[发明专利]一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于静电场中微结构的自激振动原理、采用直流电压驱动的微机电谐振器结构，属于微机电系统、微传感器/执行器领域。

背景技术

根据结构形式不同，静电驱动的微机电（MEMS）谐振器有梁式、圆盘式、圆环式、梳齿状、薄膜式等。以微梁谐振器（悬臂梁）为例，说明其一般工作原理：在导电微梁上施加直流偏置电压，在驱动电极上施加交流驱动电压，由于微梁和驱动电极之间存在库仑力，微梁便在交流驱动电压作用下产生振动，通过在微梁附近设置检测电极和反馈电路，可以控制驱动电压的频率等于梁的结构频率，使微梁始终工作在谐振状态。

上述微梁能够实现谐振，将电能转换为机械能，作为激励源的直流和交流电压分别起着不同作用。直流偏置电压产生并放大与交流驱动电压频率相同的驱动力，增大系统输入到微梁的能量；交流驱动电压则提供和微梁相同频率的周期性激励载荷。对微梁的谐振来说，二者缺一不可。从结构动力学的角度，谐振器中微梁的振动属“受迫振动”，其显著特点是：微梁振动的频率和驱动电信号的交流电频率相同。

一般来讲，谐振器的结构越简单、振幅越大，则代表其性能越好。简单的结构使谐振器更容易微型化，大的谐振幅值可以提高微驱动器的位移输出以及微传感器的灵敏度。

现有静电驱动的微机械谐振器在简化结构和增大振幅方面，遇到了很大困难。其一，谐振器若要工作在谐振状态，就需要配套的交流驱动电路、检测电路，导致谐振器的结构复杂、技术难度大、很难进一步微型化。其二，为了增大谐振振幅，目前除了设计和工艺措施外，最直接的方法是增加偏置电压，即通过更多的能量输入来增加梁的振幅。不过，增加直流偏置电压对谐振器性能的提高是有限的。当直流偏置电压增加至临界值时，微梁的机械恢复力无法平衡其受到的静电力，系统出现失稳，微梁被驱动电极“吸合”(pull in)后接触到一起。由于现有谐振器中的谐振单元均连接在电路中（接地、或者接电源正/负极），一旦在谐振过程中失稳并与电极接触，就会产生短路，使整个结构失效。因此，为避免失稳发生，传统谐振器的振幅很难进一步增大，往往只有电极间距的30%左右。

发明内容

本发明技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于结构自激振动原理的微机电谐振器，其舍弃了传统谐振器所必需的复杂交流驱动/检测电路，并消除了结构失稳带来的短路风险，在简化结构的同时，大大提高了谐振幅值。

本发明的基于结构自激振动原理的微机电谐振器结构，包括：

一个绝缘支撑基座，该绝缘支撑基座不与任何电极相连，也不接地，即电势浮动；

一个导电微梁，该导电微梁的一段固定在上述绝缘支撑基座上，另一端为水平悬空状；

两个直流驱动电极，置于导电微梁两侧，其中一个直流驱动电极接入直流正电压，另一个直流驱动电极接入直流负电压，两电极之间保持一定的间距；

一个衬底，所述支撑基座和直流驱动电极均固定在该衬底上。

通过在两个直流驱动电极之间串联一个电阻，直接检测频率输出。

所述两直流驱动电极之间保持的间距为4-5mm。

所述导电微梁的制备材料是各种导电材料，包括硅、金、铝、铜或形状记忆合金。

所述导电微梁的横截面为多种形状，包括矩形、圆柱形或椭圆形。

所述导电微梁为直径25-26μm的圆柱形时，其长度为10-11mm。

所述两直流驱动电极中的一个直流驱动电极接入正的直流电压，范围为0～+600V，另一个直流驱动电极则接入负的直流电压，范围为0～-600V。

所述衬底材料为多种绝缘材料，包括聚酰亚胺、硅橡胶或光刻胶。

经过理论计算和试验研究，当导电微梁的长径比（长度与直径之比）为400左右，以及电极间距与微梁长度之比为0.1～0.5时，所述谐振器中的导电微梁能够在没有交流驱动信号的情况下，仅依靠直流电压，通过自身运动状态的反馈作用调节能量输入，始终保持在一阶弯曲固有频率附近的谐振状态。从结构动力学角度来讲，导电微梁的谐振属于一种静电场中微结构的“自激振动”。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明提供的这种结构简单、基于结构自激振动原理微机电谐振器，舍弃了复杂的交流驱动结构，试验表明，本发明的导电微梁的谐振频率始终保持在一阶固有频率附近，且能够自动跟随着一阶弯曲固有频率的变化（如调节微梁的长度、附加质量等）而变化，不需要任何的频率发生和跟随电路。