專利名稱：靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的一種微機(jī)械濾波器，尤其涉及是一種靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器。
背景技術(shù)：
硅微機(jī)械濾波器是最近二十多年來(lái)才出現(xiàn)的新型濾波器。它利用表面硅微加工技術(shù)和體加工技術(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝，直接將機(jī)械濾波結(jié)構(gòu)制作在硅芯片上，大大縮小電信系統(tǒng)的體積。由于前景誘人，各國(guó)學(xué)者紛紛開展研究，并提出了許多種結(jié)構(gòu)形式的微機(jī)械濾波器?，F(xiàn)有技術(shù)中最成熟的微機(jī)械濾波器(S.Diamantis，M.Ahmadi，G.A.Jullien，etd，A Programmable MEMS BandPass Filter，Proc.43rdIEEE Midwest Symp.on Circuits and Systems，Lansing MI，Aug8-11，2000，pp.522-525)是在1989年加州大學(xué)伯克利分校W.C.Tang等提出的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁?jiǎn)巫杂啥任C(jī)械諧振器(W.C.Tang，T.-C.H.Nguyen，and R.T.Howe，Laterally driven polysilicon resonant microstructures，Sensors and Actuators，vol.20，pp.25-32，1989)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。
因?yàn)轭l率選擇的需要，微機(jī)械濾波器帶寬通帶位置與通帶寬度必須非常精確。而在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采用硅微加工工藝制造的微機(jī)械濾波器，不可避免地存在著幾何尺寸的制造誤差，而現(xiàn)有技術(shù)中的微機(jī)械濾波器有著對(duì)此制造誤差非常敏感的不足，會(huì)因此使其固有頻率偏離設(shè)計(jì)值，進(jìn)而造成微機(jī)械濾波器通帶位置與通帶寬度不穩(wěn)定的缺陷，最終降低微機(jī)械濾波器通帶性能。例如，現(xiàn)有技術(shù)中最成熟微機(jī)械濾波器，在折疊梁厚度制造誤差為10％，而等效質(zhì)量不發(fā)生變化的情況下，將使微機(jī)械濾波器的固有頻率產(chǎn)生約15％的誤差，從而對(duì)微機(jī)械濾波器的帶寬通帶位置與通帶寬度產(chǎn)生約15％的影響。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足與缺陷，提供一種靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器，該機(jī)械濾波器具有對(duì)硅微加工工藝誤差不敏感的性能，具有穩(wěn)定的通帶位置與通帶寬度。
技術(shù)方案為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足與缺陷，本發(fā)明提供的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器，包括耦合梁、梳狀振子、折疊梁，它們的厚度相同且位于同一平面內(nèi)，其中，梳狀振子包括左梳狀振子和右梳狀振子，它們形狀相同，并分別對(duì)稱連接在耦合梁的左右兩側(cè)，每一個(gè)梳狀振子的上下兩側(cè)分別對(duì)稱連接著一個(gè)平行于耦合梁的折疊梁，靜電梳狀驅(qū)動(dòng)端設(shè)置在左梳狀振子的左側(cè)，靜電梳狀感應(yīng)端設(shè)置在右梳狀振子的右側(cè)，靜電梳狀驅(qū)動(dòng)端和靜電梳狀感應(yīng)端的梳齒部分分別與相應(yīng)一側(cè)的梳狀振子的梳齒部分保持不接觸的平行交錯(cuò)。同時(shí)，使耦合梁和折疊梁在振動(dòng)方向上具有相同的寬度，并且在兩個(gè)梳狀振子的中部，設(shè)有多個(gè)垂直于梳狀振子平面且貫通的魯棒補(bǔ)償孔，使兩個(gè)梳狀振子的幾何尺寸滿足如下關(guān)系P0a0≈6A0其中，P0為一個(gè)梳狀振子外邊沿的周長(zhǎng)與該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的周長(zhǎng)之和，a0為折疊梁在振動(dòng)方向上的寬度，A0是一個(gè)梳狀振子外邊沿所包圍的面積減去該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的面積所得之差。
本發(fā)明的工作原理微機(jī)械濾波器的固有頻率是由等效質(zhì)量和等效剛度決定的，而等效質(zhì)量和等效剛度則是通過(guò)特定的振子結(jié)構(gòu)幾何尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以，微機(jī)械濾波器的固有頻率是硅微加工工藝誤差的函數(shù)。工藝誤差δ是一個(gè)小量，固有頻率ω可近似為ω(δ)≈ω|δ=0+∂ω(δ)∂δ|δ=0·δ]]>因此，只要合理設(shè)計(jì)振子結(jié)構(gòu)幾何形狀，使得固有頻率對(duì)工藝誤差的一階導(dǎo)數(shù) 為零，那么，工藝誤差對(duì)固有頻率的影響將為二次小，就可以使固有頻率對(duì)工藝誤差的不敏感性大大提高。
考慮硅微加工工藝誤差時(shí)，兩個(gè)振動(dòng)自由度的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器固有頻率為ω1(δ)=2(a0+2δ)3Eρ[A0+(P0-4a0)·δ+8μL(a0+2δ)]L3]]>
和ω2(δ)=2E·[(a0+2δ)3L3+(aC0+2δ)3LC3ρ[A0+(P0-4a0)·δ+8μL(a0+2δ)]]>式中，δ為工藝誤差，E為彈性模量，a0為折疊梁在振動(dòng)方向上的設(shè)計(jì)寬度，P0是梳狀振子的設(shè)計(jì)周長(zhǎng)，即一個(gè)梳狀振子外邊沿的周長(zhǎng)與該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的周長(zhǎng)之和，L為折疊梁的長(zhǎng)度，LC為耦合梁的長(zhǎng)度，aC0為耦合梁在振動(dòng)方向上的的設(shè)計(jì)厚度，ρ為材料密度，A0為梳狀振子的設(shè)計(jì)面積，即一個(gè)梳狀振子外邊沿所包圍的面積減去該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的面積所得之差，折疊梁等效面積經(jīng)驗(yàn)值μ＝0.38。使∂ω1(δ)∂δ|δ=0=∂ω2(δ)∂δ|δ=0=0]]>的條件是P0a0≈6A0和aC0＝a0。就是說(shuō)，在設(shè)計(jì)靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器的幾何形狀時(shí)，只要使梳狀振子、耦合梁、折疊梁三者的幾何尺寸滿足P0a0≈6A0和aC0＝a0兩個(gè)關(guān)系式，就可以使微機(jī)械濾波器的幾何尺寸加工誤差對(duì)其固有頻率的影響變?yōu)槎涡。瑥亩蟠筇岣哽o電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器的固有頻率對(duì)工藝誤差的不敏感性。
有益效果同現(xiàn)有技術(shù)的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器相比，本發(fā)明的微機(jī)械濾波器具有兩大優(yōu)點(diǎn)。首先，由于科學(xué)地設(shè)計(jì)耦合梁與折疊梁在振動(dòng)方向的寬度，以及開設(shè)多個(gè)垂直于梳狀振子平面的貫通的魯棒補(bǔ)償孔，讓一個(gè)梳狀振子外邊沿的周長(zhǎng)與該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的周長(zhǎng)之和同折疊梁在振動(dòng)方向上的寬度的乘積，等于一個(gè)梳狀振子外邊沿所包圍的面積減去該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的面積所得之差的六倍，使加工工藝誤差對(duì)固有頻率的影響被降為二階小，微加工誤差不會(huì)明顯改變固有頻率，進(jìn)而使得濾波器的通帶位置與通帶寬度變得穩(wěn)定，顯著提高了微機(jī)械濾波器對(duì)微加工工藝誤差的不敏感性。另一方面，以正方形作為梳狀振子和魯棒補(bǔ)償孔的基本形狀，使該濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝簡(jiǎn)便。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為硅微機(jī)械濾波器的微加工誤差示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的正方形梳狀振子半面鏡像結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例的正方形梳狀振子半面鏡像結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5本發(fā)明實(shí)施例的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中有耦合梁1，梳狀振子2，折疊梁3，靜電梳狀驅(qū)動(dòng)端4，靜電梳狀感應(yīng)端5，基底6，錨點(diǎn)7，左梳狀振子21，右梳狀振子22，梳狀振子2的中部20，魯棒補(bǔ)償孔201，平面XOY，折疊梁在振動(dòng)方向上的設(shè)計(jì)寬度a0，折疊梁的長(zhǎng)度L，耦合梁的長(zhǎng)度LC，補(bǔ)償孔壁厚t，魯棒補(bǔ)償孔邊長(zhǎng)l，正方形梳狀振子邊長(zhǎng)H。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步具體說(shuō)明。
一、本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)過(guò)程如下見(jiàn)圖2、圖3。設(shè)定正方形為梳狀振子2的中部20的基本形狀，在該正方形部位20內(nèi)開設(shè)的多個(gè)均勻?qū)ΨQ分布的正方形魯棒補(bǔ)償孔201，魯棒補(bǔ)償孔的邊長(zhǎng)為l，數(shù)量為N＝n2，n為正整數(shù)。魯棒補(bǔ)償孔201是垂直于梳狀振子平面的貫通孔，梳狀振子平面平行于圖1中的平面XOY。
設(shè)定耦合梁1與四個(gè)折疊梁3在振動(dòng)方向上具有相同的寬度，即aC0＝a0，設(shè)定耦合梁1、兩個(gè)梳狀振子、四個(gè)折疊梁厚度相等。
按通常的驅(qū)動(dòng)/感應(yīng)靈敏度要求，設(shè)計(jì)梳齒長(zhǎng)lc、梳齒寬bc、梳齒個(gè)數(shù)為Nc、梳齒間距dc；設(shè)定折疊梁與梳狀振子連接部分為矩形，尺寸3a0×2a0；魯棒補(bǔ)償孔之間壁厚為t，邊壁厚等于折疊梁寬度a0，梳狀振子的中部20的正方形部位的邊長(zhǎng)H＝(n-1)t+2a0+nl。
每個(gè)梳狀振子2的外邊沿所包圍的面積減去其上開設(shè)的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔201的面積所得之差為A0=(n-1)2t2+4a0·(n-1)t+2(n-1)t·n·l+4a0n·l+4a02+Nc·lc·bc+30a02---(1)]]>每個(gè)梳狀振子2的外邊沿的周長(zhǎng)與其上開設(shè)的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔201的周長(zhǎng)之和為P0＝4(n-1)t+8a0+4nl+n2·4l+Nc·2lc+16a0(2)將式(1)、式(2)代入關(guān)系式P0a0≈6A0，并考慮到n為正整數(shù)，得到n>(5a0-3t)a0-3t---(3)]]>
a0＞3t(4)由式(3)可以看出，a0越接近3t，魯棒補(bǔ)償孔201的數(shù)量N＝n2就越大。因此a0應(yīng)盡量遠(yuǎn)大于3t，以減小魯棒補(bǔ)償孔201的數(shù)量。而當(dāng)a0＞＞3t時(shí)，魯棒補(bǔ)償孔201的數(shù)量近似有N＝n2＝25，就是說(shuō)其數(shù)量至少為25個(gè)。
梳狀振子2的中部的正方形部位邊長(zhǎng)H必須大于所有梳齒寬bc與梳齒間隙dc之和H＝(n-1)t+2a0+nl＞(Nc-1)dc+Ncbc(5)二、本發(fā)明實(shí)施例的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器的幾何尺寸的確定首先，根據(jù)用戶需要確定兩個(gè)固有頻率ω1、ω2，本實(shí)施例中ω1＝628318rad/s，ω2＝644026rad/s。
然后，確定幾何尺寸。梳齒尺寸可以根據(jù)所需的電場(chǎng)力大小來(lái)確定，本實(shí)施例中，梳齒長(zhǎng)lc＝20μm，梳齒寬度bc＝2μm，梳齒間距dc＝4μm，梳齒個(gè)數(shù)Nc＝20。相鄰的魯棒補(bǔ)償孔201之間的壁厚取為t＝1μm，耦合梁1、左梳狀振子21、右梳狀振子22、四個(gè)折疊梁3的厚度相等均為4μm，耦合梁1與折疊梁3在振動(dòng)方向上的寬度取為aC0＝a0＝5μm。將以上參數(shù)代入式(1)、(2)和P0a0≈6A0，得12(n-1)n·l+100n·l-20n2l+6(n-1)2+100(n-1)+5200＝0由式(3)、(4)知，必須有n＞11，H＞116，通過(guò)試取n，可以確定合理的魯棒補(bǔ)償孔201的邊長(zhǎng)l。表1是n的試算過(guò)程，從n＝15開始試算。當(dāng)n＝25、30、35時(shí)，相應(yīng)的l、H都符合要求。考慮到n＝30對(duì)應(yīng)的梳狀振子2的邊長(zhǎng)H比n＝25時(shí)小，而且n＝35對(duì)應(yīng)的魯棒補(bǔ)償孔201邊長(zhǎng)太小，僅2.3μm，所以最終選擇n＝30。將l取整為3μm，則梳狀振子2的正方形部位的邊長(zhǎng)H＝(n-1)t+2a0+nl＝129μm，相應(yīng)的該梳狀振子2的面積A0＝10091μm2，周長(zhǎng)P0＝12216μm，近似有P0a0＝6A0。該梳狀振子的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，圖4是本發(fā)明實(shí)施例的梳狀振子的半面鏡像結(jié)構(gòu)示意圖，該梳狀振子的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，圖4所示是該梳狀振子的一半。
表1

最后，根據(jù)兩個(gè)固有頻率計(jì)算折疊梁2的長(zhǎng)度L和耦合梁1的長(zhǎng)度LC，硅材料的密度為2330kg/m3，彈性模量190Gpa，由兩個(gè)固有頻率計(jì)算式可得L＝160.4μm、LC＝467.5μm，圖5就是本發(fā)明實(shí)施例的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。
表2就是傳統(tǒng)的濾波器與本發(fā)明的濾波器對(duì)工藝誤差的魯棒性能對(duì)比。這里設(shè)折疊梁1和耦合梁3的寬度工藝誤差為0.025μm，采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，在振動(dòng)方向上，耦合梁寬度是折疊梁寬度的二分之一。
本發(fā)明的微機(jī)械濾波器，采用表面硅微加工技術(shù)和體加工技術(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝，直接將機(jī)械濾波結(jié)構(gòu)制作在硅芯片上，易于制造。
表2濾波器固有頻率對(duì)工藝誤差的魯棒性能對(duì)比

權(quán)利要求
1.一種靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器，包括耦合梁(1)、梳狀振子(2)、折疊梁(3)，它們的厚度相同且位于同一平面內(nèi)，其中，梳狀振子(2)包括左梳狀振子(21)和右梳狀振子(22)，它們形狀相同，并分別對(duì)稱連接在耦合梁(1)的左右兩側(cè)，每一個(gè)梳狀振子(2)的上下兩側(cè)分別對(duì)稱連接著一個(gè)平行于耦合梁(1)的折疊梁(3)，靜電梳狀驅(qū)動(dòng)端(4)設(shè)置在左梳狀振子(21)的左側(cè)，靜電梳狀感應(yīng)端(5)設(shè)置在右梳狀振子(22)的右側(cè)，靜電梳狀驅(qū)動(dòng)端(4)和靜電梳狀感應(yīng)端(5)的梳齒部分分別與相應(yīng)一側(cè)的梳狀振子(2)的梳齒部分保持不接觸的平行交錯(cuò)，其特征在于1)、折疊梁(3)和耦合梁(1)在振動(dòng)方向上具有相同的寬度；2)、在梳狀振子(2)的中部(20)，設(shè)有多個(gè)垂直于梳狀振子平面且貫通的魯棒補(bǔ)償孔(201)，使梳狀振子(2)的幾何尺寸滿足如下關(guān)系P0a0≈6A0其中，P0為一個(gè)梳狀振子(2)外邊沿的周長(zhǎng)與其上開設(shè)的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔(201)的內(nèi)周長(zhǎng)之和，a0為折疊梁(3)在振動(dòng)方向上的寬度，A0是一個(gè)梳狀振子(2)的外邊沿所包圍的面積減去其上開設(shè)的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔(201)的面積所得之差。
2.、根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器，其特征在于梳狀振子(2)的中部(20)的形狀為正方形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器，其特征在于魯棒補(bǔ)償孔(201)為正方形通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器，其特征在于魯棒補(bǔ)償孔(201)為圓形通孔。
全文摘要
靜電梳驅(qū)動(dòng)折疊梁微機(jī)械濾波器，屬于硅微機(jī)械濾波器制造技術(shù)領(lǐng)域。該微機(jī)械濾波器包括耦合梁、梳狀振子、折疊梁。通過(guò)設(shè)定耦合梁與折疊梁在振動(dòng)方向的具有相同的寬度，并且在梳狀振子上的開設(shè)多個(gè)魯棒補(bǔ)償孔，讓一個(gè)梳狀振子外邊沿的周長(zhǎng)與該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的周長(zhǎng)之和，同折疊梁在振動(dòng)方向上的寬度的乘積，等于一個(gè)梳狀振子外邊沿所包圍的面積減去該梳狀振子上的各個(gè)魯棒補(bǔ)償孔的面積所得之差的六倍，把加工工藝誤差對(duì)固有頻率的影響降為二階小，工藝誤差不會(huì)明顯改變固有頻率，進(jìn)而保證了濾波器的通帶位置與通帶寬度的穩(wěn)定，使該機(jī)械濾波器具有對(duì)硅微加工工藝誤差不敏感的特性。
文檔編號(hào)B81B3/00GK101079607SQ200710022369
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者李普 申請(qǐng)人:東南大學(xué)