[發明專利]一種高振型穩定性的MEMS環形諧振器

在審

• 申請號: 202110753958.8
• 申請日: 2021-07-04
• 公開（公告）號: CN113753843A
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 申強;張學優;劉軒;謝建兵;常洪龍;苑偉政
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;西北工業大學太倉長三角研究院
• 主分類號: B81B5/00
• 分類號: B81B5/00;G01P15/125
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發明公開了一種高振型穩定性的新型微環形諧振器，屬于慣性技術和微機電系統(MEMS)領域。該諧振器由基底層1、器件層2和錨點3構成；所述器件層2由環形諧振子4與包括長梁9、短梁10在內的四組約束梁構成；所述環形諧振子4由4組約束梁分別沿0°、90°、180°、270°方向連接到錨點上，每組梁均沿徑線方向與環形諧振子連接；一組約束梁分為軸對稱的兩支，每支由N支單折疊梁首尾相接構成。本發明使用品質因數和靈敏度較高的圓環作為諧振結構，關鍵特征在于在其正交方向設置多組約束梁，使諧振器在沿短梁平行方向的剛度遠小于其他方向，約束結構沿此方向振動，從而抑制了由加工工藝誤差產生的環形質量分布不均所導致的模態振型失穩，顯著提高了MEMS環形諧振器模態振型穩定性。

所屬領域：

本發明涉及一種高振型穩定性的新型微環形諧振器，可減少環形結構質量分布不均導致的模態振型失穩，屬于慣性技術和微機電系統(MEMS)領域。

背景技術：

MEMS諧振器是微慣性傳感器中常用的一種基礎元件，廣泛應用于消費電子，車輛產品以及導航制導等領域。其中，MEMS環形諧振器具有高靈敏度、高品質因數、低能耗、低成本等優點，已成為近年研究的熱點。

MEMS環形諧振器具有顯著優點：1、環形結構全對稱的特征對外界輸入如溫度、振動、沖擊等干擾不敏感；2、全對稱結構錨點損耗較小，能夠顯著增大品質因數，從而提高MEMS諧振器靈敏度。然而，實際存在的工藝加工誤差極易使得該諧振器環形結構以及振動梁的質量呈現不均勻的分布特征，從而導致諧振器實際的模態振型與理想振型存在偏差，即模態振型失穩。Jung-Hwan Kim等人在Thermoelastic damping effect of the micro-ring resonator with irregular mass and stiffness中對質量分布不均的環形結構進行了仿真模擬，從理論上分析了該類型諧振器不均勻的質量分布與模態振型的量化關系。然而，通過結構拓撲設計抑制質量分布不均勻作用下環形諧振器模態振型失穩的方法在上述工作中沒有被給出。因此，本發明提出了一種可以抑制質量分布不均模態振型失穩的MEMS環形諧振器結構，顯著提升了該類型諧振器在質量分布不均發生后的模態振型穩定性。

發明內容：

本發明提出一種具有高振型穩定性特征的MEMS環形諧振器，使用品質因數和靈敏度較高的圓環作為諧振結構，關鍵特征在于在其正交方向設置多組約束梁，使諧振器在沿短梁平行方向的剛度遠小于其他方向，約束結構沿此方向振動，從而抑制了由加工工藝誤差產生的環形質量分布不均所導致的模態振型失穩，顯著提高了MEMS環形諧振器模態振型穩定性。

如圖1所示，本發明所述環形諧振器由基底層1、器件層2和錨點3構成。

所述器件層2由環形諧振子4與包括長梁9、短梁10在內的四組約束梁構成。其特征在于：環形諧振子4由4組約束梁分別沿0°、90°、180°、270°方向連接到錨點上，每組梁均沿徑線方向與環形諧振子連接。一組約束梁可分為軸對稱的兩支，每支由N支單折疊梁首尾相接構成，如圖2(N＝3)所示。

一個有N支單折疊梁的約束梁在沿短梁平行方向的剛度k_y為：

式中，E代表梁的彈性模量，t為器件層厚度，w_b為長梁寬度，I_b為長梁長度，I_t為短梁長度。所述約束梁中I_bI_t，其在沿短梁平行方向剛度k_y可近似表示為：

在沿長梁平行方向的剛度k_x可表示為：