FI124103B - Parannettu mikromekaaninen resonaattori - Google Patents
Parannettu mikromekaaninen resonaattori Download PDFInfo
- Publication number
- FI124103B FI124103B FI20105168A FI20105168A FI124103B FI 124103 B FI124103 B FI 124103B FI 20105168 A FI20105168 A FI 20105168A FI 20105168 A FI20105168 A FI 20105168A FI 124103 B FI124103 B FI 124103B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- resonator
- construction according
- characteristic
- frequency
- mechanical
- Prior art date
Links
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims description 26
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 claims description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims 2
- 238000011326 mechanical measurement Methods 0.000 claims 2
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 claims 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 claims 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
- B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
- G01C19/5621—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks the devices involving a micromechanical structure
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/02338—Suspension means
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
- H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/2468—Tuning fork resonators
- H03H9/2478—Single-Ended Tuning Fork resonators
- H03H9/2484—Single-Ended Tuning Fork resonators with two fork tines, e.g. Y-beam cantilever
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
- H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/2468—Tuning fork resonators
- H03H9/2494—H-shaped, i.e. two tuning forks with common base
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/02259—Driving or detection means
- H03H9/02275—Comb electrodes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Description
Parannettu mikromekaaninen resonaattori - Förbättrad mikromekansik konstruktion för en resonator
Keksintö liittyy mikromekaanisten resonaattorien suunnitteluun yleisellä tasolla, mutta 5 erityisemmin mikromekaanisten järjestelmien (MEMS) resonaattorien suunnitteluun. Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada parannettu sellaisen mikromekaanisen järjestelmän (MEMS) resonaattori, joka on rakenteeltaan soveltuva käytettäväksi vaativissa oloissa luotettavalla tavalla, erityisesti pienen mittakaavan ratkaisuja varten.
10 Taustaa
Resonaattori on avainasemassa erilaisissa ajoitustehtävissä ja taajuusreferenssinä. Resonaattorit asetetaan värähtelemään lähellä niiden luonnollista, karakteristista, värähtelytaajuutta, joka riippuu kunkin resonaattorin tai sellaisena toimivan osan materiaalista, muodosta, ja/tai karakteristisista mitoista.
15
Referenssitoimintoja ja ajoitusta varten taajuuden tulee olla tarkasti kontrolloitavissa/asetettavissa. Tyypillisissä sovelluksissa taajuuden tarkkuus voi olla luokkaa 1 -100 ppm (parts per million). Tarkkuus ppm-tasolla vaatii valmistustoleransseilta tiukkuutta. Lisäksi kuitenkin joudutaan usein tekemän 20 lopullista viritystä varten mekaanista j a/tai sähköistä hienosäätöä.
Mikromekaanisia resonaattoreita on käytetty laajasti MEMS-pohjaisissa laitteissa niiden avainkomponenttina. Esimerkkinä mainittakoon mikro-gyroskoopit, vibromoottorit, -koneet ja mikroaalto)äijestelmät. Resonaattorit saatetaan toimimaan 5 25 sähköstaattisella aktualisoinnilla, värähteleviksi lähellä karakteristista luonnollista
Ovi 4 resonanssitaajuutta.
cp co o x Lisäksi mikromekaanisia resonaattoreita voidaan käyttää täydentämään kvartsi- cc pohjaisen tekniikan ratkaisuja taajuusreferensseissä, joskin taajuuden tarkkuus tulee co 30 olla niillä parempi ennen kuin ne voivat kokoaan korvata kvartsi-pohjaista tekniikkaa, m ° soveltuvin osin.
o
(M
Mikromekaanisia resonaattoreita valmistetaan yhdistämällä optista litografiaa ja etsaustekniikkaa kokoluokassa soveltuvalla tavalla, mikä tarjoaa etuja perinteiseen 2 kvartsi-pohjaiseen tekniikkaan nähden. Valmistusprosessista voi kuitenkin aiheutua jopa prosentti-luokkaa olevia vaihteluita valmistettavien kappaleiden dimensioihin.
Tunnetun tekniikan mukaisten ratkaisujen suhteen paremmaksi ymmärtämiseksi esillä 5 olevan keksinnön suoritusmuotoihin nähden viitataan seuraavassa kuvioihin IA ja IB seuraavasti:
Kuvio IA havainnollistaa tunnetun tekniikan mukaista perusresonaattoria sinänsä.
Kuvio IB havainnollistaa tunnetun tekniikan mukaisen perusresonaattorin 10 keskitettyä mallia sinänsä.
Kuvio IA havainnollistaa tunnetun tekniikan mukaista perusresonaattoria sinänsä. Yksinkertainen resonaattori koostuu jousielementistä (varsi) ja suorakulmaisesta massasta (massa). Jousielementti voi olla esimerkiksi mekaaninen palkkimainen jousi 15 (varsi), kuten on havainnollistettu kuvassa 1.
Kuvion IA mukaisessa yksinkertaisessa resonaattorissa karakteristinen resonanssitaajuus coo on 20 ω0 = J—, (1) V m jolloin jousivakio k on δ , v w3h <m k — Y —-. (2) 4L3
^T
o ci 25 o
Kuvio IB havainnollistaa tunnetun tekniikan mukaisen perusresonaattorin keskitettyä
CC
“ mallia sinänsä. Tässä Y on Youngin moduli jousimateriaalille, w on jousielementin 00 <o leveys, h on sen korkeus, ja L on sen karakteristinen pituus. Jousielementin leveys w
LO
o on tyypillisesti pieni ja kuutiollisen verrannollisuuden vuoksi resonanssitaajuus ojo on δ 30 herkkä jousielementin leveyden w muutoksille.
3
Ensimmäisen kertaluokan muutos resonanssitaajuudessa ωο suhteessa jousielementin leveyteen on ΔΏ,=3Δμ._ (3) ω0 2 w 5 jolloin dco0 on infinitesimaalinen taajuuden muutos, joka johtuu infinitesimaalisesta muutoksesta jousielementin leveydessä muutoksella dw. Kaikkein huomattavimpien ongelmien joukossa mikromekaanisten resonaattoreiden suunnittelussa on resonanssitaajuuden vaihtelu, joka johtuu rakenteiden mekaanisten mittojen puutteellisesta tai huonosta tarkkuudesta.
10
Esimerkiksi yhtälön 3 perusteella voidaan todeta, että jos jousielementin leveys vaihtelee 4 %, myös resonanssi-taajuus vaihtelee, mutta 6 % tai 60,000 ppm.
Tähän liittyen patenttijulkaisuista US 2009/0189481 AI ja WO 2009/092846 AI 15 tunnetaan eräs menetelmä valmistustarkkuuden vaikutusten parantamiseksi taajuuden vaihteluun liittyvissä ongelmissa
On kuitenkin huomattava, että häiriötilanteissa resonaattoriin kohdistuvilla voimilla on tietty vaikutuksena resonaattoriin aiheuttaen siihen ja/tai sen osiin kiihtyvyyksiä. 20 Tällöin rakenteet taipuvat, ja värähtelyliike voi häiriintyä, vaikka resonaattori olisikin robustiksi rakennettu. Voimakkaiden häiriöiden vaikutukset voivat lisäksi aikaansaada sen, että pitkät jousimaiset rakenteet, jotka on tuettu vain toisesta päästä liikkuvat laajalla laajuudella, ja voivat siten aiheuttaa tietyissä tilanteissa joko osumia muihin o rakenteen osiin, ja jopa vaurioitua tai sotkea sähköisiä signaaleja rakenteen g 25 kontrolloimiseksi. Tällaisten tilanteiden huomioon ottamiseksi joudutaan varautumaan g esimerkiksi jättämällä elektrodien välisiin tiloihin suojavälystä, mikä esimerkiksi kapasitiivisissa resonaattoreissa voi aiheuttaa ongelmia riittävän suuruisen
CL
kapasitanssin aikaansaamisessa toisaalta pienessä rakenteessa. Toisaalta kapasitanssin co ......
kasvattamiseksi voidaan joutua lisäämään massaa jousielimiin, mikä toisaalta voi ° q 30 vaikuttaa ei toivotulla tavalla resonanssitaajuuteen, esimerkiksi massan hitauden C\l kautta.
4
Yhteenveto
Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada parannettu rakenne mikromekaanisen systeemin (MEMS) resonaattorille, joka on epäherkkä häiriöille, mutta joka mahdollistaa sinänsä pienen koon sekä suuren kapasitanssin sekä toimii luotettavana 5 taajuusreferenssinä.
Keksinnön mukaiselle resonaattorille on tunnusomaista se mitä on sanottu resonaattoria koskevan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.
10 Keksinnön ensimmäisen aspektin mukaan keksinnön mukaisella resonaattorirakenteella on sille ominainen värähtelyliikkeen taajuus ja siihen liittyvä eräs mekaaninen laajuus, jolloin mainitun mekaanisen laajuuden asettamiseksi resonaattorirakenteessa on sen erään substraattiosaan ankkuripisteeseen ankkuroimalla värähteleväksi jäljestetty eräs ensimmäinen osa ja värähteleväksi järjestetty eräs toinen 15 osa, siten jäljestettynä että ainakin eräs mainituista eräs ensimmäinen osa ja eräs toinen osa on jäljestetty synkronisesti värähteleviksi mainitun ankkuripisteen suhteen, jolloin mainittu ankkuripiste on valittu oleellisesti mainittujen ensimmäisen ja toisen osan dimensioiden määrittelemän projektion sisäpuolelta.
20 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisella resonaattorirakenteella on eräs sellainen mainittu eräs ensimmäinen osa joka käsittää ainakin erään tukivarren. Tällöin tukivarteen voidaan kiinnittää joukko muita erään ensimmäisen osan kaltaisia jousielimiä, joilla kuitenkaan ei välttämättä ole samat karakteristiset mitat.
5 25
(M
4 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin o mukaisessa resonaattorirakenteessa mainittu ensimmäinen osa käsittää joukon o x dendriidejä. Tällöin kullakin dendriidillä voi olla oma karakteristinen mittansa, joka cr voi olla pinta-ala, pituus, leveys, paksuus ja/tai massa, dendriidin oman oo !j£ 30 resonanssitaajuuden määrittelemiseksi, ja/tai mainitun ensimmäisen osan
LO
° karakteristisen taajuuden asettamiseksi. Eräissä keksinnön suoritusmuodoissa voidaan o ^ käyttää dendriidejä myös pinta-alan aikaansaamiseksi kapasitiivisia sovelluksia varten joko anturi ja/tai herätekehysrakenteen näkökohtia ajatellen. Tällöin tukipisteen valinnan vuoksi mekaanisen värähdysliikkeen laajuus voidaan sallia pienemmäksi ja 5 siten kapasitanssi suureksi pienen välyksen vuoksi, jolloin päästään myös kompaktimpaan kokoon.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin 5 mukaisessa resonaattorirakenteessa mainitut dendriidit muodostavat joukon palkkimaisia haaroja.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa ainakin erään mainitun ensimmäisen osan ja toisen 10 osan eräs karakteristinen dimensio on järjestetty tietyn mekaanisen karakteristisen värähtelyn taajuuden asettamiseksi.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa on erään ensimmäisen osan ainakin sen joukon 15 erään dendriidin eräs karakteristinen dimensio asetettu tietyn mekaanisen karakteristisen värähtelyn taajuuden asettamiseksi.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa on sellainen joukko dendriidejä, joilla on sama 20 mekaaninen karakteristisen värähtelyn taajuus.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa on sellainen joukko dendriidejä, joilla mekaaninen karakteristisen värähtelyn taajuus on järjestetty erilaiseksi dendiidien kesken, tietyn 5 25 säännön mukaisesti.
CM
O
oJ) Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin o x mukaisessa resonaattorirakenteessa on dendriidin karakteristinen taajuus asetettu tr dendriidin mekaanisen karakteristisen dimension ja/tai massan avulla, oo $£ 30 tn ° Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin o ^ mukaisessa resonaattorirakenteessa, ainakin eräät mainitut ensimmäinen osa ja toinen osa muodostavat palkkimaiset haarat, jotka kiinnittyvät tukivarteen erisuuntaisen kiinnityselimen avulla.
6
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa on toteutettuna sellaisen joukon E-muotoisia resonaattoreita, jossa on ainakin eräs oleellisesti kirjaimcn-muotoiscn 5 resonaattorirakenteen avulla.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa mainitulla eräällä kiqaimella on oleellisesti erään kiqaimen muoto joukosta A, B, C, E, F, H, I, K, L, M, N, S, T, U, Y, W, X, Y, Z.
10
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa ankkuripiste on valittu erään harmonisen mekaanisen värähtelyn herättämiseksi tietyllä mekaanisen mitan karakteristisella taajuudella.
15
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa ankkuripiste on valittu erään harmonisen mekaanisen värähtelyn vaimentamiseksi tietyllä mekaanisen mitan karakteristisella taajuudella.
20
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisessa resonaattorirakenteessa on palkkimaisten haarojen väliin lomittain sopivia toisia palkkeja herätyskehysrakenteen aikaansaamiseksi.
q 25 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin
(M
^ mukaisessa resonaattorirakenteessa se muodostuu fraktaalimaisesta rakenteesta, o i oo o x Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin tr mukaisessa resonaattorirakenteessa on taitettu äänirautarakenne. oo ^ 30 tn ° Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin o ^ mukaisessa resonaattorirakenteessa on T-rakenne.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin 7 mukaisessa resonaattorirakenteessa ainakin eräs mainituista ensimmäinen ja toinen osa on järjestetty kaarevaksi.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin 5 mukaisessa resonaattorirakenteessa mainittu ankkuripiste on valittu niin, että ensimmäisen ja toisen osan karakteristisen värähtelytaajuuden mukainen mitoitus aikaansaa erään intervallin tasavirityksen mukaisen taajuussuhteen.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan keksinnön ensimmäisen aspektin 10 mukaisessa resonaattorirakenteessa ainakin eräs mainituista ensimmäinen osa, toinen osa, dendriidi, ja tukivarsi on erityisesti mitoitettu siten, että herkkyys resonanssitaajuuden muutokselle suhteessa valmistuksen mitoituksellisiin vaihteluihin d(Aoj0 /ω0)/dö on/lähestyy nollaa.
15 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan mikromekaanisen resonaattorin jousielementin erään karakteristisen dimension ja dendriidin vastaavan karakteristisen dimension suhde on korkeintaan 10, edullisemmin korkeintaan 7 mutta vielä edullisemmin korkeintaan 5.
20 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan jousirakenne on jäljestetty ankkuroimalla ainakin osaksi äänirautarakennetta. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan mainittu äänirautarakenne on taitettu äänirautarakenne. Tällöin ankkuripiste on jäljestetty ääniraudan varteen, joka on taitetun äänirautarakenteen haarojen välissä. Keksinnön ___ erään suoritusmuodon mukaan tällöin taitettu äänirautarakenne on jäq estetty E- ^ 25 geometriaan. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan äänirautarakenne on jäq estetty i § T-geometriaan. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan äänirautarakenteessa on osa i § joka on E-geometrinen sekä T-geometrinen. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan g ankkuripiste on valittu jakamaan taitetun äänirautarakenteen varsi karakteristisin O.
qq mitoin karakteristisille taajuuksille sopivaksi erään taajuusintervallin mukaisin to lq 30 taajuussuhtein.
o o
CNJ
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan varren eräällä osalla on oma dendriidi-rakenteensa, herätyskehysrakenteen aikaansaamiseksi ja/tai värähtelyn tietyn vaiheen 8 ylläpitämiseksi suhteessa varren erääseen muuhun osaan. Ylläpito voi olla esimerkiksi sähköstaattisen signaalin avulla tapahtuvaa.
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan dendriidin resonanssitaajuus sinänsä on sen 5 mukaisin leveyden, tiheyden, pituuden ja Youngin moduulin avulla lausuttavissa [F wf seuraavasti: ω, =0.8--—.
f V P L2
Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan mikromekaanisessa resonaattorirakenteessa on aktuaattorivälineet herätyskehysrakenteen aikaansaamiseksi. Erään 10 suoritusmuotovariantin mukaan mainitut välineet ovat sähköstaattiset. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan elektrodivälys on jäljestetty niin, että se on korkeintaan kolminkertainen, edullisemmin korkeintaan kaksinkertainen värähtelyn laajuuteen nähden.
15 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan rakenteessa on sähköstaattinen vaimennin herätyskehysrakenteessa sen osana järjestettynä vaimentamaan sähköisesti mekaanisten häiriö voimien aiheuttamien liikkeiden amplitudia ja/tai kytkeytymistä täydessä laajuudessa resonaattorirakenteessa ja sen osissa.
20 Kuvioluettelo
Koska kuvioiden IA-1C ja 2 yhteydessä viitattiin sinänsä tunnettuun tekniikkaan, selostetaan keksintöjen suoritusmuotoja havainnollistavia esimerkkejä seuraavassa viittaamalla kuvioihin 3-12 osana selitystä. Tällöin δ
(M
4 25 Kuvio IA havainnollistaa tunnetun tekniikan mukaista perusresonaattoria o i t oo sinänsä, o x Kuvio IB havainnollistaa tunnetun tekniikan mukaisen perusresonaattorin
CL
keskitettyä mallia sinänsä, oo ^ Kuviot 1C-2 havainnollistavat tunnetun tekniikan mukaista äänirautaresonaattoria.
tn T- 30 Kuviot 3-5 havainnollistavat eräiden resonaattorien äänirautarakenteita sinänsä, o
(M
ja
Kuviot 6-9 havainnollistavat keksinnön suoritusmuodon mukaisia resonaattorirakenteita.
5 9
Esitetyissä esimerkeissä on havainnollistettu eräiden oskillaattoreiden värähtelysuuntia kaavamaisella tavalla, kuitenkaan rajoittamatta värähtelyn suuntia suhteessa substraattiin, alustaan, ainoastaan esitettyihin esimerkkien mukaisiin suuntiin.
Resonaattori muodostaa avainkomponentin ajoitus- tai taajuusreferensseissä. Eräs yleinen resonaattorirakenne ajassapitosovelluksissa on äänirautaresonaattorin rakenne, jollainen on esitetty kuvioissa 1C ja 2. Niissä ääniraudan kaksi vartta värähtelee vastakkaisissa vaiheissa, jolloin nettoliike yhteisessä pisteessä kumoutuu. Tämä on 10 edullista, kun häviöt ankkuroinnin läpi minimoituvat.
Kuviossa 3 on havainnollistettu äänirautarakenteista resonaattoria sinänsä. Koska rakenne on kiinni yhdestä päästä ankkurikohdassa, kiihtyvyys aikaansaa huomattavan momentin joka puolestaan liikuttaa resonaattoria. Riittävän suuruisen kiihtyvyyden 15 seurauksena voivat resonaattorin varret jopa koskettaa alustaa tai koteloa.
Kuvassa 4 on esitetty piitä oleva mikromekaaninen äänirautaresonaattori, jossa on joukko muutamia elektrodeja ääniraudan varsien pään läheisyydessä. Resonaattori on sähköstaattisesti herätettävissä/toiminnallistettavissa vastinelektrodien avulla, jotka on 20 sijoitettu lähelle resonaattori-elektrodeja.
Kuviossa 5 on esitetty kuvan 5 mukainen äänirautaresonaattori. Koska resonaattorin ankkuri ja elektrodien ankkuri ovat sijoitetut rakenteen etä-päihin, laite on herkkä ulkoisten voimien aiheuttamille kiihtyvyyksille tai alustan muodon muutoksille. 25 Esimerkiksi alustan muodon muuttuminen voi vaikuttaa elektrodietäisyyksiin ^ resonaattorielektrodien j a vastinelektrodien välillä.
i
O
o Kuviossa 6 on havainnollistettu uudentyyppistä äänirauta resonaattoria. Sijoittamalla
Ee ankkurointipiste (ankkuri viittaa kulloisenkin elektrodin ankkurointipisteeseen)
CL
oq 30 taitetun ääniraudan varsien (1, 2) sisäpuolelle saadaan ankkuripiste A lähelle to S resonaattorin massakeskipistettä. Tämä huomattavasti vähentää ulkoisten voimien o o aiheuttaman kiihtyvyyden seurauksena tapahtuvan liikkeen liikelaajuutta.
CM
Kuviossa 7 on esitetty parannettu resonaattorirakenne, jossa molemmat sekä 10 resonaattori että ankkuri ovat sijoitetut ääniraudan varsien sisäpuolelle. Koska ankkurit on sijoitettu lähelle resonaattorin massakeskipistettä ja ankkurit ovat lähellä toisiaan on laite epäherkkä ulkoisten voimien aiheuttamille kiihtyvyyksille tai alustan muodon muutoksille.
5
Kuviossa 8 on esitetty mahdollinen tapa aikaansaada kontaktit kuvion 7 mukaiselle parannetulle resonaattorille. Kaksi lisäankkuria on sijoitettu resonaattorirakenteen ulkopuolelle ja sähköiset kontaktit on tehty näihin elektrodeihin. Ulkopuoliset ankkurit on sähköisesti yhdistetty resonaattoriin ja elektrodeihin taipuisalla palkkirakenteella. 10 Sähköisten kontaktien joustavuuden ansiosta resonaattori ja elektrodi eivät siirry asemastaan vaikka resonaattorin alusta tai kotelo muuttaisikin muotoaan ja vaikka ulkoiset ankkurit niin tekisivät.
Kuviossa 9 on esitetty keksinnön eräs sellainen suoritusmuoto jossa ankkurit on 15 siirretty oikealle ääniraudan varsien toiselle puolen, aktuaattori-elektrodien keskelle.
Ankkurointipisteen valinnalla voidaan aikaansaada resonaattorin värähtelyliikkeen laajuutta pienennettyä ja siten liike nopeammaksi pienemmin dimensioin esimerkiksi elektrodivälysten suhteen, jolloin kapasitanssia voidaan saada kasvatettua suuriin 20 dimensioihin nähden.
Erään suoritusmuodon mukaan tiettyjä värähtelytaajuuden komponenttitaajuuksia voidaan kohdistaa tiettyihin osiin resonaattoria ankkuripisteen valinnan ja resonaattorin värähtelevän osan pituuden tai muun karakteristisen dimension avulla.
q 25 Tällöin on mahdollista aiheuttaa vaihe-eroja värähtelijän osien välille.
c\i o oJj Tällöin voitaneen poistaa tai vaimentaa ainakin teoriassa joitain sopivia harmonisia o x värähtelyjä resonaattorista, erityisesti jos erään toisen elektronikehysrakenteen kautta tr °· tuotetaan/tuodaan vastakkaisvaiheista värähtelyä resonaattorin osan karakteristisen oo $£ 30 osan dimension mukaisella taajuudella vastakkaisessa vaiheessa itse resonaattorin
LO
° värähtelyn vaiheeseen mainitulla taajuudella nähden, o
CM
Claims (20)
1. Resonaattorirakenne, jolla on sille ominainen värähtelyliikkeen taajuus ja taajuuteen liittyvä mekaaninen laajuus, joka resonaattorirakenne käsittää mainitun 5 mekaanisen laajuuden asettamiseksi resonaattoriosan ja vastinelektrodiosan; resonaattoriosa sisältää ensimmäisen ankkurin resonaattoriosan ankkuroimiseksi ensimmäisessä ankkuripisteessä (A) substraattiosaan, ja ensimmäiseen ankkuriin kiinnitetyn ensimmäisen osan (1) ja toisen osan (2), ensimmäisen osan (1) ja toisen osan (2) ollessa järjestetty ankkuroimalla synkronisesti värähteleviksi mainitun 10 resonaattoriosan ankkuripisteen (A) suhteen; vastinelektrodiosa sisältää toisen ankkurin vastinelektrodiosan ankkuroimi seksi toisessa ankkuripisteessä substraattiosaan, ja toiseen ankkuriin kiinnitetyn herätyskehysrakenteen; resonaattorirakenteen ollessa tunnettu siitä, että 15 ensimmäinen ankkuripiste ja toinen ankkuripiste on sijoitettu vierekkäin, ensimmäisen ankkuripisteen ja toisen ankkuripisteen ollessa resonaattoriosan ensimmäisen (1) ja toisen (2) osan dimensioiden määrittelemän yhteisprojektien sisäpuolella.
2 0 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että mainittu eräs ensimmäinen osa (1) käsittää ainakin erään tukivarren (PH1).
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen osa (1) käsittää joukon dendriidejä (D). 2 25
^ 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että i mainitut dendriidit (D) muodostavat joukon palkkimaisia haaroja (d2). i 1^ C\l
5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1- 4 mukainen resonaattorirakenne, cc 3. tunnettu siitä, että ainakin mainitun ensimmäisen osan (1) ja/tai toisen osan (2) eräs co $£ karakteristinen dimensio (dl, d2) on järjestetty tietyn mekaanisen karakteristisen m ° värähtelyn taajuuden asettamiseksi, o CM
6. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1- 5 mukainen resonaattorirakenne, 35 tunnettu siitä, että on ensimmäisen osan (1) ainakin joukon erään dendriidin (D) eräs karakteristinen dimensio (d2) asetettu tietyn mekaanisen karakteristisen värähtelyn taajuuden asettamiseksi.
7. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1- 6 mukainen resonaattorirakenne, 5 tunnettu siitä, että resonaattorirakenteessa on sellainen joukko dendriidejä (D), joilla on sama mekaaninen karakteristisen värähtelyn taajuus.
8. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1- 6 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että resonaattorirakenteessa on sellainen joukko dendriidejä (D), joilla 10 mekaaninen karakteristisen värähtelyn taajuus on järjestetty erilaiseksi dendriidien kesken, ennalta määrätyn säännön mukaisesti.
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että resonaattorirakenteessa on dendriidin (D) karakteristinen taajuus asetettu dendriidin 15 mekaanisen karakteristisen dimension (d2) ja/tai massan avulla (m2).
10. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-9 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että , ensimmäinen osa (1) ja toinen osa (2) muodostavat palkkimaiset haarat, jotka kiinnittyvät tukivarteen erisuuntaisen kiinnityselimen avulla. 20
11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että resonaattoriosa on toteutettu sellaisen joukon E-muotoisia resonaattoreita avulla, jossa on ainakin eräs oleellisesti kirjaimen-muotoinen värähtelevä rakenne. 't g 2 5
12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että c\j ^ mainitulla eräällä kirjaimella on oleellisesti erään kirjaimen muoto joukosta A, B, C, ^ E, F, H, I, K, L, M, N, S, T, U, V, W, X, Y, Z. c\j X cc
13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että oo $£ 3 0 ensimmäinen ankkuripiste (A) on valittu erään harmonisen mekaanisen värähtelyn m ° herättämiseksi tietyllä mekaanisen mitan (dl, d2) karakteristisella taajuudella. o c\j
14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että ensimmäinen ankkuripiste (A) on valittu erään harmonisen mekaanisen värähtelyn vaimentamiseksi tietyllä mekaanisen mitan karakteristisella taajuudella.
15. Erään patenttivaatimuksen 1-14 mukainen resonaattorirakenne, jossa on palkkimaisten haarojen (PH1) väliin lomittain sopivia toisia palkkeja (PH2) 5 herätyskehysrakenteen aikaansaamiseksi.
16. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että se muodostuu fraktaalimaisesta rakenteesta.
17. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että siinä on taitettu äänirautarakenne.
18. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että siinä on T-rakenne. 15
19. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että ainakin toinen mainituista ensimmäinen osa (1) ja toinen osa (2) on järjestetty kaarevaksi.
2 0 20. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattorirakenne, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen ankkuripiste (A) on valittu niin, että ensimmäisen osan (1) ja toisen osan (2) karakteristisen värähtelytaajuuden mukainen mitoitus aikaansaa erään intervallin tasavirityksen mukaisen taajuussuhteen. 't δ c\j i cm o 1^ C\l X cc CL CO CO δ o δ CM
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20105168A FI124103B (fi) | 2010-02-22 | 2010-02-22 | Parannettu mikromekaaninen resonaattori |
| KR1020127024552A KR101738869B1 (ko) | 2010-02-22 | 2011-02-18 | 개선된 마이크로기계 공진기 |
| CN201180010540.2A CN102762954B (zh) | 2010-02-22 | 2011-02-18 | 改进的微机械共振器 |
| PCT/FI2011/050152 WO2011101547A1 (en) | 2010-02-22 | 2011-02-18 | Improved micromechanical resonator |
| JP2012553363A JP5873811B2 (ja) | 2010-02-22 | 2011-02-18 | 改良された微小機械共振器 |
| EP11744325.9A EP2539999B1 (en) | 2010-02-22 | 2011-02-18 | Improved micromechanical resonator |
| TW100105580A TWI511447B (zh) | 2010-02-22 | 2011-02-21 | 改進的微機械共振器 |
| US13/032,106 US8723611B2 (en) | 2010-02-22 | 2011-02-22 | Micromechanical resonator |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20105168A FI124103B (fi) | 2010-02-22 | 2010-02-22 | Parannettu mikromekaaninen resonaattori |
| FI20105168 | 2010-02-22 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20105168A0 FI20105168A0 (fi) | 2010-02-22 |
| FI20105168L FI20105168L (fi) | 2011-08-23 |
| FI124103B true FI124103B (fi) | 2014-03-14 |
Family
ID=41727715
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20105168A FI124103B (fi) | 2010-02-22 | 2010-02-22 | Parannettu mikromekaaninen resonaattori |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8723611B2 (fi) |
| EP (1) | EP2539999B1 (fi) |
| JP (1) | JP5873811B2 (fi) |
| KR (1) | KR101738869B1 (fi) |
| CN (1) | CN102762954B (fi) |
| FI (1) | FI124103B (fi) |
| TW (1) | TWI511447B (fi) |
| WO (1) | WO2011101547A1 (fi) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9300227B2 (en) | 2013-06-05 | 2016-03-29 | Silicon Laboratories Inc. | Monolithic body MEMS devices |
| CN104370272B (zh) * | 2014-10-30 | 2016-07-06 | 无锡微奥科技有限公司 | 一种mems自对准高低梳齿及其制造方法 |
| CN106932608B (zh) * | 2015-12-25 | 2020-02-18 | 上海矽睿科技有限公司 | 加速度传感单元以及加速度计 |
| US9966966B2 (en) | 2016-01-20 | 2018-05-08 | Uchicago Argonne, Llc | Nonlinearity induced synchronization enhancement in mechanical oscillators |
| US10812046B2 (en) * | 2018-02-07 | 2020-10-20 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Micromechanical resonator having reduced size |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1009018A (en) * | 1911-08-15 | 1911-11-14 | Bancroft G Braine | Game-board. |
| US3727151A (en) * | 1972-04-17 | 1973-04-10 | Bulova Watch Co Inc | Integrated circuit for electronic timepieces |
| GB1441192A (en) * | 1973-03-29 | 1976-06-30 | Seiko Instr & Electronics | Oscillator |
| FR2452714A1 (fr) * | 1979-03-30 | 1980-10-24 | Thomson Csf | Accelerometre a ondes elastiques |
| JPS6316170Y2 (fi) * | 1980-06-11 | 1988-05-09 | ||
| JPH0540224A (ja) * | 1990-07-26 | 1993-02-19 | Fuji Photo Film Co Ltd | 走査型顕微鏡 |
| US5767405A (en) * | 1992-04-07 | 1998-06-16 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Comb-drive micromechanical tuning fork gyroscope with piezoelectric readout |
| US5839062A (en) * | 1994-03-18 | 1998-11-17 | The Regents Of The University Of California | Mixing, modulation and demodulation via electromechanical resonators |
| JPH11271066A (ja) * | 1998-01-21 | 1999-10-05 | Denso Corp | 角速度センサ |
| EP1217735B1 (en) * | 2000-12-21 | 2007-11-14 | ETA SA Manufacture Horlogère Suisse | Time base comprising an integrated micromechanical tuning fork resonator |
| JP4219737B2 (ja) * | 2003-05-30 | 2009-02-04 | リバーエレテック株式会社 | 圧電振動子 |
| US6874363B1 (en) * | 2003-10-31 | 2005-04-05 | Honeywell International, Inc. | Trapped charge field bias vibrating beam accelerometer |
| US7043985B2 (en) * | 2004-01-13 | 2006-05-16 | Georgia Tech Research Corporation | High-resolution in-plane tuning fork gyroscope and methods of fabrication |
| US7102467B2 (en) * | 2004-04-28 | 2006-09-05 | Robert Bosch Gmbh | Method for adjusting the frequency of a MEMS resonator |
| EP1732220B1 (en) * | 2005-06-09 | 2008-03-26 | ETA SA Manufacture Horlogère Suisse | Small-sized piezoelectric resonator |
| DE602005012488D1 (de) * | 2005-06-09 | 2009-03-12 | Eta Sa Mft Horlogere Suisse | Kompakter piezoelektrischer Resonator |
| US20090160581A1 (en) * | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Paul Merritt Hagelin | Temperature Stable MEMS Resonator |
| JP4538503B2 (ja) * | 2008-01-18 | 2010-09-08 | Ｏｋｉセミコンダクタ株式会社 | 共振器 |
| JP5662160B2 (ja) * | 2008-01-24 | 2015-01-28 | ムラタ エレクトロニクス オサケユキチュア | 微小機械式共振器 |
-
2010
- 2010-02-22 FI FI20105168A patent/FI124103B/fi active IP Right Grant
-
2011
- 2011-02-18 JP JP2012553363A patent/JP5873811B2/ja active Active
- 2011-02-18 WO PCT/FI2011/050152 patent/WO2011101547A1/en not_active Ceased
- 2011-02-18 CN CN201180010540.2A patent/CN102762954B/zh active Active
- 2011-02-18 KR KR1020127024552A patent/KR101738869B1/ko active Active
- 2011-02-18 EP EP11744325.9A patent/EP2539999B1/en active Active
- 2011-02-21 TW TW100105580A patent/TWI511447B/zh active
- 2011-02-22 US US13/032,106 patent/US8723611B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FI20105168A0 (fi) | 2010-02-22 |
| EP2539999A1 (en) | 2013-01-02 |
| JP2013520645A (ja) | 2013-06-06 |
| EP2539999B1 (en) | 2019-06-19 |
| KR101738869B1 (ko) | 2017-05-23 |
| WO2011101547A1 (en) | 2011-08-25 |
| US20110210800A1 (en) | 2011-09-01 |
| KR20130006629A (ko) | 2013-01-17 |
| TW201203856A (en) | 2012-01-16 |
| CN102762954A (zh) | 2012-10-31 |
| JP5873811B2 (ja) | 2016-03-01 |
| FI20105168L (fi) | 2011-08-23 |
| US8723611B2 (en) | 2014-05-13 |
| CN102762954B (zh) | 2015-11-25 |
| EP2539999A4 (en) | 2018-01-10 |
| TWI511447B (zh) | 2015-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FI122232B (fi) | Mikromekaaninen kulmanopeusanturi | |
| JP6627912B2 (ja) | 圧電回転ｍｅｍｓ共振器 | |
| FI124103B (fi) | Parannettu mikromekaaninen resonaattori | |
| JP6027029B2 (ja) | ばね構造、共振器、共振器アレイおよびセンサ | |
| CN107636419B (zh) | 振动微机械角速度传感器及其操作方法 | |
| CN101636634B (zh) | 压电振动器以及振动陀螺仪 | |
| JP6627911B2 (ja) | 圧電回転ｍｅｍｓ共振器 | |
| CN104422786A (zh) | 微机械传感器和用于制造微机械传感器的方法 | |
| JP2016530542A (ja) | 改良されたジャイロスコープ構造体およびジャイロスコープ | |
| EP2672220A2 (en) | Vibration isolated MEMS structures and methods of manufacture | |
| JP2009201162A (ja) | 圧電振動片、圧電振動片の製造方法および圧電振動子、圧電振動子を搭載した電子機器 | |
| CN112299361B (zh) | 一种具有隔振板的mems器件 | |
| EP3270106B1 (en) | Vibration and shock robust gyroscope | |
| JP2022089171A (ja) | 同期４質量ジャイロスコープ | |
| US10655965B2 (en) | Rotational speed sensor with minimized interference movements in the driving mode | |
| JP4822212B2 (ja) | 静電振動子 | |
| JP4816273B2 (ja) | ジャイロセンサ | |
| JP2017046329A (ja) | 音叉型水晶素子 | |
| JP4905925B2 (ja) | 加速度センサ | |
| WO2025252562A1 (en) | Vibratory angular rate sensor | |
| RU2369836C1 (ru) | Упругий подвес для пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного датчика угловой скорости и способ его монтажа | |
| JPS5850644Y2 (ja) | 縦振動型圧電振動子 | |
| KR19980031890A (ko) | 고감도 마이크로자이로스코프 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: MURATA ELECTRONICS OY |
|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 124103 Country of ref document: FI Kind code of ref document: B |
|
| PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: MURATA MANUFACTURING CO., LTD. |