CN106877837B - Mems 谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MEMS谐振器包括：主基板，其在所述主基板的中心形成接收部；质量体，其具有通过主基板的两侧弹性支承的一个端部和中心部；驱动单元，其配置在主基板上的接收部的一侧，并且通过施加至质量体的一个端部的两侧的电压产生驱动扭矩，从而相对于主基板移动质量体的位置；以及，调谐部，其包括相对于第二弹性构件对称设置的一对调谐单元，并且具有梁构件，上述梁构件通过驱动每个调谐单元的操作来改变第二弹性构件的长度，从而控制频率。

Description

MEMS 谐振器
技术领域
本发明涉及一种MEMS谐振器，且更具体地，涉及这样一种MEMS谐振器：当向致动器施加电压来人为地限制支承质量体的弹簧时,上述MEMS谐振器可通过控制刚度来调整谐振频率的方法在不持续施加电压的状态下保持调谐状态(tuning state)。
背景技术
一般地，微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical System)技术用于通过处理硅、晶体(crystal)、或玻璃来制造微型机械结构，例如超高密度集成电路。
通过硅处理技术开始的MEMS技术能够通过应用半导体精细加工技术实现以低成本大量生产超小尺寸产品，其中，半导体精细加工技术是用于在结构上重复例如沉积和蚀刻的处理过程，从而使尺寸、成本和功率损耗都能显著减少。
具体地，MEMS谐振器广泛地应用于各种场合，例如，加速系统、惯性传感器例如角速度系统、RF滤波器、质量检测传感器以及微透镜扫描仪(microlens scanner)。
MEMS谐振器由质量体、弹簧以及阻尼器组成，并且检测由于从外部输入的物理量，例如，质量体的振幅和谐振频率，即谐振特性引起的转换系数。
然而，当MEMS谐振器由于制造过程的误差或者操作环境，即，外部温度或压力而导致其自身的频率发生变化时，存在缺陷。
然而，现有的调整频率方法是复杂且昂贵的，并且在电调谐类型中，存在需要持续施加电压的缺陷。
上述在背景部分所公开的信息仅用于增强本发明背景的理解，并且因此，其可包括不形成本国内本领域内的普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
一种MEMS谐振器配置成在通过施加电压至致动器来限制连接至质量体的弹簧时，通过控制刚度来调整谐振频率，并且在完成调谐后，甚至当电压被移除时，通过碳纳米管(CNT：carbon nanotube)的摩擦力仍能保持调谐状态。
在本发明的一个或多个示例性实施例中，一种MEMS谐振器包括：主基板，其在主基板的中心形成接收部；质量体，其位于主基板上的接收部的中心，并且具有在主基板的两侧、通过第一弹性构件和第二弹性构件弹性地支承的一个端部和中心部；驱动单元，其配置在主基板上的接收部的一侧，并且通过施加至质量体的一个端部的两侧的电压产生驱动扭矩，从而相对于主基板移动质量体的位置；以及，调谐部，其包括相对于第二弹性构件对称地设置为一对的一对调谐单元，上述一对调谐单元对应于质量体的中心部的两侧，分别配置在接收部，并且所述调谐部具有梁构件，上述梁构件通过每个调谐单元的致动操作来改变第二弹性构件的长度，从而控制频率。
上述调谐单元可包括：辅助基板，其对应于质量体的中心部，配置在主基板的接收部内；第一致动器，其配置在辅助基板和主基板之间的接收部中，并且根据施加电压驱动相对于位于接收部的中心的片梭位于两侧的每个接触端，从而控制片梭的移动；第二致动器，其在第二弹性构件的相反侧位于第一致动器的后部，并且配置有多个加热线上的驱动梁，上述加热线通过施加电压进行伸展从而作用在片梭的后端；以及，梁构件，其设置成使其能够与在辅助基板和主基板之间的接收部内的第二弹性构件接触，并且固定于片梭(shuttle)的前端。
上述片梭的前端部可连接至布置在辅助基板和主基板之间的第三弹性构件。
上述第一致动器可包括位于辅助基板和主基板之间的接收部的中心的片梭，上述第一致动器可分别对应于辅助基板和主基板，在片梭的两侧布置，从而在各自内端形成接触片梭的接触端，并且上述第一致动器可具有由连接至来自接触端的电极的第一梁和第二梁制成的变形部。
第一梁可对应于片梭，布置在两侧，第二梁可以相同的厚度在接触端的相反侧形成在第一梁的外侧，并且第二梁短于第一梁。
第一致动器的各个接触端和对应于该接触端的片梭可以涂布有碳纳米管(CNT)。
在第二致动器中，多个加热线可通过支承端在两端整体连接(连接成一体)，驱动梁可配置在各个加热线的中心部，并且该驱动梁可通过各个加热线的伸展变化量来接触片梭的后端，从而驱动片梭。
梁构件可以椭圆形状的曲面形成。
主基板可以是绝缘体上硅(SOI)基板。
驱动单元可以制成为梳齿驱动器(comb finger driver)。
本发明的示例性实施例施加电压至第二致动器来将与第一致动器的接触端接触的片梭移动至连接至质量体的弹簧的侧边，从而限制弹簧并且控制其刚度，并且因此，通过调整谐振频率的方法，甚至当电压供应被移除时仍可通过涂布在接触端的CNT的摩擦力保持调谐状态，从而在功率损耗方面存在非常有益的效果。
此外，能够从本发明的示例性实施例中获得或者预期的效果将在下文的详细描述中直接或者暗示地进行描述。即，在下文详细描述中将描述从本发明的示例性实施例预期的各种效果。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的MEMS谐振器的截面图。
图2是根据本发明的示例性实施例的MEMS谐振器的调谐单元的放大截面图。
图3是解释根据本发明的示例性实施例的MEMS谐振器的调谐单元的运行图。
具体实施方式
应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他相似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、公交车、卡车、各式商用车辆在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混 合动力电动车辆、氢动力车辆以及其他代用燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所述，混合动力车辆是同时具有两种或多种动力源的车辆，例如，同时汽油驱动和电驱动的车辆。
本文所使用的专有名词仅是为了说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部组合。
贯穿说明书，除非明确描述与之相反，词语“包括”以及其变形例如“包含”或者“含有”将理解成意味着包括所述元素但是不排除任意其他元素。此外，在说明书中描述的术语“单元”、“-者”、“-器”以及“模块”意味着用于处理至少一个功能或者操作的单元，并且其可通过硬件组件或者软件组件以及其二者联合进行实施。
此外，本发明的控制逻辑可实施为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在网络连接的计算机系统中，以便例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)，以分布方式存储和执行计算机可读介质。
在下文中，将参考附图描述本发明的示例性实施例。然而，稍后将进行描述的附图和详细说明涉及用于有效地说明本发明的特征的若干示例性实施例中的一个示例性实施例。因此，本发明不仅限于下述附图和描述。
图1是根据本发明的示例性实施例的MEMS谐振器的截面图，并且图2是根据本发明的示例性实施例的MEMS谐振器的调谐单元的放大截面图。
参考图1，根据本发明的示例性实施例的MEMS谐振器1包括主基板11、质量体13、驱动单元15、以及调谐部17。
首先，主基板11在中心形成接收部。
在此情况下，主基板11由绝缘体上硅(SOI：silicon-on-insulator)基板组成。
SOI基板指的是埋入的绝缘层以三明治结构层叠在底层支承基板和主基板11之间的基板。SOI基板配置成形成完全元件分离。
同样地，质量体13位于主基板11上的接收部A的中心。质量体13具有在主基板11上通过第一弹性构件S1弹性支承的一个端部、以及通过第二弹性构件S2弹性支承的中心部。
同样地，驱动单元15布置在主基板11上的接收部A的一侧。驱动单元15包括彼此面对的两个驱动器，并且配置成通过向两个驱动器施加AC电压来使其相对于一个方向平移移动。因此，由于驱动单元15的平移，质量体13被驱动。驱动单元15由梳齿驱动器制成。
调谐部17在主基板11上的接收部A中包括四个调谐单元20。即，在调谐部17中，调谐单元20相对于第二弹性构件S2对称地形成有一对，并且分别对应于质量体13的中心部的两侧配置。
调谐部17通过执行每个调谐单元20的操作来改变其刚度从而有意地限制第二弹性构件S2，从而控制频率。参考图2，调谐单元20包括辅助基板21、第一致动器23、第二致动器25以及梁构件(beam member)27。
辅助基板21对应于质量体13的中心部，布置在主基板11的接收部A内部。同样地，第一致动器23在主基板11和辅助基板21之间布置在接收部A上。第一致动器23包括片梭(shuttle)29，其位于主基板11和辅助基板21之间的接收部A的中心。
在此情况下，片梭29的前端连接至布置在主基板11和辅助基板21之间的第三弹性构件S3。
同样地，第一致动器23在片梭29的两侧分别布置成对应于主基板11和辅助基板21，并且在各内端形成接触片梭29的接触端24。
此处，第一致动器23的接触端24和对应于接触端24的片梭29涂布有碳纳米管(CNT)。
CNT利用铁(Fe)作为催化剂，使用化学气相沉积(CVD：chemical vapordeposition)方法，并且通过在约700℃下喷射氨(NH3)气和 乙炔(C2H2)进行合成。CNT可以生长至接近10μm。
第一致动器23具有由连接至来自接触端的电极的第一梁B1和第二梁B2组成。第一梁B1布置在对应于片梭29的两侧，并且第二梁B2在接触端24的相反侧、在第一梁B1的外侧以相同的厚度形成。在此种情况下，第二梁B2具有短于第一梁B1的长度。
根据输入的施加电压，第一致动器23驱动相对于位于中心的片梭29位于两侧的每个接触端24，从而控制片梭29的移动。
第二致动器25在第二弹性构件S2的相反侧位于第一致动器23的后部。第二致动器25配置有通过施加电压伸展的多个加热线30，以作用于片梭29的后端。
在此种情况下，通过两端由支承端31将多个加热线30连接为一体，并且在中心配置驱动梁33。
由于驱动梁33通过每个加热线30的伸展变化量来接触片梭29的后端，第二致动器25驱动片梭29。
上述第二致动器25可以是人字形(chevron)热致动器。
同样地，梁构件27被设置成使其在主基板11和辅助基板21之间的接收部A内部接触第二弹性构件S2。梁构件27可形成椭圆形状的曲面，以固定于片梭29的前端。例如，梁结构可以由弓形梁制成。
图3是解释根据本发明的示例性实施例的MEMS谐振器的调谐单元的运行图。
图3(A)示出调谐单元20的初始状态，并且位于第一致动器23中心的片梭29与接触端24接触，并且在其前端连接至梁构件27。在此情况下，梁构件与第二弹性构件S2保持分离。
参考图(3B)，将电压施加至调谐单元20的第二致动器25。在此情况下，在第二致动器25中形成的多个加热线30伸展以发生形变，从而使位于加热线30的中心的驱动梁33接触位于第一致动器23的中心的片梭29的后端，并且片梭29移动至第二弹性构件S2的侧边。
即，当固定在片梭29的前端的具有椭圆形状的梁构件27与第二弹性构件S2接触并且收缩时，由于第二弹性构件S2的长度发生变化，并且其刚度发生变化，因此可以控制连接至第二弹性构件S2的质量体13的移动，从而使频率可被调整。
参考图3(C)，在梁构件27与第二弹性构件S2接触的状态下，甚至当施加至第二致动器25上的电压被移除时，通过片梭29与位于片梭29的两侧的第一致动器23的每个接触端24之间的摩擦力，该片梭29仍能保持其位置。片梭29的位置可通过在片梭29和与其接触的接触端24之间涂布的CNT的摩擦力进行保持。
参考图3(D)，在调整频率后，为了将片梭29返回至初始位置，将电压施加至第一致动器23上。因此，当第一致动器23由于每个变形部的第一梁B1和第二梁B2之间的变形长度差而分开至片梭29的两侧时，在每个变形部的前端形成的接触端24与片梭29分开，并且由CNT引起的彼此的摩擦力被移除，并且因此，通过使用第二弹性构件S2的弹性力将片梭29返回至初始位置。
在此情况下，变形部由具有比第一梁B1更短的长度的第二梁B2布置在第一梁B1的外侧的结构形成，并且因此，形状发生变形，从而使第一致动器23由于具有相对较长的长度的第一梁B1而向外倾斜。
因此，当已限制第二弹性构件S2的片梭29恢复至初始位置时，调谐部17返回至初始状态。
尽管本发明已经结合目前被认为是具体示例性实施例的内容进行了描述，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，并且，正相反，其意图于覆盖包括在所附权利要求所主张的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1.一种MEMS谐振器，包括：
主基板，其在所述主基板的中心形成接收部；
质量体，其位于所述主基板的接收部的中心，并且具有在所述主基板的两侧、通过第一弹性构件和第二弹性构件弹性地支承的一个端部和中心部；
驱动单元，其配置在所述主基板的接收部的一侧，并且通过施加至所述质量体的一个端部的两侧的电压产生驱动扭矩，从而相对于所述主基板移动所述质量体的位置；以及
调谐部，其包括相对于所述第二弹性构件对称设置的一对调谐单元，所述一对调谐单元对应于所述质量体的中心部的两侧，分别配置在所述接收部，并且所述调谐部具有梁构件，所述梁构件通过每个调谐单元的致动操作来改变所述第二弹性构件的长度，从而控制频率，
其中所述调谐单元包括多个致动器，所述致动器配置成通过施加的电压来控制位于中心的片梭，所述梁构件设置在第二弹性构件和片梭之间，并且
所述调谐单元通过操作多个致动器，控制所述梁构件来改变第二弹性构件的长度。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述调谐单元包括：
辅助基板，其对应于所述质量体的中心部，配置在所述主基板的接收部的内部；
第一致动器，其配置在所述辅助基板和所述主基板之间的所述接收部中，并且根据施加电压驱动相对于位于所述接收部的中心的片梭位于两侧的每个接触端，从而控制所述片梭的移动；和
第二致动器，其在所述第二弹性构件的相反侧位于所述第一致动器的后部，并且配置有多个加热线上的驱动梁，所述加热线通过施加电压进行伸展从而作用在所述片梭的后端，
其中所述梁构件设置成使其能够与在所述辅助基板和所述主基板之间的接收部内部的所述第二弹性构件接触，并且固定于所述片梭的前端。
3.根据权利要求2的MEMS谐振器，其中在所述片梭中，所述前端部连接至布置在所述辅助基板和所述主基板之间的第三弹性构件。
4.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其中，所述第一致动器包括位于所述辅助基板和所述主基板之间的接收部的中心的片梭，所述第一致动器分别对应于所述辅助基板和所述主基板，布置在所述片梭的两侧，从而在各自内端形成接触所述片梭的接触端，并且所述第一致动器具有由连接至来自所述接触端的电极的第一梁和第二梁制成的变形部。
5.根据权利要求4所述的MEMS谐振器，其中所述第一梁布置在对应于所述片梭的两侧，所述第二梁以相同的厚度在所述接触端的相反侧形成在所述第一梁的外侧，并且所述第二梁短于所述第一梁。
6.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其中，所述第一致动器的各个接触端和对应于所述接触端的片梭涂布有碳纳米管(CNT)。
7.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其中在所述第二致动器中，多个加热线通过支承端在两端整体连接，驱动梁配置在各个加热线的中心部，并且所述驱动梁通过各个加热线的伸展变化量，接触所述片梭的后端从而驱动所述片梭。
8.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其中所述梁构件以椭圆形状的曲面形成。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述主基板是绝缘体上硅(SOI)基板。
10.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述驱动单元制成为梳齿驱动器。
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