一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器制造技术

本发明专利技术属于微机电系统（MEMS）领域，具体涉及一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，包括基座、驱动电极、悬臂支撑部以及悬挂微梁；驱动电极布设于基座上表面；悬臂支撑部设于基座上表面的一端；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方，悬挂微梁长边平行于基座，并且悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面上设有矩形通孔；矩形通孔位于该侧面的中心位置处；同时矩形通孔的长度不小于该侧面长度的0.8倍，矩形通孔的宽度不大于该侧面宽度的0.1倍。其阻尼峰在较高频段，能与工作频率错开。

A low thermal elastic damping cantilever resonator with a through hole structure

The invention belongs to the field of micro electro mechanical system (MEMS), in particular relates to a cantilever with low thermal elastic damping through hole structure of micro beam resonator, which comprises a base, a driving electrode, a cantilever support and suspension micro beam; driving electrode layout on the base surface; the cantilever support department is on the base of the upper surface of the micro beam suspension; the cantilever end is fixed on the supporting part, while suspended above the micro beam on the drive electrode, suspension micro beam edge parallel to the base, the side edge and the thickness direction and the direction of the length of suspension micro beam is arranged on the side at the same time the rectangular hole; the center position of rectangular holes located on the side of the 0.8 times; at the same time rectangular through hole length not less than 0.1 times the length of the side, rectangular through hole width less than the width of the side. The damping peak in the high frequency section can be disconnected from the working frequency.

【技术实现步骤摘要】
一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器
本专利技术属于微机电系统(MEMS)领域，具体涉及一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器。
技术介绍
弯曲振动的悬臂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。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：即要求较小的热弹性阻尼。热弹性阻尼(Thermoelasticdamping，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的悬挂微梁，Zener给出了的非常著名的热弹性阻尼计算模型(参见文献1和2)：式中，是材料参数(Zener模量)，E是弹性模量，α是热胀系数，ω是工作频率，Cv是单位体积热容，T0是环境温度，τ＝h2Cv/(π2k)是热松弛时间，k是导热系数，h是悬挂微梁的厚度(即弹性梁在发生体积变化方向的尺寸)。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。但目前没有有效的技术方案能改进器件结构。文献1：C.Zener,InternalFrictioninSolids.I.TheoryofInternalFrictioninReeds,in:PhysicalReview,AmericanPhysicalSociety,1937,pp.230‐235；文献2：C.Zener,InternalFrictioninSolidsII.GeneralTheoryofThermoelasticInternalFriction,PhysicalReview,53(1938)90‐99。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，其阻尼峰在较高频段，该阻尼峰能与工作频率错开。为实现上述技术目的，本专利技术采取的具体技术方案为：一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，包括基座、驱动电极、悬臂支撑部以及悬挂微梁；驱动电极布设于基座上表面；悬臂支撑部设于基座上表面的一端；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方、悬挂微梁长边平行于基座，并且悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面上设有矩形通孔；矩形通孔位于该侧面的中心位置处。作为本专利技术改进的技术方案，矩形通孔的长度不小于该侧面长度的0.8倍，矩形通孔的宽度不大于悬挂微梁厚度的0.1倍。作为本专利技术改进的技术方案，矩形通孔有两个及以上，矩形通孔沿侧面的长度方向均匀布设。有益效果本专利技术的微梁器件采用了狭长矩形通孔结构，相对于现有技术中的实心结构微梁，其在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原实心结构微梁的热弹性阻尼峰一般都在低频段。附图说明图1本申请装置的结构示意图；图2实现结构的悬臂微梁弹性阻尼与本申请悬臂微梁的弹性阻尼特性对比图；图3本申请装置的第二种结构示意图；图4本申请装置的第三种结构示意图；图中：1、悬挂微梁；2、悬臂支撑部；3、驱动电极；4、矩形通孔；5、基座。具体实施方式为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本申请中所述的“上”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备上方的方向为上，反之为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。实施例1如图1所示的一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，包括基座5、驱动电极3、悬臂支撑部2以及悬挂微梁1；驱动电极布设于基座上表面，用于激励悬挂微梁在静电力的作用下发生弹性振动；悬臂支撑部设于基座上表面的一端，用于悬挂式固定悬挂微梁；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方并与基座平行设置；图1中，悬挂微梁长度方向为x方向(长边方向)、悬挂微梁厚度方向为y方向。悬挂微梁在静电力作用下，沿y方向(厚度方向)变形。悬挂微梁1的侧面上设有矩形通孔4，该侧面同时垂直于基座5的上表面、与悬臂支撑部2用于固定悬挂微梁1的面(即该侧面为悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面)；矩形通孔4位于该侧面的中心位置处；即矩形通孔4设于悬挂微梁1厚度方向的面上，并且矩形通孔4的中心位置与悬挂微梁1在厚度方向的中心位置重合，矩形通孔4的长度方向与悬挂微梁1的长度方向一致，矩形通孔4的宽度方向与悬挂微梁1的厚度方向一致；(本申请中悬挂微梁的厚度是指：将悬挂微梁卧倒时，悬挂微梁的高度)。本申请的矩形通孔将原来的悬挂微梁变成了上、下两根梁。矩形通孔在悬挂微梁长度方向(垂直于悬挂支撑部的方向)没有贯通，即两根梁在最左端和最右端物理上是连接在一起的。下面的梁受静电力作用，发生变形，并通过最右端带动上面的梁一起振动。原理为：本专利技术中，矩形通孔长度尺寸远大于孔的宽度尺寸。矩形通孔长度接近梁的总长度。矩形通孔的宽度则远小于梁的总厚度h。本专利技术的物理原理如下：Zener模型表明，唯一的热弹性阻尼峰出现在利用热松弛时间τ＝h2Cv/(π2k)，可以得到式中，τ是热松弛时间，τ＝h2Cv/(π2k)；Cv是单位体积热容，π圆周率，k是导热系数，h是悬挂微梁的厚度(即弹性梁在发生体积变化方向的尺寸)。显然，如果能够减小悬挂微梁的厚度h，就可以使阻尼峰出现更高的频率。在保证有效性的前提下，本申请通过这个矩形通孔，将原来的悬挂微梁变成了上、下两根梁。力学上，梁的长度远远大于厚度。因此，矩形通孔的长度必须是足够长。这样，上、下两根梁都满足梁的力学假设。悬挂微梁变形方向垂直于基座，所以，矩形通孔的宽度必须远小于悬挂微梁厚度h。这样不仅对原结构(静强度等等)影响较小，而且上、下两根梁厚度近似为h/2，ωPeak变为原结构的四倍。也就是说，阻尼峰被转移到更高的频段‐‐‐‐原阻尼峰频率的四倍处。这样就不改变工作频率，就避开了阻尼峰。综上，矩形通孔的长度不小于该侧面长度的0.8‐0.9倍，矩形通孔的宽度不大于该侧面宽度(悬挂微梁厚度)的0.1倍。在驱动电极的作用下，在静电力作用下，悬挂微梁能沿该侧面(悬挂微梁的厚度方向)振动。优选的，矩形通孔的长度为悬挂微梁在垂直于基座的侧面的长度的0.9倍。本专利技术作为谐振器件使用时的工作过程和原理说明如下：驱动电压施加在驱动电极3和悬挂微梁1之间。下面的梁受静电力作用，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，其特征在于，包括基座、驱动电极、悬臂支撑部以及悬挂微梁；驱动电极布设于基座上表面；悬臂支撑部设于基座上表面的一端；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方，悬挂微梁长边平行于基座，并且悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面上设有矩形通孔；矩形通孔位于该侧面的中心位置处。

【技术特征摘要】
1.一种具有通孔结构的低热弹性阻尼悬臂微梁谐振器，其特征在于，包括基座、驱动电极、悬臂支撑部以及悬挂微梁；驱动电极布设于基座上表面；悬臂支撑部设于基座上表面的一端；悬挂微梁的一端固定于悬臂支撑部上，同时悬挂微梁位于驱动电极的上方，悬挂微梁长边平行于基座，并且悬挂微梁长度方向的边与厚度方向的边同时所在的侧面上设有矩形通孔；矩形通孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：李普，周宏月，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32