CN107592089B - 一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微机电系统（MEMS）领域，具体涉及一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，包括基座、驱动电极、悬臂支撑部以及悬挂微梁；驱动电极布设于基座上表面；悬臂支撑部设于基座上表面的一端；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方，悬挂微梁长边平行于基座，并且悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面上设有矩形通孔；矩形通孔位于该侧面的中心位置处；同时矩形通孔的长度不小于该侧面长度的0.8倍，矩形通孔的宽度不大于该侧面宽度的0.1倍。其阻尼峰在较高频段，能与工作频率错开。

Description

一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)领域，具体涉及一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器。
背景技术
弯曲振动的悬臂微梁是许多微机电器件的核心部分，例如：微梁式谐振器及滤波器。这类微梁一般采用Si材料制造,通常要求有很高的品质因数：即要求较小的热弹性阻尼。热弹性阻尼(Thermoelastic damping，简称TED)是微梁弯曲振动时的一种非常重要的阻尼。这种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。体积变化导致热量产生并耗散掉，也即微梁的振动机械能变为热能耗散掉。
对于厚度为h的悬挂微梁，Zener给出了的非常著名的热弹性阻尼
Figure BDA0001407376680000011
计算模型(参见文献1和2)：
Figure BDA0001407376680000012
式中，
Figure BDA0001407376680000013
是材料参数(Zener模量)，E是弹性模量，α是热胀系数，ω是工作频率，Cv是单位体积热容，T0是环境温度，τ＝h2Cv/(π2k)是热松弛时间，k是导热系数，h是悬挂微梁的厚度(即弹性梁在发生体积变化方向的尺寸)。显然，热弹性阻尼是与梁的变形(振型)无关。
Zener模型表明，热弹性阻尼是工作频率ω的函数。数学上，
Figure BDA0001407376680000014
在
Figure BDA0001407376680000015
时具有唯一的一个极大值
Figure BDA0001407376680000016
这个阻尼峰值被称为Dedby峰。如图2所示，一根20μm厚的硅微梁(原实心结构)的热弹性阻尼关于工作频率ω的曲线，Dedby峰在200kHz附近。显然，如果工作频率在低频段200kHz时，工作频率很接近阻尼峰。此时，梁结构具有较大的热弹性阻尼。为了减小热弹性阻尼，可以采用如下两种方法：方法一，提高器件工作频率，躲开阻尼峰。但是很多情况下，工作频率很难改变，只能在低频段。方法二，考虑到阻尼函数
Figure BDA0001407376680000021
由器件自身决定，所以，可以设法改进器件结构，提高器件的阻尼峰。但目前没有有效的技术方案能改进器件结构。
文献1：C.Zener,Internal Friction in Solids.I.Theory of InternalFriction in Reeds,in:Physical Review,American Physical Society,1937,pp.230‐235；
文献2：C.Zener,Internal Friction in Solids II.General Theory ofThermoelastic Internal Friction,Physical Review,53(1938)90‐99。
发明内容
本发明提供一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，其阻尼峰在较高频段，该阻尼峰能与工作频率错开。
为实现上述技术目的，本发明采取的具体技术方案为：一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，包括基座、驱动电极、悬臂支撑部以及悬挂微梁；驱动电极布设于基座上表面；悬臂支撑部设于基座上表面的一端；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方、悬挂微梁长边平行于基座，并且悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面上设有矩形通孔；矩形通孔位于该侧面的中心位置处。
作为本发明改进的技术方案，矩形通孔的长度不小于该侧面长度的0.8倍，矩形通孔的宽度不大于悬挂微梁厚度的0.1倍。
作为本发明改进的技术方案，矩形通孔有两个及以上，矩形通孔沿侧面的长度方向均匀布设。
有益效果
本发明的微梁器件采用了狭长矩形通孔结构，相对于现有技术中的实心结构微梁，其在物理上减小梁了的厚度，使得热弹性阻尼峰出现更高的频段，避开了工作频率(在低频段)，从而明显降低了热弹性阻尼，即显著降低了能量损失原实心结构微梁的热弹性阻尼峰一般都在低频段。
附图说明
图1本申请装置的结构示意图；
图2实现结构的悬臂微梁弹性阻尼与本申请悬臂微梁的弹性阻尼特性对比图；
图3本申请装置的第二种结构示意图；
图4本申请装置的第三种结构示意图；
图中：1、悬挂微梁；2、悬臂支撑部；3、驱动电极；4、矩形通孔；5、基座。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中所述的“上”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备上方的方向为上，反之为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。
实施例1
如图1所示的一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，包括基座5、驱动电极3、悬臂支撑部2以及悬挂微梁1；
驱动电极布设于基座上表面，用于激励悬挂微梁在静电力的作用下发生弹性振动；
悬臂支撑部设于基座上表面的一端，用于悬挂式固定悬挂微梁；
悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方并与基座平行设置；图1中，悬挂微梁长度方向为x方向(长边方向)、悬挂微梁厚度方向为y方向。悬挂微梁在静电力作用下，沿y方向(厚度方向)变形。
悬挂微梁1的侧面上设有矩形通孔4，该侧面同时垂直于基座5的上表面、与悬臂支撑部2用于固定悬挂微梁1的面(即该侧面为悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面)；矩形通孔4位于该侧面的中心位置处；即矩形通孔4设于悬挂微梁1厚度方向的面上，并且矩形通孔4的中心位置与悬挂微梁1在厚度方向的中心位置重合，矩形通孔4的长度方向与悬挂微梁1的长度方向一致，矩形通孔4的宽度方向与悬挂微梁1的厚度方向一致；(本申请中悬挂微梁的厚度是指：将悬挂微梁卧倒时，悬挂微梁的高度)。
本申请的矩形通孔将原来的悬挂微梁变成了上、下两根梁。矩形通孔在悬挂微梁长度方向(垂直于悬挂支撑部的方向)没有贯通，即两根梁在最左端和最右端物理上是连接在一起的。下面的梁受静电力作用，发生变形，并通过最右端带动上面的梁一起振动。
原理为：
本发明中，矩形通孔长度尺寸远大于孔的宽度尺寸。矩形通孔长度接近梁的总长度。矩形通孔的宽度则远小于梁的总厚度h。
本发明的物理原理如下：Zener模型表明，唯一的热弹性阻尼峰出现在
Figure BDA0001407376680000041
利用热松弛时间τ＝h2Cv/(π2k)，可以得到
Figure BDA0001407376680000042
式中，τ是热松弛时间，τ＝h2Cv/(π2k)；Cv是单位体积热容，π圆周率，k是导热系数，h是悬挂微梁的厚度(即弹性梁在发生体积变化方向的尺寸)。
显然，如果能够减小悬挂微梁的厚度h，就可以使阻尼峰出现更高的频率。
在保证有效性的前提下，本申请通过这个矩形通孔，将原来的悬挂微梁变成了上、下两根梁。力学上，梁的长度远远大于厚度。因此，矩形通孔的长度必须是足够长。这样，上、下两根梁都满足梁的力学假设。悬挂微梁变形方向垂直于基座，所以，矩形通孔的宽度必须远小于悬挂微梁厚度h。这样不仅对原结构(静强度等等)影响较小，而且上、下两根梁厚度近似为h/2，ωPeak变为原结构的四倍。也就是说，阻尼峰被转移到更高的频段‐‐‐‐原阻尼峰频率的四倍处。这样就不改变工作频率，就避开了阻尼峰。综上，矩形通孔的长度不小于该侧面长度的0.8‐0.9倍，矩形通孔的宽度不大于该侧面宽度(悬挂微梁厚度)的0.1倍。在驱动电极的作用下，在静电力作用下，悬挂微梁能沿该侧面(悬挂微梁的厚度方向)振动。
优选的，矩形通孔的长度为悬挂微梁在垂直于基座的侧面的长度的0.9倍。
本发明作为谐振器件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3和悬挂微梁1之间。下面的梁受静电力作用，发生变形，并通过最右端带动上梁一起振动。悬挂微梁1每振动一个周期就通过热弹性阻尼损耗一些能量。损耗的能量需要通过静电力做功补充。显然，热弹性能量损耗越小，器件就越好(越省电)。本发明的谐振器件还有其它用途，它们也需要类似的低功耗。
定量比较本申请的具有矩形通孔的悬挂微梁与现有技术中实心悬挂微梁的热弹性阻尼：
设矩形通孔的悬挂微梁与现有技术中实心悬挂微梁的厚度均为h，设工作频率ω正好在阻尼峰处，
实心悬挂微梁的热弹性阻尼峰：
Figure BDA0001407376680000051
此时，实心悬挂微梁的阻尼值为：
Figure BDA0001407376680000052
τ实心结构是实心悬挂微梁的热松弛时间，τ实心结构＝h2Cv/(π2k)；Cv是单位体积热容，π圆周率，k是导热系数。
采用本申请的悬挂微梁热松弛时间
Figure BDA0001407376680000053
(前文已有相关解释，由于矩形通孔的设计使得下梁的厚度近似于悬挂微梁整体厚度的一半)。不改变工作频率，
Figure BDA0001407376680000054
此时，本申请悬挂微梁的阻尼值为
Figure BDA0001407376680000055
所以，本发明的热弹性阻尼比原实心结构减小一半。
本发明的具体效果见以下实施例。
对于一根多晶硅悬挂微梁，厚度h＝20μm，工作频率在200kHz。图2给出了原实心结构与本发明热弹性阻尼对比。原实心结构阻尼峰也在200kHz附近，所以热弹性阻尼很大。本申请器件的阻尼峰被移到了800kHz附近，避开了工作频(200kHz)，热弹性阻尼减小一半。
实施例2
与实施例1的区别在于，在用于特别长的悬挂梁时，如果只有一个矩形通孔，那么该矩形通孔促使下梁过长，在静电力的作用下，下梁强度、刚度则会被削弱，因此，矩形通孔可设计为两个及以上，矩形通孔沿悬挂微梁在垂直于基座的侧面的长度方向均匀布设。多个矩形通孔能使得上梁与下梁之间有多处物理连接，其有效提高下梁的强度与刚度，并能同时保证降低悬挂微梁的热弹性阻尼。
现在分析有多个狭长矩形通孔的技术方案。当梁特别长时，如果只有一个矩形通孔，则下梁太长，在静电力作用下，下梁强度、刚度都很弱。这时可以采用两个以上的矩形通孔，由于上、下梁增加了几处物理连接，下梁强度、刚度显著提高。具体如图3所示具有2个矩形通孔的微梁结构示意图，上、下梁增加了1处物理连接，下梁强度、刚度显著提高。如图4所示具有3个矩形通孔的微梁结构示意图，上、下梁增加了2处物理连接，下梁强度、刚度显著提高。当微梁很长时，建议采用多个矩形通孔。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。

Claims (1)

1.一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，其特征在于，包括基座、驱动电极、悬臂支撑部以及悬挂微梁；驱动电极布设于基座上表面；悬臂支撑部设于基座上表面的一端；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方，悬挂微梁长边平行于基座，并且悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面上设有矩形通孔；矩形通孔位于该侧面的中心位置处；矩形通孔的长度不小于该侧面长度的0.8倍，矩形通孔的宽度不大于悬挂微梁厚度的0.1倍；矩形通孔有两个及以上，矩形通孔沿侧面的长度方向均匀布设。
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