[发明专利]具有通孔结构的低热弹性阻尼两端固定微梁谐振器

说明书

本发明具有通孔结构的低热弹性阻尼两端固定微梁谐振器件。通孔结构可以是：狭长矩形通孔或圆形通孔。这种器件包括：具有通孔结构的低热弹性阻尼微梁、两端固定支承和静电激励用的电极。以前的两端固定微梁(矩形截面)都是实心结构。这种实心结构的热弹性阻尼峰在低频段。这个阻尼峰对应着最大的热弹性能量损耗。这对于工作在低频段的微梁器件十分不利。本发明提出的、采用狭长矩形通孔方案的低热弹性阻尼两端固定微梁，其物理原理是，沿长度方向开设的狭长矩形孔，矩形孔的数量至少两个，开孔使得梁的厚度变薄，热弹性阻尼峰被移到了高频段。这使得在工作（振动）频率不改变的情况下，本发明的微梁的热弹性能量损耗大大低于原来的实心微梁器件。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)领域，特别是涉及具有通孔结构的低热弹性阻尼两端固定微梁谐振器。

背景技术

弯曲振动的两端固定微梁是许多微机电器件的核心部分，例如：微梁式谐振器及滤波器。两端固定是梁的边界条件，即微梁长度方向的两个顶端被约束固定，不发生位移。这类微梁一般采用Si材料制造,通常要求有很高的品质因数，即要求阻尼很小。热弹性阻尼(Thermoelastic damping，简称TED)是微梁弯曲振动时的一种非常重要的阻尼。这种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。体积变化导致热量产生并耗散掉，也即微梁的振动机械能变为热能耗散掉。

对于厚度为h的弯曲振动梁，Zener给出了的非常著名的热弹性阻尼计算模型(参见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,InternalFriction in Solids II.General Theory of Thermoelastic Internal Friction,Physical Review,53(1938)90-99.)

式中，是材料参数(Zener模量)，E是弹性模量，α是热胀系数，C_v是单位体积热容，ω是工作频率，T₀是环境温度，τ＝h²C_v/(π²k)是热松弛时间，k是导热系数。显然，热弹性阻尼是与梁的变形(振型)无关。

Zener模型表明，热弹性阻尼是工作频率ω的函数。数学上，在时具有唯一的一个极大值这个阻尼峰值被称为Dedby峰。如图2所示，一根20μm厚的硅微梁(原实心结构)的热弹性阻尼关于工作频率ω的曲线，Dedby峰在200kHz附近。显然，如果工作频率在低频段200kHz时，工作频率很接近阻尼峰。此时，梁结构具有较大的热弹性阻尼。为了减小热弹性阻尼，可以采用如下两种方法。

方法一，提高器件工作频率，躲开阻尼峰。但是很多情况下，工作频率很难改变，只能在低频段。方法二，考虑到阻尼函数由器件自身决定，所以，可以设法改进器件结构，提高器件的阻尼峰。本发明就是提出了新的器件结构，提高器件的阻尼峰，使得阻尼峰与工作频率错开。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供具有通孔结构的低热弹性阻尼两端固定微梁谐振器，本发明的微梁器件采用了狭长矩形通孔结构，物理上减小梁了的厚度，使得热弹性阻尼峰出现更高的频段，避开了工作频率(在低频段)，从而明显降低了热弹性阻尼，即显著降低了能量损失，为达此目的，本发明提供具有通孔结构的低热弹性阻尼两端固定微梁谐振器，其特征在于：包括具有通孔的弹性微梁、两个固定支承、驱动电极，所述弹性微梁的几何形状是长方体，所述弹性微梁厚度方向垂直于基底，所述基底两侧上方各有一个固定支承，所述弹性微梁在两个固定支承之间，所述弹性微梁和基底之间有驱动电极，所述弹性微梁内有至少一排通孔，每排通过有至少2个。