CN111470467B - 一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器 - Google Patents

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Abstract

一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，包括可动极板，可动极板的前、后侧连接有第一支撑梁、第二支撑梁，支撑梁共同支撑可动极板，使得可动极板能够围绕支撑梁旋转，可动极板的运动方式类似跷跷板；可动极板的左、右侧下方设有第一电极、第二电极，两个电极之间连接直流电源；可动极板在电极的吸引下，产生旋转运动，并与其中一个电极发生发生碰撞，碰撞发生时，可动极板上发生放电和再充电过程，改变了电极对可动极板的静电吸引力方向，使得可动极板产生与碰撞前相反方向的运动，去碰撞另外一侧的电极，此过程周而复始，在线路中产生了频率稳定的电信号；本发明具有结构简单、信号强、功耗低、环境适应性好等优点。

Description

一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器
技术领域
本发明属于微电子、微机械电子(MEMS)的谐振器技术领域，具体涉及一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器。
背景技术
谐振器可以产生稳定的频率信号，为电子系统提供时钟基准，是计算机系统、嵌入式系统、控制系统等数字系统正常运行不可或缺的关键元件。此外，力、阻尼等外界信号可以使谐振器产生的频率信号发生变化，利用这些特性可以制成数字式谐振传感器，被测量改变谐振器的振动频率，通过检测谐振频率变化实现被测信号的精确测量。
石英晶振是较为常用的谐振器，但是随着微机械电子系统技术的快速发展，采用硅材料加工的谐振器在一些消费电子领域也取得了令人瞩目的发展，成为了除石英晶振之外的一种可靠选择。与石英晶振不同，硅材料没有压电特性，目前硅谐振器主要通过电容极板之间的静电力实现谐振器内部可动部件的振动激励，然后通过检测电容的变化，实现频率信号的电信号输出。电容之间的静电力本质上是一种非线性力，为实现硅谐振器的振动处于线性区域，需要配合复杂的限幅、移相、反馈等电路，因此限制了硅谐振器在谐振器阵列、恶劣环境、自供电传感器等领域的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，具有结构简单、环境适应性好、易激励检测等优点。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，包括可动极板1，可动极板1的前侧连接有第一支撑梁2，可动极板1的后侧连接有第二支撑梁3，第一支撑梁2和第二支撑梁3共同支撑可动极板1，使得可动极板1能够围绕第一支撑梁2与第二支撑梁3旋转，可动极板1的运动方式类似跷跷板，第一支撑梁2和第二支撑梁3能发生扭转变形；可动极板1的左侧下方设有第一电极4，可动极板1的右侧下方设有第二电极5，第一电极4与第二电极5之间连接直流电源8。
所述的可动极板1由导电材料加工，或者在非导电材料的表面有一层导电层使得可动极板1的表面导电。
所述的可动极板1与第一电极4形成第一电容C16；可动极板1与第二电极5形成第二电容C27，当第一电极4与第二电极5之间连接直流电源8时，第一电容C16的两个极板之间产生第一静电吸引力Fe19，第二电容C27两个极板之间产生第二静电吸引力Fe210，第一静电吸引力Fe19和第二静电吸引力Fe210同时吸引可动极板1；理想情况下，当第一电容C16和第二电容C27完全对称时，第一静电吸引力Fe19和第二静电吸引力Fe210大小相同、方向相反，两者是一对平衡力，因此可动极板1处于平衡状态；但是由于加工误差、外界干扰的存在，理想的平衡状态并不存在；合力Fe＝Fe1-Fe2，因此Fe≠0，可动极板1在合力Fe的作用下，绕第一支撑梁2和第二支撑梁3产生旋转运动。
如果可动极板1在任意旋转角度下，合力Fe施加于可动极板1的扭矩Te均大于第一支撑梁2和第二支撑梁3的合弹性恢复扭矩Tm，那么扭矩Te将会拉动可动极板1产生绕第一支撑梁2、第二支撑梁3的旋转运动，直至碰撞第一电极4或第二电极5；碰撞发生时，可动极板1与直流电源8电连接，发生放电和再充电现象，然后Fe方向发生改变，驱动可动极板1往相反方向运动，去碰撞另外一边的第二电极5或第一电极4；此类过程周而复始，每次碰撞过程的充放电会在电路中产生频率稳定的电流变化，电路中串联的电阻11两端的电压也会出现频率稳定的周期性变化，从而形成谐振器的工作方式。
当可动极板1的旋转角度为0时，第一静电吸引力Fe19和第二静电吸引力Fe210的合力不等于0，其实现方法包括以下三种：
第一种：通过加工误差使得第一电容C16和第二电容C27的尺寸不完全一致；
第二种：通过设计使得第二电极5与第一电极4的形状、尺寸不一致或者位置不对应；
第三种：通过设计使得第一支撑梁2和第二支撑梁3没有位于可动极板1的对称轴上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用跷跷板形式，是自主碰撞式谐振器，只需要配合直流电源就可以产生频率时钟信号，具有结构简单、环境适应性好、易激励检测等优点，不需要其他电容式谐振器必需的直流偏置、交流驱动、反馈、锁相、限幅等环节。由于利用了静电力的拉靠现象，采用碰撞式原理，谐振器不需要放大环节就可以输出比普通硅谐振器更强的信号。
本发明可动极板与其中一个电极发生碰撞接触时，与另外一个极板是断开的，因此整个回路是断开的，解决了短路问题。
本发明可动极板与电极的每次碰撞，交换的电荷仅仅是可动极板上携带的电荷，因此解决了过度放电引起的可动极板与电极的黏附问题，同时解决了可动极板的混沌无秩序扰动，使其有序工作于绕支撑梁的旋转运动状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的等效原理图。
图3为本发明可动极板的受力分析图。
图4为本发明的工作过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参照图1，一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，包括可动极板1，可动极板1的前侧连接有第一支撑梁2，可动极板1的后侧连接有第二支撑梁3，第一支撑梁2和第二支撑梁3共同支撑可动极板1，使得可动极板1能够围绕第一支撑梁2与第二支撑梁3旋转，可动极板1的运动方式类似跷跷板，第一支撑梁2和第二支撑梁3能发生扭转变形；可动极板1的左侧下方设有第一电极4，可动极板1的右侧下方设有第二电极5，第一电极4与第二电极5固定不可动，第一电极4与第二电极5的表面导电；第一电极4与第二电极5之间连接直流电源8。
所述的可动极板1由导电材料加工，或者在非导电材料的表面有一层导电层使得可动极板1表面是导电。
参照图2，所述的可动极板1与第一电极4形成第一电容C16；可动极板1与第二电极5形成第二电容C27，当第一电极4与第二电极5之间连接直流电源8时，第一电容C16的两个极板之间产生第一静电吸引力Fe19，第二电容C27两个极板之间产生第二静电吸引力Fe210，第一静电吸引力Fe19和第二静电吸引力Fe210同时吸引可动极板1。
参见图2和图3，理想情况下，当第一电容C16和第二电容C27完全对称时，第一静电吸引力Fe19和第二静电吸引力Fe210大小相同、方向相反，两者是一对平衡力，因此可动极板1处于平衡状态；但是，由于加工误差、外界干扰等的存在，这种理想的平衡状态并不存在；合力Fe＝Fe1-Fe2，因此Fe≠0，可动极板1在合力Fe的作用下，绕第一支撑梁2和第二支撑梁3产生旋转运动。
参见图3，如果可动极板1在任意旋转角度下，合力Fe施加于可动极板1的扭矩Te均大于第一支撑梁2和第二支撑梁3的合弹性恢复扭矩Tm，那么扭矩Te将会拉动可动极板1产生绕第一支撑梁2、第二支撑梁3的旋转运动，直至碰撞第一电极4或第二电极5。
参见图3和图4，扭矩Te将会驱动可动极板1从图4的位置①绕第一支撑梁2、第二支撑梁3逆时针旋转运动至位置②，与第一电极4发生碰撞。碰撞发生时，可动极板1与直流电源8连接，发生放电和再充电现象，然后扭矩Te方向发生改变，联合Tm一同驱动可动极板1往顺时针方向旋转，经过位置③后到达位置④，去碰撞另外一边的第二电极5，碰撞发生时，可动极板1与直流电源8连接，再次发生放电和再充电现象，然后Te方向再次发生改变，联合Tm一同驱动可动极板1往逆时针方向旋转，经过位置⑤到达位置②，与第一电极4再次发生碰撞。此类过程周而复始，每次碰撞过程的充放电会在电路中产生频率稳定的电流变化，电路中串联的电阻11两端的电压也会出现频率稳定的周期性变化，从而形成谐振器的工作方式。
所述的可动极板1旋转运动方向，包括①②③④⑤②…的循环方式，也包括①④⑤②③④…的循环方式，可动极板1处于哪种运动方式与初始条件有关。
当可动极板1的旋转角度为0时，第一静电吸引力Fe19和第二静电吸引力Fe210的合力不等于0，其实现方法包括以下三种：
第一种：通过加工误差使得第一电容C16和第二电容C27的尺寸不完全一致；
第二种：通过设计使得第二电极5与第一电极4的形状、尺寸不一致或者位置不对应；
第三种：通过设计使得第一支撑梁2和第二支撑梁3没有位于可动极板1的对称轴上。
本发明的工作原理为：
本发明利用静电驱动的拉靠现象，跷跷板结构的可动极板1与底部两个电极形成电容。由于加工误差或者外界干扰的存在，两个电极极板之间的静电力并不是完全相同的。通过合理设计谐振器的结构尺寸和选择合理的直流电压，作用于可动极板1的两个静电力的合力Fe，在可动极板1任意转角下产生的扭矩Te均大于支撑梁的合扭矩Tm，那么Te将会拉动可动极板1旋转产生绕支撑梁的旋转运动，直至碰撞电极。在每次碰撞过程中，其中一个电容短路，另外一个电容的极板间距处于最大位置，因此可动极板1产生放电和再充电过程，引起Te方向的变化。此时，Te联合Tm使得可动极板1往相反的方向旋转，从而碰撞另外一侧的电极。此类过程周而复始，每次碰撞过程的充放电会在电路中产生频率稳定的电流变化，电路中串联的电阻11两端的电压也会产生频率相同的变化，从而形成谐振器的工作方式，为其他电路提供时钟信号，或者用于谐振式传感器等领域。
本发明可动极板1与其中一个电极发生碰撞接触式，与另外一个极板是断开的，因此整个回路是断开的，解决了短路问题。而且，可动极板1与电极的每次碰撞，交换的电荷仅仅是可动极板1上携带的电荷，因此解决了过度放电引起的可动极板1与电极的黏附问题，同时解决了可动极板1的混沌无秩序扰动，使其有序工作于绕支撑梁的旋转运动状态，提高谐振器的稳定性。

Claims (4)

1.一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，包括可动极板(1)，其特征在于：可动极板(1)的前侧连接有第一支撑梁(2)，可动极板(1)的后侧连接有第二支撑梁(3)，第一支撑梁(2)和第二支撑梁(3)共同支撑可动极板(1)，使得可动极板(1)能够围绕第一支撑梁(2)与第二支撑梁(3)旋转，可动极板(1)的运动方式类似跷跷板，第一支撑梁(2)和第二支撑梁(3)能发生扭转变形；可动极板(1)的左侧下方设有第一电极(4)，可动极板(1)的右侧下方设有第二电极(5)，第一电极(4)与第二电极(5)之间连接直流电源(8)；
所述的可动极板(1)与第一电极(4)形成第一电容C1(6)；可动极板(1)与第二电极(5)形成第二电容C2(7)，当第一电极(4)与第二电极(5)之间连接直流电源(8)时，第一电容C1(6)的两个极板之间产生第一静电吸引力Fe1(9)，第二电容C2(7)两个极板之间产生第二静电吸引力Fe2(10)，第一静电吸引力Fe1(9)和第二静电吸引力Fe2(10)同时吸引可动极板(1)；理想情况下，当第一电容C1(6)和第二电容C2(7)完全对称时，第一静电吸引力Fe1(9)和第二静电吸引力Fe2(10)大小相同、方向相反，两者是一对平衡力，可动极板(1)处于平衡状态；但是由于加工误差、外界干扰的存在，理想的平衡状态并不存在；合力Fe＝Fe1-Fe2，因此Fe≠0，可动极板(1)在合力Fe的作用下，绕第一支撑梁(2)和第二支撑梁(3)产生旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，其特征在于：所述的可动极板(1)由导电材料加工，或者在非导电材料的表面有一层导电层使得可动极板(1)的表面导电。
3.根据权利要求1所述的一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，其特征在于：如果可动极板(1)在任意旋转角度下，合力Fe施加于可动极板(1)的扭矩Te均大于第一支撑梁(2)和第二支撑梁(3)的合弹性恢复扭矩Tm，那么扭矩Te将会拉动可动极板(1)产生绕第一支撑梁(2)、第二支撑梁(3)的旋转运动，直至碰撞第一电极(4)或第二电极(5)；碰撞发生时，可动极板(1)与直流电源(8)电连接，发生放电和再充电现象，然后Fe方向发生改变，驱动可动极板(1)往相反方向运动，去碰撞另外一边的第二电极(5)或第一电极(4)；此类过程周而复始，每次碰撞过程的充放电会在电路中产生频率稳定的电流变化，电路中串联的电阻(11)两端的电压也会出现频率稳定的周期性变化，从而形成谐振器的工作方式。
4.根据权利要求3所述的一种跷跷板结构的自主碰撞式谐振器，其特征在于：当可动极板(1)的旋转角度为0时，第一静电吸引力Fe1(9)和第二静电吸引力Fe2(10)的合力不等于0，其实现方法包括以下三种：
第一种：通过加工误差使得第一电容C1(6)和第二电容C2(7)的尺寸不完全一致；
第二种：通过设计使得第二电极(5)与第一电极(4)的形状、尺寸不一致或者位置不对应；
第三种：通过设计使得第一支撑梁(2)和第二支撑梁(3)没有位于可动极板(1)的对称轴上。
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