[發明專利]一種基于結構自激振動原理的微機電諧振器

無效

• 申請號: 201310279863.2
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103338021A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 閆曉軍;漆明凈
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H03H9/24
• 分類號: H03H9/24;H03H9/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;顧煒

技術領域

本發明涉及一種基于靜電場中微結構的自激振動原理、采用直流電壓驅動的微機電諧振器結構，屬于微機電系統、微傳感器/執行器領域。

背景技術

根據結構形式不同，靜電驅動的微機電（MEMS）諧振器有梁式、圓盤式、圓環式、梳齒狀、薄膜式等。以微梁諧振器（懸臂梁）為例，說明其一般工作原理：在導電微梁上施加直流偏置電壓，在驅動電極上施加交流驅動電壓，由于微梁和驅動電極之間存在庫侖力，微梁便在交流驅動電壓作用下產生振動，通過在微梁附近設置檢測電極和反饋電路，可以控制驅動電壓的頻率等于梁的結構頻率，使微梁始終工作在諧振狀態。

上述微梁能夠實現諧振，將電能轉換為機械能，作為激勵源的直流和交流電壓分別起著不同作用。直流偏置電壓產生并放大與交流驅動電壓頻率相同的驅動力，增大系統輸入到微梁的能量；交流驅動電壓則提供和微梁相同頻率的周期性激勵載荷。對微梁的諧振來說，二者缺一不可。從結構動力學的角度，諧振器中微梁的振動屬“受迫振動”，其顯著特點是：微梁振動的頻率和驅動電信號的交流電頻率相同。

一般來講，諧振器的結構越簡單、振幅越大，則代表其性能越好。簡單的結構使諧振器更容易微型化，大的諧振幅值可以提高微驅動器的位移輸出以及微傳感器的靈敏度。

現有靜電驅動的微機械諧振器在簡化結構和增大振幅方面，遇到了很大困難。其一，諧振器若要工作在諧振狀態，就需要配套的交流驅動電路、檢測電路，導致諧振器的結構復雜、技術難度大、很難進一步微型化。其二，為了增大諧振振幅，目前除了設計和工藝措施外，最直接的方法是增加偏置電壓，即通過更多的能量輸入來增加梁的振幅。不過，增加直流偏置電壓對諧振器性能的提高是有限的。當直流偏置電壓增加至臨界值時，微梁的機械恢復力無法平衡其受到的靜電力，系統出現失穩，微梁被驅動電極“吸合”(pull?in)后接觸到一起。由于現有諧振器中的諧振單元均連接在電路中（接地、或者接電源正/負極），一旦在諧振過程中失穩并與電極接觸，就會產生短路，使整個結構失效。因此，為避免失穩發生，傳統諧振器的振幅很難進一步增大，往往只有電極間距的30%左右。

發明內容

本發明技術問題：克服現有技術的不足，提供一種基于結構自激振動原理的微機電諧振器，其舍棄了傳統諧振器所必需的復雜交流驅動/檢測電路，并消除了結構失穩帶來的短路風險，在簡化結構的同時，大大提高了諧振幅值。

本發明的基于結構自激振動原理的微機電諧振器結構，包括：

一個絕緣支撐基座，該絕緣支撐基座不與任何電極相連，也不接地，即電勢浮動；

一個導電微梁，該導電微梁的一段固定在上述絕緣支撐基座上，另一端為水平懸空狀；

兩個直流驅動電極，置于導電微梁兩側，其中一個直流驅動電極接入直流正電壓，另一個直流驅動電極接入直流負電壓，兩電極之間保持一定的間距；

一個襯底，所述支撐基座和直流驅動電極均固定在該襯底上。

通過在兩個直流驅動電極之間串聯一個電阻，直接檢測頻率輸出。

所述兩直流驅動電極之間保持的間距為4-5mm。

所述導電微梁的制備材料是各種導電材料，包括硅、金、鋁、銅或形狀記憶合金。

所述導電微梁的橫截面為多種形狀，包括矩形、圓柱形或橢圓形。

所述導電微梁為直徑25-26μm的圓柱形時，其長度為10-11mm。

所述兩直流驅動電極中的一個直流驅動電極接入正的直流電壓，范圍為0～+600V，另一個直流驅動電極則接入負的直流電壓，范圍為0～-600V。

所述襯底材料為多種絕緣材料，包括聚酰亞胺、硅橡膠或光刻膠。

經過理論計算和試驗研究，當導電微梁的長徑比（長度與直徑之比）為400左右，以及電極間距與微梁長度之比為0.1～0.5時，所述諧振器中的導電微梁能夠在沒有交流驅動信號的情況下，僅依靠直流電壓，通過自身運動狀態的反饋作用調節能量輸入，始終保持在一階彎曲固有頻率附近的諧振狀態。從結構動力學角度來講，導電微梁的諧振屬于一種靜電場中微結構的“自激振動”。

本發明與現有技術相比的優點在于：

（1）本發明提供的這種結構簡單、基于結構自激振動原理微機電諧振器，舍棄了復雜的交流驅動結構，試驗表明，本發明的導電微梁的諧振頻率始終保持在一階固有頻率附近，且能夠自動跟隨著一階彎曲固有頻率的變化（如調節微梁的長度、附加質量等）而變化，不需要任何的頻率發生和跟隨電路。