[发明专利]一种具有低热弹性阻尼结构的梁式微谐振器件

说明书

本发明涉及微机电系统MEMS领域，公布了一种具有低热弹性阻尼结构的梁式鼓膜仿生微谐振器件，包括：谐振体，基底。谐振体两端固定在基底上，形成固定约束。谐振体为鼓膜仿生结构，截面轮廓近似于人体鼓膜，由一阶贝塞尔函数获得。谐振体在振动时不仅产生弯曲应变，还会出现拉伸应变，而拉伸应变不产生热弹性耗散，所以本发明的结构能实现较低的热弹性阻尼。

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS领域，涉及一种具有低热弹性阻尼结构的梁式鼓膜仿生微谐振器件。

背景技术

品质因数是谐振器件的重要性能指标。对于封装在真空中的器件，热弹性阻尼是影响品质因数的重要因素之一。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。当微谐振器工作在真空中，产生高频率振动，热弹性阻尼就是其性能与效率的最大制约因素。现在常见的普通梁式微谐振器，主要振动方式是横向振动，热弹性阻尼也主要产生在弯曲应变程度大的厚度方向，数值相对较大。因此需要探索更合理的结构来减小因热弹性阻尼带来的能量损耗，提高能量利用效率。

仿生学是利用机械、电子等技术模仿生物体的结构和功能实现工程应用的一门学科，渗透并结合有生物学、生物物理学、电子学、控制论、人机学、数学、心理学以及自动化技术等。随着仿生学的不断发展，人们开始运用已有技术模拟生物结构和功能，从而解决一些工程问题。随着分子生物学的进展以及纳米技术和MEMS技术发展，仿生学与MEMS的结合具有了可行性。鼓膜是人耳中的一层半透明薄膜，它有放大接收到声波的作用，与MEMS微谐振器的功能有共通之处。在进化过程中，鼓膜发展为现有的结构有其优越性，因此将MEMS微谐振器设计为鼓膜结构具有实际价值。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可以显著降低热弹性阻尼的梁式微谐振器件。

技术方案：本发明的具有低热弹性阻尼结构的梁式鼓膜仿生微谐振器件，包括：谐振体和基底。谐振体两端固定在基底上，形成固定约束。谐振体为鼓膜仿生结构，截面轮廓近似于人体鼓膜，由一阶贝塞尔函数获得。

本发明的梁式鼓膜仿生微谐振器件中，谐振体工作在固有频率处，产生高频微幅振动，激励形式为静电驱动或压电驱动。

本发明中的低热弹性阻尼结构谐振体是一种仿生结构，来源于人耳鼓膜结构。由贝塞尔函数可拟合鼓膜结构，该鼓膜仿生结构方程为

其中a为梁平面长度的一半，W为与中点之间平面距离为r处的高度，J₀(x)和I₀(x)别为实宗量与虚宗量的第一类贝塞尔函数。B＝-J₀(x)/I₀(x)，C为高度系数。该鼓膜仿生结构工作在固有频率附近，热弹性阻尼明显小于同长度的普通梁。物理原理分析如下。

在MEMS谐振器件振动时，结构的压缩和拉伸会造成温度不平衡，导致不可逆热流，发生热松弛现象，使得机械能转化为热能，形成了能量耗散，即热弹性阻尼。弯曲应变是热弹性阻尼的主要来源。

本发明的低热弹性阻尼结构谐振体在静止状态下自身存在一定弯曲，当受到外部激励产生振动时，谐振体不仅会发生弯曲应变，还会出现拉伸应变。弯曲应变会产生厚度方向即法向的热传递，拉伸应变自身不产生热传递。相比于普通梁式微谐振器主要发生横向振动，产生弯曲应变，本发明的梁式鼓膜仿生结构微谐振器，存在不产生热弹性阻尼的拉伸应变，法向弯曲应变较小，所以总体热弹性阻尼较低。

有益效果：本发明与现有技术相比，有以下优点：

本发明的梁式鼓膜仿生结构微谐振器，在受到外部激励时，最大振幅出现在靠近两端边缘的位置，并且以对称形式出现，其涉及范围大；而普通梁式微谐振器，最大振幅在中点处，范围很小。所以本发明的仿生微谐振器，其最大振动位移更易于被利用。