專利名稱：諧振器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諧振器，例如MEMS諧振器。
背景技術(shù)：
在多種產(chǎn)品中，MEMS諧振器用來替代石英諧振器作為基準(zhǔn)定時(shí)器件；它們?cè)谡袷幤麟娐分杏米骰鶞?zhǔn)諧振器，或者在數(shù)字電路中用作同步操作的時(shí)鐘基準(zhǔn)。MEMS諧振器具有尺寸小(特別是高度很小被認(rèn)為是一大優(yōu)點(diǎn))、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。在另一種應(yīng)用中，MEMS諧振器也可以進(jìn)行組合以形成高質(zhì)量濾波器。在振蕩器電路中，MEMS諧振器中最重要的要求是(i)通過低相位噪聲和低抖動(dòng)獲取穩(wěn)定的諧振頻率，(ii)高品質(zhì)因子，以將MEMS諧振器對(duì)振蕩器相位噪聲的貢獻(xiàn)最小化，以及(iii)未失真的大振幅輸出信號(hào)，用于獲得較高的振蕩器信噪比和線性的振蕩器輸出。高信噪比還能夠?qū)崿F(xiàn)低相位噪聲和低抖動(dòng)。如果在濾波器中使用，MEMS諧振器基于下述不同原因應(yīng)該滿足同樣的要求(i)穩(wěn)定的諧振頻率以獲取穩(wěn)定的濾波器操作，(ii)高品質(zhì)因子以提供低插入損耗，和 (iii)未失真的大振幅輸出信號(hào)，以提供較大的動(dòng)態(tài)范圍。MEMS諧振器會(huì)限制諧振振蕩的幅度，使其振幅比根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)預(yù)期的振幅更低。僅僅在近來才完全理解造成這種限制的起因，這種起因涉及到能量從期望的振動(dòng)模式(本征模式)到其它本征模式的轉(zhuǎn)移。W02010/035184公開了一種懸臂，其除了連接到主錨定點(diǎn)之外還連接到諧振器本體。這些構(gòu)造補(bǔ)償了諧振器剛度的非線性。US2010/0314969公開了連接到諧振器的多元件錨定。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的諧振器。本發(fā)明使得可以擴(kuò)展MEMS諧振器的主振動(dòng)模式(例如長度伸縮振動(dòng)模式)的穩(wěn)定操作。在以前的設(shè)計(jì)中，在特定的振動(dòng)級(jí)別下，不能使這種模式更強(qiáng)烈地振動(dòng)。原因是在這個(gè)點(diǎn)處激勵(lì)了平面外的寄生模式。這些寄生模式具有橫向振動(dòng)分量。本發(fā)明使用附加的錨定點(diǎn)和連接臂，這些部件設(shè)計(jì)為不會(huì)阻礙主振動(dòng)模式，但設(shè)計(jì)為會(huì)抑制或限制所有其它的振動(dòng)。因?yàn)檫B接臂限制了沿一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)而允許沿主振動(dòng)軸的自由運(yùn)動(dòng)，連接臂可以認(rèn)為是導(dǎo)向器。Z形設(shè)計(jì)減小了在諧振器中引起的應(yīng)力。例如，連接臂對(duì)于沿第一軸方向的振動(dòng)具有與諧振器質(zhì)量塊相同的匹配諧振頻率，但是對(duì)于沿橫向方向的振動(dòng)具有不匹配的諧振頻率。
本發(fā)明形成了這樣的結(jié)構(gòu)，其中諧振器在除了節(jié)點(diǎn)區(qū)域(例如中間區(qū)域)之外的更多的點(diǎn)附接到固定的外部部件。優(yōu)選地，連接臂從諧振器本體開始沿與第一軸方向橫切的方向延伸。在一組示例中，諧振器本體具有兩個(gè)自由端，第一錨定裝置連接到在該兩個(gè)自由端中間的諧振器本體上，并且一個(gè)或多個(gè)連接臂連接到每個(gè)自由端上。這對(duì)于已知的具有兩個(gè)自由端的長度伸縮諧振器提供了對(duì)稱的布置。諧振器本體例如可以包括一對(duì)延伸臂，其沿著第一軸方向延伸，在該對(duì)延伸臂的每個(gè)端部具有頭部，其中第一錨定裝置連接到延伸臂的中部，并且連接臂連接到頭部。這就 是應(yīng)用于所謂的狗骨頭諧振器(dog-bone resonator)的本發(fā)明結(jié)構(gòu)。第一連接臂可以從一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸，第二連接臂可以從所述一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸，第三連接臂可以從另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸，以及第四連接臂可以從所述另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸。這給出了相對(duì)于第一軸對(duì)稱、并且相對(duì)于與第一軸方向垂直的軸對(duì)稱(從而對(duì)稱地旋轉(zhuǎn)180度)的結(jié)構(gòu)?？梢源嬖诘谝粚?duì)連接臂，其從一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸；第二對(duì)連接臂，其從所述一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸；第三對(duì)連接臂，其從另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸；以及第四對(duì)連接臂，從所述另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸。使用多個(gè)連接臂可以抑制更多的寄生模式。本發(fā)明還提供了根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制諧振器的方法。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的示例，其中圖I示出了已知的諧振器；圖2示出了對(duì)于圖I的諧振器設(shè)計(jì)的改進(jìn)；圖3示出了圖2諧振器的振幅-頻率特性；圖4示出了怎樣對(duì)振幅-頻率特性曲線進(jìn)行限幅；圖5示出了所述限幅是怎樣與寄生振動(dòng)模式關(guān)聯(lián)的；圖6示出了用于證明怎樣實(shí)施本發(fā)明的諧振器的結(jié)構(gòu)；圖7以示意性的形式示出了本發(fā)明設(shè)計(jì)的目的；圖8示出了實(shí)施本發(fā)明的連接臂的一種方式；以及圖9示出了改變圖6諧振器類型的多種方式。
具體實(shí)施例方式MEMS諧振器設(shè)計(jì)為使得激勵(lì)信號(hào)能夠激勵(lì)諧振器本征模式之一。圖I示出了設(shè)計(jì)為當(dāng)施加交流激勵(lì)電壓時(shí)按照長度伸縮模式振動(dòng)的諧振器。如果正確地設(shè)計(jì)，激勵(lì)信號(hào)不會(huì)激勵(lì)其它模式(在該示例中像彎曲模式或扭轉(zhuǎn)模式)。
圖I所示的設(shè)計(jì)是已知的壓阻MEMS諧振器，其在WO 2004/053431中有更詳細(xì)地描述。圖I所示的諧振器I包括形成為硅晶片的基板10?？蛇x地，基板10可以是砷化鎵晶片，或者可以包括任何其它的半導(dǎo)體、金屬或電介質(zhì)材料。對(duì)于設(shè)計(jì)為在超過IOMHz頻率下工作的諧振器I來說，有利地是使用具有電介質(zhì)(例如玻璃)的基板10，因?yàn)檫@減小了基板中耗散的電磁能量損耗。諧振器I還包括具有兩個(gè)并聯(lián)連接的元件20a、20b的導(dǎo)電諧振器元件20。諧振器沿著第一軸在具有長度I的長度方向延伸，所述第一軸是沿著它發(fā)生預(yù)期振動(dòng)用于按照體模式操作的軸。諧振器經(jīng)由分別連接到錨定元件23和24的支撐元件21和22附接到基板10上。錨定元件23和24固定到基板10上。諧振器元件20和支撐元件21和22在除了經(jīng)由錨定元件23和24的連接之外相對(duì)于基板10是自由的。
諧振器元件20沿長度方向上具有兩個(gè)外部端子205。這些結(jié)構(gòu)可以比連接臂20a、20b和間隔19的組合寬度更大，從而在端部限定了更寬的諧振器質(zhì)量塊，進(jìn)而限定了所謂的狗骨頭形狀。這在圖2中示出。再次參照?qǐng)DI，每個(gè)外部端子205面對(duì)導(dǎo)電激勵(lì)器30的對(duì)應(yīng)電極，并且通過激勵(lì)間隙g與該電極隔開。該激勵(lì)器可以視為柵極端子，其中柵極端子上施加控制輸入。激勵(lì)器30能夠接收用于相對(duì)于諧振器元件20的激勵(lì)電位差VIN，用于利用靜電力使得諧振器元件20彈性形變。激勵(lì)電位差是施加到諧振器I的輸入信號(hào)的函數(shù)。除了輸入信號(hào)之外，激勵(lì)電位差還可以典型地包含DC分量。彈性形變包括長度I變化dl的量，如圖I所示。反饋系統(tǒng)控制激勵(lì)電壓的頻率，并且反饋回路在與諧振器的物理諧振頻率相同的激勵(lì)電壓頻率諧振的情況下穩(wěn)定。諧振器元件20是能夠通過諧振器元件20傳導(dǎo)電流的振蕩器電路的一部分。諧振器元件20經(jīng)由輔助電阻器27、錨定元件24和支撐元件22電連接到DC電壓源VDC的正極或負(fù)極。錨定24可以視為漏極端子，將DC電壓偏置施加到該端子上以驅(qū)動(dòng)偏置電流通過器件。諧振器元件20經(jīng)由支撐元件21和錨定元件23進(jìn)一步連接到地。錨定23可以視為源極端子，偏置電流在該端子處匯集。因此，諧振器元件20能夠傳導(dǎo)電流I。當(dāng)諧振器元件20傳導(dǎo)電流I時(shí)，該元件構(gòu)成具有歐姆電阻R的電阻器，所述歐姆電阻產(chǎn)生電壓降V。因?yàn)橹C振器元件20包括具有開放空間(open spaee)的中間部19，諧振器元件20構(gòu)成具有偶組電阻R的電阻器，所述歐姆電阻R是長度I的變化量dl的函數(shù)。諧振器元件20包括兩個(gè)相互平行的臂20a、20b，每個(gè)臂固定到對(duì)應(yīng)的支撐元件21和22。這兩個(gè)臂通過元件205在兩個(gè)外部端子處彼此連接。中間部19是在光刻步驟和刻蝕步驟期間形成的。該部件防止了電流從支撐元件22沿直線流向支撐元件21。電流必須沿著由諧振器元件20形成的導(dǎo)電路徑流動(dòng)。該導(dǎo)電路徑沿著長度方向延伸。該電路能夠產(chǎn)生輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)是長度I的變化量dl以及電阻R的函數(shù)。為此目的，該電路包括電連接到電路的測(cè)量點(diǎn)28。該測(cè)量點(diǎn)28位于輔助電阻器27與錨定元件24之間，并且在操作時(shí)產(chǎn)生電輸出信號(hào)，所述電輸出信號(hào)是測(cè)量點(diǎn)28與接地的參考點(diǎn)29之間的電位差Vout。在可選實(shí)施例中，雖然未示出，輔助電阻器27并沒有位于電壓源與錨定元件24之間，而是位于錨定元件23與地之間。在這種情況下，測(cè)量點(diǎn)28位于輔助電阻器27與錨定元件23之間。在再一實(shí)施例中，雖然未示出，省略了 DC電壓源VDC和輔助電阻器27。錨定元件24連接到電流源的正極，并且錨定元件23連接到電流源的負(fù)極。測(cè)量點(diǎn)28位于電流源的正極與錨定元件24之間，并且參考點(diǎn)29位于錨定元件23與電流源的負(fù)極之間。因此，可以測(cè)量針對(duì)恒定電流的電壓，或者測(cè)量針對(duì)恒定的總電壓測(cè)量電流部分。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以理解，輸出信號(hào)也是長度I的變化量dl的函數(shù)。因此，可以使用電流偏置或電壓偏置來進(jìn)行感測(cè)。所得到的機(jī)械諧振在附圖平面內(nèi)并且是對(duì)稱的。如上所述，可以擴(kuò)大諧振器的左部和右部以限定比中間臂具有相對(duì)更大剛度的質(zhì)量塊，從而使得在臂中產(chǎn)生引起諧振器振動(dòng)的收縮和伸展。
由于機(jī)械振動(dòng)是對(duì)稱的，在漏極和源極24、23之間的結(jié)構(gòu)中間部也保持機(jī)械固定。在每一側(cè)上所謂的激勵(lì)間隙位于柵極電極30與諧振器質(zhì)量塊之間，并且是幾百nm的數(shù)量級(jí)?？梢允褂梦C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域中已知的技術(shù)來制造諧振器。圖3示出了振幅-激勵(lì)頻率曲線。如圖所示，諧振器具有在特定諧振頻率處具有峰值的振幅。理想地，MEMS諧振器是純線性器件如果激勵(lì)電壓加倍，則振幅也加倍。但是，觀察到了振幅的飽和，意味著振幅峰值的峰值局限于固定水平。這在圖4中示出，圖4示出了不同激勵(lì)電壓下圖3的振幅曲線(振幅-激勵(lì)頻率)。激勵(lì)水平表示為dBm，提供信號(hào)功率的測(cè)量。對(duì)于更大的激勵(lì)電壓，可以看到封頂。世界各地的研究組已經(jīng)報(bào)告了這種不期望的飽和效應(yīng)，這種效應(yīng)阻礙了 MEMS諧振器在振蕩器和濾波器應(yīng)用方面的成功應(yīng)用。僅僅在最近揭露出這種振幅飽和的起因。如果振幅超過特定閾值，長度伸縮振動(dòng)激勵(lì)出另一本征模式(或本征模式的組合)，該模式稱為寄生模式。寄生模式從期望的長度伸縮模式中消耗能量。激勵(lì)振幅的增加不會(huì)導(dǎo)致期望模式的振幅增加，但是會(huì)導(dǎo)致寄生模式的振幅增加。這種效應(yīng)稱為自動(dòng)參變諧振，并在Cvan der Avoort等人的“通過自動(dòng)參變諧振解釋的MEMS諧振器的幅度飽和(Amplitudesaturation of MEMS resonators explained by autoparametric resonance)，，2010J.Micromech 中有所討論，Microeng. 20105012。這種效應(yīng)在圖5中示出，圖5示出了飽和的實(shí)際測(cè)量?？v向振動(dòng)(曲線50)產(chǎn)生的電輸出在某個(gè)點(diǎn)處飽和。曲線52示出了平面外振動(dòng)的光學(xué)振動(dòng)測(cè)量。這些振動(dòng)發(fā)生在平面外模式的本征頻率下，并且與驅(qū)動(dòng)的縱向模式不同。這示出了該模式的振幅隨著驅(qū)動(dòng)水平進(jìn)一步增大而增大。因此，諧振器的常規(guī)電學(xué)響應(yīng)受到限制，并且在超過一定的驅(qū)動(dòng)力水平后該電輸出信號(hào)不再增加。當(dāng)主模式是長度伸縮模式時(shí)，所包含的寄生模式是彎曲模式或扭轉(zhuǎn)模式或者它們的組合。在這些模式的任一種種，都存在橫向(即平面外)振動(dòng)分量。
如果諧振器的工作頻率(即激勵(lì)頻率)與寄生模式的本征頻率精確匹配，則即使對(duì)于相對(duì)較小的長度伸縮振幅來說也會(huì)發(fā)生由于自動(dòng)參變諧振導(dǎo)致的能量泄露。因此，在精確頻率匹配的情況下，MEMS諧振器不滿足產(chǎn)生未失真的大振幅輸出信號(hào)的要求。通常還存在多種具有本征頻率的寄生模式，這導(dǎo)致在工作頻率附近相互作用。因此，需要一種方法能夠同時(shí)抑制所有不期望的平面外模式。本發(fā)明提供了一種諧振器，其中除了在節(jié)點(diǎn)處的常規(guī)錨定之外，還提供了第二錨定裝置，并且在諧振器本體 與第二錨定裝置之間提供了相關(guān)聯(lián)的連接臂。該連接臂在非節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體，使得諧振器本體不連接到形成固定連接的常規(guī)位置。該連接臂在組合的諧振器質(zhì)量塊和連接臂振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處連接到第二錨定裝置。這意味著第二錨定可以視為連接臂與諧振器質(zhì)量塊組合的節(jié)點(diǎn)。它們都具有與單獨(dú)的諧振器質(zhì)量塊(沒有連接臂)相同的諧振頻率，從而使得不會(huì)衰減期望的諧振。本發(fā)明基于抑制橫向模式，例如彎曲模式，使得臨界值可以偏移，并且使得主振動(dòng)模式的常規(guī)響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)更大的值。已知諧振器在振動(dòng)模式節(jié)點(diǎn)處的懸掛對(duì)于諧振器的品質(zhì)因子是有利的，即諧振器將示出較低的阻尼或耗散損失。本發(fā)明基于改變諧振器結(jié)構(gòu)，以只在節(jié)點(diǎn)(不移動(dòng)的點(diǎn))處附接到外部世界的諧振器的期望工作模式中維持期望的要求，但是抑制其它寄生操作模式。本發(fā)明在諧振器上特別使用了附加的懸掛(錨定)點(diǎn)。這些懸掛點(diǎn)不會(huì)妨礙期望的運(yùn)動(dòng)，因而可以用作該運(yùn)動(dòng)的無摩擦導(dǎo)向器。另一方面，這些相同的懸掛點(diǎn)應(yīng)該限制/約束諧振器的任何其它運(yùn)動(dòng)。參照?qǐng)D5，由于將能量轉(zhuǎn)移到寄生模式的驅(qū)動(dòng)力水平可以決定主模式的振幅何時(shí)封頂，本發(fā)明的目的是使得曲線52朝著增大驅(qū)動(dòng)力的方向(向右)偏移。在圖5中，是在驅(qū)動(dòng)力為0.05(任意單位)的時(shí)候發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。通過將曲線52向右偏移，曲線50開始的線性部分在發(fā)生封頂之前是有效的。圖6是圖2所示諧振器類型的掃描電子顯微鏡顯微圖。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字模擬以找到諧振模式和對(duì)應(yīng)的頻率。圖7示意性示出了怎樣用導(dǎo)向器抑制平面外振動(dòng)。圖7a表示未導(dǎo)向的諧振器70 該諧振器被固定在一側(cè)并且在另一端活動(dòng)，從而提供了如虛線所示的運(yùn)動(dòng)范圍。工作的諧振模式是縱向或長度伸縮振動(dòng)。平面外振動(dòng)沒有受到抑制。在圖7b中示意性示出了導(dǎo)向器72。這里工作的振動(dòng)是縱向模式，并且該運(yùn)動(dòng)沒有受到阻礙。這些導(dǎo)向器只約束不期望的平面外振動(dòng)，并且(盡可能)設(shè)計(jì)為無摩擦導(dǎo)向器，從而不會(huì)對(duì)期望的振動(dòng)模式起作用，但是完全約束平面外運(yùn)動(dòng)。唯一可用的構(gòu)建材料是基板，典型地是單晶硅板，并且需要在單個(gè)平面內(nèi)構(gòu)建所有的器件特征。這意味著不可能在諧振器上附接物理軸承(例如圖7b示意性所示)。作為替代，本發(fā)明的設(shè)計(jì)提供了附接到諧振器本體的良好匹配的實(shí)體，用作只沿一個(gè)方向的無摩擦導(dǎo)向器。如下面將解釋的，這種“匹配”特征是指諧振頻率。圖8a和Sb示出了本發(fā)明的導(dǎo)向諧振器的兩個(gè)仿真振動(dòng)模式。圖8a的縱向振動(dòng)是期望的主操作模式。圖8所示的設(shè)計(jì)包括主諧振器質(zhì)量塊80 (類似于圖2中的質(zhì)量塊205)和長度延伸構(gòu)件82(類似于圖2中的臂20a或20b)。此外，還有兩個(gè)用作導(dǎo)向器部件的連接臂84，其用于抑制平面外振動(dòng)。這些導(dǎo)向器部件包括臂84，其在一端從主諧振器質(zhì)量塊80開始延伸到另一端的固定連接位置。所述臂包括沿著與主振動(dòng)方向橫切的方向但在與諧振器質(zhì)量塊相同的平面內(nèi)延伸的部分。在所示的示例中，臂具有“Z”字形狀，第一部分84a橫切于振動(dòng)方向，第二部分84b平行于振動(dòng)方向，以及第三部分84c橫切于振動(dòng)方向。諧振器和連接臂沿主振動(dòng)方向具有相同的精確匹配的諧振頻率。此外，在連接臂84端部的外部固定連接位于主振動(dòng)模式的節(jié)點(diǎn)處。在圖Sb中，示出了系統(tǒng)的第一平面外彎曲模式。由于該運(yùn)動(dòng)的頻率與諧振器和連接臂不匹配，會(huì)存在聲學(xué)阻抗失配，并且能量會(huì)泄露到外部環(huán)境中。因此，這種運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重地衰減。如前所述，期望在節(jié)點(diǎn)處附接振動(dòng)結(jié)構(gòu)以使得耗散損失最小化。在圖8a中，所述臂作為聲學(xué)領(lǐng)域已知的四分之一波長諧振器。所述臂可以這樣使用的原因是它們沿諧振器長度伸縮方向的諧振頻率與諧振器的頻率完美匹配。在圖Sb中，由于與外部世界的連接不是形成在振動(dòng)模式的節(jié)點(diǎn)處，振動(dòng)能量會(huì)通過附接的部件泄露。 圖9示出了當(dāng)用于圖2的諧振器設(shè)計(jì)時(shí)參考圖8說明的方法的可能諧振器設(shè)計(jì)。圖9a示出了圖2的諧振器作為參考。錨定元件23、24是位于將諧振器固定到外部的點(diǎn)，并且由于諧振器關(guān)于與振動(dòng)方向(用箭頭顯示)垂直的鏡像軸對(duì)稱，這些點(diǎn)都位于節(jié)點(diǎn)位置處。圖9b示出了第一示例。諧振器質(zhì)量塊205的每個(gè)通過垂直于振動(dòng)軸延伸的直臂92連接到附加的錨定點(diǎn)90。這些質(zhì)量塊205都用作以對(duì)稱方式連接的簡(jiǎn)單懸臂。圖9c示出了第二示例。該示例具有從每個(gè)諧振器質(zhì)量塊開始沿著與振動(dòng)軸橫切的方向延伸的兩個(gè)平行直臂94a、94b，以及從每個(gè)諧振器質(zhì)量塊開始沿著相反方向延伸的另外兩個(gè)平行直臂94a、94b。因此，圖9b設(shè)計(jì)中的每個(gè)臂92分裂為兩個(gè)平行臂，每個(gè)臂都在諧振器質(zhì)量塊205的每個(gè)端部處(沿著振動(dòng)軸的方向)。這種設(shè)計(jì)抑制了更多的振動(dòng)模式。圖9d修正了圖9c的臂94a、94b，提供了如本發(fā)明圖8所示的Z形臂96，這些臂允許釋放應(yīng)力。這些設(shè)計(jì)示出了可以通過使用4個(gè)或8個(gè)相同的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來對(duì)諧振器的兩個(gè)相對(duì)自由端進(jìn)行導(dǎo)向，這些導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以是簡(jiǎn)單的直線懸臂或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了避免在諧振器中引入應(yīng)力，這些導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以具有“Z”(或“S”)形。這些設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致附加的諧振器懸臂(錨定)。在上述示例中，期望的諧振模式是長度伸縮模式，并且寄生模式具有橫向振動(dòng)分量。本申請(qǐng)?jiān)瓌t上可以擴(kuò)展到任何情況，其中非期望模式在期望模式具有零振動(dòng)分量的方向上具有非零振動(dòng)分量。例如，如果期望模式是Z方向彎曲模式，則平面內(nèi)振動(dòng)可以受到抑制。本發(fā)明也不局限于圖I所示諧振器中提供的狗骨頭形狀的示例。此外，即使使用長度伸縮設(shè)計(jì)，也可以在一端固定而在另一端活動(dòng)。在上述示例中，連接臂設(shè)計(jì)為具有與沒有臂的諧振器精確相同的諧振頻率。原則上來說，連接的諧振器與臂的諧振頻率應(yīng)該相同。
然而，可以設(shè)計(jì)為任何頻率，使得連接臂能夠?qū)嵸|(zhì)影響所得到結(jié)構(gòu)的諧振頻率，但是該諧振頻率具有期望的值。需要對(duì)連接臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得諧振器的品質(zhì)因子不會(huì)惡化。在以上示例中，只有諧振器具有高品質(zhì)因子，并且以四分之一波長附接的方式設(shè)計(jì)臂，以使得將機(jī)械能量限制在諧振器內(nèi)。然后，振動(dòng)能量會(huì)在臂的固定處反射，而不是將能量傳輸?shù)酵獠渴澜?。本發(fā)明可以應(yīng)用于任何體模式或長度伸縮模式操作。本發(fā)明尤其對(duì)于相對(duì)于寬度和長度來說較薄的諧振器感興趣。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員在實(shí)踐要求權(quán)利要求的本發(fā)明時(shí)可以根據(jù)對(duì)附圖、說明書和所附權(quán)利要求的研究可以理解和實(shí)現(xiàn)對(duì)上述公開的實(shí)施例進(jìn)行其他改變。在這些權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其他的元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”也不排除多個(gè)的情況。在相互不同的從屬權(quán)利要求中所記載的某些手段不代表不能有利地使用這些手段的 組合。權(quán)利要求中的任何參考符號(hào)不應(yīng)解釋為限制其范圍。
權(quán)利要求
1.一種諧振器(I)，包括諧振器本體和激勵(lì)電極(30)，所述激勵(lì)電極用于驅(qū)動(dòng)諧振器進(jìn)入諧振模式，其中諧振器本體平行于第一軸振動(dòng)；和 檢測(cè)裝置(27、28、29)，用于檢測(cè)第一軸方向的振動(dòng)并產(chǎn)生得自于所述振動(dòng)的電輸出信號(hào)， 其中所述諧振器包括第一錨定裝置(23、24)，諧振器第一錨定裝置處固定在適當(dāng)位置，其中所述第一錨定裝置在振動(dòng)未引起運(yùn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體， 其中所述諧振器包括第二錨定裝置(90)和在諧振器本體(205)與第二錨定裝置之間的連接臂(92 ;94a、94b ;96)，其中連接臂在非節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體， 其中所述連接臂(92 ;94a、94b ；96)包括橫切于第一軸方向的第一部分(84a)、平行于第一軸方向的第二部分(84b)以及橫切于第一軸方向的第三部分(84c)，從而具有Z形設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的諧振器，其中所述連接臂(92;94a、94b、；96)從諧振器本體開始在與第一軸方向橫切的方向延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的諧振器，其中所述連接臂(92;94a、94b ；96)對(duì)于沿第一軸方向的振動(dòng)具有與諧振器質(zhì)量塊相同的諧振頻率，但是對(duì)于沿橫切方向的振動(dòng)具有不匹配的諧振頻率。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的諧振器，其中所述諧振器本體有兩個(gè)自由端，并且第一錨定裝置在所述兩個(gè)自由端之間的中間位置連接至諧振器本體，并且其中設(shè)置有多個(gè)連接臂，每個(gè)連接臂具有Z形設(shè)計(jì)，并且每個(gè)連接臂均在非節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體，并且其中所述連接臂(92 ;94a、94b ;96)的一個(gè)或多個(gè)連接到每個(gè)自由端。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的諧振器，其中 諧振器本體包括沿著第一軸方向延伸的一對(duì)平行的延伸臂(20a、20b)，在對(duì)延伸臂的每個(gè)端部具有頭部(205)，并且該頭部連接到該對(duì)平行延伸臂，其中第一錨定裝置連接到延伸臂的中間， 其中設(shè)置有多個(gè)連接臂，每個(gè)連接臂具有Z形設(shè)計(jì)，并且每個(gè)連接臂在非節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體，并且其中連接臂(92 ;94a、94b ；96)連接到頭部(205)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的諧振器，包括 第一連接臂(92 ;94a、94b ;96)，從一個(gè)頭部(205)開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸， 第二連接臂(92 ;94a、94b ;96)，從所述一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸， 第三連接臂(92 ;94a、94b ;96)，從另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸，以及 第四連接臂(92 ;94a、94b ;96)，從所述另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸， 其中所述諧振器關(guān)于第一軸鏡像對(duì)稱。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的諧振器，包括 第一對(duì)連接臂(94a、94b)，從一個(gè)頭部(205)開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸，第二對(duì)連接臂(94a、94b)，從所述一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸， 第三對(duì)連接臂(94a、94b),從另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第一方向向外延伸，以及 第四對(duì)連接臂(94a、94b)，從所述另一個(gè)頭部開始沿著與第一軸方向橫切的第二相反方向向外延伸， 其中所述諧振器關(guān)于第一軸鏡像對(duì)稱。
8.—種控制諧振器(I)的方法，所述諧振器包括諧振器本體和激勵(lì)電極(30)，所述激勵(lì)電極用于驅(qū)動(dòng)諧振器進(jìn)入諧振模式，其中所述諧振器本體平行于第一軸振動(dòng)，并且所述方法包括 在第一錨定裝置(23、24)處固定諧振器，其中所述第一錨定裝置在振動(dòng)未引起運(yùn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體， 通過將連接臂(92 ;94a、94b ；96)連接在諧振器本體(205)與第二錨定裝置之間以在第二錨定裝置(90)處固定諧振器，其中所述連接臂在非節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體，以及其中所述連接臂(92 ;94a、94b ；96)包括橫切于第一軸方向的第一部分(84a)、平行于第一軸方向的第二部分(84b)以及橫切于第一軸方向的第三部分(84c)，從而具有Z形設(shè)計(jì)； 其中所述方法包括 使用所述連接臂抑制橫切于第一軸方向的振動(dòng)模式，以及通過在諧振器質(zhì)量塊與連接臂組合振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處將連接臂連接到第二錨定裝置，來避免沿第一軸方向的主振動(dòng)模式的衰減; 檢測(cè)沿第一軸方向的振動(dòng)；以及 產(chǎn)生得自于所述振動(dòng)的電輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種諧振器及其控制方法。一種諧振器，其中除了在節(jié)點(diǎn)設(shè)置常規(guī)錨定外還設(shè)置了第二錨定裝置，并且在諧振器本體與該第二錨定裝置之間設(shè)置了相關(guān)聯(lián)的連接臂。所述連接臂在非節(jié)點(diǎn)處連接到諧振器本體，使得諧振器本體不連接到形成固定連接的常規(guī)位置。所述連接臂用于抑制橫向振動(dòng)模式。
文檔編號(hào)H03H9/02GK102751961SQ20121010924
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者卡斯珀·范德阿奧斯特, 約瑟夫·范貝克 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司