[發(fā)明專利]扭轉-彎曲耦合共振的扭轉式微機械諧振器

在審

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• 申請日: 2022-03-11
• 公開（公告）號: CN114598294A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設計）人: 李普;盧熹;孫蓓蓓;張建潤;張寧
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產(chǎn)權代理有限公司 11467
• 代理人: 郝雅潔

本發(fā)明涉及一種扭轉?彎曲耦合共振的扭轉式微機械諧振器，包括襯底、設置在襯底上的驅動電極和感應電極、設置在驅動電極和感應電極上方的活動極板，所述活動極板的兩端分別與一個扭轉支撐梁的一端連接，兩個所述扭轉支撐梁的另一端分別與一個固定支撐連接，兩個固定支撐間隔設在襯底上，兩個所述扭轉支撐梁結構尺寸相同且沿長度方向的軸線重合，活動極板為矩形或圓形，扭轉支撐梁的橫截面為正方形，扭轉支撐梁和活動極板的材料相同，活動極板的扭轉振動固有頻率與扭轉支撐梁的彎曲振動固有頻率相等。本發(fā)明所需的驅動力小，因此能用更小的驅動力獲得相當大的振幅，節(jié)省了驅動能量，顯著降低了驅動要求、提高了諧振器性能。

技術領域

本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)領域，尤其是扭轉-彎曲耦合共振的扭轉式微機械諧振器。

背景技術

如圖1所示，現(xiàn)有技術中扭轉式微機械諧振器(參見文獻[1])大多由扭轉振子(剛性質量塊)、彈性扭轉支撐梁(彈簧元件)和剛性的基底構成，一般采用單晶硅或多晶硅制成。扭轉式微諧振器件以扭轉固有頻率振動。扭轉振子一般是矩形平板結構。矩形平板和驅動極板之間施加有交流驅動電壓，支撐梁產(chǎn)生扭轉彈性變形，感應電極感應左側電容變化量，輸出電荷或電流。

扭轉式諧振器通常假設支撐梁只發(fā)生扭轉彈性變形，如圖2(a)所示。但是靜電驅動力不僅產(chǎn)生扭轉力矩效應，而且也是一種橫向載荷，直接作用在支撐梁上(參見文獻[1]-[3])。因此支撐梁不僅產(chǎn)生扭轉變形，也會產(chǎn)生彎曲變形，如圖2(b)所示。常規(guī)的扭轉式諧振器由于結構設計的缺陷，導致扭轉陣子最外側振幅的頻率響應具有兩個分離的峰，因此需要較大的驅動力才能獲得較大的振幅，所需的驅動能量高。

文獻

[1]王喆壵，微系統(tǒng)設計與制造，清華大學出版社，2008.

[2]臺永鵬，扭轉式MEMS諧振器件扭轉-彎曲耦合熱彈性阻尼模型，博士學位論文，東南大學，2014.

[3]W.T.Thomson，M D Dahleh，Theory of vibration with applications(FifthEdtion)，Prentice Hall，2005.

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種扭轉-彎曲耦合共振的扭轉式微機械諧振器，目的是直接利用扭轉-彎曲耦合振動結構提高諧振器性能。

本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種扭轉-彎曲耦合共振的扭轉式微機械諧振器，包括襯底、設置在襯底上的驅動電極和感應電極、設置在驅動電極和感應電極上方的活動極板，所述活動極板的兩端分別與一個扭轉支撐梁的一端連接，兩個所述扭轉支撐梁的另一端分別與一個固定支撐連接，兩個固定支撐間隔設在襯底上，兩個所述扭轉支撐梁結構尺寸相同且沿長度方向的軸線重合，活動極板為矩形或圓形，扭轉支撐梁的橫截面為正方形，扭轉支撐梁和活動極板的材料相同，活動極板的扭轉振動固有頻率與扭轉支撐梁的彎曲振動固有頻率相等。

進一步技術方案為：

所述活動極板為矩形，活動極板與兩個扭轉支撐梁的連接點，分別位于活動極板沿寬度y方向的中心軸線的兩端，兩個扭轉支撐梁沿長度方向的軸線與所述活動極板沿寬度y方向的中心軸線重合，且扭轉支撐梁的厚度與活動極板的厚度相等，扭轉支撐梁的長度l與活動極板的長度L_x的關系為v為材料的泊松比。

所述活動極板為矩形，活動極板與兩個扭轉支撐梁的連接點，分別位于活動極板沿寬度y方向的一條側邊的兩端，兩個扭轉支撐梁沿長度方向的軸線與所述活動極板沿寬度y方向的一條側邊重合，且扭轉支撐梁的厚度與活動極板的厚度相等，扭轉支撐梁的長度l與活動極板的長度L_x的關系為v為材料的泊松比。