结构的谐振振子对，其中，所述谐振振子对包括：
两个具有轴对称结构的谐振振子结构，各该谐振振子结构的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴；
主支撑梁，位于所述第一对称轴上，且两个谐振振子结构通过各自的主支撑梁相互连接；
第一耦合梁，一端连接于相互连接的所述主支撑梁上；
第一锚点，连接于所述第一耦合梁的另一端，且所述第一锚点连接于输出端；
第二锚点，与所述主支撑梁的自由端相连接，其中，一谐振振子结构的第二锚点连接至第一直流电源，另一谐振振子结构的第二锚点接地；
驱动电极，分别分布于各该谐振振子结构的相对侧，且与各该谐振振子结构之间形成有驱动间隙，所述驱动电极通过电阻连接至第二直流电源，且所述驱动电极通过电容连接至交流电源，其中，与一谐振振子结构相连接的交流电源输出正电压，与另一谐振振子结构相连接的交流电源输出负电压。
2.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子对为至少两个时，各该谐振振子对通过第二耦合梁进行连接，各该谐振振子对中，所述的第二锚点通过第二耦合梁连接至主支撑梁。
3.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子对为至少两个时，各该谐振振子对通过连接所述第二锚点的主支撑梁的一自由端相互连接，且所述自由端相互连接的主支撑梁通过第二耦合梁连接至第二锚点。
4.根据权利要求1、2或3所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子结构为直拉梁、矩形板、椭圆形板或椭圆环形板。
5.根据权利要求1、2或3所述的微机械谐振器，其特征在于：所述第一耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
6.根据权利要求2或3所述的微机械谐振器，其特征在于：所述第二耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
7.根据权利要求1、2或3所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子对还包括第三耦合梁，所述第三耦合梁也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁上，且所述第三耦合梁连接有第三锚点；其中，所述第三耦合梁与所述第一耦合梁分别分布于所述第一对称轴两侧。
8.根据权利要求7所述的微机械谐振器，其特征在于：所述第三耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
9.根据权利要求4所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子结构为直拉梁时，所述第一对称轴垂直于直拉梁。
10.根据权利要求4所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子结构为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。
11.根据权利要求4所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子结构为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线。
12.根据权利要求11所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子对还包括位于所述第二对称轴上且一端连接于所述谐振振子结构的旁支撑梁、以及连接于所述旁支撑梁另一端的第四锚点。
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