CN103780221B - 一种具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件，包括基底、设置在基底上的低热弹性阻尼结构、驱动电极和感应电极，以及由低热弹性阻尼结构支撑的扭转平板，低热弹性阻尼结构包括位于同一轴线上的、具有矩形截面的第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁，扭转平板能够绕第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁所在的轴线旋转，驱动电极和感应电极对称设置在低热弹性阻尼结构的轴线两侧，第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁的矩形截面的长边垂直于基底。本发明中扭转支撑梁横截面的长边保持垂直于基底平面，此时产生的热弹性阻尼是小于长边水平放置，尤其是高频时，热弹性阻尼明显下降。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统MEMS领域，涉及一种具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件。
背景技术
品质因数是谐振器件的重要性能指标。对于封装在真空中的器件，热弹性阻尼是影响品质因数的重要因素之一。热弹性阻尼是由于机械结构在应力作用下发生压缩、拉伸，使得体积发生变化，导致热量产生并耗散掉，也即谐振器件的振动能量变为热能耗散掉。对于扭转式谐振器件，当前的普遍观点是：弹性力学的结果表明[S.A.Chandorkar,R.N.Candler,A.Duwel,R.Melamud,M.Agarwal,K.E.Goodson,T.W.Kenny,Multimodethermoelastic dissipation,Journal of Applied Physics,105(2009)043505.]，扭转变形不会引起体积发生变化，所以不会有热弹性阻尼。如图2a和图2b所示，当前的矩形截面扭转支撑梁可以有长边水平放置和长边垂直放置方法。这两种放置方法具有相同的扭转刚度。按扭转振动没热弹性阻尼的观点，这两种梁设置方法都不会产生热弹性阻尼，可以不加区分地使用。但实际上，静电力不仅使扭转支撑梁产生扭转变形，而且使扭转支撑梁产生弯曲变形。图3a和图3b就分别是支撑梁纯扭转变形和扭转-弯曲耦合变形引起的扭转平板的位置示意图。工程中，由于驱动电极面积较大，静电力相对支撑梁的刚度较大。因此，当前忽略弯曲变形的做法在很多场合是不正确的。扭转支撑梁弯曲变形会导致体积发生变化，会产生热弹性阻尼。这也是为什么当前的封装在真空中的扭转器件，并没有因为无热弹性阻尼，而达到应有的高品质因数。
发明内容
技术问题：本发明提供一种可以显著降低热弹性阻尼的具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件。
技术方案：本发明的具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件，包括基底、设置在基底上的低热弹性阻尼结构、驱动电极和感应电极，以及由低热弹性阻尼结构支撑的扭转平板。低热弹性阻尼结构包括位于同一轴线上的、具有矩形截面的第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁。扭转平板能够绕第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁所在的轴线旋转。驱动电极和感应电极对称设置在低热弹性阻尼结构的轴线两侧。第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁的矩形截面的长边垂直于基底。
本发明的扭转式微机电谐振器件中，驱动电极和感应电极位于扭转平板的下方，且不与低热弹性阻尼结构连接。
本发明中，扭转支撑梁横截面的长边应保持垂直于基底平面，此时产生的热弹性阻尼小于是长边水平放置。物理原理分析如下。
首先分析长边水平放置。以B和ε·B分别表示支撑梁矩形截面的长边和短边尺寸。显然，0＜ε＜1。此时，惯性矩支撑梁弯曲变形可以写为A0y(x)，这里y(x)是变形曲线，A0是变形幅值。支撑梁弯曲变形能可以写为
这里，是弹性模量。按Zener的梁的热弹性损耗理论(参见C.Zener,InternalFriction in Solids.I.Theory of Internal Friction in Reeds,in:Physical Review,American Physical Society,1937,pp.230-235；C.Zener,Internal Friction in SolidsII.General Theory of Thermoelastic Internal Friction,Physical Review,53(1938)90-99.)，与此对应的热弹性能量损失可以写为：
这里，α是热膨胀系数，T0是环境温度，是热松弛时间常数，Cv是单位体积热容量，ω是振(驱)动频率，k是导热系数。
再分析长边垂直放置。此时，惯性矩梁弯曲变形与惯性矩成反比，所以，此时的支撑梁弯曲变形可以写为ε2A0y(x)。支撑梁弯曲变形能写为
与此对应的热弹性能量损失可以写为
此时，那么，水平放置与垂直放置的热弹性能量损失比为：
考虑到0＜ε＜1可知，恒有：也即：长边垂直放置时的热弹性能量耗散永远低于长边水平放置。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
当前的矩形截面扭转支撑梁可以有长边水平放置和长边垂直放置方法，可以不加区分地使用。因为，这两种放置方法具有相同的扭转刚度，而且按扭转振动没热弹性阻尼的观点，这两种梁设置方法都不会产生热弹性阻尼。但实际上，静电力不仅使扭转支撑梁产生扭转变形，而且使扭转支撑梁产生弯曲变形。弯曲变形会产生热弹性阻尼。本发明中扭转支撑梁横截面的长边保持垂直于基底平面，此时产生的热弹性阻尼是小于长边水平放置，尤其是高频时，热弹性阻尼明显下降。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2a为矩形截面扭转支撑梁长边水平放置示意图。
图2b为矩形截面扭转支撑梁长边垂直放置示意图。
图3a为扭转支撑梁纯扭转变形引起的扭转平板的位置示意图。
图3b为扭转支撑梁扭转-弯曲耦合变形引起的扭转平板的位置示意图。
图4为矩形横截面的扭转支撑梁热弹性能量损失比示意图。
图中有：扭转平板1、第一扭转支撑梁2、第二扭转支撑梁3、基底4、驱动电极5、感应电极6。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图来进一步说明本发明。
本发明的具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件，包括基底4、设置在基底4上的低热弹性阻尼结构、驱动电极5和感应电极6，以及由低热弹性阻尼结构支撑的扭转平板1。低热弹性阻尼结构包括位于同一轴线上的、具有矩形截面的第一扭转支撑梁2和第二扭转支撑梁3。扭转平板1能够绕同轴的第一扭转支撑梁2和第二扭转支撑梁3构成的扭转轴旋转。驱动电极5和感应电极6对称设置在低热弹性阻尼结构的轴线两侧，即对称设置在第一扭转支撑梁2和第二扭转支撑梁3构成的扭转轴两侧。驱动电极5和感应电极6位于扭转平板1的下方，且不与低热弹性阻尼结构连接。第一扭转支撑梁2和第二扭转支撑梁3的矩形截面的长边垂直于基底4。
低热弹性阻尼结构是由矩形截面的第一扭转支撑梁2和第二扭转支撑梁3构成，第一扭转支撑梁2与第二扭转支撑梁3之间不直接连接，但两者的中心轴位于同一轴线上，且两者的矩形截面的长边均垂直于基底，也即矩形长边平行于静电驱动力方向。扭转谐振器件的热弹性阻尼实质上是由扭转支撑梁弯曲刚度不足引起的。对于具有矩形截面的扭转支撑梁，当其长边平行于静电驱动力方向，弯曲刚度最强，由此引起的热弹性阻尼最小。
本发明的谐振器件作为滤波器使用时的工作过程和原理说明如下：
驱动电压施加在驱动电极5和扭转平板1之间，使扭转平板1产生扭转振动。同时，检测感应电极6和扭转平板1之间电容。驱动电压信号(输入)中含有很多频率成份。但只有与扭转极板扭转固有频率相同的那部份得到放大输出(电容输出)，其余频率成分被过滤。器件的品质因数越高(阻尼越低)，共振峰就越尖，滤波能力越强。本发明的谐振器件还有其它用途，也需要类似的高品质因数。
如图2b所示，本发明的谐振器件结构设计时，扭转支撑梁2和3的矩形横截面，矩形的长边必须保持垂直于基底平面。这样能降低热弹性能量耗散。具体效果见以下实施例。
对于一根多晶硅扭转支撑梁(矩形横截面B＝10微米，ε＝0.5)，其长边水平放置和垂直放置时的热弹性能量损失比与见下图。图中，可见，当驱动频率较低时，水平放置和垂直放置能量损失比接近1。此时，两种放置方法有相同的热弹性阻尼。当驱动频率增加时，损失比增大。当驱动频率较高时，损失比接近16。此时，水平放置的能量损失是垂直放置的16倍。
Claims (2)
1.一种具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件，其特征在于，该器件包括基底（4）、设置在所述基底（4）上的低热弹性阻尼结构、驱动电极（5）和感应电极（6），以及由所述低热弹性阻尼结构支撑的扭转平板（1），所述低热弹性阻尼结构包括位于同一轴线上的、具有矩形截面的第一扭转支撑梁（2）和第二扭转支撑梁（3），扭转平板（1）能够绕第一扭转支撑梁（2）和第二扭转支撑梁（3）所在的轴线旋转，所述驱动电极（5）和感应电极（6）对称设置在低热弹性阻尼结构的轴线两侧，即第一扭转支撑梁（2）和第二扭转支撑梁（3）所在的轴线两侧，所述第一扭转支撑梁（2）和第二扭转支撑梁（3）的矩形截面的长边垂直于基底（4）。
2.根据权利要求1所述的具有低热弹性阻尼结构的扭转式微机电谐振器件，其特征在于，所述驱动电极（5）和感应电极（6）位于扭转平板（1）的下方，且不与低热弹性阻尼结构连接。
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