CN103401527A - 一种静电驱动频率可变微机械谐振器 - Google Patents

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Abstract

一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其包括，一谐振梁，所述谐振梁两端分别向两侧延伸形成延伸构件，且所述谐振梁两侧向外延伸形成动齿电极；两外部构件，所述两外部构件分别位于所述谐振梁两侧，所述外部构件两端设有挤压部件，所述挤压部件由外部构件两端向谐振梁方向延伸，且所述外部构件上还设有定齿电极，且所述定齿电极与所述动齿电极相交错；同时，所述两外部构件能够相对所述谐振梁移动，当所述两外部构件靠近所述谐振梁时，所述挤压部件挤压所述延伸构件以改变谐振梁长度。

Description

一种静电驱动频率可变微机械谐振器
技术领域
本发明涉及一种静电驱动频率可变微机械谐振器。 
背景技术
静电驱动频率可变微机械谐振器，是由微机电（MEMS）技术加工而成。基于纵横加载理论，突破传统微谐振器单向横向加载的传统方法，利用轴向两次调节（谐振梁纵向拉伸的粗调节和调节电压静电力的精调节），同时在横向施加谐振激励电压，完成微机械谐振器的谐振频率可变，从而实现MEMS谐振器在射频微波电路中的宽频带要求，并且满足谐振器同集成电路的优良兼容特性。 
2007年上海大学高嵘[MEMS横向振动微谐振器的非线性动力学研究及结构设计优化，高嵘，上海大学硕士学位论文，2007]提出了一种板式横向振动的MEMS谐振器，如图1所示。该微谐振器由三个部分组成，图1（11）为谐振板，图1（12）、（13）分别为静电定齿结构，图1（14）、（15）分别为弹性梁支撑结构，图1（16）、（17）分别为静电动齿结构。在定齿和动齿间加机理电压，由梳齿间静电力导致谐振板沿Y方向上下振动。当激励电压频率等于谐振器固有频率时，谐振器发生谐振。这种谐振器存在以下问题： 
1)由于该谐振器结构固定，其谐振频率固定，不可调。 
2)结构相对复杂，频带窄。 
2012年电子科技大学的鲍景富等人申请发明了一种间隙可调的微机械谐振器[一种电极与振动圆盘间隙可调的微机械谐振器，鲍景 富、何宗郭、蒋俊文、杜亦佳，申请号：201210337607.X]，如图2所示。该谐振器在振动圆盘（21）两端增设一对静电电极（22）、（23），在输入电极（24）、输出电极（25）后端设置一对移动定位装置（26）和（27）。输入激励信号电压由输入电极（24）输入，由静电力导致振动圆盘（21）振动，并由输出电极（25）输出。当输入激励信号电压频率等于谐振器固有频率时，谐振器发生谐振，振幅达到最大值。移动定位装置即作为激励输入电压信号和响应输出电压信号，同时也作为调节圆盘（21）同静电电极（22）和（23）之间间隙的调节电压。该谐振器可得到较高品质因素Q值。 
这种谐振器存在以下问题：结构复杂，圆盘同静电电极（22）、（23）之间的间隙很难控制和测量。该谐振器频带窄，谐振频率固定。 
发明内容
为了克服现有的技术存在的缺陷，本发明一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其包括， 
一衬底， 
一谐振梁，所述谐振梁两端分别向两侧延伸形成延伸构件，且所述谐振梁两侧向外延伸形成动齿电极； 
两外部构件，所述两外部构件分别位于所述谐振梁两侧，所述外部构件两端设有挤压部件，所述挤压部件由外部构件两端向谐振梁方向延伸，且所述外部构件上还设有定齿电极，且所述定齿电极 与所述动齿电极相交错；同时， 
所述两外部构件能够相对所述谐振梁移动，当所述两外部构件靠近所述谐振梁时，所述挤压部件挤压所述延伸构件以改变谐振梁长度。 
在上述技术方案的基础上，所述延伸构件上设有阶梯部，且所述阶梯部上设有倾斜的阶梯面，所述挤压部上设有与所述阶梯面相对的倾斜的挤压面8。 
在上述技术方案的基础上，所阶梯部设有至少两级阶梯。 
在上述技术方案的基础上，所述交错的定齿电极与动齿电极组成调节电极。 
在上述技术方案的基础上，所述外部构件靠近两端的区域均设有一组定齿电极，所述谐振梁两侧面均设有两组动齿电极，且每一组定齿电极包括三依次排列的定齿电极，每一组动齿电极包括两动齿电极。 
在上述技术方案的基础上，每组定齿电极对应一组动齿电极，且每组定齿电极对应一组动齿电极中的两动齿电极与该组定齿电极中的三个定齿电极交错排列。 
在上述技术方案的基础上，所述外部构件两端设有挡止部。 
在上述技术方案的基础上，所述谐振梁下方设有定极板，所述谐振梁与所述定极板共同组成驱动电极，所述驱动电极连接激励源，且所述谐振梁与所述定极板之间有一定间隙。 
在上述技术方案的基础上，所述谐振梁两端设有锚点，所述锚点固定于所述衬底上，且所述谐振梁中间段悬空。 
在上述技术方案的基础上，谐振梁纵横弯曲变形结构。 
本发明有益效果是，本发明外部构件受外载荷作用，向内挤压从而实现谐振梁沿轴向伸长，从而改变微谐振器的固有频率，实现固有频率的粗调。通过在多对调节电极对上施加不同调节电压，实现谐振梁沿X方向不同伸长量，从而改变微谐振器的固有频率，实现固有频率的精密调节。延伸构件处设置多级台阶，具有多个不同接触碰撞位置，从而使谐振梁长生不同伸长量，使微谐振器具备多个固有频率，从而实现多频段变频功能。延伸构件处设置拉伸倾斜面，从而使外部构件在向内挤压时，能够沿着倾斜面移动，减少Y向抖动。延伸构件出设置拉伸定位槽和X向限位斜面，从而使外部构件能够稳定支撑于谐振梁之间，给谐振梁施加稳定轴向力。谐振梁纵横弯曲变形结构，突破单向加载的传统观念，从而减小了驱动电压，实现微谐振器变频功能，增大谐振器带宽。 
附图说明
图1为本发明现有技术示意图； 
图2为本发明另一现有技术示意图； 
图3为本发明一种静电驱动频率可变微机械谐振器结构图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步说明。 
本发明一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其包括，衬底A,其用于承载其他的器件，并提供一绝缘的基底。 
一谐振梁1，所述谐振梁1两端分别向两侧延伸形成延伸构件2，且所述谐振梁1两侧向外延伸形成动齿电极3。 
两外部构件4，所述两外部构件4分别位于所述谐振梁1两侧，所述外部构件4两端设有挤压部件5，所述挤压部件5由外部构件4两端向谐振梁1方向延伸，且所述外部构件4上还设有定齿电极6，且所述定齿电极6与所述动齿电极3相交错；同时， 
所述两外部构件4能够相对所述谐振梁1移动，当所述两外部构件4靠近所述谐振梁1时，所述挤压部件5挤压所述延伸构件2以改变谐振梁1长度。外部构件4受外载荷作用，向内挤压从而实现谐振梁1沿轴向伸长，从而改变微谐振器的固有频率，实现固有频率的粗调。通过在多对调节电极对上施加不同调节电压，实现谐振梁1沿X方向不同伸长量，从而改变微谐振器的固有频率，实现固有频率的精密调节。 
延伸构件2上设有阶梯部7，且所述阶梯部7上设有倾斜的阶梯面8，挤压部件5上设有与所述阶梯面8相对的倾斜的挤压面9。所阶梯部7设有至少两级阶梯。延伸构件2设置多级台阶，具有多个不同接触碰撞位置，从而使谐振梁1具有不同伸长量，使微谐振器具备多个固有频率，从而实现多频段变频功能。 
所述交错的定齿电极6与动齿电极3组成调节电极。所述外部构件4靠近两端的区域均设有一组定齿电极6，所述谐振梁1两侧面均设有两组动齿电极3，且每一组定齿电极6包括三依次排列的定齿电极6，每一组动齿电极3包括两动齿电极3。每组定齿电极6 对应一组动齿电极3，且每组定齿电极6对应一组动齿电极3中的两动齿电极3与该组定齿电极6中的三个定齿电极6交错排列。设置多组调节电极可更精确调节固有频率。外部构件4两端设有挡止部10。防止外部构件4运动过多。 
谐振梁1下方设有定极板11，所述谐振梁1与所述定极板11共同组成驱动电极，所述驱动电极连接激励源，且所述谐振梁1与所述定极板11之间有一定间隙。以提供谐振梁1的振动空间。所述谐振梁1两端设有锚点，所述锚点固定于衬底A上，且所述谐振梁1中间段悬空。并且谐振梁1纵横弯曲变形结构，突破单向加载的传统观念，从而减小了驱动电压，实现微谐振器变频功能，增大谐振器带宽。 
所述、锚点、谐振梁1、定齿电极6、动齿电极3、定极板均采用硅材料制作。定齿电极6、动齿电极3沿X方向两侧表面均沉积有金膜层，该金膜层构成数对驱动电极对，并通过压焊方式与外部驱动电路相连。谐振梁1沿Z方向下部沉积金膜层，定极板上部沉积金膜层，两层金膜构成驱动电极，并通过压焊方式与外部驱动电路相连。驱动电极同调节电极对呈交叉垂直设置，以实现谐振梁1纵横弯曲变形效果。 

Claims (10)

1.一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：其包括，
一衬底，
一谐振梁，所述谐振梁安装于所述衬底上，所述谐振梁两端分别向两侧延伸形成延伸构件，且所述谐振梁两侧向外延伸形成动齿电极；
两外部构件，所述两外部构件分别位于所述谐振梁两侧，所述外部构件两端设有挤压部件，所述挤压部件由外部构件两端向谐振梁方向延伸，且所述外部构件上还设有定齿电极，且所述定齿电极与所述动齿电极相交错；同时，
所述两外部构件能够相对所述谐振梁移动，当所述两外部构件靠近所述谐振梁时，所述挤压部件挤压所述延伸构件以改变谐振梁长度。
2.如权利要求1所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：所述延伸构件上设有阶梯部，且所述阶梯部上设有倾斜的阶梯面，所述挤压部上设有与所述阶梯面相对的倾斜的挤压面8。
3.如权利要求2所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：所阶梯部设有至少两级阶梯。
4.如权利要求1所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：所述交错的定齿电极与动齿电极组成调节电极。
5.如权利要求4所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：所述外部构件靠近两端的区域均设有一组定齿电极，所述谐振梁两侧面均设有两组动齿电极，且每一组定齿电极包括三依次排列的定齿电极，每一组动齿电极包括两动齿电极。
6.如权利要求5所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：每组定齿电极对应一组动齿电极，且每组定齿电极对应一组动齿电极中的两动齿电极与该组定齿电极中的三个定齿电极交错排列。
7.如权利要求1所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：
所述外部构件两端设有挡止部。
8.如权利要求1所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：
所述谐振梁下方设有定极板，所述谐振梁与所述定极板共同组成驱动电极，所述驱动电极连接激励源，且所述谐振梁与所述定极板之间有一定间隙。
9.如权利要求1所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：所述谐振梁两端设有锚点，所述锚点固定于所述衬底上，且所述谐振梁中间段悬空。
10.如权利要求1所述的一种静电驱动频率可变微机械谐振器，其特征在于：谐振梁纵横弯曲变形结构。
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