CN104333344B - 微机械谐振器的振动控制方法及微机械谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械谐振器的振动控制方法及微机械谐振器，包括：衬底，以及设置于衬底上的振动结构和驱动结构；其中，驱动结构用于驱动微机械谐振器的振动结构往复运动，并在振动结构往复运动的同时，生成作用在振动结构上、且促进振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在振动结构上、且制约振动结构的往复运动的制约静电力，以使得振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消，进而控制微机械谐振器工作在其固有频率，提高了微机械谐振器工作时的稳定性。

Description

微机械谐振器的振动控制方法及微机械谐振器

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，更为具体的说，涉及一种微机械谐振器的振动控制方法及微机械谐振器。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术是集传感器、计算机、激励、控制、通信、能耗等技术为一体，在设计和制作过程中又必须考虑结合微机械加工技术、集成电路制作技术、电子控制、热力学效应、流通效应、磁场、光学效应等，近年来MEMS技术发展很快。

作为MEMS技术的一部分，微机械谐振器的设计和研究是很有必要的，其特点是可以作为晶体振荡器的替代物，与微电路集成在一个芯片上，并可以直接输出频率的变化，便于和数字处理期间接口等，因此应用前景十分广泛。

微机械谐振器主要分为静电驱动、压电驱动、磁驱动等几种驱动方式，现有的压电驱动的微机械谐振器中，只要静电力作用在振动结构上，就会对整个振动结构的刚度造成影响，这种现象称为静电弹簧软化效应(electro-static spring softening)和静电弹簧硬化效应(electro-static spring hardening)，分别对应造成振动结构刚度的降低和增加，进而会改变谐振器工作频率，导致谐振器性能产生额外的漂移。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微机械谐振器的振动控制方法及微机械谐振器，降低了微机械谐振器的工作频率漂移情况，使微机械谐振器的工作频率保持稳定。

下面为本发明提供的技术方案：

一种微机械谐振器的振动控制方法，包括：

对所述微机械谐振器上电，驱动所述微机械谐振器的振动结构往复运动；

且在所述振动结构往复运动的同时，生成作用在所述振动结构上、且促进所述振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在所述振动结构上、且制约所述振动结构的往复运动的制约静电力，以使得所述振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消。

优选的，所述促进所述振动结构的往复运动的促进静电力为：

通过一个电容电极生成的、且沿所述振动结构运动方向或沿与所述振动结构运动方向相交于第一预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个电容电极生成的、且均沿所述振动结构运动方向或均沿与所述振动结构运动方向相交于各自的第二预设角度的方向上的多个子静电力的合力。

优选的，所述制约所述振动结构的往复运动的制约静电力为：

通过一个电容电极生成的、且沿与所述振动结构运动方向相交于第三预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个电容电极生成的、且均沿与所述振动结构运动方向相交在各自的第四预设角度的方向上的多个子静电力的合力。

一种微机械谐振器，包括：

衬底，以及设置于所述衬底上的振动结构和驱动结构；

其中，所述驱动结构用于驱动所述微机械谐振器的振动结构往复运动，并在所述振动结构往复运动的同时，生成作用在所述振动结构上、且促进所述振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在所述振动结构上、且制约所述振动结构的往复运动的制约静电力，以使得所述振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消。

优选的，所述驱动结构包括：

至少一个第一电容电极和至少一个第二电容电极，其中，

所述第一电容电极和第二电容电极用于驱动所述振动结构往复运动，且所述促进所述振动结构的往复运动的促进静电力为：

通过一个所述第二电容电极生成的、且沿所述振动结构运动方向或沿与所述振动结构运动方向相交于第一预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个所述第二电容电极生成的、且均沿所述振动结构运动方向或均沿与所述振动结构运动方向相交于各自的第二预设角度的方向上的多个子静电力的合力；

以及，所述制约所述振动结构的往复运动的制约静电力为：

通过一个所述第一电容电极生成的、且沿与所述振动结构运动方向相交于第三预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个所述第一电容电极生成的、且均沿与所述振动结构运动方向相交在各自的第四预设角度的方向上的多个子静电力的合力。

优选的，所述振动结构包括：

活动质量块；

分别设置于所述活动质量块两侧的第一可动梳齿和第二可动梳齿；

以及，固定于所述衬底上、且沿所述活动质量块的延伸方向上，分别与所述活动质量块的两端固定连接的第一弹性支撑梁和第二弹性支撑梁，且所述第一弹性支撑梁和第二弹性支撑梁使所述活动质量块、第一可动梳齿和第二可动梳齿与所述衬底之间有间隙。

优选的，所述第一电容电极包括：

固定于所述衬底上的第一固定梳齿和第二固定梳齿；

所述第一固定梳齿与第一可动梳齿对应伸入，所述第二固定梳齿与第二可动梳齿对应伸入；

其中，所述固定梳齿的任意一梳齿与所述可动梳齿无接触部位，所述可动梳齿的任意一梳齿与所述固定梳齿无接触部位。

优选的，所述第一固定梳齿的梳齿之间和第二固定梳齿的梳齿之间具有高度差。

优选的，所述第一固定梳齿、第二固定梳齿、第一可动梳齿和第二可动梳齿的梳齿均为矩形梳齿。

优选的，所述第二电容电极为平板电容电极，所述平板电容电极包括：

固定于所述衬底上、且设置于所述活动质量块两侧的第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板与活动质量块有交叠区域。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：

本发明提供的一种微机械谐振器的振动控制方法及微机械谐振器，包括：衬底，以及设置于所述衬底上的振动结构和驱动结构；其中，所述驱动结构用于驱动所述微机械谐振器的振动结构往复运动，并在所述振动结构往复运动的同时，生成作用在所述振动结构上、且促进所述振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在所述振动结构上、且制约所述振动结构的往复运动的制约静电力，以使得所述振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消。

由上述内容可知，促进静电力会使振动结构出现静电弹簧软化效应，而制约静电力会使振动结构出现静电硬化效应，因此，本发明提供的微机械谐振器，通过在振动结构往复运动的同时，同时生成促进其往复运动的静电力和制约其往复运动的静电力，通过调节两个不同作用的静电力的大小关系，使得振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消，进而控制微机械谐振器工作在其固有频率，提高了微机械谐振器工作时的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种微机械谐振器的振动控制方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种微机械谐振器的结构示意图；

图3为图2中沿AA’方向的切面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，在现有的压电驱动的微机械谐振器中，只要静电力作用在振动结构上，就会对整个振动结构的刚度造成影响，这种现象称为静电弹簧软化效应(electro-static spring softening)和静电弹簧硬化效应(electro-static springhardening)，分别对应造成振动结构刚度的降低和增加，进而会改变谐振器工作频率，导致谐振器性能产生额外的漂移。

基于此，本申请实施例提供了一种微机械谐振器的振动控制方法和微机械谐振器，结合图1、图2和图3，对本申请实施例提供的微机械谐振器的振动控制方法和微机械谐振器进行详细说明。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种微机械谐振器的振动控制方法的流程图，其中，方法包括：

S1、驱动振动结构运动。

对微机械谐振器上电，驱动微机械谐振器的振动结构往复运动。

S2、控制微机械谐振器工作在其固有频率。

在振动结构往复运动的同时，生成作用在振动结构上、且促进振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在振动结构上、且制约振动结构的往复运动的制约静电力，以使得振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消，进而使微机械谐振器工作在其固有频率，提高了微机械谐振器工作时的稳定性。

其中，驱动振动结构往复运动的静电力，可以由生成促进静电力的结构和/或制约静电力的结构生成；或者，驱动振动结构往复运动的静电力由单独的一结构生成，与生成促进静电力的结构和生成制约静电力的结构无关，对此本申请不作具体限制，需要根据实际需要进行具体设计。

进一步的，本申请实施例提供的促进振动结构的往复运动的促进静电力为：

通过一个电容电极生成的、且沿振动结构运动方向或沿与振动结构运动方向相交于第一预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个电容电极生成的、且均沿振动结构运动方向或均沿与振动结构运动方向相交于各自的第二预设角度的方向上的多个子静电力的合力。

以及，制约振动结构的往复运动的制约静电力为：

通过一个电容电极生成的、且沿与振动结构运动方向相交于第三预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个电容电极生成的、且均沿与振动结构运动方向相交在各自的第四预设角度的方向上的多个子静电力的合力。需要说明的是，本申请对于上述实施例提供的各个预设角度的具体方向和度数大小不作具体限制，需要根据实际应用进行具体设计。

相对应上述实施例提供的方法，本申请实施例还提供了一种微机械谐振器，其中，微机械谐振器包括：衬底，以及设置于衬底上的振动结构和驱动结构；

其中，驱动结构用于驱动微机械谐振器的振动结构往复运动，并在振动结构往复运动的同时，生成作用在振动结构上、且促进振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在振动结构上、且制约振动结构的往复运动的制约静电力，以使得振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消，进而使微机械谐振器工作在其固有频率，提高了微机械谐振器工作时的稳定性。

其中，驱动结构包括：

至少一个第一电容电极和至少一个第二电容电极，其中，

第一电容电极和第二电容电极用于驱动振动结构往复运动，且促进振动结构的往复运动的促进静电力为：

通过一个第二电容电极生成的、且沿振动结构运动方向或沿与振动结构运动方向相交于第一预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个第二电容电极生成的、且均沿振动结构运动方向或均沿与振动结构运动方向相交于各自的第二预设角度的方向上的多个子静电力的合力；

以及，制约振动结构的往复运动的制约静电力为：

通过一个第一电容电极生成的、且沿与振动结构运动方向相交于第三预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个第一电容电极生成的、且均沿与振动结构运动方向相交在各自的第四预设角度的方向上的多个子静电力的合力。需要说明的是，本申请对于上述实施例提供的各个预设角度的具体方向和度数大小不作具体限制，需要根据实际应用进行具体设计。

具体的，结合图2和图3所示，图2为本申请实施例提供的一种微机械谐振器的结构示意图，图3为图2中沿AA’方向的切面图。微机械谐振器包括：衬底、振动结构和驱动结构；

其中，振动结构包括：

活动质量块3；

分别设置于活动质量块3两侧的第一可动梳齿41和第二可动梳齿42；

以及，固定于衬底1上、且沿活动质量块3的延伸方向X上，分别与活动质量块3的两端固定连接的第一弹性支撑梁51和第二弹性支撑梁52，且第一弹性支撑梁51和第二弹性支撑梁52使活动质量块3、第一可动梳齿41和第二可动梳齿42与衬底1之间有间隙。

进一步的，本申请实施例提供的弹性支撑梁：第一弹性支撑梁51包括第一支撑锚点51a和第一弹性元件51b，第一支撑锚点51a固定于衬底1上，第一弹性元件51b的一端与第一支撑锚点51a固定连接，另一端与活动质量块3固定连接；

以及，第二弹性支撑梁52包括第二支撑锚点52a和第二弹性元件52b，第二支撑锚点52a固定于衬底1上，第二弹性元件52b的一端与第二支撑锚点52a固定连接，另一端与活动质量块3固定连接。其中，本申请实施例对于第一弹性元件和第二弹性元件的形状不做具体限制，优选的，第一弹性元件和第二弹性元件均为转动弹簧。

另外，驱动结构包括：

至少一个第一电容电极和至少一个第二电容电极，其中，

第一电容电极包括：

固定于衬底1上的第一固定梳齿21和第二固定梳齿22；

第一固定梳齿21与第一可动梳齿41对应伸入，第二固定梳齿22与第二可动梳齿42对应伸入；

其中，固定梳齿的任意一梳齿与可动梳齿无接触部位，可动梳齿的任意一梳齿与固定梳齿无接触部位。即第一可动梳齿41的任意一梳齿的顶部，与对应第一固定梳齿21的两个梳齿之间的面无接触，且第一固定梳齿21的任意一梳齿的顶部，与对应第一可动梳齿41的两个梳齿之间的面无接触；

以及，第二可动梳齿42的任意一梳齿的顶部，与对应第二固定梳齿22的两个梳齿之间的面无接触，且第二固定梳齿22的任意一梳齿的顶部，与对应第二可动梳齿42的两个梳齿之间的面无接触。

另外，第一固定梳齿21的梳齿之间和第二固定梳齿22的梳齿之间具有高度差。即固定梳齿的相邻两个梳齿之间在一面齐平，且其中一梳齿的高度小于另一梳齿的高度，且本申请实施例优选的高度低的梳齿的高度大于高度高的梳齿的高度的一半，使得微机械谐振器工作时，可动梳齿的梳齿和对应的固定梳齿的梳齿之间具有电势差，且固定梳齿的高低梳齿的边缘电容(即未交叠部分的电容)会产生驱动可动梳齿运动的驱动力，即驱动振动结构往复运动的驱动力；同时，由两个梳齿的交叠区域产生的静电力与振动结构的运动方向相切，制约振动结构做往复运动，即产生了制约静电力，并且由于固定梳齿中高度低的梳齿的高度大于高度高的梳齿的高度的一半，即两梳齿之间交叠面积大，因此制约静电力大于高低梳齿的边缘电容产生驱动可动梳齿运动的驱动力(即促进静电力)，因而第一电容电极对振动结构的影响主要体现在静电弹簧硬化效应。

第二电容电极为平板电容电极，第二电容电极包括：

固定于衬底1上、且设置于活动质量块3两侧的第一极板61和第二极板62，第一极板61和第二极板62与活动质量块3有交叠区域，即活动质量块3伸入至第一极板61和第二极板62之间。

其中，第一极板和第二极板组成了第二电容电极，当对微机械谐振器上电后，活动质量块分别和第一极板与第二极板之间具有电势差，当振动结构做往复运动时，活动质量块会出现接近一极板，而远离另一极板的情况。具体为活动质量块与接近的极板之间静电力大于与远离的极板之间静电力、且活动质量块与接近的极板之间静电力方向与活动质量块运动方向相同，故第二电容电极对振动结构的影响主要体现在静电弹簧软化效应。

因此，通过合理的设计调整第一电容电极和第二电容电极的结构，以调整两个电容电极最终表现的静电力(即第一电容电极对应的制约静电力和第二电容电极对应的促进静电力)的大小，最终可使得静电弹簧硬化产生的频率偏移和静电弹簧软化产生的频率偏移之间相互抵消，以控制微机械谐振器工作在其固有频率，提高了微机械谐振器工作时的稳定性。

本申请实施例提供的一种微机械谐振器的振动控制方法及微机械谐振器，包括：衬底，以及设置于所述衬底上的振动结构和驱动结构；其中，所述驱动结构用于驱动所述微机械谐振器的振动结构往复运动，并在所述振动结构往复运动的同时，生成作用在所述振动结构上、且促进所述振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在所述振动结构上、且制约所述振动结构的往复运动的制约静电力，以使得所述振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消。

由上述内容可知，促进静电力会使振动结构出现静电弹簧软化效应，而制约静电力会使振动结构出现静电硬化效应，因此，本申请实施例提供的微机械谐振器，通过在振动结构往复运动的同时，同时生成促进其往复运动的静电力和制约其往复运动的静电力，通过调节两个不同作用的静电力的大小关系，使得振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消，进而控制微机械谐振器工作在其固有频率，提高了微机械谐振器工作时的稳定性。

Claims (7)

1.一种微机械谐振器的振动控制方法，其特征在于，包括：

对所述微机械谐振器上电，驱动所述微机械谐振器的振动结构往复运动；

且在所述振动结构往复运动的同时，生成作用在所述振动结构上、且促进所述振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在所述振动结构上、且制约所述振动结构的往复运动的制约静电力，以使得所述振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消；

所述促进所述振动结构的往复运动的促进静电力为：

通过一个电容电极生成的、且沿所述振动结构运动方向或沿与所述振动结构运动方向相交于第一预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个电容电极生成的、且均沿所述振动结构运动方向或均沿与所述振动结构运动方向相交于各自的第二预设角度的方向上的多个子静电力的合力；

以及，所述制约所述振动结构的往复运动的制约静电力为：

通过一个电容电极生成的、且沿与所述振动结构运动方向相交于第三预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个电容电极生成的、且均沿与所述振动结构运动方向相交在各自的第四预设角度的方向上的多个子静电力的合力。

2.一种微机械谐振器，其特征在于，包括：

衬底，以及设置于所述衬底上的振动结构和驱动结构；

其中，所述驱动结构用于驱动所述微机械谐振器的振动结构往复运动，并在所述振动结构往复运动的同时，生成作用在所述振动结构上、且促进所述振动结构的往复运动的促进静电力，以及生成作用在所述振动结构上、且制约所述振动结构的往复运动的制约静电力，以使得所述振动结构在往复运动中由静电弹簧软化效应产生的频率偏移和由静电弹簧硬化效应产生的频率偏移之间相互抵消；所述驱动结构包括：

至少一个第一电容电极和至少一个第二电容电极，其中，

所述第一电容电极和第二电容电极用于驱动所述振动结构往复运动，且所述促进所述振动结构的往复运动的促进静电力为：

通过一个所述第二电容电极生成的、且沿所述振动结构运动方向或沿与所述振动结构运动方向相交于第一预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个所述第二电容电极生成的、且均沿所述振动结构运动方向或均沿与所述振动结构运动方向相交于各自的第二预设角度的方向上的多个子静电力的合力；

以及，所述制约所述振动结构的往复运动的制约静电力为：

通过一个所述第一电容电极生成的、且沿与所述振动结构运动方向相交于第三预设角度的方向上的静电力；或者，

通过多个所述第一电容电极生成的、且均沿与所述振动结构运动方向相交在各自的第四预设角度的方向上的多个子静电力的合力。

3.根据权利要求2所述的微机械谐振器，其特征在于，所述振动结构包括：

活动质量块；

分别设置于所述活动质量块两侧的第一可动梳齿和第二可动梳齿；

以及，固定于所述衬底上、且沿所述活动质量块的延伸方向上，分别与所述活动质量块的两端固定连接的第一弹性支撑梁和第二弹性支撑梁，且所述第一弹性支撑梁和第二弹性支撑梁使所述活动质量块、第一可动梳齿和第二可动梳齿与所述衬底之间有间隙。

4.根据权利要求3所述的微机械谐振器，其特征在于，所述第一电容电极包括：

固定于所述衬底上的第一固定梳齿和第二固定梳齿；

所述第一固定梳齿与第一可动梳齿对应伸入，所述第二固定梳齿与第二可动梳齿对应伸入；

其中，所述固定梳齿的任意一梳齿与所述可动梳齿无接触部位，所述可动梳齿的任意一梳齿与所述固定梳齿无接触部位。

5.根据权利要求4所述的微机械谐振器，其特征在于，所述第一固定梳齿的梳齿之间和第二固定梳齿的梳齿之间具有高度差。

6.根据权利要求4所述的微机械谐振器，其特征在于，所述第一固定梳齿、第二固定梳齿、第一可动梳齿和第二可动梳齿的梳齿均为矩形梳齿。

7.根据权利要求3所述的微机械谐振器，其特征在于，所述第二电容电极为平板电容电极，所述平板电容电极包括：

固定于所述衬底上、且设置于所述活动质量块两侧的第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板与活动质量块有交叠区域。