[發明專利]一種具有低熱彈性阻尼結構的扭轉式微機電諧振器件

有效

• 申請號: 201410001421.6
• 申請日: 2014-01-02
• 公開（公告）號: CN103780221B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發明（設計）人: 李普;方玉明;臺永鵬
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H03H9/24
• 分類號: H03H9/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明屬于微機電系統MEMS領域，涉及一種具有低熱彈性阻尼結構的扭轉式微機電諧振器件。

背景技術

品質因數是諧振器件的重要性能指標。對于封裝在真空中的器件，熱彈性阻尼是影響品質因數的重要因素之一。熱彈性阻尼是由于機械結構在應力作用下發生壓縮、拉伸，使得體積發生變化，導致熱量產生并耗散掉，也即諧振器件的振動能量變為熱能耗散掉。對于扭轉式諧振器件，當前的普遍觀點是：彈性力學的結果表明[S.A.Chandorkar,R.N.Candler,A.Duwel,R.Melamud,M.Agarwal,K.E.Goodson,T.W.Kenny,Multimode?thermoelastic?dissipation,Journal?of?Applied?Physics,105(2009)043505.]，扭轉變形不會引起體積發生變化，所以不會有熱彈性阻尼。如圖2a和圖2b所示，當前的矩形截面扭轉支撐梁可以有長邊水平放置和長邊垂直放置方法。這兩種放置方法具有相同的扭轉剛度。按扭轉振動沒熱彈性阻尼的觀點，這兩種梁設置方法都不會產生熱彈性阻尼，可以不加區分地使用。但實際上，靜電力不僅使扭轉支撐梁產生扭轉變形，而且使扭轉支撐梁產生彎曲變形。圖3a和圖3b就分別是支撐梁純扭轉變形和扭轉-彎曲耦合變形引起的扭轉平板的位置示意圖。工程中，由于驅動電極面積較大，靜電力相對支撐梁的剛度較大。因此，當前忽略彎曲變形的做法在很多場合是不正確的。扭轉支撐梁彎曲變形會導致體積發生變化，會產生熱彈性阻尼。這也是為什么當前的封裝在真空中的扭轉器件，并沒有因為無熱彈性阻尼，而達到應有的高品質因數。

發明內容

技術問題：本發明提供一種可以顯著降低熱彈性阻尼的具有低熱彈性阻尼結構的扭轉式微機電諧振器件。

技術方案：本發明的具有低熱彈性阻尼結構的扭轉式微機電諧振器件，包括基底、設置在基底上的低熱彈性阻尼結構、驅動電極和感應電極，以及由低熱彈性阻尼結構支撐的扭轉平板。低熱彈性阻尼結構包括位于同一軸線上的、具有矩形截面的第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁。扭轉平板能夠繞第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁所在的軸線旋轉。驅動電極和感應電極對稱設置在低熱彈性阻尼結構的軸線兩側。第一扭轉支撐梁和第二扭轉支撐梁的矩形截面的長邊垂直于基底。

本發明的扭轉式微機電諧振器件中，驅動電極和感應電極位于扭轉平板的下方，且不與低熱彈性阻尼結構連接。

本發明中，扭轉支撐梁橫截面的長邊應保持垂直于基底平面，此時產生的熱彈性阻尼小于是長邊水平放置。物理原理分析如下。

首先分析長邊水平放置。以B和ε·B分別表示支撐梁矩形截面的長邊和短邊尺寸。顯然，0＜ε＜1。此時，慣性矩支撐梁彎曲變形可以寫為A0y(x)，這里y(x)是變形曲線，A₀是變形幅值。支撐梁彎曲變形能可以寫為

這里，是彈性模量。按Zener的梁的熱彈性損耗理論（參見C.Zener,Internal?Friction?in?Solids.I.Theory?of?Internal?Friction?in?Reeds,in:Physical?Review,American?Physical?Society,1937,pp.230-235;C.Zener,Internal?Friction?in?Solids?II.General?Theory?of?Thermoelastic?Internal?Friction,Physical?Review,53(1938)90-99.），與此對應的熱彈性能量損失可以寫為：

這里，α是熱膨脹系數，T₀是環境溫度，是熱松弛時間常數，C_v是單位體積熱容量，ω是振（驅）動頻率，k是導熱系數。

再分析長邊垂直放置。此時，慣性矩梁彎曲變形與慣性矩成反比，所以，此時的支撐梁彎曲變形可以寫為ε²A₀y(x)。支撐梁彎曲變形能寫為

與此對應的熱彈性能量損失可以寫為

此時，那么，水平放置與垂直放置的熱彈性能量損失比為：

考慮到0＜ε＜1可知，恒有：也即：長邊垂直放置時的熱彈性能量耗散永遠低于長邊水平放置。

有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：