[实用新型]一种低热弹性阻尼的梁式微谐振器件

说明书

本实用新型涉及微机电系统MEMS领域，公布了一种低热弹性阻尼的梁式微谐振器件，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，所以本实用新型的结构能实现较低的热弹性阻尼。

技术领域

本实用新型属于微机电系统MEMS领域，涉及一种低热弹性阻尼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。现在常见的平面薄板型微谐振器，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。

实用新型内容

技术问题：本实用新型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：本实用新型的低热弹性阻尼梁式微谐振器件，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。

本实用新型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。

本实用新型中的低热弹性阻尼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。

本实用新型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：本实用新型与现有技术相比，有以下优点：

本实用新型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。