CN103338021A

CN103338021A - 一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器

Info

Publication number: CN103338021A
Application number: CN2013102798632A
Authority: CN
Inventors: 闫晓军; 漆明净
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-10-02

Abstract

一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器，包括：一个绝缘支撑基座，该绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，即电势浮动；一个导电微梁，该导电微梁的一端固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状；两个直流驱动电极，置于导电微梁两侧，其中一个直流驱动电极接入直流正电压，另一个直流驱动电极接入直流负电压，两直流驱动电极之间保持一定的间距；一个衬底，所述的绝缘支撑基座和直流驱动电极均固定在该衬底上。本发明舍弃了传统谐振器所必需的复杂交流驱动/检测电路，并消除了结构失稳带来的短路风险，在简化结构的同时，大大提高了谐振幅值。

Description

一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器

技术领域

本发明涉及一种基于静电场中微结构的自激振动原理、采用直流电压驱动的微机电谐振器结构，属于微机电系统、微传感器/执行器领域。

背景技术

根据结构形式不同，静电驱动的微机电（MEMS）谐振器有梁式、圆盘式、圆环式、梳齿状、薄膜式等。以微梁谐振器（悬臂梁）为例，说明其一般工作原理：在导电微梁上施加直流偏置电压，在驱动电极上施加交流驱动电压，由于微梁和驱动电极之间存在库仑力，微梁便在交流驱动电压作用下产生振动，通过在微梁附近设置检测电极和反馈电路，可以控制驱动电压的频率等于梁的结构频率，使微梁始终工作在谐振状态。

上述微梁能够实现谐振，将电能转换为机械能，作为激励源的直流和交流电压分别起着不同作用。直流偏置电压产生并放大与交流驱动电压频率相同的驱动力，增大系统输入到微梁的能量；交流驱动电压则提供和微梁相同频率的周期性激励载荷。对微梁的谐振来说，二者缺一不可。从结构动力学的角度，谐振器中微梁的振动属“受迫振动”，其显著特点是：微梁振动的频率和驱动电信号的交流电频率相同。

一般来讲，谐振器的结构越简单、振幅越大，则代表其性能越好。简单的结构使谐振器更容易微型化，大的谐振幅值可以提高微驱动器的位移输出以及微传感器的灵敏度。

现有静电驱动的微机械谐振器在简化结构和增大振幅方面，遇到了很大困难。其一，谐振器若要工作在谐振状态，就需要配套的交流驱动电路、检测电路，导致谐振器的结构复杂、技术难度大、很难进一步微型化。其二，为了增大谐振振幅，目前除了设计和工艺措施外，最直接的方法是增加偏置电压，即通过更多的能量输入来增加梁的振幅。不过，增加直流偏置电压对谐振器性能的提高是有限的。当直流偏置电压增加至临界值时，微梁的机械恢复力无法平衡其受到的静电力，系统出现失稳，微梁被驱动电极“吸合”(pull in)后接触到一起。由于现有谐振器中的谐振单元均连接在电路中（接地、或者接电源正/负极），一旦在谐振过程中失稳并与电极接触，就会产生短路，使整个结构失效。因此，为避免失稳发生，传统谐振器的振幅很难进一步增大，往往只有电极间距的30%左右。

发明内容

本发明技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其舍弃了传统谐振器所必需的复杂交流驱动/检测电路，并消除了结构失稳带来的短路风险，在简化结构的同时，大大提高了谐振幅值。

本发明的基于结构自激振动原理的微机电谐振器结构，包括：

一个绝缘支撑基座，该绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，即电势浮动；

一个导电微梁，该导电微梁的一段固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状；

两个直流驱动电极，置于导电微梁两侧，其中一个直流驱动电极接入直流正电压，另一个直流驱动电极接入直流负电压，两电极之间保持一定的间距；

一个衬底，所述支撑基座和直流驱动电极均固定在该衬底上。

通过在两个直流驱动电极之间串联一个电阻，直接检测频率输出。

所述两直流驱动电极之间保持的间距为4-5mm。

所述导电微梁的制备材料是各种导电材料，包括硅、金、铝、铜或形状记忆合金。

所述导电微梁的横截面为多种形状，包括矩形、圆柱形或椭圆形。

所述导电微梁为直径25-26μm的圆柱形时，其长度为10-11mm。

所述两直流驱动电极中的一个直流驱动电极接入正的直流电压，范围为0～+600V，另一个直流驱动电极则接入负的直流电压，范围为0～-600V。

所述衬底材料为多种绝缘材料，包括聚酰亚胺、硅橡胶或光刻胶。

经过理论计算和试验研究，当导电微梁的长径比（长度与直径之比）为400左右，以及电极间距与微梁长度之比为0.1～0.5时，所述谐振器中的导电微梁能够在没有交流驱动信号的情况下，仅依靠直流电压，通过自身运动状态的反馈作用调节能量输入，始终保持在一阶弯曲固有频率附近的谐振状态。从结构动力学角度来讲，导电微梁的谐振属于一种静电场中微结构的“自激振动”。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明提供的这种结构简单、基于结构自激振动原理微机电谐振器，舍弃了复杂的交流驱动结构，试验表明，本发明的导电微梁的谐振频率始终保持在一阶固有频率附近，且能够自动跟随着一阶弯曲固有频率的变化（如调节微梁的长度、附加质量等）而变化，不需要任何的频率发生和跟随电路。

（2）得益于绝缘支撑基座既不与任何电极相连也不接地的特点，本发明提供的基于结构自激振动原理微机电谐振器，消除了结构失稳带来的短路风险，在简化结构的同时，提高了谐振幅值。试验表明，本发明中的导电微梁自由端的振动幅值能够达到直流驱动电极间距的100%，以及导电微梁长度的40%以上，是传统微机电谐振器的3倍以上。

（3）本发明提出的微机电谐振器极大地简化了交流输出检测结构。传统谐振器要实现频率检测时，需要利用微梁和电极件微弱的电容变化，时常遇到驱动信号与输出信号难以区分的难题。而本发明的驱动信号是直流电，不会对交流输出信号产生干扰，且仅需要两直流驱动电极之间的电路中串联一个电阻即可检测输出信号波形，并实现频率检测。

附图说明

图1为本发明第一实施例子的结构示意图；

图2为第一实施例子的整体试验系统示意图（包含直流驱动和检测结构）；

图3为第一实施例子的频率输出的试验数据图；

图4为本发明第二实施例子的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器的一个实施例子，包括：一个绝缘支撑基座1（长宽高为2mm*2mm*1mm），该绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，即电势浮动；一个导电微梁2（圆柱形，长10-11mm，本实施例取10.5mm，直径25-26μm，本实施例取25.4μm），该导电微梁2的一段固定在上述绝缘支撑基座1上，另一端为水平悬空状；两个直流驱动电极3（长方体，长宽高为15mm*4mm*2mm），两个直流驱动电极3的间保持一定的间距（4-5mm，本实施例取4.5mm），且其中一个电极接入正的直流电压（0～+600V），另一个电极则接入负的直流电压（0～-600V）；一个衬底4（长宽为20mm*15mm），上述的一个绝缘支撑基座1和两个直流驱动电极3均固定在该衬底4上。

本发明的微机电谐振器的驱动原理是基于微结构在静电场中的自激振动现象，采用的是直流电压驱动，具体为：将两个直流驱动电极3分别与直流电源的正极和负极相连，此时两电极3会产生一个稳定静电场；在该静电场中，导电微梁2因静电感应效应而在其固定端（与绝缘支撑基座1相连）和自由端（水平悬空）产生等量异种的净电荷；此后，导电微梁2的自由端在静电场中会受到静电力，并克服微梁的弹性回复力而使微梁产生水平偏移；当直流电压进一步增大时，静电力和水平偏移也随之增大，直到弹性回复力无法与静电力保持平衡时，导电微梁2发生失稳（pull-in）而与直流驱动电极3发生碰撞；由于导电微梁2固定在绝缘支撑基座1上，既没有与任何电极相连也没有接地，即电势浮动，因此导电微梁2与直流驱动电极3的碰撞并没有导致短路；与上述碰撞过程同时进行的是直流驱动电极3对导电微梁2的充/放电过程（使导电微梁2的电势与电极3的电势相同，若碰撞的是正电极，则是充电过程，若碰撞的是负电极，则是放电过程），由于导电微梁2的电容很小，这一充/放电过程可以瞬间完成；碰撞和充/放电完成后，由于异性相斥原理，导电微梁2所受的静电力反向，静电力与回复力共同驱动导电微梁2向反方向运动，直到与另一个直流驱动电极3发生碰撞并进行充/放电；如此反复，上述导电微梁2和直流驱动电极3的碰撞和充/放电过程，就可以使导电微梁2形成一种稳定的谐振运动。

图2为图1所示的第一实施例子的整体试验系统示意图（包含驱动和检测结构）。其中，5为直流电源（如电池等），6为电阻，7为示波器。如上文所述，导电微梁2在两个直流驱动电极间的来回碰撞过程，也是导电微梁2本身的充放电过程，形象地说即是：微梁与负电极碰撞时，会吸收一定量的电子，然后运动到正电极时，会释放掉这些电子，从而在两直流驱动电极之间形成了一系列的脉冲电流。由于导电微梁2的电容有限，且不同时接触正极和负极，上述脉冲电流很小，不会对两直流驱动电极间的电路产生危害。试验表明，通过在在两直流驱动电极间串联一个电阻6，并在电阻6上并联一个示波器7，即可检测输出信号波形，并实现频率检测，如图3所示。

本发明的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其两个直流驱动电极3可以是长方体、圆柱体等不同形状，电极的尺寸参数（如长度、间距、高度等）决定了导电微梁2的谐振状态。图4为发明第二实施例子的结构示意图，两个直流驱动电极3由第一实施例子的长方体换成圆柱体后，导电微梁2的谐振运动从平面运动变为空间运动，具体体现为导电微梁2的自由端的运动轨迹在A视图上看是一个“8”字形。

本发明的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其谐振微梁2的制备材料可以是各种导电材料，如硅、金、铝、铜、形状记忆合金等，横截面也可以为多种形状，如矩形、圆形、椭圆形等。

本发明示详细阐述属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims

1.一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于包括：

一个导电微梁，该导电微梁的一端固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状；

两个直流驱动电极，置于导电微梁两侧，其中一个直流驱动电极接入直流正电压，另一个直流驱动电极接入直流负电压，两直流驱动电极之间保持一定的间距；

一个衬底，所述的绝缘支撑基座和直流驱动电极均固定在该衬底上。

2.根据权利要求1所述的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于：通过在两个直流驱动电极之间串联一个电阻，直接检测频率输出。

3.根据权利要求1所述的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于：所述两直流驱动电极之间保持的间距为4-5mm。

4.根据权利要求1所述的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于：所述导电微梁的制备材料是各种导电材料，包括硅、金、铝、铜或形状记忆合金。

5.根据权利要求1所述的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于：所述导电微梁的横截面为多种形状，包括矩形、圆柱形或椭圆形。

6.根据权利要求1所述的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于：所述导电微梁为直径25-26μm的圆柱形时，其长度为10-11mm。

7.根据权利要求1所述的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于：所述两直流驱动电极中的一个直流驱动电极接入正的直流电压，范围为0～+600V，另一个直流驱动电极则接入负的直流电压，范围为0～-600V。

8.根据权利要求1所述的基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其特征在于：所述衬底材料为多种绝缘材料，包括聚酰亚胺、硅橡胶或光刻胶。