CN113753843B - 一种高振型稳定性的mems环形谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高振型稳定性的新型微环形谐振器，属于惯性技术和微机电系统(MEMS)领域。该谐振器由基底层1、器件层2和锚点3构成；所述器件层2由环形谐振子4与包括长梁9、短梁10在内的四组约束梁构成；所述环形谐振子4由4组约束梁分别沿0°、90°、180°、270°方向连接到锚点上，每组梁均沿径线方向与环形谐振子连接；一组约束梁分为轴对称的两支，每支由N支单折叠梁首尾相接构成。本发明使用品质因数和灵敏度较高的圆环作为谐振结构，关键特征在于在其正交方向设置多组约束梁，使谐振器在沿短梁平行方向的刚度远小于其他方向，约束结构沿此方向振动，从而抑制了由加工工艺误差产生的环形质量分布不均所导致的模态振型失稳，显著提高了MEMS环形谐振器模态振型稳定性。
Description
所属领域：
本发明涉及一种高振型稳定性的新型微环形谐振器，可减少环形结构质量分布不均导致的模态振型失稳，属于惯性技术和微机电系统(MEMS)领域。
背景技术：
MEMS谐振器是微惯性传感器中常用的一种基础元件，广泛应用于消费电子，车辆产品以及导航制导等领域。其中，MEMS环形谐振器具有高灵敏度、高品质因数、低能耗、低成本等优点，已成为近年研究的热点。
MEMS环形谐振器具有显著优点：1、环形结构全对称的特征对外界输入如温度、振动、冲击等干扰不敏感；2、全对称结构锚点损耗较小，能够显著增大品质因数，从而提高MEMS谐振器灵敏度。然而，实际存在的工艺加工误差极易使得该谐振器环形结构以及振动梁的质量呈现不均匀的分布特征，从而导致谐振器实际的模态振型与理想振型存在偏差，即模态振型失稳。Jung-Hwan Kim等人在Thermoelastic damping effect of the micro-ring resonator with irregular mass and stiffness中对质量分布不均的环形结构进行了仿真模拟，从理论上分析了该类型谐振器不均匀的质量分布与模态振型的量化关系。然而，通过结构拓扑设计抑制质量分布不均匀作用下环形谐振器模态振型失稳的方法在上述工作中没有被给出。因此，本发明提出了一种可以抑制质量分布不均模态振型失稳的MEMS环形谐振器结构，显著提升了该类型谐振器在质量分布不均发生后的模态振型稳定性。
发明内容：
本发明提出一种具有高振型稳定性特征的MEMS环形谐振器，使用品质因数和灵敏度较高的圆环作为谐振结构，关键特征在于在其正交方向设置多组约束梁，使谐振器在沿短梁平行方向的刚度远小于其他方向，约束结构沿此方向振动，从而抑制了由加工工艺误差产生的环形质量分布不均所导致的模态振型失稳，显著提高了MEMS环形谐振器模态振型稳定性。
如图1所示，本发明所述环形谐振器由基底层1、器件层2和锚点3构成。
所述器件层2由环形谐振子4与包括长梁9、短梁10在内的四组约束梁构成。其特征在于：环形谐振子4由4组约束梁分别沿0°、90°、180°、270°方向连接到锚点上，每组梁均沿径线方向与环形谐振子连接。一组约束梁可分为轴对称的两支，每支由N支单折叠梁首尾相接构成，如图2(N＝3)所示。
一个有N支单折叠梁的约束梁在沿短梁平行方向的刚度ky为：
式中，E代表梁的弹性模量，t为器件层厚度，wb为长梁宽度，Ib为长梁长度，It为短梁长度。所述约束梁中Ib>>It，其在沿短梁平行方向刚度ky可近似表示为：
在沿长梁平行方向的刚度kx可表示为：
所述约束梁中，wb＜＜Ib，由式(1-2)与式(1-3)可知，所述约束梁结构在沿短梁平行方向刚度远小于沿长梁平行方向刚度，因此可约束环形谐振子沿短梁平行方向运动。
该结构可改变环形谐振子的半径、厚度以及约束梁的长度、宽度、厚度、对数等参数以满足具体应用需求。
所述结构中电极均固定在基底层上，呈环形等间隔均布在环形谐振子的内外两侧，包括分布在正交方向的四组驱动电极，以及分布在与正交呈45°夹角方向的四组检测电极。每组电极由环形谐振子内外侧2对电极组成。外侧的四个驱动电极被约束梁沿径向均分，如图1中5-1、5-2所示。最终形成了8个外侧驱动电极，4个内侧驱动电极，4个外侧检测电极，4个内侧检测电极。所有电极厚度均相等，电极上表面与器件层表面等高。
工作时，内外侧电极通相反的电信号，通过差分方式放大信号，提高检测灵敏度。给驱动电极通入同相稳定的等幅正弦交流电压，当交流电压频率等于环形谐振器的特征频率时，环形谐振子将沿正交方向做往复交替的受迫振动，即按照驱动模态进行工作。
根据使用条件不同，本发明可以用来检测外界输入角速度以及外界输入加速度。
当在与受迫振动平面垂直的Z轴方向上有角速率Ωz输入时，由于哥氏效应的作用，环形谐振子4的振型会向与正交方向呈45°的方向偏转，即由驱动模态转换至检测模态。此时检测电极与环形结构之间形成的薄壁电容将输出信号，从而将角速度变化转为电容的大小变化输出，最终得到角速度大小。
当外界平行于环形谐振器平面的加速度作用时，环形谐振子4的振幅会随着外部加速度大小发生变化，外壁与电极形成的电容器电容发生变化，将加速度变化转为电容的大小变化输出，最终得到所施加的加速度大小。
本发明的有益效果是：
本发明提出的高振型稳定性的MEMS环形谐振器通过约束梁结构设计极大地减小了加工工艺误差对振型的影响，利用在正交方向上引入的4组约束梁调整结构刚度，在保留环形谐振器品质因数和灵敏度较高的优点的同时，显著提高了其在实际质量分布不均发生后的模态振型稳定性。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明：
图1是高振型稳定性的MEMS环形谐振器整体示意图。
图中，1-基底层、2-器件层，3-锚点，4-环形谐振子，5-1、5-2外侧驱动电极，6-内侧驱动电极，7-外侧检测电极，8-内侧检测电极，9-约束梁长梁，10-约束梁短梁。
图2是所述N＝3的约束梁结构示意图。
图3是Jung-Hwan Kim等人在Thermoelastic damping effect of the micro-ring resonator with irregular mass and stiffness中理想情况下质量分布均匀的环形谐振器的模态振型图，其余部分结构参数与所述环形谐振器完全相同。
图4是实际情况下质量分布不均匀的环形谐振器模态振型。图4-a是Jung-HwanKim等人在Thermoelastic damping effect of the micro-ring resonator withirregular mass and stiffness中无约束梁的环形谐振器在笛卡尔坐标系45°方向发生质量分布不均时的振型图；图4-b是N＝1的所述有约束梁的环形谐振器在笛卡尔坐标系45°方向发生质量分布不均时的振型图。
实施例：
如图1，环形谐振子4宽4μm，内径2402μm，外径2410μm，约束梁长梁9长为3570μm，短梁10长为20μm，共8条，两条一组分布在正交方向上，相邻两组梁间的夹角为90°。同一组中两条梁间距为50μm。器件层2厚度为30μm，锚点3边长500μm，电极厚度为40μm。器件材料均为硅，使用的SOI硅片为<111>晶向，杨氏模量为170GPa。
工作状态下给驱动电极施加单相正弦交流电压，当电压频率等于环形谐振器的特征频率时，其产生稳定的振动。理想情况下质量分布均匀的环形谐振器的模态振型参阅图3，其振型为环形谐振子沿正交方向做规则往复振动。
实际情况下由于加工工艺误差存在，环形谐振器会发生质量分布不均的情况。本实施例在笛卡尔坐标系45°方向上对Jung-Hwan Kim等人在Thermoelastic dampingeffect of the micro-ring resonator with irregular mass and stiffness中无约束梁的环形谐振器附加20μm×20μm×30μm的模拟质量块9，其振型如图4-a所示，对比振型方向可发现附加模拟质量块9发生质量分布不均后环形谐振器振型角度发生了20°偏转。
施加相同质量分布不均条件给本发明所述环形谐振器。在同一方向上对本发明所述环形谐振器附加20μm×20μm×30μm模拟质量块9，其振型如图4-b所示，对比振型方向可发现附加模拟质量块9发生质量分布不均后本发明所述环形谐振器与理想情况下未发生质量分布不均的结构间的振型偏转角仅为0.21°。附加约束梁后发生结构质量分布不均的环形谐振器与理想情况下未发生质量分布不均的结构间的振型偏转角仅有0.21°，远小于相同情况下未加约束梁的环形谐振器所出现的20°振型偏转角，说明本发明所述具有约束梁的环形谐振器受环形结构质量分布不均匀影响小，可以在加工工艺误差发生后有效提高模态振型稳定性，有利于信号检测。
Claims (1)
1.一种高振型稳定性的MEMS环形谐振器，由基底层、器件层和锚点构成；其特征在于，
所述器件层由环形谐振子与包括长梁、短梁在内的四组约束梁构成；所述环形谐振子由4组约束梁分别沿0°、90°、180°、270°方向连接到位于器件层边沿对应的锚点上，每组约束梁均沿径线方向与环形谐振子连接；一组约束梁分为轴对称的两支，每支由若干单折叠梁首尾相接构成；短梁沿谐振子的径向方向设置；
所述基底层上固定有电极，呈环形等间隔均布在环形谐振子的内外两侧，包括分布在正交方向的四组驱动电极，以及分布在与正交呈45°夹角方向的四组检测电极；每组电极由环形谐振子内外侧2对电极组成；外侧的四个驱动电极被约束梁沿径向均分；最终形成了8个外侧驱动电极，4个内侧驱动电极，4个外侧检测电极，4个内侧检测电极；所有电极厚度均相等，电极上表面与器件层表面等高。
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