[发明专利]一种无热弹性阻尼扭转微机电谐振器件

说明书

技术领域

本文发明属于微机电系统MEMS领域，涉及一种具有无热弹性阻尼的扭转式微机电谐振器件。

背景技术

品质因数是MEMS谐振器件的重要性能指标。对于封装在真空中的器件，热弹性阻尼是最重要的能量耗散因素之一。热弹性阻尼是由于机械结构在应力作用下发生压缩、拉伸，使得体积发生变化，导致热量产生并耗散掉，也即谐振器件的振动能量变为热能耗散掉。对于扭转式谐振器件，当前的普遍观点是：弹性力学的结果表明[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.]，扭转变形不会引起体积发生变化，所以不会有热弹性阻尼。但实际上，当前扭转器件的驱动电极产生的不是纯扭转力矩。图2当前的常用的扭转器件示意图。由于只有一个驱动电极，驱动电极产生的静电力不仅使扭转支撑梁产生扭转变形，而且使扭转支撑梁产生弯曲变形。扭转支撑梁的弯曲变形会导致体积发生变化，会产生热弹性阻尼。这也是为什么当前的封装在真空中的扭转器件，并没有因为无热弹性阻尼，而达到应有的高品质因数。图3a和图3b就分别是支撑梁纯扭转变形和扭转-弯曲耦合变形引起的扭转平板的位置示意图。工程中，由于驱动电极面积较大，静电力相对支撑梁的刚度较大。因此，忽略弯曲变形在很多场合是不正确的。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够使扭转支撑梁产生纯扭转变形，而不会产生热弹性阻尼的无热弹性阻尼扭转微机电谐振器件。

技术方案：本发明的无热弹性阻尼扭转微机电谐振器件，包括基底、设置在基底上的第一驱动电极、第二驱动电极、感应电极、位于同一轴线上的第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁，以及由第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁共同支撑的扭转平板。扭转平板能够绕第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁所构成的扭转轴线旋转，第一驱动电极和第二驱动电极设置在扭转轴线的同一侧，感应电极设置在扭转轴线的另一侧，第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁的横向截面积相等。

本发明中，第一驱动电极、第二驱动电极和感应电极均位于扭转平板的下方，与扭转平板间隔设置。

本发明中，第一驱动电极设置在扭转轴线与第二驱动电极之间。

本发明中，施加在第一驱动电极上的电压与第二驱动电极上的电压大小相等，相位相反。

本发明的无热弹性阻尼扭转微机电谐振器件中，在扭转轴的同一侧（如图4所示），设置两个面积相同的驱动电极：第一驱动电极和第二驱动电极。第一驱动电极相对转轴力臂是L₁，第二驱动电极的力臂(L₁+L₂)。施加在第一驱动电极和第二驱动电极上电压大小相等，但相位相反。这样，第一驱动电极和第二驱动电极产生的静电力因为大小相等，方向相反，而相互抵消，但第二驱动电极产生的静电力矩大于第一驱动电极产生的静电力矩。所以，扭转支撑梁仅受纯扭转力矩作用，不会发生弯曲变形。此外，为了能产生大的纯扭转力矩，设计时应使L₁尽量小些，L₂尽量大些。

需要特别指出的是：两个驱动电极也可以关于转轴对称设置。这样同样能产生纯扭转力矩。但是，驱动电极与感应电极在同一侧，将严重影响感应电极的位置设置。为了高的灵敏度，感应电极面积一般都较大。布置在同一侧将有较大困难。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

当前的器件只有一个驱动电极，无法产生纯扭转力矩，会导致扭转支撑梁产生弯曲-扭转耦合变形。弯曲变形会导致热弹性阻尼产生。

本发明的器件采用了两个面积相同驱动电极，分别施加大小相等但相位相反的电压，能产生纯扭转力矩，静电驱动力却可以相互抵消。这样，扭转支撑梁只发生扭转变形。不会产生热弹性阻尼。

附图说明

图1为本发明微机电谐振器件的结构示意图。

图2为当前常用的扭转器件示意图。

图3a为当前常用的扭转器件的扭转支撑梁发生纯扭转变形引起的扭转平板位置示意图。

图3b为当前常用的扭转器件的扭转支撑梁发生扭转-弯曲耦合变形引起的扭转平板位置图。

图4为本发明微机电谐振器件的侧视图。

图中有：扭转平板1、第一扭转支撑梁2、第二扭转支撑梁3、基底4、第一驱动电极5、第二驱动电极6、感应电极7、驱动电极8。