CN115514339A - 微机电系统电极 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微机电系统电极，属于微观机械系统技术领域。微机电系统电极包括主体，所述主体具有容置微机电系统中谐振子的容置空间，所述主体还具有至少一贯通的通孔，所述通孔设置在所述容置空间的周围，且所述通孔的延伸方向与所述容置空间的延伸方向相同。本申请所提供的微机电系统电极，通过在电极主体设置贯穿的通孔，从而可减小主体表面的对地面积，进而降低主体表面处的对地电容。

Description

微机电系统电极

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种微机电系统电极。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)谐振器，其用于电子设备的定时电路中。MEMS谐振器系统通常包括多个电极来驱动MEMS谐振器。

众所周知，当向驱动电极施加电压时，会在电极上积聚电荷，从而在驱动电极和积聚有相反电荷的MEMS谐振器之间产生静电力。通过向驱动电极施加时变电压信号(通常与直流电压相结合)，可产生跨越MEMS谐振器和驱动电极表面的时变静电力导致MEMS谐振器振荡。

MEMS谐振器中，环型谐振结构是常用的兆级赫兹(MHz)谐振结构，利用其呼吸模态，可以实现较大谐振Q值，而且可以通过阵列的方式减低谐振器的动态阻抗，具有很强的拓展性，此谐振结构可以称为动件。为了驱动和检测动件的振动，需要驱动电极和感应电极，驱动电极对动件施加一定频率的静电力，驱动动件振动，感应电极通过感测因为动件振动导致感应电极和动件之间的电容变化获得动件的振动信号。驱动电极和感应电极可以称为静件。在MEMS谐振器工作时，一般希望动件振动幅值最大化，而静件振动最小化，以获得较高的信号噪比。

如图1所示，图1是现有微机电谐振器的局部结构示意图，内圈电极100通过内圈静件锚点101固定于衬底(图中未示)上，环型谐振子200环绕内圈电极100设置，外圈电极300将环型谐振子200包围，并且外圈电极300通过外圈静件锚点301固定于衬底。

内圈电极100和外圈电极300中的之一为驱动电极，另一则为感应电极。例如：内圈电极100为感应电极，外圈电极300为驱动电极；或者，内圈电极100为驱动电极，外圈电极300为感应电极。

对于上述环型谐振子200的电极布局，内圈电极100结构相对简单，内圈电极100对地电容102相对稳定。但由于圈外电极300不规则的形状，外圈电极300布局较为复杂。外圈电极300由于跨度较大，在面内弯曲模态下的刚度较低，振动变形幅值较大，容易对振动信号产生干扰，因此，往往需要增大外圈电极300的面内截面面积以提升电极刚度。如图2所示，图2是由图1所示微机电系统谐振器构成的MEMS芯片在一视角中的剖面示意图，随着外圈电极300的面内截面面积增大，外圈电极300和接地电位在水平方向的重叠面积越大，而当外圈电极300通电后，外圈电极对地电容302变大，从而影响了环型谐振子200振动频率的检测。

发明内容

本申请提供了一种微机电系统电极，可减小电极主体的对地面积，从而降低其对地电容。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种微机电系统电极，其包括主体，所述主体具有容置微机电系统中谐振子的容置空间，所述主体还具有至少一贯通的通孔，所述通孔设置在所述容置空间的周围，且所述通孔的延伸方向与所述容置空间的延伸方向相同。

本申请所提供的微机电系统电极，通过在电极主体设置贯穿的通孔，从而可减小主体表面的对地面积，进而降低主体表面处的对地电容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有微机电谐振器的局部结构示意图；

图2是由图1所示微机电系统谐振器构成的MEMS芯片在一视角中的剖面示意图；

图3是本申请提供的微机电系统电极主体一实施例的结构示意图；

图4是本申请提供的微机电系统电极主体连接部开孔一实施例的俯视示意图；

图5是本申请提供的微机电系统电极主体一实施例的俯视示意图；

图6是本申请提供的微机电系统电极主体另一实施例的俯视示意图；

图7a是本申请提供的一实施例的一种通孔截面形状示意图；

图7b是本申请提供的一实施例的另一种通孔截面形状示意图；

图7c是本申请提供的一实施例的再一种通孔截面形状示意图；

图8是本申请提供的另一实施例中微机电系统电极主体呈桁架结构示意图；

图9是本申请提供的其它一实施例中微机电系统电极主体设有两个容置空间的示意图；

图10a是作为对比分析的不开孔技术方案电极主体静力总体变形仿真示意图；

图10b是本申请图6实施例中电极主体静力总体变形仿真示意图；

图11a是作为对比分析的不开孔技术方案电极主体径向变形仿真示意图；

图11b是本申请图6实施例中电极主体径向变形仿真示意图；

图12是本申请提供的一实施例微机电振荡器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

需要说明的是，本申请实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本申请提供一种微机电系统电极，其包括主体10，并在主体10的刚度基本保持不变的情况下，降低主体10的对地电容。请参阅图3，图3是本申请微机电系统电极主体一实施例的结构示意图。

主体10具有一定厚度，其厚度以满足设计需求为准。主体10中沿厚度方向对置的两个表面分别为第一表面10a和第二表面10b。主体10上沿厚度方向贯穿设置有第一表面10a和第二表面10b的容置空间12，该容置空间12用于容置谐振子(图中未示)。

主体10上设置有贯穿第一表面10a和第二表面10b的至少一个通孔15，至少一个通孔15分布设置在容置空间12的周围。由于第一表面10a上具有通孔15的开口，减小了第一表面10a的面积，以至于可减小第一表面10a的对地面积，从而降低了第一表面10a的对地电容。同理，由于通孔15贯穿第二表面10b，使得第二表面10b的面积减小，以至于可减小第二表面10b的对地面积，从而降低了第二表面10b的对地电容。

请继续参阅图3，在本实施例中，主体10包括连接部11以及分别与连接部11连接的第一延伸部13及第二延伸部14。第一延伸部13与第二延伸部14间隔设置。连接部11与第一延伸部13、第二延伸部14围设形成容置空间12。连接部11、第一延伸部13及第二延伸部14在厚度方向上相应的两个表面连为一体，分别形成主体10的第一表面10a和第二表面10b。

在本实施例中，电极主体10呈半环形，或者说，电极主体10更趋近于C字形。连接部11为主体10上对电极进行约束的部位。通过连接部11实现主体10与衬底(图中未示)的固定。在其它一实施例中，在连接部11藉由锚固件11a与衬底固定连接，继而主体10通过锚固件11a与衬底固定，如图4所示。

连接部11、第一延伸部13以及第二延伸部14中的至少一者上设置有通孔15。在本实施例中，连接部11、第一延伸部13以及第二延伸部14上均开设通孔15。

由于第一延伸部13受到连接部11的约束，根据第一延伸部13工作时的受力分析可以得出，第一延伸部13的受力向远离连接部11的延伸方向逐渐减小，即第一延伸部13在靠近连接部11处受力最大，在远离连接部11的远端受力最小。为减小电极主体10的对地电容，需减小第一表面10a和第二表面10b的面积，为此，与第一延伸部13受力大小相匹配，第一延伸部13远离连接部11的远端呈收缩状，即第一延伸部13在平行于第一表面10a和第二表面10b的截面上的截面宽度，向远离连接部11的延伸方向逐渐减小。

第二延伸部14与第一延伸部13的形状相同且截面面积相等，且第二延伸部14与第一延伸部13对称设置。

容置空间12由连接部11与第一延伸部13、第二延伸部14围合的空间构成，在本实施例中，容置空间12呈圆柱形，如此，谐振子(图中未示)在第一表面10a或第二表面10b方向的平面形状呈现为圆盘形或圆环形，亦或外表面近似圆形的形状。

请参阅图5，图5是本申请一实施例中微机电系统电极主体俯视示意图。通孔15可包括在第一延伸部13设置的多个贯穿第一表面10a和第二表面10b的通孔151和在第二延伸部14设置的多个贯穿第一表面10a和第二表面10b的通孔152。

在本实施例中，第一延伸部13上设有多个贯穿第一表面10a和第二表面10b的通孔151，多个通孔151自连接部11向远离连接部11的端部的方向上可依次编号为1511、1512、1513、1514、1515、1516，通孔151数量不做限制，此处仅为示意。

请继续参阅图5，多个通孔151分布设置在容置空间12的周围。在本实施例中，多个通孔151自主体10的连接部11向第一延伸部13远离连接部11的端部呈线性排布。当然，多个通孔151自主体10的连接部11向第一延伸部13远离连接部11的端部也可呈阵列或其它方式排布，在此不做限制。

第二延伸部14与第一延伸部13对应设置，第二延伸部14远离连接部11的远端也呈收缩状，第二延伸部14上设有多个贯穿第一表面10a和第二表面10b的通孔152，多个通孔152在自连接部11向远离连接部11的端部的方向上可依次编号为1521、1522、1523、1523、1524、1525，第二延伸部14的多个通孔152的排布方式与第一延伸部13的多个通孔151的排布方式相同。

进一步地，在一实施例中，第一延伸部13上的通孔151的数量与第二延伸部上14的通孔152的数量相同，如此设置可使得第一延伸部13与第二延伸部14在开孔后在水平方向上的面积接近，从而对地电容相当，且相对于连接部11的面内弯曲刚度相差不大。

再进一步地，请参阅图6，图6是本申请施例中微机电系统电极主体另一俯视示意图。在本实施例中，第一延伸部13上的至少一个通孔151与第二延伸部14上的至少一个通孔152对称设置。第一延伸部13的通孔151在第一延伸部13向远离连接部11的延伸方向，与第二延伸部14的通孔152在第二延伸部14向远离连接部11的延伸方向具有一一对应的关系，即对于每一个第一延伸部13的通孔151，在第二延伸部14上均存在一个与之位置对应的通孔152，二者在与通孔15的延伸方向垂直的方向上的截面形状相同且面积相等。

如图6所示，第一延伸部13上的通孔151与第二延伸部14上的通孔152对称设置，其对称轴为直线A-A。第一延伸部13上的通孔1511，与第二延伸部14上对应的通孔为1521，二者在与通孔15的延伸方向垂直的方向上的截面形状相同且面积相等。相应地，通孔1512与通孔1522对应，通孔1513与通孔1523对应，在此不再赘述。如此设置通孔15，可确保第一延伸部13与第二延伸部14在开孔后相对于连接部11的面内弯曲刚度尽可能的相等。

对第一延伸部13的多个通孔151进行拓扑优化设计，使得多个通孔151呈几何形状的拓扑结构。与延伸部远离连接部11的远端呈收缩状相对应，在第一延伸部13上，每一至少一个通孔151在与通孔151的延伸方向垂直的方向上的截面面积，在第一延伸部13向远离连接部11的延伸方向逐渐减小。即，通孔1511、1512、1513、1514、1515、1516在与通孔151的延伸方向垂直的方向上的截面面积呈逐渐减小的趋势。

相应地，在第二延伸部14上，每一至少一个通孔152在与通孔152的延伸方向垂直的方向上的截面面积，在第二延伸部14向远离连接部11的延伸方向逐渐减小。

通孔15在与通孔15的延伸方向垂直的方向上的截面可为任意形状。请参阅图7a、7b、7c，图7a～7c是本申请一实施例中通孔截面形状示意图。在本实施例中，每一至少一个通孔15在与通孔15的延伸方向垂直的方向上的截面，在第一方向上(图7a中箭头X方向)的截面宽度153在第二方向上(图7a中箭头Y方向)逐渐增大，或在第一方向上(图7b中箭头X方向)的截面宽度153在第二方向(图7b中箭头Y方向)上逐渐减小，或在第一方向上(图7c中箭头X方向)的截面宽度153在第二方向上(图7c中箭头Y方向)逐渐增大至第一阈值再减小，第一方向与第二方向垂直。在其它一实施例中，通孔15在与通孔15的延伸方向垂直的方向上的截面呈三角形或椭圆形，再进一步地，多数通孔15呈三角形，特别是靠近连接部11的通孔15均呈三角形，远离连接部11的通孔15则呈椭圆形。

在另一实施例中，主体10开设多个通孔15后呈桁架结构，请参阅图8。桁架结构包括间隔对置的第一弦杆131和第二弦杆132，以及将第一弦杆131、第二弦杆132连接的腹杆133。腹杆133之间的间隔可以完全相等，也可以部分相等，亦可以完全不相等。

如图8所示，主体10呈半圆形，或者说，主体10更趋近于C字形。腹杆133可以沿径向延伸，腹杆133也可以沿与径向呈一定夹角的方向延伸。再如图8所示，腹杆133呈倾斜状设置。

第二弦杆132将第一弦杆131包围，第一弦杆131围合形成容置谐振子(图中未示)的容置空间12。由桁架结构的受力特点可知，腹杆133主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，可节省材料，增大电极主体10的刚度。同时，由于腹杆133间均为通孔15，减小了第一表面10a和第二表面10b的对地面积，从而降低了电极主体10的对地电容。

请参阅图9，在其它一实施例中，主体10间隔设置有两个容置空间12，分别为容置空间12a、容置空间12b。主体10设置有贯穿第一表面10a和第二表面10b的多个通孔15，通孔15分布设置在容置空间12a、容置空间12b的周围。由于第一表面10a、第二表面10b上开设了通孔15，从而减小了第一表面10a、第二表面10b的面积，第一表面10a、第二表面10b的对地面积减小，降低了第一表面10a的对地电容及第二表面10b的对地电容。

通孔15在与通孔15的延伸方向垂直的方向上的截面可为任意形状。在一实施例中，如图9所示，主体10在开设多个通孔15后呈桁架结构。腹杆133a将间隔对置的第一弦杆131a和第二弦杆132a连接形成桁架结构，第二弦杆132a将第一弦杆131a包围，第一弦杆131a围合形成容置谐振子(图中未示)的容置空间12a；相应地，腹杆133b将间隔对置的第一圈体131b和第二圈体132b连接形成桁架结构，第二圈体132b将第一圈体131b包围，第一圈体131b围合形成容置谐振子(图中未示)的容置空间12a。

为了评估本申请实施例中电极主体开孔后的效果，采用仿真分析，对比两种技术方案电极主体的变形及面内模态频率，两种结构方案分别是：本申请实施例中的技术方案、电极主体不开孔的技术方案，下表为电极选用的材料属性参数。

材料	弹性模量(GPa)	泊松比	热膨胀系数(1/K)
				Si	162	0.27	2.6E-6

仿真计算工况：1、在电极主体10的连接部11施加固定约束；2、对电极环面沿径向施加16.6Pa均布力，该荷载为半环形电极主体10与谐振子(图中未示)之间的间隙为0.4μm时的激振静电力，用以验证电极主体10的刚度。

图10a为现有技术电极主体不开孔技术方案的静力总体变形仿真示意图、图10b为本申请图6实施例电极主体的静力总体变形仿真示意图，从图中可以看出，本申请实施例相对于电极主体不开孔技术方案静力总体变形略有增大，增大比例约为10％，本申请实施例电极主体静力总体变形值为2.66e-7μm，谐振器工作时的谐振幅值量值为5nm，电极主体静力总体变形值不到谐振器工作时的谐振幅值量值的千万分之一，相对量值很小，对谐振器的工作影响可以忽略不计，仿真分析验证了本申请实施例的电极主体10在开孔后的刚度基本保持不变。

图11a为现有技术电极主体不开孔技术方案的径向变形仿真示意图，图11b为本申请图6实施例电极主体10的径向变形仿真示意图，从图中可以看出，电极主体10在开孔后相对于电极主体不开孔技术方案径向变形略有增大，增大比例约为10％，但量值很小，对谐振器的工作影响可以忽略不计，仿真分析进一步验证了电极主体10开孔后的刚度基本保持不变。

下表为电极主体不开孔、本申请实施例电极仿真分析结果，计算结果显示：

1、本申请实施例电极主体10的对地面积减少19％，热弹阻尼增大2.5倍，由于电极主体10上设置通孔15，去除电极内局部质量，容易造成应力集中情况，从而提升电极的热弹性阻尼，电极更难形成激振，降低电极振动风险；

2、本申请实施例电极主体10的工作频率激振幅值略有增大，但不到谐振器工作时的谐振幅值量值的千万分之一，相对量值很小，对谐振器的工作影响可以忽略不计；

3、本申请实施例电极主体10的面内模态频率增大19％，电极将更难形成激振，通过设置在电极主体10上的通孔15去除电极内局部质量，改变质量分布，调整电极的谐振频率，从而较容易避开特定频率段。

本申请还提供一种微机电系统振荡器1000，请参阅图12，包括MEMS芯片1001及控制芯片1002。MEMS芯片1001中的电极被配置为上述电极，控制芯片1002与电极电性连接，控制芯片1002向电极施加偏置电压，以驱动MEMS芯片1001中的谐振子(图中未示)振荡。

本申请提供的微机电系统电极，通过在电极主体设置贯穿第一表面和第二表面的通孔，至少具有以下有益效果：

1、减小电极主体的对地面积，在确保电极一定刚度情况下，降低电极对地电容；

2、设置在外圈的电极使用较大截面宽度容易产生很大的对地电容，与设置在内圈的电极对地电容不匹配，而采用耦合振动的谐振器要求设置在外圈的电极与设置在内圈的电极的对地电容相等或接近，本申请通过在电极主体上设置通孔降低电极的对地电容，使得设置在外圈的电极与设置在内圈的电极的对地电容更容易相互匹配；

3、通过设置在电极主体上的通孔去除电极内局部质量，改变质量分布，调整电极的谐振频率，从而较容易避开特定频率段；

4、电极主体上设置通孔，去除电极内局部质量，容易造成应力集中，从而提升电极的热弹性阻尼，降低电极振动风险。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种微机电系统电极，其包括主体，所述主体具有容置微机电系统中谐振子的容置空间，其特征在于，所述主体还具有至少一贯通的通孔，所述通孔设置在所述容置空间的周围，且所述通孔的延伸方向与所述容置空间的延伸方向相同。

2.根据权利要求1所述的微机电系统电极，其特征在于，所述主体包括连接部以及分别与所述连接部连接的第一延伸部及第二延伸部，所述第一延伸部与所述第二延伸部间隔对置，所述连接部与所述第一延伸部、所述第二延伸部围设形成所述容置空间；所述连接部、所述第一延伸部、所述第二延伸部中的至少一者上设置有所述通孔。

3.根据权利要求2所述的微机电系统电极，其特征在于，所述通孔被配置为多个，所述连接部、所述第一延伸部、所述第二延伸部均设有所述通孔，多个所述通孔随所述主体的形状呈拓扑排布。

4.根据权利要求3所述的微机电系统电极，其特征在于，多个所述通孔随所述主体的形状呈线性或阵列排布。

5.根据权利要求4所述的微机电系统电极，其特征在于，沿所述第一延伸部向远离所述连接部的延伸方向，该第一延伸部上各通孔的截面面积呈减小趋势；且/或

沿所述第二延伸部向远离所述连接部的延伸方向，该第二延伸部上各通孔的截面面积呈减小趋势。

6.根据权利要求5所述的微机电系统电极，其特征在于，所述第一延伸部上靠近所述连接部的通孔呈三角形，远离所述连接部的通孔呈椭圆形；且/或

所述第二延伸部上靠近所述连接部的通孔呈三角形，远离所述连接部的通孔呈椭圆形。

7.根据权利要求1所述的微机电系统电极，其特征在于，所述主体具有多个所述通孔，且该主体被配置为桁架结构。

8.根据权利要求7所述的微机电系统电极，其特征在于，所述主体包括间隔对置的第一弦杆和第二弦杆，所述第一弦杆和第二弦杆之间通过间隔设置的多个腹杆连接，相邻所述腹杆之间为所述通孔；所述主体的内部空间构成了所述容置空间。

9.根据权利要求8所述的微机电系统电极，其特征在于，所述主体呈圆弧形，所述腹杆沿所述主体的径向延伸，或者，所述腹杆沿与所述主体之径向呈一定夹角的方向延伸。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的微机电系统电极，其特征在于，还包括与所述主体固定连接的锚固件，所述锚固件用于将该主体固定于衬底。

Images