专利名称：静电梳驱动折叠梁微机械滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的一种微机械滤波器，尤其涉及是一种静电梳驱动折叠梁微机械滤波器。
背景技术：
硅微机械滤波器是最近二十多年来才出现的新型滤波器。它利用表面硅微加工技术和体加工技术，即标准集成电路工艺，直接将机械滤波结构制作在硅芯片上，大大缩小电信系统的体积。由于前景诱人，各国学者纷纷开展研究，并提出了许多种结构形式的微机械滤波器。现有技术中最成熟的微机械滤波器(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年加州大学伯克利分校W.C.Tang等提出的静电梳驱动折叠梁单自由度微机械谐振器(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)基础上发展而来的。
因为频率选择的需要，微机械滤波器带宽通带位置与通带宽度必须非常精确。而在现有技术条件下，采用硅微加工工艺制造的微机械滤波器，不可避免地存在着几何尺寸的制造误差，而现有技术中的微机械滤波器有着对此制造误差非常敏感的不足，会因此使其固有频率偏离设计值，进而造成微机械滤波器通带位置与通带宽度不稳定的缺陷，最终降低微机械滤波器通带性能。例如，现有技术中最成熟微机械滤波器，在折叠梁厚度制造误差为10％，而等效质量不发生变化的情况下，将使微机械滤波器的固有频率产生约15％的误差，从而对微机械滤波器的带宽通带位置与通带宽度产生约15％的影响。
发明内容
技术问题本发明目的在于解决上述现有技术中存在的不足与缺陷，提供一种静电梳驱动折叠梁微机械滤波器，该机械滤波器具有对硅微加工工艺误差不敏感的性能，具有稳定的通带位置与通带宽度。
技术方案为解决现有技术中存在的不足与缺陷，本发明提供的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器，包括耦合梁、梳状振子、折叠梁，它们的厚度相同且位于同一平面内，其中，梳状振子包括左梳状振子和右梳状振子，它们形状相同，并分别对称连接在耦合梁的左右两侧，每一个梳状振子的上下两侧分别对称连接着一个平行于耦合梁的折叠梁，静电梳状驱动端设置在左梳状振子的左侧，静电梳状感应端设置在右梳状振子的右侧，静电梳状驱动端和静电梳状感应端的梳齿部分分别与相应一侧的梳状振子的梳齿部分保持不接触的平行交错。同时，使耦合梁和折叠梁在振动方向上具有相同的宽度，并且在两个梳状振子的中部，设有多个垂直于梳状振子平面且贯通的鲁棒补偿孔，使两个梳状振子的几何尺寸满足如下关系P0a0≈6A0其中，P0为一个梳状振子外边沿的周长与该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的周长之和，a0为折叠梁在振动方向上的宽度，A0是一个梳状振子外边沿所包围的面积减去该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的面积所得之差。
本发明的工作原理微机械滤波器的固有频率是由等效质量和等效刚度决定的，而等效质量和等效刚度则是通过特定的振子结构几何尺寸来实现的，所以，微机械滤波器的固有频率是硅微加工工艺误差的函数。工艺误差δ是一个小量，固有频率ω可近似为ω(δ)≈ω|δ=0+∂ω(δ)∂δ|δ=0·δ]]>因此，只要合理设计振子结构几何形状，使得固有频率对工艺误差的一阶导数 为零，那么，工艺误差对固有频率的影响将为二次小，就可以使固有频率对工艺误差的不敏感性大大提高。
考虑硅微加工工艺误差时，两个振动自由度的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器固有频率为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为工艺误差，E为弹性模量，a0为折叠梁在振动方向上的设计宽度，P0是梳状振子的设计周长，即一个梳状振子外边沿的周长与该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的周长之和，L为折叠梁的长度，LC为耦合梁的长度，aC0为耦合梁在振动方向上的的设计厚度，ρ为材料密度，A0为梳状振子的设计面积，即一个梳状振子外边沿所包围的面积减去该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的面积所得之差，折叠梁等效面积经验值μ＝0.38。使∂ω1(δ)∂δ|δ=0=∂ω2(δ)∂δ|δ=0=0]]>的条件是P0a0≈6A0和aC0＝a0。就是说，在设计静电梳驱动折叠梁微机械滤波器的几何形状时，只要使梳状振子、耦合梁、折叠梁三者的几何尺寸满足P0a0≈6A0和aC0＝a0两个关系式，就可以使微机械滤波器的几何尺寸加工误差对其固有频率的影响变为二次小，从而大大提高静电梳驱动折叠梁微机械滤波器的固有频率对工艺误差的不敏感性。
有益效果同现有技术的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器相比，本发明的微机械滤波器具有两大优点。首先，由于科学地设计耦合梁与折叠梁在振动方向的宽度，以及开设多个垂直于梳状振子平面的贯通的鲁棒补偿孔，让一个梳状振子外边沿的周长与该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的周长之和同折叠梁在振动方向上的宽度的乘积，等于一个梳状振子外边沿所包围的面积减去该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的面积所得之差的六倍，使加工工艺误差对固有频率的影响被降为二阶小，微加工误差不会明显改变固有频率，进而使得滤波器的通带位置与通带宽度变得稳定，显著提高了微机械滤波器对微加工工艺误差的不敏感性。另一方面，以正方形作为梳状振子和鲁棒补偿孔的基本形状，使该滤波器的结构简单，制造工艺简便。
图1为现有技术的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器结构示意图。
图2为硅微机械滤波器的微加工误差示意图。
图3是本发明实施例的正方形梳状振子半面镜像结构参数示意图。
图4是本发明实施例的正方形梳状振子半面镜像结构示意图。
图5本发明实施例的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器结构示意图。
图中有耦合梁1，梳状振子2，折叠梁3，静电梳状驱动端4，静电梳状感应端5，基底6，锚点7，左梳状振子21，右梳状振子22，梳状振子2的中部20，鲁棒补偿孔201，平面XOY，折叠梁在振动方向上的设计宽度a0，折叠梁的长度L，耦合梁的长度LC，补偿孔壁厚t，鲁棒补偿孔边长l，正方形梳状振子边长H。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步具体说明。
一、本发明实施例的设计过程如下见图2、图3。设定正方形为梳状振子2的中部20的基本形状，在该正方形部位20内开设的多个均匀对称分布的正方形鲁棒补偿孔201，鲁棒补偿孔的边长为l，数量为N＝n2，n为正整数。鲁棒补偿孔201是垂直于梳状振子平面的贯通孔，梳状振子平面平行于图1中的平面XOY。
设定耦合梁1与四个折叠梁3在振动方向上具有相同的宽度，即aC0＝a0，设定耦合梁1、两个梳状振子、四个折叠梁厚度相等。
按通常的驱动/感应灵敏度要求，设计梳齿长lc、梳齿宽bc、梳齿个数为Nc、梳齿间距dc；设定折叠梁与梳状振子连接部分为矩形，尺寸3a0×2a0；鲁棒补偿孔之间壁厚为t，边壁厚等于折叠梁宽度a0，梳状振子的中部20的正方形部位的边长H＝(n-1)t+2a0+nl。
每个梳状振子2的外边沿所包围的面积减去其上开设的各个鲁棒补偿孔201的面积所得之差为A0=(n-1)2t2+4a0·(n-1)t+2(n-1)t·n·l+4a0n·l+4a02+Nc·lc·bc+30a02---(1)]]>每个梳状振子2的外边沿的周长与其上开设的各个鲁棒补偿孔201的周长之和为P0＝4(n-1)t+8a0+4nl+n2·4l+Nc·2lc+16a0(2)将式(1)、式(2)代入关系式P0a0≈6A0，并考虑到n为正整数，得到n>(5a0-3t)a0-3t---(3)]]>
a0＞3t(4)由式(3)可以看出，a0越接近3t，鲁棒补偿孔201的数量N＝n2就越大。因此a0应尽量远大于3t，以减小鲁棒补偿孔201的数量。而当a0＞＞3t时，鲁棒补偿孔201的数量近似有N＝n2＝25，就是说其数量至少为25个。
梳状振子2的中部的正方形部位边长H必须大于所有梳齿宽bc与梳齿间隙dc之和H＝(n-1)t+2a0+nl＞(Nc-1)dc+Ncbc(5)二、本发明实施例的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器的几何尺寸的确定首先，根据用户需要确定两个固有频率ω1、ω2，本实施例中ω1＝628318rad/s，ω2＝644026rad/s。
然后，确定几何尺寸。梳齿尺寸可以根据所需的电场力大小来确定，本实施例中，梳齿长lc＝20μm，梳齿宽度bc＝2μm，梳齿间距dc＝4μm，梳齿个数Nc＝20。相邻的鲁棒补偿孔201之间的壁厚取为t＝1μm，耦合梁1、左梳状振子21、右梳状振子22、四个折叠梁3的厚度相等均为4μm，耦合梁1与折叠梁3在振动方向上的宽度取为aC0＝a0＝5μm。将以上参数代入式(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，必须有n＞11，H＞116，通过试取n，可以确定合理的鲁棒补偿孔201的边长l。表1是n的试算过程，从n＝15开始试算。当n＝25、30、35时，相应的l、H都符合要求。考虑到n＝30对应的梳状振子2的边长H比n＝25时小，而且n＝35对应的鲁棒补偿孔201边长太小，仅2.3μm，所以最终选择n＝30。将l取整为3μm，则梳状振子2的正方形部位的边长H＝(n-1)t+2a0+nl＝129μm，相应的该梳状振子2的面积A0＝10091μm2，周长P0＝12216μm，近似有P0a0＝6A0。该梳状振子的具体结构见图4，图4是本发明实施例的梳状振子的半面镜像结构示意图，该梳状振子的结构对称，图4所示是该梳状振子的一半。
表1
最后，根据两个固有频率计算折叠梁2的长度L和耦合梁1的长度LC，硅材料的密度为2330kg/m3，弹性模量190Gpa，由两个固有频率计算式可得L＝160.4μm、LC＝467.5μm，图5就是本发明实施例的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器结构示意图。
表2就是传统的滤波器与本发明的滤波器对工艺误差的鲁棒性能对比。这里设折叠梁1和耦合梁3的宽度工艺误差为0.025μm，采用传统方法设计滤波器时，在振动方向上，耦合梁宽度是折叠梁宽度的二分之一。
本发明的微机械滤波器，采用表面硅微加工技术和体加工技术，即标准集成电路工艺，直接将机械滤波结构制作在硅芯片上，易于制造。
表2滤波器固有频率对工艺误差的鲁棒性能对比
权利要求
1.一种静电梳驱动折叠梁微机械滤波器，包括耦合梁(1)、梳状振子(2)、折叠梁(3)，它们的厚度相同且位于同一平面内，其中，梳状振子(2)包括左梳状振子(21)和右梳状振子(22)，它们形状相同，并分别对称连接在耦合梁(1)的左右两侧，每一个梳状振子(2)的上下两侧分别对称连接着一个平行于耦合梁(1)的折叠梁(3)，静电梳状驱动端(4)设置在左梳状振子(21)的左侧，静电梳状感应端(5)设置在右梳状振子(22)的右侧，静电梳状驱动端(4)和静电梳状感应端(5)的梳齿部分分别与相应一侧的梳状振子(2)的梳齿部分保持不接触的平行交错，其特征在于1)、折叠梁(3)和耦合梁(1)在振动方向上具有相同的宽度；2)、在梳状振子(2)的中部(20)，设有多个垂直于梳状振子平面且贯通的鲁棒补偿孔(201)，使梳状振子(2)的几何尺寸满足如下关系P0a0≈6A0其中，P0为一个梳状振子(2)外边沿的周长与其上开设的各个鲁棒补偿孔(201)的内周长之和，a0为折叠梁(3)在振动方向上的宽度，A0是一个梳状振子(2)的外边沿所包围的面积减去其上开设的各个鲁棒补偿孔(201)的面积所得之差。
2.、根据权利要求1所述的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器，其特征在于梳状振子(2)的中部(20)的形状为正方形。
3.根据权利要求1所述的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器，其特征在于鲁棒补偿孔(201)为正方形通孔。
4.根据权利要求1所述的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器，其特征在于鲁棒补偿孔(201)为圆形通孔。
全文摘要
静电梳驱动折叠梁微机械滤波器，属于硅微机械滤波器制造技术领域。该微机械滤波器包括耦合梁、梳状振子、折叠梁。通过设定耦合梁与折叠梁在振动方向的具有相同的宽度，并且在梳状振子上的开设多个鲁棒补偿孔，让一个梳状振子外边沿的周长与该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的周长之和，同折叠梁在振动方向上的宽度的乘积，等于一个梳状振子外边沿所包围的面积减去该梳状振子上的各个鲁棒补偿孔的面积所得之差的六倍，把加工工艺误差对固有频率的影响降为二阶小，工艺误差不会明显改变固有频率，进而保证了滤波器的通带位置与通带宽度的稳定，使该机械滤波器具有对硅微加工工艺误差不敏感的特性。
文档编号B81B3/00GK101079607SQ200710022369
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者李普 申请人:东南大学