CN203340028U - 一种频率和品质因数可调的微机械谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微机械谐振器，尤其是一种频率和品质因数可调的微机械谐振器。所述微机械谐振器包括玻璃基座，键合在玻璃基座上的机械结构层，与溅射在玻璃基座上作为信号引线的金电极层，机械结构层包括：矩形框架结构的质量块、沿垂直方向对称分布在所述质量块两边的两个驱动梳齿、两个驱动信号检测梳齿、两个品质因数调谐梳齿，沿水平方向对称分布在所述质量块两边的两个谐振频率调节梳齿。本实用新型采用矩形框架结构的质量块，降低了质量块的质量，提高了谐振频率，降低了阻尼值，提高了品质因数。

Description

一种频率和品质因数可调的微机械谐振器

技术领域

本实用新型涉及一种微机械谐振器，尤其是一种频率和品质因数可调的微机械谐振器。

背景技术

微机械电子***（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称 MEMS ）是近年来发展起来的一个较前沿的多学科交叉领域。MEMS是利用从半导体技术上发展起来的硅微机械加工工艺，主要以硅为材料，在硅片上制作出尺寸在微米量级、悬浮可动的三维结构，实现对外界信息的测量和控制，并可以与信号处理和控制电路集成，构成一个多功能的微型***。微***器件因其具有体积小、能耗低、易于集成和批量生产、成本低等特点，广泛运用于航空航天、生物医疗、消费电子、国防等领域。

谐振式微机械传感器输出是准数字量的频率信号，具有很高的抗干扰性和稳定性， 同时可直接与数字电路相连,接口方便，已经成为目前微传感器的一个热点。

微机械谐振器是谐振式微机械传感器的核心部件，此外，微机械谐振器还可以作为时钟源，目前硅微机械谐振器已经逐步取代石英晶体振荡器。由于微机械谐振器时刻处在谐振状态，那么针对微机械谐振器设计的驱动电路需要保证谐振器的振动幅度恒定，同时驱动力要与微机械谐振器的固有频率相一致。针对恒定幅度控制，目前多采用自动增益控制。由于材料疲劳、结构变形等因素，微机械谐振器的谐振频率会发生变化，驱动力供给电路需要跟踪频率的变化。目前频率跟踪多采用高品质因数的自动选频或锁相环技术。无论是自激振荡还是锁相技术，均需要封装后品质因数大。常压下封装，由于空气阻尼的存在，品质因数小，很难利用上电噪声自激起来。2010年中国科学院上海微***与信息技术研究所的熊斌等针对以前研究的硅微机械谐振器的不足，提出一种微机械谐振器的结构及体硅制造工艺方法（熊斌，吴国强，徐德辉，王跃林  一种体硅微机械谐振器及制作方法 CN：101867080 A），采用了真空封装，提高了封装的工艺要求。真空封装虽然可以提高品质因数，但长期的存放和使用谐振器，高真空度的气密性很难得到保持，品质因数会减小。品质因数的减小将影响驱动电路的参数设计，使得原本谐振的器件可能停振。对于品质因数的提高，目前多在研究拓扑结构的优化，但均未获得好的效果，因为品质因数的显著提高将导致拓扑结构发生根本性变化，可能改变了谐振器的原理。

微机械谐振器制造过程中，由于结构层的刻蚀各向异性、同***互影响，存在关键线宽的损失。针对线宽损失，目前多在版图设计过程中采用线宽补偿或结构尺寸优化方法(杨华，孙蓓蓓，李普，孙庆华 <考虑微加工误差的微机械谐振器/滤波器结构鲁棒设计>  振动与冲击，2005年，Vol.24，No.1)，但补偿后制造的微机械谐振器的频率取决于结构几何尺寸，难以再调整到新的期望值。

根据上述说明，现存的微机械谐振器均存在谐振频率对工艺误差依赖性大、封装后谐振频率无法调整、常压难以自激振荡起来、真空封装存在长期高真空度无法保障等问题，在当前的微机械制造工艺和封装条件下，很难实现稳定、可靠的谐振。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种频率和品质因数可调的微机械谐振器。

本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种频率和品质因数可调的微机械谐振器，包括玻璃基座，键合在玻璃基座上的机械结构层，与溅射在玻璃基座上作为信号引线的金电极层，所述机械结构层包括：矩形框架结构的质量块、沿垂直方向对称分布在所述质量块两边的两个驱动梳齿、两个驱动信号检测梳齿、两个品质因数调谐梳齿，沿水平方向对称分布在所述质量块两边的两个谐振频率调节梳齿；

所述矩形框架结构的质量块中，两条垂直边外边缘上有均匀分布的梳齿，两条水平边内边缘上有均匀分布的梳齿；

所述每个驱动梳齿与所述质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个驱动梳齿对，所述每个驱动信号检测梳齿与所述质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个驱动信号检测梳齿对，所述每个品质因数调谐梳齿与质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个品质因数调谐梳齿对，所述每个谐振频率调节梳齿与质量块水平边内边缘上的梳齿构成一个谐振频率调节梳齿对。

所述一种频率和品质因数可调的微机械谐振器的***电路，包括振动位移检测电路、驱动信号调节电路、振动速度检测电路、品质因数差分调节电路，其中：

所述振动位移检测电路的两个输入通道分别与两个驱动信号检测梳齿的电极连接；

所述驱动信号调节电路输入端接所述振动位移检测电路输出端，所述驱动信号调节电路的两个输出通道分别与所述两个驱动信号检测梳齿的电极连接；

所述振动速度检测电路输入端与所述振动位移检测检测电路输出端连接；

所述品质因数差分调节电路输入端接所述振动速度检测电路输出端，所述品质因数差分调节电路的两个输出通道分别与所述两个品质因数调谐梳齿的电极连接。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：采用矩形框架结构的质量块，降低了质量块的质量，提高了谐振频率，降低了阻尼值，提高了品质因数。

附图说明

图1为频率和品质因数可调的微机械谐振器的结构图。

图2为频率和品质因数可调的微机械谐振器的***电路图。

图3为机械结构层与电极层连接的示意图。

图中标号说明：A11、A12为驱动梳齿，B21、B22为驱动信号检测梳齿，C31、C32为品质因数调谐梳齿，D41、D42为谐振频率调节梳齿，E51、E52、E53、E54为支撑梁，111为第一电荷放大器，112为第二电荷放大器，12为跨阻放大器，13为带通滤波器，14为全波整流器，15为低通滤波器，16为减法器，17为全通移相器，21为比例放大器，22为微分器，23为全通移相器，F61为与支撑梁E51、E52连接的电极，F62为与支撑梁E53、E54连接的电极，F63、F64为与驱动信号检测梳齿B21、B22连接的电极，F65、F66为与驱动梳齿A11、A12连接的电极，F67、F68为与品质因数调谐梳齿C31、C32连接的电极，F69、F610为与谐振频率调节梳齿D41、D42连接的电极。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示，频率和品质因数可调的微机械谐振器，包括玻璃基座，键合在玻璃基座上的机械结构层，与溅射在玻璃基座上作为信号引线的金电极层。机械结构层包括：矩形框架结构的质量块、沿垂直方向（Y方向）对称分布在所述质量块两边的两个驱动梳齿A11、A12，两个驱动信号检测梳齿B21、B22，两个品质因数调谐梳齿C31、C32，沿水平方向（X方向）对称分布在所述质量块两边的两个谐振频率调节梳齿D41、D42。

矩形框架结构的质量块中，两条垂直边外边缘上有均匀分布的梳齿，两条水平边内边缘上有均匀分布的梳齿。每个驱动梳齿与所述质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个驱动梳齿对，每个驱动信号检测梳齿与所述质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个驱动信号检测梳齿对，每个品质因数调谐梳齿与质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个品质因数调谐梳齿对，每个谐振频率调节梳齿与质量块水平边内边缘上的梳齿构成一个谐振频率调节梳齿对。活动结构E5中的中心质量块由一个框架构成，E51、E52、E53、E54为支撑梁。框架边缘上有突出的梳齿。边缘上的梳齿与固定的驱动梳齿A11和A12构成差分驱动电容，根据实际设计需求，可以调整梳齿数目及梳齿的交叠长度，也可以适当调整固定梳齿与活动梳齿的间隔距离。活动结构接地，在驱动静电力作用下，结构层中的活动结构就可以做周期的振动，检测活动结构的振动位移情况就可以得到活动结构的振动频率。

如图2所示的***电路：包括振动位移检测电路、驱动信号调节电路、振动速度检测电路、品质因数差分调节电路。振动位移检测电路的两个输入通道分别与两个驱动信号检测梳齿的电极连接；驱动信号调节电路输入端接振动位移检测电路输出端，驱动信号调节电路的两个输出通道分别与两个驱动信号检测梳齿的电极连接；振动速度检测电路输入端与振动位移检测检测电路输出端连接；品质因数差分调节电路输入端接振动速度检测电路输出端，品质因数差分调节电路的两个输出通道分别与两个品质因数调谐梳齿的电极连接。

振动位移检测电路包括；第一电荷放大器111、第二电荷放大器112、跨阻放大器12、带通滤波器13，第一电荷放大器111、第二电荷放大器112的输入端即为振动位移检测电路的两个输入通道，跨阻放大器12正负输入端分别与第一电荷放大器111输出端、第二电荷放大器112输出端连接，跨阻放大器12输出端与带通滤波器13输入端连接。第一电荷放大器111、第二电荷放大器112构成两个通道，目的是形成差分信号检测，这样检测到的振动位移信号可以消除单通道的寄生噪声影响。

驱动信号调节电路包括：全波整流器14、低通滤波器15、减法器16、全通移相器17，全波整流器14输入端接带通滤波器13输出端，低通滤波器15输入端接全波整流器14输出端，减法器16的一个输入端接参考直流信号DC，全通移相器17输入端接带通滤波器13输出端，减法器16输出量、全通移相器17输出量经过加法器处理后得到驱动梳齿A12的直流驱动信号，减法器16输出量、全通移相器17输出量经过减法器得到驱动梳齿A11的直流驱动信号。全波整流器14将正弦波转换为对应幅度的直流电压，完成正弦波的幅度提取；低通滤波器15滤掉转换过来的直流电压里的高频信号，减法器16模块比较检测得到振动位移幅度对应的直流信号与给的参考直流信号的差来控制驱动电压里的直流量。全通移相器17对交流信号的相位做一个加减法，使相位满足自激振荡要求，交流信号的幅度不发生变化。

振动速度检测电路包括：比例放大器21、微分器22，比例放大器21输入端接带通滤波器13输出端，微分器输入端接比例放大器21输出端。比例放大器21对检测到的振动位移信号进行幅度的调整，微分器22对振动位移信号进行微分来得到振动速度信号。

品质因数差分调节电路：全通移相器23对振动速度信号移相，分别与参考直流信号求和、求差得到两个调谐品质因数梳齿的调谐信号。

结合图2，改变直流电压DC2就可以利用静电负刚度来调节微机械谐振器的谐振频率。

机械结构层与电极层的连接如图3所示：F61为与支撑梁E51、E52连接的电极，F62为与支撑梁E53、E54连接的电极，F63、F64为与驱动信号检测梳齿B21、B22连接的电极，F65、F66为与驱动梳齿A11、A12连接的电极，F67、F68为与品质因数调谐梳齿C31、C32连接的电极，F69、F610为与谐振频率调节梳齿D41、D42连接的电极。

综上所述，本实用新型采用矩形框架结构的质量块，降低了质量块的质量，提高了谐振频率，降低了阻尼值，提高了品质因数。

Claims (2)

1.一种频率和品质因数可调的微机械谐振器，包括玻璃基座，键合在玻璃基座上的机械结构层，与溅射在玻璃基座上作为信号引线的金电极层，其特征在于，所述机械结构层包括：矩形框架结构的质量块、沿垂直方向对称分布在所述质量块两边的两个驱动梳齿、两个驱动信号检测梳齿、两个品质因数调谐梳齿，沿水平方向对称分布在所述质量块两边的两个谐振频率调节梳齿；

所述矩形框架结构的质量块中，两条垂直边外边缘上有均匀分布的梳齿，两条水平边内边缘上有均匀分布的梳齿；

所述每个驱动梳齿与所述质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个驱动梳齿对，所述每个驱动信号检测梳齿与所述质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个驱动信号检测梳齿对，所述每个品质因数调谐梳齿与质量块垂直边外边缘上的梳齿构成一个品质因数调谐梳齿对，所述每个谐振频率调节梳齿与质量块水平边内边缘上的梳齿构成一个谐振频率调节梳齿对。

2.根据权利要求1所述的一种频率和品质因数可调的微机械谐振器的***电路，其特征在于，包括振动位移检测电路、驱动信号调节电路、振动速度检测电路、品质因数差分调节电路，其中：

所述振动位移检测电路的两个输入通道分别与两个驱动信号检测梳齿的电极连接；

所述驱动信号调节电路输入端接所述振动位移检测电路输出端，所述驱动信号调节电路的两个输出通道分别与所述两个驱动信号检测梳齿的电极连接；

所述振动速度检测电路输入端与所述振动位移检测检测电路输出端连接；

所述品质因数差分调节电路输入端接所述振动速度检测电路输出端，所述品质因数差分调节电路的两个输出通道分别与所述两个品质因数调谐梳齿的电极连接。

Images