CN101253685A - Mems谐振器阵列结构及其操作和使用方法 - Google Patents

Abstract

以机械方式耦合的MEMS谐振器102a、b、c、d被安排成N×M阵列。每个谐振器都包括拉长梁段106a、b、c、d。每个拉长梁段都通过弯曲段108a、b、c、d在末端连接到另一个拉长梁段，从而形成一个几何形状(例如圆角正方形)。每个谐振器都通过谐振器耦合段104耦合到阵列的至少一个其它相邻谐振器，这个谐振器耦合段104可能布置在相邻谐振器的拉长梁段之间。这些谐振器按照组合的拉长(或呼吸)模式和弯折模式以相同的频率振荡。阵列的谐振器可以包括弯曲段中的波节点114(也就是在谐振器的振荡过程中，谐振器静止的部分)。这些波节点最好是锚定谐振器的位置。

Description

MEMS谐振器阵列结构及其操作和使用方法

背景技术

本发明涉及微机电或纳米机电谐振器阵列结构，以及设计、操作、控制和/或使用这种体系的方法；更加具体地说，一方面，涉及以机械方式耦合以提供具有一个或多个频率的一个或多个输出信号的多个微机电或纳米机电谐振器(例如，多个谐振器，其中至少有一个包括一个或多个加强波节点，这些加强波节点能够支持基底的锚定，以便使封装应力和/或通过基底锚定的能量损失造成的影响最小)。

一般认为，高Q微机电谐振器是集成单片频率基准和滤波器富有前途的选择。就这一点而言，高Q微机电谐振器能够提供高频输出，适合于要求结构紧凑和/或有苛刻空间限制的许多高频应用。但是，随着谐振器变得越来越小，封装应力，通过基底锚朝基底的能量损失，信号强度的下降，和/或谐振过程中的不稳定性或重心移动，都会给谐振器的频率稳定性和“Q”带来不利影响。

众所周知，谐振器有几种结构。例如，一组常规谐振器体系采用闭合或开放音叉。例如，参考图1，闭合或双端固支音叉谐振器10包括梁或叉12a和12b。这些梁12a和12b通过锚16a和16b锚定到基底14上。用固定电极18a和18b激励梁12a和12b来施加力，引起这些梁谐振(在平面内)。

音叉谐振器10的特性和响应是众所周知的。但是，由于封装应力给谐振梁12a和12b带来应变，因此具有这种谐振器体系的谐振器10的机械频率常常容易发生改变。另外，象图1所示的那种常规谐振器体系会存在或呈现出通过锚向基底的能量损失。

描述了特定的体系和技术，以便解决通过锚朝向基底的能量损失制约Q的损失机制以及特定应力导致频率变化这些问题。在一个实施例中，可以将谐振器的梁“悬”在底面和感测电极以上，因此，梁的振动模式不在平面内。(见例如美国专利6,249,073)。尽管这种体系能够减少通过锚的能量损失，但是具有不在平面内的振动模式(即横模)的谐振器会在驱动/感测电极和基底之间呈现出较大的寄生电容。(在特定的设计中)这种电容会导致输出信号具有较高的背景噪声。

人们已经提出了改善谐振器Q因子的其它技术，这些技术包括设计振动梁之间的间隔，使这些梁相对于与它们的振动频率对应的波长间隔很小(见例如美国专利6,624,726中的单端或单端固支谐振器)。驱动振动梁，让它们有一半的振动周期互相异相(也就是说它们的运动互成镜像)。尽管提高谐振器Q值的这些体系和技术能够抑止声能泄漏，但是这种体系仍然存在封装应力，通过基底锚朝基底的能量损失，以及单端或单端固支谐振器振动梁的运动过程中谐振器重心的“移动”。

此外，还描述了其它谐振器体系来解决通过锚的能量损失问题，例如“碟”形谐振器设计(见例如美国专利申请公布2004/020792)。确实，有人提出一种相同的以机械方式耦合的碟形谐振器阵列，用它来减少运动阻力，同时提高线性度(见例如美国专利6,628,177和Demirci等等的“Mechanically Corner-Coupled Square MicroresonatorArray for Reduced Series Motional Resistance”，Transducers 2003，第955～958页)。

需要一种谐振器阵列体系、配置或结构，它能够克服常规体系、配置或结构的一个、一些或全部缺点。就这一点而言，需要一种得到改进的微机电和/或纳米机电谐振器阵列，这种阵列具有改进了的封装应力特性，减少了通过基底锚朝向基底的能量损失和/或使这种能量损失最少，和/或具有改进了的或者最优的振荡期间重心稳定性。通过这种方式，能够提高输出信号的信噪比，提高谐振器输出频率的稳定性和/或线性度，和/或谐振器的“Q”因子较高。

此外，还需要一种改进了的微机电谐振器阵列体系、配置或结构，它具有较小的运动阻力，良好的线性度，能够实现全差分信号，和/或对输入信号和/或输出信号具有很强的抗干扰能力。此外，还需要一种改进了的方法来设计、操作、控制和/或使用这种谐振器阵列，克服一个、一些或全部常规谐振器阵列体系、配置或结构的缺点。

发明内容

在这里描述和说明了许多发明，以及这些发明的许多方面和实施例。本“发明内容”部分讨论这里描述和给出的一些发明。这一部分没有穷尽本发明的范围。记住这一点以后，在第一个原理方面，本发明是MEMS阵列结构，包括通过一个或多个谐振器耦合段耦合的多个MEMS谐振器。在一个实施例中，每个MEMS谐振器都包括多个拉长梁段(例如四个拉长直梁段)，每一个拉长梁段都包括第一和第二端；以及多个弯曲段(例如四个弯曲段)，每个弯曲段都包括第一和第二端，其中梁段的每一端都与所述弯曲段之一的有关的端连接，从而形成一个几何形状(例如圆角正方形)。

在一个实施例中，MEMS阵列结构还可以包括至少一个谐振器耦合段，其中至少一个谐振器耦合段被布置在相邻MEME谐振器相对的拉长直梁段中的每一个之间。

另外，在一个实施例中，所述至少一个MEMS谐振器的至少一个弯曲段包括波节点，并且其中所述MEMS阵列结构还包括至少一个锚耦合段；以及基底锚，通过所述锚耦合段耦合到所述波节点，以便将所述MEMS谐振器牢固地固定到基底。所述MEMS阵列结构还包括布置在所述锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述波节点之间的应力/应变缓解机构。

在另一个实施例中，每个MEMS谐振器的至少一个弯曲段包括波节点，并且其中所述MEMS阵列结构还包括布置在有关的波节点和基底锚之间的至少一个锚耦合段，并且其中所述基底锚将所述MEMS谐振器牢固地固定到基底。应力/应变缓解机构布置在所述锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述波节点之间。

在一个实施例中，每个谐振器耦合段都包括孔隙来减小所述段的质量。在另一个实施例中，每个谐振器耦合段都包括那些端处的加厚形状，从而使所述谐振器耦合段的那些端具有比所述谐振器耦合段的中部更大的宽度。

值得注意，每个MEMS谐振器的每个弯曲段都包括至少一个波节点。在这个实施例中，每个MEMS谐振器的至少一个波节点通过有关的锚耦合段连接到基底锚。MEMS谐振器阵列结构包括布置在有关的锚耦合段内，并且在有关的基底锚和有关的波节点之间的多个应力/应变缓解机构。

在一个特定的实施例中，每个MEMS谐振器的所述多个拉长直梁段包括布置在其中的多个槽。此外，每个MEMS谐振器的多个弯曲段中的至少一个包括布置在其中的多个槽。确实，所述MEMS谐振器的每个拉长直梁段的宽度在那些端处比其中心的宽。

在另一个原理方面，本发明是一种MEMS阵列结构，包括多个MEMS谐振器、多个谐振器耦合段和多个锚耦合段。每个MEMS谐振器都包括：多个拉长直梁段和多个弯曲段(例如四个拉长直梁段和四个弯曲段)。每个梁段都包括第一端和第二端。此外，每个弯曲段都包括第一端和第二端，其中梁段的每一端都连接到所述弯曲段之一的有关的端，从而形成一个几何形状(例如圆角正方形)。此外，至少一个弯曲段包括波节点；

在这一方面，至少一个谐振器耦合段布置在相邻MEMS谐振器的至少一对相对的拉长直梁段之间，从而使每个MEMS谐振器都连接到至少一个相邻MEMS谐振器。另外，每个MEMS谐振器的所述至少一个波节点通过有关的锚耦合段连接到基底锚。

在一个实施例中，MEMS阵列结构还包括多个应力/应变缓解机构，其中至少一个应力/应变缓解机构布置在有关的锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述MEMS谐振器的所述波节点之间。所述谐振器耦合段可以包括孔隙来减小段的质量。除了或代替它，谐振器耦合段可以包括在那些端处加厚了的形状，从而使谐振器耦合段的那些端具有臂谐振器耦合段的中部宽的宽度。

在另一个实施例中，每个MEMS谐振器的所述多个拉长直梁段包括布置在其中的多个槽。确实，每个MEMS谐振器的多个弯曲段包括布置在其中的多个槽。

MEMS阵列结构还包括多个感测电极、多个驱动电极和感测电路。感测和驱动电极与所述MEMS谐振器的多个拉长直梁段并列。感测电路耦合到所述感测电极，以提供输出信号。

感测电极提供一个或多个信号给所述感测电路，作为响应，所述感测电路提供差分输出信号。感测电极提供一个或多个信号给所述感测电路，作为响应，所述感测电路提供单端输出信号。

在另一个原理方面，本发明是一种MEMS阵列结构，包括多个MEMS谐振器，其中每个MEMS谐振器都包括多个拉长直梁段、多个弯曲段，其中梁段的每一端都与所述弯曲段之一的有关的端连接，从而形成一个几何形状。所述MEMS阵列结构还可以包括一个或多个谐振器耦合段。在这个实施例中，相邻MEMS谐振器相对的拉长直梁段中的每一个都包括在它们之间连接的谐振器耦合段。所述MEMS阵列结构还可以包括多个感测电极、多个驱动电极，其中所述感测和驱动电极与所述MEMS谐振器的多个拉长直梁段中的一个或多个并列。感测电路，耦合到所述感测电极，以提供输出信号(例如差分输出信号和/或单端输出信号)。

在一个实施例中，一个或多个感测电极布置在所述MEMS谐振器中至少一个的所述几何形状内。确实，一个或多个感测电极与所述MEMS谐振器中所述至少一个的多个拉长直梁段并列。

在一个实施例中，所述多个MEMS谐振器中至少一个的至少一个弯曲段包括波节点。在这个实施例中，所述MEMS阵列结构还包括至少一个锚耦合段和基底锚，通过所述锚耦合段耦合到所述波节点，以便将所述MEMS谐振器固定到基底。

所述MEMS阵列结构还包括布置在所述锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述波节点之间的应力/应变缓解机构。

在另一个实施例中，每个MEMS谐振器的每一个弯曲段都包括至少一个波节点。在这个实施例中，每一个MEMS谐振器的至少一个波节点通过有关的锚耦合段连接到基底锚。多个应力/应变缓解机构布置在有关的锚耦合段内，并且在有关的基底锚和有关的波节点之间。谐振器耦合段包括孔隙来减小所述段的质量。那些端处的加厚形状，从而使所述谐振器耦合段的那些端具有比所述谐振器耦合段的中部更大的宽度。

再一次，在这里描述和说明了许多发明，以及这些发明的许多方面和实施例。本“发明内容”部分讨论这里描述和给出的一些发明。这一部分没有穷尽本发明的范围。更进一步，本“发明内容”部分不是要限制本发明的范围，也不应该这样理解。尽管在本“发明内容”部分中描述和/或给出了特定实施例，但是应该明白本发明不限于这些实施例。确实，与本“发明内容”部分不相同和/或相似的许多其它实施例是显而易见的。另外，虽然在本“发明内容”部分给出了各种特征、属性和优点，但是应该明白，这些特征、属性和优点不是必需的。

附图说明

在下面的详细描述过程中，将参考附图。这些附图说明本发明的不同方面，其中只要合适，说明不同附图中相似结构、组件、材料和/或单元的标号都用相似的方式标注。显然，除了这里说明的以外，这些结构、组件、材料和/或单元的各种组合都是显而易见的，都落在本发明的保护范围之内。

图1是常规微机电音叉谐振器装置的框图表示(顶视图)；

图2A是本发明一个方面中，具有N×M MEMS谐振器配置的MEMS谐振器阵列的示意性表示，其中阵列的每个MEMS谐振器都耦合到相邻谐振器；

图2B是本发明一个方面中，具有N×M MEMS谐振器配置的MEMS谐振器阵列的示意性表示，其中阵列的MEMS谐振器耦合到至少一个相邻谐振器；

图3A是本发明的MEMS谐振器阵列一个方面的一个实施例中，圆角三角形MEMS谐振器一个实施例的顶视图，其中的谐振器具有通过圆角或弯曲段连接的三个拉长梁段；

图3B是本发明的MEMS谐振器阵列一个方面的一个实施例中，圆角正方形MEMS谐振器一个实施例的顶视图，其中的谐振器具有通过圆角或弯曲段连接的四个拉长梁段；

图3C是本发明的MEMS谐振器阵列一个方面的一个实施例中，圆角六边形MEMS谐振器一个实施例的顶视图，其中的谐振器具有通过圆角或弯曲段连接的六个拉长梁段；

图4A～4I是本发明特定实施例中具有多个圆角正方形MEMS谐振器的示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，其中所述多个圆角正方形MEMS谐振器采用各种谐振器耦合段以机械方式耦合到所述MEMS谐振器阵列的一个或多个相邻MEMS谐振器；

图5A～5B是本发明特定实施例中具有多个圆角正方形MEMS谐振器的示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，其中所述多个圆角正方形MEMS谐振器采用各种谐振器耦合段以机械方式耦合到所述MEMS谐振器阵列的一个或多个相邻MEMS谐振器，所述各种谐振器耦合段包括一个或多个负荷缓解机构，这些机构以机械方式布置在所述谐振器耦合段内；

图6A、6B、6D～6H、7A～7H、8A、8B、9A～9C、10A和10B是本发明特定实施例中具有多个圆角正方形MEMS谐振器的示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，其中所述多个圆角正方形MEMS谐振器中的一个或多个采用各种锚定技术和/或配置以机械方式耦合到一个或多个基底锚；

图6C是图6D所示MEMS谐振器阵列的斜视图；

图11A和11B是本发明特定实施例中包括圆角正方形MEMS谐振器的示例性MEMS谐振器阵列一部分的顶视图，其中所述MEMS谐振器阵列包括应力/应变缓解机构，这些机构以机械方式耦合在圆角正方形MEMS谐振器和基底锚之间；

图12A～12C和13A～13C是本发明特定实施例中包括多个圆角正方形MEMS谐振器的示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，其中每一个MEMS谐振器阵列都包括应力/应变缓解机构，这些机构以机械方式耦合在圆角正方形MEMS谐振器中的一个或多个和一个或多个基底锚之间；

图14和15是本发明里MEMS谐振器阵列特定实施例中圆角正方形MEMS谐振器的示例性实施例一部分的顶视图，其中圆角或弯曲段具有不同的半径，多个锚耦合段将圆角或弯曲段连接到一个或多个锚；

图16～18是本发明特定实施例中锚耦合段以及MEMS谐振器的段的各实施例的顶视图；

图19～21是本发明特定实施例中锚耦合段和应力/应变机构以及MEMS谐振器的段的各实施例的顶视图；

图22A和22B是以呼吸一样的模式或运动在平面内振荡的环形振荡器的顶视图，其中的环形振荡器相对于未受激励状态发生膨胀(图22A)和收缩(图22B)；

图23A和23B是本发明一个方面中，包括拉长梁段的平面内振动的圆角正方形MEMS谐振器一个实施例的顶视图，其中的MEMS谐振器在第一偏转状态(图23A)和第二偏转状态(图23B)之间振荡，其中每个偏转状态都重叠在MEMS谐振器的静止状态之上(或者相对于它们来进行说明)；

图24A和24B是本发明一个方面中MEMS谐振器阵列一个示例性实施例的顶视图，该阵列包括四个圆角正方形MEMS谐振器，具有拉长梁段的平面内振动，其中的MEMS谐振器在偏转状态之间振荡，其中每个偏转状态都重叠在MEMS谐振器的静止状态之上(或者相对于它们来进行说明)；

图25说明本发明一个方面中MEMS谐振器阵列的一个示例性实施例，该阵列包括四个圆角正方形MEMS谐振器，以及驱动和感测电极以及驱动和感测电路；

图26A和26B说明本发明的示例性实施例中MEMS谐振器阵列的示例性实施例，该阵列包括圆角正方形MEMS谐振器，以及差分输出信号技术和实施例，具有驱动和感测电极以及差分驱动和感测电路；

图27A和27B说明本发明另一个实施例中MEMS谐振器阵列的示例性实施例，该阵列包括四个圆角正方形MEMS谐振器，以及差分输出信号技术和实施例，具有驱动和感测电极以及差分驱动和感测电路；

图28A、28B和29A～29F说明本发明的示例性实施例中MEMS谐振器阵列的示例性实施例，该阵列包括四个圆角正方形MEMS谐振器，以及驱动和感测电极的各种实施例；

图30A、30B和31～42是本发明一个方面中MEMS谐振器阵列(或者它的一些部分)的实施例的顶视图，其中的MEMS谐振器装置包括开孔、孔隙或槽，用于提高可制造性(例如，在开孔、孔隙或槽穿过梁段的整个高度/厚度的情况下，加快机械结构的释放)和/或改进在一个或多个拉长梁段、一个或多个弯曲段和/或一个或多个锚耦合段中实现的温度管理技术(例如减少热弹性能量耗散)；

图43A和43B是本发明的特定示例性实施例中，具有多个圆角三角形MEMS谐振器的示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，其中的多个三角形MEMS谐振器以机械方式耦合到MEMS谐振器阵列的一个或多个相邻三角形MEMS谐振器；

图43C和43D是具有不同形状的MEMS谐振器的示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，这些不同形状的MEMS谐振器包括以机械方式耦合到圆角正方形MEMS谐振器(图43C)的圆角三角形MEMS谐振器，以及以机械方式耦合到圆角正方形MEMS谐振器(图43D)的圆角六边形MEMS谐振器；

图44～46是本发明特定实施例中示例性MEMS谐振器阵列的各实施例的顶视图，该阵列包括各种示例性锚耦合段和应力/应变机构，以及MEMS谐振器弯曲段；

图47和48是包括各种示例性锚定技术用来将MEMS谐振器阵列(和/或它的MEMS谐振器)锚定到基底的示例性MEMS谐振器阵列一部分的顶视图；

图49～52是本发明特定实施例中示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，该阵列包括各种示例性锚定技术和应力/应变机构，以及谐振器机械耦合技术的各种示例性实施例；

图53～55是本发明特定实施例中示例性MEMS谐振器阵列的顶视图，该阵列包括各种示例性锚定技术和应力/应变机构，以及谐振器机械耦合技术和负荷缓解机构的各种示例性实施例；

图56A是本发明另一个方面中MEMS框阵列结构的顶视图，该阵列具有多个正方形MEMS谐振器，其中阵列的每个正方形MEMS谐振器耦合到相邻的正方形MEMS谐振器，并与之共享梁段；

图56B是图56A所示MEMS框阵列结构的斜视图；

图57A、58和59是示例性MEMS框阵列结构的顶视图，该阵列具有多个正方形MEMS谐振器，其中多个圆角正方形MEMS谐振器中的一个或多个利用各种锚定技术和/或配置以机械方式耦合到基底锚中有关的一个；

图57B是图57A所示MEMS框阵列结构的斜视图；

图60A和60B是本发明一个实施例中包括多个正方形MEMS谐振器的示例性MEMS框阵列结构一部分的顶视图，其中的MEMS框阵列结构包括应力/应变缓解机构，这些机构以机械方式耦合在(i)正方形MEMS谐振器的一个或多个和(ii)基底锚之间；

图61是本发明一个方面中MEMS框阵列结构的顶视图，该阵列具有正方形MEMS谐振器的四乘四阵列，其中阵列的每个正方形MEMS谐振器耦合到相邻正方形MEMS谐振器；

图62是图61所示MEMS框阵列结构的顶视图，其中的正方形MEMS谐振器在偏转状态(在这里只画出了一个)之间振荡，其中每个偏转状态都重叠在MEMS谐振器的静止状态之上(或者相对于它们进行说明)；

图63和64是示例性MEMS框阵列结构(振荡中)的顶视图，该阵列具有多个正方形MEMS谐振器，其中两个圆角正方形MEMS谐振器利用各种锚定技术和/或配置以机械方式耦合到有关的基底锚；以及

图65说明本发明一个实施例中MEMS框阵列结构的示例性实施例，该阵列包括四个正方形MEMS谐振器，以及差分输出信号技术和实施例，具有驱动和感测电极以及差分驱动和感测电路。

具体实施方式

在这里给出并说明了许多发明，以及这些发明的许多方面和实施例。一方面，本发明涉及以机械方式耦合的多个谐振器，它们排列成N×M MEMS阵列结构(其中N和M是整数)。这些谐振器中的每一个都包括通过弯曲或圆角段连接的多个拉长直梁段(或者基本上直的)。给定谐振器的每个拉长梁段在末端通过上述弯曲或圆角段连接到另一个拉长梁段，从而形成具有通过弯曲或圆角段互相连接的至少两个拉长梁段的几何形状。

每个谐振器都通过谐振器耦合段以机械方式耦合到MEMS阵列的至少一个其它谐振器。这些谐振器耦合段布置在或者连接在以机械方式耦合的谐振器的拉长梁段之间。通过这种方式，在受到激励时或者在工作过程中，所有这些谐振器都以相同或基本上相同的频率振动。也就是说，在一个实施例中，阵列中每个谐振器的每个梁段都以相同或基本相同的频率振荡或振动。

在一个实施例中，本发明的MEMS阵列的每个MEMS谐振器都包括三个拉长梁段，这些梁段通过弯曲段互相连接，形成圆角三角形。在另一个实施例中，本发明的MEMS阵列包括各自具有四个拉长直梁(或者基本上直的)的多个谐振器，这些直梁段在末端连接到圆角段，从而形成圆角正方形或矩形。

在工作的时候，受到激励的时候或者在工作过程中，阵列的每个MEMS谐振器都以一种组合的拉长(或呼吸)模式和弯折模式振荡。就这一点而言，阵列的每个MEMS谐振器的梁段呈现出一种拉长一样的(或者呼吸一样的)运动和弯折一样的运动。此外，受到激励的时候或者在工作过程中，MEMS谐振器的每个梁段以相同或者基本相同的频率振荡或振动。阵列的MEMS谐振器的梁段全部呈现出相同或者基本相同的拉长一样的(或者呼吸一样的)运动和弯折一样的运动，从而产生相同或基本相同的频率。

阵列结构的每个MEMS谐振器的设计和运动使得谐振器包括一个或多个波节点或波节区域(也就是在谐振器结构的振荡过程中，谐振器结构中静止的一些部分，这些部分很少运动，和/或在一个或多个自由度中基本上是静止的(不管是从转动还是从平移的角度来看))。这些波节点位于谐振器结构弯曲段的一个或多个部分或区域。这些波节点适合于被用作将这一谐振器结构和/或阵列结构锚定到基底，或者是这样做的优选位置。通过这种方式，能够使朝向基底的能量损失最小、有限和/或得到减少，从而提高谐振器结构和/或阵列结构的Q因子。值得注意，这种配置能够在阵列的一个或多个谐振器的谐振梁跟基底之间，减少应力和/或应变的传递和/或使它最小。

另外，在受到激励的时候或者在工作过程中，尽管这一阵列每个MEMS谐振器的梁段以一种拉长一样的(或者呼吸一样的)方式(例如象环形振荡器一样)和弯折一样的方式(例如象双端固支音叉的梁一样)运动，但是每个MEMS谐振器会维持相对稳定的或者固定的重心。通过这种方式，这些谐振器能够避免能量损失，从而提供具有更高Q因子的阵列结构。

值得注意，本发明是在微机电系统环境中加以描述的。但是，本发明并不限于这一环境。相反，在这里描述的本发明还可以应用于例如纳米机电系统。因此，本发明涉及采用本发明中一个或多个MEMS谐振器阵列结构的微机电和纳米机电(在这里将它们一起叫做MEMS，除非给出具体的相反说明)系统，例如：陀螺仪、谐振器和/或加速度计。

如上所述，一方面，本发明是耦合到一个或多个相邻MEMS谐振器的N×M MEMS谐振器阵列(在这里N和M是整数)。每个MEMS谐振器都通过谐振器耦合段以机械方式耦合到阵列的至少一个其它谐振器。参考图2A，在一个实施例中，MEMS谐振器阵列100包括多个MEMS谐振器102a～d，这些谐振器通过谐振器耦合段104以机械方式耦合到每一个相邻的MEMS谐振器。通过这种方式，每个MEMS谐振器102都耦合到所有相邻MEMS谐振器102。

参考图2B，在另一个实施例中，MEMS谐振器阵列100包括通过谐振器耦合段104以机械方式耦合到至少一个相邻MEMS谐振器的多个MEMS谐振器102a～d。例如，MEMS谐振器102e以机械方式耦合到相邻MEMS谐振器102b、102d、102f和102h。与此形成对照，MEMS谐振器102h以机械方式耦合到相邻MEMS谐振器102e和102k。在这个实施例中，MEMS谐振器102h不与相邻MEMS谐振器102g和102i耦合。

如上所述，根据本发明的一个方面，MEMS谐振器阵列的每个MEMS谐振器都包括用弯曲或圆角段连接的多个拉长梁段。每个拉长梁段都在每个末端通过这些弯曲或圆角段连接到这个MEMS谐振器的另一个梁段，从而形成一个几何形状：具有至少两个拉长梁，这些拉长梁通过弯曲或圆角段互相连接。在一个实施例中，参考图3A，MEMS谐振器102包括三个拉长梁段106a～c，它们通过弯曲段108a～c连接，形成圆角三角形。参考图3B，在另一个实施例中，MEMS谐振器102包括四个拉长梁段106a～d，它们通过弯曲段108a～d连接，形成圆角正方形。

值得注意，本发明的MEMS谐振器102可以包括四个以上的拉长梁段，例如，MEMS谐振器102可以包括六个拉长梁段106a～f，它们通过弯曲段108a～f连接在一起，形成圆角六边形(见图3C)。确实，本发明的谐振器结构可以采取任何几何形状，包括两个或更多个拉长直梁段，由两个或更多的弯曲或圆角段互相连接，不管是现在已知的还是以后开发出来的。

每个梁段106的长度和宽度以及弯曲段108的内径(和/或更加一般地，弯曲段的半径的形状)会决定MEMS谐振器102的一个或多个谐振频率。梁段106以同样地频率振荡或振动。表1给出圆角正方形MEMS谐振器102的谐振频率，每个梁段106长度和宽度以及弯曲段108内径的示例性尺度，这个谐振器是用多晶硅材料制作的。值得注意，在这些示例性实施例中，拉长梁段106和弯曲段108的宽度相同或者基本相同。

表1

	拉长梁段		弯曲段内径(微米)	谐振频率(MHz)
					宽度(微米)	长度(微米)

实例1

24

122.43

34.787

5.3034

表2给出圆角正方形MEMS谐振器102的谐振频率，每个梁段106长度和宽度以及弯曲段108内径的示例性尺度，这个谐振器是用单晶硅材料制作的。同样，在这些示例性实施例中，拉长梁段106和弯曲段108的宽度相同或者基本相同。

表2

	拉长梁段		弯曲段内径(微米)	谐振频率(MHz)
					宽度(微米)	长度(微米)
	实例1	8					209.61	7.1944	1.1903
实例2			24	129.89	31.055	4.8286

值得注意，表1和表2中给出的MEMS谐振器的尺度仅仅是示例性的。本发明中MEMS谐振器的尺度、特性和/或参数可以用各种技术来确定，这些技术包括模拟和仿真技术(例如通过计算机驱动的分析引擎实现的有限元模拟和/或仿真过程，这些分析引擎有例如FEMLab(来自Consol)、ANSYS(ANSYS公司)、IDEAS和/或ABAKUS)和/或经验数据/测量结果。例如，可以采用有限元分析引擎，利用或者基于一组边界条件(例如谐振器结构的尺寸)，来设计、确定和评估如下项目的尺度、特性和/或参数：(i)拉长梁段106；(ii)弯曲段108；和(iii)下面讨论的谐振器结构的其它元素或性质。值得注意，也可以采用经验方法(除了或者代替有限元分析(之类)方法)来设计、确定和评估如下项目的尺度、特性和/或参数：(i)拉长梁段106；(ii)弯曲段108；和(iii)谐振器结构的其它元素或特性。

MEMS谐振器阵列100的MEMS谐振器102通过一个或多个谐振器耦合段104以机械方式耦合。参考图4A～4C，在一个实施例中，谐振器耦合段104可以是具有相对均匀的宽度的基本上直的梁。此外，每个谐振器耦合段104都可以具有相同或基本相同的长度以及相同或者基本相同的形状。例如，参考图4B和4C，以机械方式耦合MEMS谐振器102a和102b的谐振器耦合段104在形状和尺度上基本上与以机械方式耦合MEMS谐振器102b和102c的谐振器耦合段104相同。

在另一个实施例中，谐振器耦合段104可以是具有不同宽度和/或长度的基本上直的梁。(见例如图4D和4E。)

在另一个实施例中，参考图4F和4G，谐振器耦合段104包括锚耦合段116的设计(例如形状和宽度)，用来管理、控制、减小谐振器耦合段104和拉长梁106中或者它们的连接处的应力汇聚和/或使这种应力汇聚最小。在这个实施例中，加厚谐振器耦合段104，以加强谐振器耦合段104和有关的拉长梁106之间应力的管理。但是，相对于非加厚设计，这种设计会增大拉长梁106的负荷。就这一点而言，通过在拉长梁106附近调整谐振器耦合段104的形状和宽度(例如，通过加厚在拉长梁106附近的谐振器耦合段104)，能够管理、控制、减小谐振器耦合段104和有关的拉长梁106上的应力，和/或使这种应力最小。通过这种方式，能够提高、加强和优化MEMS谐振器阵列100的耐久性和/或稳定性，而工作模式或模式形状则维持不怎么受影响(或者任何影响都是可以接受的)，从而使得(下面将更加详细地讨论的)波节点(如果有的话)的质量维持不怎么受影响(或者任何影响都是可以接受的)。除此以外，使得拉长梁106上的负荷得到减小、最小化和/或受到限制，会促进对MEMS谐振器阵列100的Q因子的不利影响。

可以采用谐振器耦合段104的其它设计和/或配置来例如影响MEMS谐振器阵列100的耐久性和/或稳定性，同时使MEMS谐振器阵列100的Q因子受到的任何不利影响最小化、得到减小或者受到限制。确实，谐振器耦合段104的所有设计，不管是已知的还是以后开发出来的，都落在本发明的保护范围之内。例如，参考图4H和4I，谐振器耦合段104可以包括孔隙110。这些孔隙110可以具有任意形状或尺寸，延伸穿过耦合段104的高度/厚度的一部分或者全部。在一个或多个谐振器耦合段104中采用孔隙，能够减小谐振器耦合段104的质量，这样就使得拉长梁段106上的负荷进一步最小化、得到减小或者受到限制，从而进一步使得MEMS谐振器阵列100的Q因子受到的不利影响进一步最小化、得到减小或者受到限制。值得注意，在特定实施例中，谐振器耦合段104具有很小的尺度(例如，谐振器耦合段104的形状、长度、宽度和/或厚度)，以获得很小的质量，而给拉长梁段106很少刚性到根本不增加刚性是首选的。

参考图5A和5B，本发明的MEMS谐振器阵列100可以采用有关的谐振器耦合段104中的负荷缓解机构112(例如弹簧或弹簧一样的部件)来管理、控制、减小、消除通过谐振器耦合段104以机械方式耦合的有关的一对拉长梁106上的任何应力或应变，和/或使它们最小。具体地说，负荷缓解机构112布置在以机械方式耦合MEMS谐振器102b的拉长梁106a和MEMS谐振器102c的拉长梁106a的谐振器耦合段104内。

在工作的时候，负荷缓解机构112随着一个、一些或所有拉长梁段106a～d和/或弯曲段108a～d的运动略微膨胀和收缩，以便减小、消除通过谐振器耦合段104耦合的有关的拉长梁段106a～d上的任何应力或应变，或者使它们最小。另外，MEMS谐振器阵列100的这一耦合技术还能够减小、消除拉长梁段106a～d上的负荷，和/或使它们最小，从而使MEMS谐振器102因为机械耦合到相邻MEMS谐振器而导致的能量损失得到减小、变得最小和/或得以消除。

可以结合这里描述和/或说明的任何机械耦合技术和/或体系来应用上述负荷缓解机构112。例如，可以在图5A和5B所示的一个或多个谐振器耦合段104中的一个或多个内、前和/或后应用负荷缓解机构112。

值得注意，负荷缓解机构112可以是众所周知的弹簧或类似于弹簧的部件，也可以是能够减小、消除耦合的拉长梁106上的应力和/或应变，和/或使它们最小的任何机构。

如上所述，在工作的时候，MEMS谐振器的运动使得MEMS谐振器阵列和/或各个MEMS谐振器包括一个或多个波节点(也就是MEMS谐振器振荡时，谐振器结构中不运动，很少运动，和/或基本上静止的区域或部分)。通过MEMS谐振器阵列的各个MEMS谐振器中一个或多个的一个或多个波节点或者在这些波节点上，将MEMS谐振器阵列和/或各个MEMS谐振器锚定到基底上会比较好。

在一个实施例中，波节点可能位于一个或多个MEMS谐振器的一个或多个弯曲段上或附近。例如，参考图6A，在一个实施例中，MEMS谐振器102a和102b中每一个都包括位于弯曲段108的外部区域、部分或范围上或附近的波节点114。在MEMS谐振器102a的波节点114上或附近连接锚耦合段116a，以便通过锚118将MEMS谐振器102a固定和/或连接到基底。类似地，锚耦合段116b连接在MEMS谐振器102b的弯曲段108c的波节点114c上或附近，通过锚118将MEMS谐振器102b牢固地固定到、固定到和/或连接到基底。在这个实施例中，MEMS谐振器102a和102b分开连接到公共基底锚118。

可以用各种锚定技术和/或配置将MEMS谐振器阵列100锚定到基底。就这一点而言，MEMS谐振器阵列100的MEMS谐振器102可以分开锚定到公共和/或各个锚上。例如，参考图6C～6H，一个或多个MEMS谐振器102a～d被锚定到公共锚118。代替公共类型的锚定结构，可以将一个或多个MEMS谐振器102a～d分开锚定到各个锚。(见例如图7A～7H)。在这个实施例中，MEMS谐振器阵列100包括“专用于”阵列100的有关的MEMS谐振器102的一个或多个各个锚118。

此外，MEMS谐振器阵列100的锚定结构可以包括公共和各个锚技术的组合或置换(见例如图8A和8B)。例如，参考图8A，MEMS谐振器102a和102c被分开锚定到各个锚118a和118b，MEMS谐振器102B和102d被锚定到公共锚118c。各种锚定技术的所有组合和置换都落在本发明的保护范围之内。

值得注意，在MEMS谐振器阵列100采用锚技术从而使锚耦合段116从一个或多个弯曲段108向外伸出的那些实施例中，波节点114可能位于弯曲段108的外部范围或部分上或附近。(见例如图6A～6H、7A～7H、8A和8B)。因此，一个或多个锚耦合段116可能将MEMS谐振器102连接到一个或多个基底锚118，这些基底锚位于MEMS谐振器102a～d的每一个圆角正方形的“外面”。在这种锚定配置中，弯曲段108的外部范围或区域是MEMS谐振器102的波节点114。因此，通过将一个或多个MEMS谐振器102a～d锚定到弯曲段108的外部范围或部分上或附近(也就是在一个或多个波节点114上或附近)，MEMS谐振器阵列100和/或MEMS谐振器102的垂直和/或水平能量损失得到最小化，受到限制和/或得到减小。

代替位于或接近一个或多个弯曲段108的外部区域、部分或范围的波节点，一个或多个MEMS谐振器102可以包括位于或接近一个或多个弯曲段108的内部区域、部分或范围的波节点114。(见例如图9A～9C)。在或者接近波节点114处分别连接锚耦合段116，以便通过一个或多个锚118将MEMS谐振器阵列100的一个或多个MEMS谐振器102牢固地固定到，固定到和/或连接到基底。通过这种方式，通过将一个或多个MEMS谐振器102锚定到基底，将MEMS谐振器阵列100锚定到基底。在这个实施例中，按照这种技术锚定的MEMS谐振器阵列100的至少一个MEMS谐振器102耦合到内部“中心”锚118。

除了位于或接近一个或多个弯曲段108的外部区域、部分或范围的波节点以外，MEMS谐振器102可以包括位于或接近一个或多个弯曲段108的内部区域、部分或范围的波节点114。(见例如图10A和10B)。在或者接近一个或多个MEMS谐振器102的波节点114，连接锚耦合段116，以便将MEMS谐振器阵列100牢固地固定到，固定到和/或连接到基底。因此，在这个实施例中，MEMS谐振器阵列100同时采用公共锚定和内部“中心”锚定技术。

值得注意，可以通过将一个或多个——但不是全部——MEMS谐振器102锚定到基底来将MEMS谐振器阵列100锚定到基底。(见例如图6G、6H、7C～H、9C和10B)。例如，参考图6G，MEMS谐振器102b、102d、102f和102h通过一个、一些或所有MEMS谐振器102a、102c、102e和102g间接锚定到基底锚118，其中一个、一些或所有MEMS谐振器102a、102c、102e和102g通过锚耦合段116直接连接到锚118。因此，在这些实施例中，一个或多个MEMS谐振器102直接锚定到基底，一个或多个MEMS谐振器102间接锚定到基底。直接锚定到基底的一个或多个MEMS谐振器可以锚定到“公共”类型的锚(见例如图6G和6H)或者“各个”类型的锚(见例如图7C～7H、9C)或者这两者(见图8A、8B和10B)。

参考图11A、11B、12A～12C和13A～13C，本发明的MEMS谐振器阵列100可以采用应力/应变缓解机构120(例如弹簧或类似于弹簧的部件)来管理、控制、减小、消除锚118的位置处基底上的任何应力或应变，和/或使它们最小，这些应力或应变是由一个、一些或全部点的运动引起的，通过这些点或者在这些点处将MEMS谐振器阵列100锚定到基底。例如，参考图11A和11B，MEMS谐振器102a的弯曲部分108通过锚耦合段116以机械方式耦合到应力/应变缓解机构120。

参考图12A～12C和13A～13C，在工作的时候，应力/应变缓解机构120随着MEMS谐振器102a～d的拉长梁段106a～d或弯曲段108a～d中的一个、一些或全部的运动而膨胀和收缩，以便减小、消除在基底上的任何应力或应变，和/或使它们最小，和/或补偿锚定点的少量剩余运动，这些剩余运动源自制造过程、材料性质的少量不对称性可能发生改变，从而导致设计不是100％的优化设计(即使是采用了有限元模拟(也叫做有限元分析、“FEA”或者“FE分析”))。通过这种方式，MEMS谐振器阵列100的锚定体系可以是相对而言没有应力和/或没有应变的，这就能够显著地减少、减小、消除所有锚能量损失，和/或使它最小，从而提高、加强MEMS谐振器102的Q(和输出信号)，使它们最大，锚应力将会很少影响直到一点也不影响MEMS谐振器102的谐振频率。值得注意，除了减少、减小、消除锚能量损失，和/或使它最小以外，应力/应变缓解机构120和锚耦合段116还将MEMS谐振器阵列100的MEMS谐振器102(包括拉长梁段106和弯曲段108)悬在基底以上。

可以在一个或多个锚耦合段116的一个或多个中采用应力/应变缓解机构120。在如下情形下应用应力/应变缓解机构120是有利的：将MEMS谐振器阵列100锚定到或在基底的点不足以无运动或不适当地无运动(也就是弯曲段108或耦合段116存在不希望的运动，这些不希望的运动源自一个或多个MEMS谐振器102或基底，或者由它们引起)，或者需要对基底进行额外的去耦。例如，利用应力/应变缓解机构120来减小、消除一个或多个MEMS谐振器102和基底之间能量的传递和/或使这种传递最小也是有利的(例如在如下情形中：到弯曲段108存在阻抗失配，或者从基底产生“噪声”并且被传递到一个或多个MEMS谐振器102)。

可以结合这里描述和/或说明的任何锚定技术和/或体系来应用应力/应变缓解机构120。例如，可以在图12A～12C和/或13A～13C中一个或多个锚耦合段116的一个或多个中应用应力/应变缓解机构120。

应力/应变缓解机构120可以是众所周知的弹簧或者弹簧一样的部件，也可以是能够减小、消除和/或使以下项目最小的任何机构：(i)由一个或多个MEMS谐振器102锚定通过的或锚定在基底的一个、一些或全部点的运动引起的，在锚的位置处基底上的应力和/或应变，和/或(ii)在一个或多个MEMS谐振器102和基底之间的能量传递。

值得注意，MEMS谐振器102不必在每一个波节点或区域锚定，但是可以在一个或多个位置，最好是在一个或多个波节位置(谐振器振荡的时候，谐振器上不运动，很少运动和/或基本上静止的区域或位置)锚定。例如，参考图7A～7F，MEMS谐振器阵列100可以锚定在MEMS谐振器102的一个、两个点和/或三个区域或部分(优选例如在或者接近一个或多个MEMS谐振器102的波节点106)。就这一点而言，一个或多个锚耦合段116将MEMS谐振器102的拉长梁段106和弯曲段108连接到对应锚118。

也可以采用有限元分析和仿真引擎来设计、确定和/或定出可以按照预定的、最小的和/或减小的能量损失(除了其它东西以外)将MEMS谐振器102锚定到基底的一个或多个波节点的位置。就这一点而言，在工作过程中受到激励时，MEMS谐振器102的梁段108以拉长(或者象呼吸一样的)方式和弯折方式运动。因此，拉长梁段106的长度和弯曲段108的半径能够决定谐振器结构上或内波节点的位置，因而没有、很少有或者减少了因为拉长(象呼吸一样的)模式引起的转动，以及没有、很少有或者减少了因为类似于弯折的模式的径向运动。可以利用MEMS谐振器102的拉长梁段106的给定长度以及弯曲段108的形状和/或直径，采用有限分析引擎来设计、确定和评估MEMS谐振器102内或上这种波节点的位置。通过这种方式，能够迅速地确定和/或找出MEMS谐振器102的弯曲段108内或上，呈现可接受的、预定的和/或很少的或者根本没有的运动(径向、横向和/或其它方向)，用于锚定MEMS谐振器102的区域或部分。

值得注意，也可以采用有限元分析和仿真引擎来设计、确定、评估和/或定出在MEMS谐振器阵列100中实施的时候MEMS谐振器102的一个或多个波节点的位置。另外，还可以采用经验方法(除了有限元分析和仿真引擎(等等)以外或者代替它)来设计、确定、评估和/或定出在MEMS谐振器阵列100中实施的时候MEMS谐振器102的一个或多个波节点的位置。确实，上面关于有限元分析和仿真引擎的全部讨论都涉及具有多个MEMS谐振器102的MEMS谐振器阵列100的设计、分析和响应。为了简单起见，不重复这些讨论。

本发明的MEMS谐振器阵列可以采用任何锚结构和技术，不管是现在已知的还是以后开发出来的。确实，所有结构和技术都落在本发明的保护范围之内。例如，本发明可以采用以下非临时专利申请中描述和说明的锚定结构和技术：标题为“Anchors forMicroelectromechanical Systems Having an SOI Substrate，and Methodfor Fabricating Same”，2003年7月25日递交，序列号为10/627,237(以后将它称为“微机电系统专利申请的锚”)。在这里明确指出，将上述微机电系统专利申请的锚的整个内容，包括例如所有那些实施例和/或发明的特征、属性、替换、材料、技术和优点，全部引入作为参考。

在将一个或多个MEMS谐振器102锚定到“中心”锚118的那些实施例中(见例如图9A～9C、10A和10B)，锚耦合段116的设计(例如形状和宽度)可能影响弯曲段108的内径，从而影响(i)MEMS谐振器102中或上波节点的位置(如果有的话)，以及(ii)MEMS谐振器102的谐振频率。除了影响弯曲段108的内径以外，锚耦合段116的设计还可能影响MEMS谐振器102的耐久性和/或稳定性。就这一点而言，通过调整锚耦合段116在弯曲段108附近的形状和宽度(例如如图14和15所示，通过在弯曲段108附近加厚锚耦合段116)，能够管理、控制、减小MEMS谐振器102上的应力，和/或使它最小。

例如，参考图14和15，可以增大锚耦合段116的宽度(见例如图15并对比图14)来管理、控制、减小波节点114内或处的应力汇聚，或者使它最小。通过这种方式，能够增加、加强和/或优化MEMS谐振器102的耐久性和/或稳定性。

可以采用锚耦合段116的其它设计和/或配置来例如影响MEMS谐振器101的耐久性和/或稳定性，并影响弯曲段108的内径和波节点(如果有的话)的位置以及MEMS谐振器102的谐振频率。(见例如图16～21)。确实，锚耦合段116的所有设计，不管是现在已知的还是以后开发出来的，都落在本发明的保护范围之内。

值得注意，弯曲段108附近拉长梁段106的形状和/或宽度也会影响MEMS谐振器102的耐久性和/或稳定性(特别是用作锚定位置的弯曲段108中的应力)，同时影响MEMS谐振器102的弯曲段108的内径和波节点(如果有的话)的位置以及谐振频率。就这一点而言，通过在弯曲段108附近加宽拉长梁段106，和/或加厚弯曲段108附近的拉长梁段106，能够减小谐振器上的应力和/或使它最小。

这样，在一个实施例中，通过控制拉长梁段160和/或锚耦合段116的形状和宽度，能够定出弯曲段的内径，从而定出弯曲段108是否和如何相对于拉长梁段106运动之间的关系。除了决定弯曲段108的内径以及波节点114的位置以外，弯曲段108附近拉长梁段106和/或锚耦合段116的形状还会影响MEMS谐振器102的耐久性和稳定性。就这一点而言，通过在弯曲段108附近加宽拉长梁段106和/或加宽(或加厚)锚耦合段116，能够管理、控制、减小、优化MEMS谐振器102上的应力，和/或使它最小。

值得注意，如上所述，可以选择和/或设计弯曲段108的曲率和/或形状，在弯曲段108中或附近包括一个或多个波节点或区域。例如，在弯曲段108与它所连接的拉长梁段106不同相运动的地方，某个弯曲段108的半径可能太小。相反，如果某个弯曲段108的半径太大，弯曲段108就可能和弯曲段108连接的梁段106同相运动。在每个实例中，某个弯曲段108可以包括也可以不包括减小能量损失和/或基底应力或者使它们最小的波节点。

在以下文件中详细讨论了上述关系：“MicroelectromechanicalResonator Structure，and Method of Designing，Operating and UsingSame”，2005年5月19日递交，美国专利申请第11/132,941号。可以利用上述专利申请中描述和说明的发明来设计、实施和/或制作本发明的MEMS谐振器阵列中的一个或多个MEMS谐振器。为了简单起见，不重复那些讨论。但是，在这里明确指出，将上述专利申请的全部内容，包括例如所有那些实施例/发明的特征、属性、替换、材料、技术和/或优点，全部引入作为参考。

在工作的时候，阵列100的每个MEMS谐振器102的梁段106都以相同频率振荡或振动。就这一点而言，梁段106以一种拉长(或呼吸)运动或模式(例如，就像环形振荡器那样，见图22A的环形振荡器1000(膨胀运动——环形振荡器1000’)和图22B(收缩运动——环形振荡器1000”))以及弯折运动或模式振荡。集中来看MEMS谐振器阵列100的一个MEMS谐振器102，在一个实施例中，在工作过程中，圆角正方形MEMS谐振器102的梁段106a～d在第一偏转状态(见图23A)和第二偏转状态(见图23B)之间振荡。图23A和23B中的每个偏转状态都与MEMS谐振器102的梁段106和弯曲段108的静止状态重叠(或者相对于它们加以描述)。

值得注意，处于第一偏转状态时，除了弯折以外，梁段106a～d拉长ΔL1。类似地，在第二偏转状态中，梁段106a～d拉长ΔL2，并且在与第一偏转方向相反的方向上弯折。拉长量(也就是ΔL1和ΔL2)可以相等也可以不相等。

此外，继续参考图23A和23B，在工作过程中，弯曲段108a～d中或上的波节点114a～d很少有直到没有运动。也就是说，由于MEMS谐振器102在第一偏转状态和第二偏转状态之间振荡，因此，弯曲段108a～d连接到耦合段116的区域或部分相对静止。图中没有画出这些锚。

值得注意，MEMS谐振器阵列100的每个MEMS谐振器102都可以以内在线性或基本线性的模式振荡。因此，提供线性谐振器/振荡器对下面讨论的驱动和感测电路的考虑和要求可能不那么苛刻和/或复杂，因为不必非常精确或者非常准确地控制梁段106的谐振幅度。就这一点而言，一些谐振器结构(例如具有双端固支梁的谐振器，比如双端固支音叉)具有非线性模式，其中输出频率是谐振幅度的函数。当梁从弯折模式向张力(拉长)模式过渡的时候，这一效应非常明显。在它的主模中，双端固支梁会呈现出这种现象，因为在幅度较小时，“restring”力主要是弯折应力，在幅度较大时，resorting力主要是张应力。在这种情况下，为了保持频率恒定，可能需要仔细地调节梁的谐振幅度，这样做非常困难，并且很可能引入额外的复杂性。

现在参考图24A和24B将注意力集中到MEMS谐振器阵列100，在一个实施例中，在工作过程中，每个圆角正方形MEMS谐振器102的梁段106a～d在第一偏转状态和第二偏转状态之间振荡——但是相对于相邻MEMS谐振器102的梁段106a～d是在相对的方向上振荡。就这一点而言，相邻MEMS谐振器102的相对梁段106与其它的相比，同相地在第一偏转状态和第二偏转状态之间振荡，但是方向相反。也就是说，当MEMS谐振器102a的梁段106b处于第一偏转状态时，MEMS谐振器102b的梁段106d(也就是与MEMS谐振器102a的梁段106b相对的梁段)处于第二偏转状态。(见图24A)。类似地，当MEMS谐振器102a的梁段106b处于第二偏转状态时，MEMS谐振器102b的梁段106d处于第一偏转状态。(见图24B)。通过这种方式，阵列100的MEMS谐振器102a～d的梁段106a～d以相同或基本相同的频率振荡或振动。此外，当梁段在第一和第二偏转状态之间振荡时，谐振器耦合段104很少有直到没有膨胀或收缩。

值得注意，图24A和24B中的偏转状态重叠在MEMS谐振器102a～d的梁段106和弯曲段108的静止状态之上(或者相对于它们加以说明)。

可以将感测和驱动电极和电路配置成提供单端输出信号或差分输出信号。参考图25，在单端输出信号配置的一个示例性实施例中，驱动电极122(以电气方式连接到驱动电路124)与MEMS谐振器102b和102d的梁段106a～d并列，以便激励谐振器102b和102d的梁段106a～d，让它们振荡或振动，其中的振荡或振动具有一个或多个谐振频率。在感测电路126中，与同样和MEMS谐振器102a和102c的梁段106a～d并列的感测电极128一起，对具有一个或多个谐振频率的信号进行感测、采样和/或检测。就这一点而言，感测电极128与梁段106相邻放置，以提供代表振荡或振动的信号(例如，因为每个MEMS谐振器结构的振荡运动而引起的梁段106和感测电极128之间电容的变化所引起)给感测电路126。感测电路126接收这一信号，并且作为对它的响应，可以输出一个信号，例如具有谐振频率的时钟信号。典型情况下，将感测信号输出连接到驱动电路124，以闭合这一电子振荡器环路。就这一点而言，驱动信号的相位应该适合于激励/驱动所希望的模式。

值得注意，驱动电路124和感测电路126，以及驱动电极122和感测电极128，可以是众所周知的常规常规驱动和感测电路。确实，驱动电路124和感测电路126可以是任意MEMS感测和驱动电路，不管是现在已知的还是以后开发出来的。

另外，驱动电极122和感测电极128还可以相对于梁段106布置或放置，以便对MEMS谐振器102的梁段106的一个或多个选定或预定谐波进行检测。此外，可以选择驱动电极122和感测电极128的数量和长度，以便优化、加强和/或改善MEMS谐振器阵列100和/或MEMS谐振器102的工作情况。确实，驱动电极122和感测电极128可以是任意类型和/或形状的，不管是现在已知的还是以后开发出来的。

此外，可以将驱动电路124和/或感测电路126集成在(或者制作在)MEMS谐振器阵列100所在的同一个基底上。除此之外，或者代替它，还可以将驱动电路124和/或感测电路126集成到物理上与MEMS谐振器阵列100所在基底分开(并且在电气上互相连接)的基底上。

在另一个实施例中，将MEMS谐振器阵列100配置成提供差分输出信号。在这个实施例中，将感测和驱动电极和电路配置成提供具有(或者基本上具有)180度相位差的输出信号。通过这种方式，MEMS谐振器阵列100提供差分输出信号对，由于多个MEMS谐振器102的振荡梁段106(例如对称振荡梁段)的相加效应，这种信号对具有较大的信噪比。

参考图26A，在差分输出信号配置的一个实施例中，驱动电极130和132(它们以电气方式连接到差分驱动电路138)与MEMS谐振器102a和102b的梁段106a～d并列，激励MEMS谐振器102a和102b的梁段106a～d振荡或振动。就这一点而言，每个MEMS谐振器102在平面内振动或谐振，产生具有(或者基本具有)180度相位差的输出信号。感测电极134和136与MEMS谐振器102c和102d的梁段106a～d相邻布置，以提供代表振荡或振动的信号(例如因为谐振器结构的振荡运动，在梁段106和感测电极134和136之间电容的变化所产生的)给差分感测电路140，这个差分感测电路140对具有一个或多个谐振频率的信号进行感测、采样和/或检测。这个差分感测电路140接收这一信号，并且对它作出响应，可以输出一个差分信号对，例如，具有谐振频率的差分时钟信号。

差分驱动电路138和差分感测电路140可以是众所周知的常规电路。确实，差分驱动电路138和差分感测电路140可以是任意类型的电路(不管是不是集成在(或者制作在)MEMS谐振器结构所在的同一个基底上)，并且所有这些电路，不管是现在已知的还是以后开发出来的，都落在本发明的保护范围之内。

另外，驱动电极130和132以及感测电极134和136可以是公知的常规类型，也可以是任意类型和/或任意形状的电极，而不管是现在已知的还是以后开发出来的。此外，这些物理电极机构可以包括，例如，电容性的、压敏电阻的、压电的、电感性的、磁阻性的和热性的。确实，不管是现在已知的还是以后开发出来的，所有物理电极机构都落在本发明的保护范围之内。

另外，驱动电极130/132和感测电极134/136可以相对于MEMS谐振器102的梁段106布置或放置，以便检测梁段106的一个或多个选定的或预定的谐波。此外，还可以选择驱动电极130/132和感测电极134/136的数量和长度，以便优化、加强和/或改善MEMS谐振器的工作性能。

值得注意，差分驱动电路138和差分感测电路140可以集成在(或者制作在)MEMS谐振器结构所在的同一个基底上。除此以外，或者代替它，差分驱动电路138和差分感测电路140还可以集成到物理上与MEMS谐振器结构所在基底分开(并且在电气上互相连接)的基底上。

在图26A所示的实施例中，驱动电极130/132和感测电极134/136是对称配置的，它们与MEMS谐振器102的对称结构一起，管理谐振器耦合段104、梁段106、弯曲段108、锚耦合段116、锚118和/或基底上的应力。通过这种方式，谐振器耦合段104和/或锚耦合段116可以是低应力点，这可以管理、减小MEMS谐振器阵列100的一个、一些或全部MEMS谐振器102的能量损失，和/或使它们最少。

值得注意，可以在少于和多于四个MEMS谐振器102的MEMS谐振器阵列100中实现差分和单端输出信号配置。(见例如图26B的差分输出信号配置)。确实，在感测和驱动这一阵列的环境中针对MEMS谐振器阵列100讨论的所有特征、实施例和替换方案都能够用于任意尺寸(例如具有2、3、4、5、6、7和8个MEMS谐振器102的阵列)和/或配置(例如包括相同或不同几何形状的MEMS谐振器102的阵列，比如圆角正方形、圆角六边形和圆角三角形)的阵列。为了简单起见，不重复这些讨论。

更进一步，还应该注意感测和驱动电极还有许多其它的配置和/或体系能够引起或激励梁段106谐振，从而生成和/或产生具有(或者基本上)180度相位差的输出信号。本发明的MEMS谐振器阵列100可以采用任意的感测和驱动结构、技术、配置和/或体系，不管是现在已知的还是以后开发出来的。例如，驱动和感测电极可以是常规类型的，也可以是任意类型和/或形状。(见例如图27A和27B)。可以将驱动和/或感测电极的数量和设计选择成提供相加驱动信号和/或感测信号。例如，在一个实施例中，增大感测电极的数量，感测电极梁段接口的剖面，以便增大提供给感测电路(例如差分感测电路)的信号。(见例如图28A)。在一个实施例中，将感测电极布置在一个或多个MEMS谐振器102的内部和外围。(见例如图28B)。于是，本发明的MEMS谐振器阵列100可以采用任意感测和驱动电极结构和配置，而不管是现在已知的还是以后开发出来的。(见例如图29A～29F)。

更进一步，实现差分信号配置能够帮助抵销、限制、减小驱动电极到这些感测电极的电容耦合效应，和/或使它最小。另外，全差分信号配置还能够显著地降低对基底耦合过来的电气和/或机械噪声的任何敏感性。此外，在差分信号配置中实现MEMS谐振器阵列100还能够消除、减小通过锚去往和来自结构的电荷流，和/或使之最少。因此，能够避免基底锚跟驱动和感测电极之间的电压降。值得注意，尤其是在较高频率上(例如，高于100兆赫兹的频率)，这一电压降会使阵列的MEMS谐振器的电气转移函数性能下降或者给它带来不利影响。

在本发明的一个实施例中，MEMS谐振器阵列100采用温度管理技术来管理和/或控制MEMS谐振器102的Q因子。就这一点而言，当梁段106和/或弯曲段108弯折的时候，端的一边拉伸，从而引起拉伸区域内略微变冷，另一端压缩，从而引起压缩区域内略微变热。热梯度引起从“较热”一侧向“较冷”一侧扩散。这种热的扩散(“热流”)导致能量损失，这会影响MEMS谐振器102的Q因子(例如使它减小)。常常将这一效应叫做热弹性耗散(TED)，它可能是谐振结构的Q因子的主要限制因素。因此，采用温度管理技术来管理、控制、限制、减小TED和/或使之最小将是有利的。

在一个温度管理实施例中，参考图30A和30B，在MEMS谐振器102的一个或多个梁段106a～d和弯曲段108a～d中形成槽142。在工作过程中梁段106a～d和弯曲段108a～d拉伸和收缩时，这些槽142能够抑制/减小梁段106a～d的侧边和弯曲段108a～d的侧边之间的热流。在梁段106a～d和弯曲段108a～d内热传递的抑制/减小会导致MEMS谐振器102和MEMS谐振器阵列100的Q因子较高。必须注意，利用槽的温度管理会影响锚定点零运动的优化，设计中必须考虑(例如FEA)。

可以在一个或多个MEMS谐振器102的一个或多个梁段106或者一个或多个弯曲段108中(见例如图31、34、38和41)，或者在这两者中(见例如图32、33、35、37和42)采用温度管理技术。除此以外，或者代替这种方案，还可以在锚耦合段116中采用温度管理技术。(见例如图36、41和42)。这些槽142可以是任意形状的，例如，包括正方形、矩形、圆形、椭圆形和/或卵形。确实，可以将无论是几何方面还是其它方面任意形状的槽142结合到梁段106、弯曲段108和/或锚定耦合段116中。

值得注意，槽142还会改变梁段106、弯曲段108和/或锚定耦合段116的刚性。

在这里描述和说明了许多发明。尽管描述和说明了本发明的特定实施例、特征、材料、配置、属性和优点，但是应该明白，了解了这些描述、说明和权利要求以后，本发明许多其它的以及不同的和/或类似的实施例、特征、材料、配置、属性、结构和优点都是显而易见的。因此，这里描述和说明的本发明的实施例、特征、材料、配置、属性、结构和优点不是穷尽性的，应该明白，与本发明相似的以及不同的实施例、特征、材料、配置、属性、结构和优点都落在本发明的保护范围之内。

值得注意，虽然本发明的描述的主要部分是在包括多个圆角正方形MEMS谐振器的MEMS谐振器阵列的情况下给出的，但是本发明的MEMS谐振器阵列还可以包括任意几何形状的谐振器体系或结构的MEMS谐振器，包括利用弯曲或圆角段连接的多个拉长梁段。例如，如上所述，在一个实施例中，本发明的MEMS谐振器阵列可以包括通过弯曲段连接的三个拉长梁段，形成圆角三角形，如图3A所示。在另一个实施例中，本发明的MEMS谐振器阵列可以包括六个梁段和六个弯曲段，如图3C所示。根据本发明，在这里针对具有圆角正方形的MEMS谐振器所讨论的所有特征、实施例和替换方案都可以应用于具有其它形状的MEMS谐振器。(见例如图43A和43B)。此外，根据本发明，在这里针对具有多个圆角正方形谐振器的MEMS谐振器阵列100所讨论的所有特征、实施例和替换方案都可以应用于具有其它形状的MEMS谐振器。为了简单起见，不重复这些讨论。

在另一个实施例中，本发明的MEMS谐振器阵列可以包括具有不同形状的多个MEMS谐振器102。例如，参考图43C，圆角正方形MEMS谐振器102a可以以机械方式耦合到圆角三角形MEMS谐振器102b(图43C)。参考图43D，在另一个实例中，圆角六边形MEMS谐振器102a和102c可以以机械方式耦合到圆角正方形MEMS谐振器102b。在这里针对具有多个圆角正方形谐振器的MEMS谐振器阵列100所讨论的所有特征、实施例和替换方案都可以应用于包括多个具有两个或多个不同形状的MEMS谐振器102的MEMS谐振器阵列。为了简单起见，不重复这些讨论。

更进一步，本发明的MEMS谐振器阵列可以采用任意感测和驱动技术，不管是现在已知的还是以后开发出来的。驱动和感测电路(不管是不是差分的)可以被集成在阵列的MEMS谐振器所在的同一基底上(或者在其中制造)。除此以外，或者代替这种方案，还可以将驱动和感测电路集成在一个基底上，这个基底在物理上与MEMS谐振器所在的基底分开(并且与之电气互连)。更进一步，驱动和感测电极可以是常规类型的，也可以是任意类型和/或形状的，不管是现在已知的还是以后开发出来的。

值得注意，本发明的MEMS谐振器和MEMS谐振器阵列的尺度、特性和/或参数可以利用各种技术来确定，包括有限元模拟和仿真技术(例如通过计算机驱动的分析引擎，比如FemLab(来自Consol)、ANSYS(来自ANSYS公司)、IDEAS和/或ABAKUS和/或经验数据/测量结果，进行的有限元模拟)。例如，可以采用利用或基于一组边界条件(例如谐振器结构的尺寸)的有限元模拟引擎来设计、确定和/或评估以下项目的尺度、特性和/或参数：(i)拉长梁段106，(ii)弯曲段108，(iii)负荷缓解机构112，(iv)波节点114(如果有的话)，(v)锚耦合段116和/或(vi)应力/应变机构120。确实，也可以利用这种有限元模拟、仿真和分析引擎来观察和/或确定，单独的或者结合进MEMS谐振器阵列100的MEMS谐振器102，对或者在锚和/或基底上的影响和/或响应。

如上所述，还可以采用有限元分析和仿真引擎来设计和/或确定任意波节点的位置。这种波节点可以提供以预定的、最小的和/或减小了的能量损失(等等)将MEMS谐振器阵列100(和/或一个或多个MEMS谐振器102)锚定到基底上去的合适位置。就这一点而言，受到激励的时候，MEMS谐振器102的梁段106以一种呼吸一样的方式和弯折一样的方式运动。因此，梁段106的长度和弯曲段108的半径会决定MEMS谐振器102(结合进MEMS谐振器阵列100中去的时候)的波节点的位置，在这些波节点上，因为拉长一样的(呼吸一样的)模式而很少有，没有或者减小了转动运动，以及因为呼吸一样的模式而很少有、没有或者减小了径向运动。可以基于MEMS谐振器阵列100的每个MEMS谐振器102的梁段106的给定长度和弯曲段108的给定半径，采用有限元分析引擎来设计、确定或预测这种波节点的位置。通过这种方式，能够快速地确定和/或找出呈现出可以接受的、预定的和/或很少的运动或者更本没有运动(径向和/或其它方向)，用于锚定MEMS谐振器阵列100和/或一个或多个MEMS谐振器102的位置。

此外，还可以采用经验方法(除了或者代替有限元分析(之类)方法)来设计、确定、定出和/或评估以下项目的尺度、特性和/或参数：(i)拉长梁段106，(ii)弯曲段108，(iii)负荷缓解机构112，(iv)波节点114(如果有的话)，(v)锚耦合段116和/或(vi)应力/应变机构120。可以在一个或多个MEMS谐振器102和/或MEMS谐振器阵列100的情况下应用这种经验方法。

如上所述，在MEMS谐振器阵列100的情况下，可以采用利用或基于一组边界条件(例如谐振器结构的尺寸)的有限元分析和仿真引擎来设计、确定和/或评估以下项目的尺度、特性和/或参数：(i)拉长梁段106，(ii)弯曲段108，和/或(iii)MEMS谐振器102波节点114(如果有的话)，和/或(iv)负荷缓解机构112，(v)锚耦合段116和/或(vi)应力/应变机构120。

此外，可以采用热-机械有限元分析引擎来加强在工作过程中梁段106、弯曲段108和/或锚定耦合段116的所有温度考虑。就这一点而言，热-机械有限元分析引擎可以模拟MEMS谐振器阵列100和/或MEMS谐振器102的工作过程，从而确定槽的尺寸、位置、尺度和数量，以便在一个或多个梁段106、弯曲段108和/或锚定耦合段116中实现。通过这种方式，在其中采用了温度管理技术的MEMS谐振器阵列100和/或MEMS谐振器102的特性可以得到加强和/或优化，TED损失得到最小化和/或减小。

因此，如上所述，本发明的结构的许多特性可以用有限元模拟(FEM)来进行优化，这种有限元模拟被叫做“FEA”或者“FE分析”。

MEMS谐振器102的梁段106可以包括也可以不包括相同或者基本相同的尺度/设计(也就是具有相同或基本相同的宽度、厚度、高度、长度和/或形状)。另外，弯曲段108可以包括也可以不包括相同或基本相同的尺度/设计(也就是具有相同或基本相同的内径、宽度、厚度、高度、长度、外径和/或形状)。因此，阵列100的MEMS谐振器102可以包括具有不同尺度、形状和/或设计的梁段106和/或弯曲段108。

本发明的MEMS谐振器阵列可以用众所周知的材料，采用众所周知的技术制作。例如，可以用众所周知的半导体，比如硅、锗、锗化硅或砷化镓，来制作MEMS谐振器阵列(包括它的组成部件)。确实，MEMS谐振器阵列可以包括例如周期表的第IV栏的材料，例如硅、锗、碳；以及它们的组合，例如锗化硅或者碳化硅；还有III-V化合物的，例如，磷化镓、磷化铝镓或者其它III-V组合；还有III、IV、V或VI材料的组合，例如氮化硅、氧化硅、碳化铝或者氧化铝；还有金属硅化物、锗化物和碳化物，例如硅化镍、硅化钴、碳化钨或者硅化铂锗；还有掺杂变种，包括掺杂磷、砷、锑、硼或铝的硅或锗、碳或象锗化硅一样的组合；还有具有各种晶体结构的这些材料，包括单晶、多晶、纳米晶或者非晶；还有具有晶体结构的组合，例如具有单晶和多晶结构的区域(不管是掺杂还是未掺杂的)。

此外，本发明的MEMS谐振器可以用众所周知的光刻、蚀刻、沉积和/或掺杂技术在绝缘体上半导体(SOI)基底中或上形成。为了简单起见，这里不讨论这种制作方法。但是，形成或制作本发明的谐振器结构的所有技术，不管是现在已知的还是以后开发出来的，都落在本发明的保护范围之内(例如，利用标准或大尺寸(厚)晶片(图中没有画出)和/或焊接技术(也就是将两个标准晶片焊接到一起，其中较低的/底部晶片包括上面布置的牺牲层(例如氧化硅)，因此较上/顶部晶片变薄(来回碾压)并且被抛光以便在其中或上面接受机械结构)的众所周知的形成，光刻、蚀刻和/或沉积技术。

值得注意，SOI基底可以包括第一基底层(例如半导体(比如硅)、玻璃或蓝宝石)、第一牺牲/绝缘层(例如二氧化硅或氮化硅)以及布置在牺牲/绝缘层上或者以上的第一半导体层(例如硅、砷化镓或锗)。可以在第一半导体层(例如硅、锗、锗化硅或砷化镓这种半导体)中或上利用众所周知的光刻、蚀刻、沉积和/或掺杂技术来形成机械结构。

在一个实施例中，SOI结构可以是利用众所周知的技术制作的SIMOX晶片。在另一个实施例中，SOI基底可以是具有第一半导体层的常规SOI晶片。就这一点而言，具有较薄第一半导体层的SOI基底可以用大块硅晶片制作，这种大块硅晶片被植入和利用氧气进行氧化从而在单个或单一晶体晶片表面下或以下形成较薄的SiO₂。在这一实施例中，第一半导体层(也就是单晶硅)布置在第一牺牲/绝缘层(也就是二氧化硅)上，后者布置在第一基底层(在这个实例中也就是单晶硅)上。

在将MEMS谐振器阵列的MEMS谐振器制作在多晶硅或单晶硅内或上的那些情形中，本发明中特定几何形状的MEMS谐振器结构，例如圆角正方形谐振器，可以保持与多晶硅或单晶硅的结构和材料对称性。特别是本发明的圆角正方形MEMS谐振器可以内在地与单晶硅的立体结构兼容。在标准晶片上的每个横向正交方向(例如100、010或者110)，单晶硅的特性可以与一个或多个几何形状的谐振器匹配。就这一点而言，单晶硅的晶体特性可以具有和一个或多个几何形状的谐振器结构相同或适当的对称性。

本发明的MEMS谐振器阵列100可以用各种技术和材料进行封装，例如，薄膜技术、基底焊接技术(例如焊接半导体或玻璃一样的基底)和预制封装(例如TO-8“罐”)。确实，可以采用任意封装和/或制作技术，不管是现在已知的还是以后开发出来的；因此，所有这些制作和/或封装技术都落在本发明的保护范围之内。例如，可以采用以下非临时专利申请中描述和说明的装置和/或技术：

(1)“Electromechanical System having a Controlled Atmosphere，and Method of Fabricating Same”，2003年3月20日递交，序列号为10/392,528；

(2)“Microelectromechanical Systems，and Method ofEncapsulating and Fabricating Same”，2003年6月4日递交，序列号为10/454,867；以及

(3)“Microelectromechanical Systems Having Trench IsolatedContacts，and Methods of Fabricating Same”，2003年6月4日递交，序列号为10/455,555。

可以将上述专利申请中描述和说明的发明用于制作本发明的MEMS谐振器和阵列。为了简单起见，不重复那些讨论。但是，在这里明确指出，将上述专利申请中的全部内容，包括例如所有发明/实施例的特征、属性、替换方案、材料、技术和/或优点，结合进来作为参考。

在MEMS谐振器102采用对称锚定的圆角正方形谐振器结构的情况下(见例如图30B)，在工作过程中结构的重心维持相对恒定或固定。值得注意，实现圆角正方形谐振器结构的MEMS谐振器102的四个梁段可以在统计学上平均高斯过程容差，这会提供更好的参数控制。

如上所述，MEMS谐振器阵列100可以采用任意锚定技术或锚结构，不管是现在已知的还是以后开发出来的。另外，应力/应变管理技术/结构(例如应力/应变机构120)可以结合这里描述和说明的锚定技术或锚结构中的任何一样来实现，和/或不管是现在已知的还是以后开发出来的。例如，基底锚和/或应力/应变管理技术/结构可以放在一个或多个MEMS谐振器102的一个、一些或全部波节点和/或锚上。其它基底锚定-应力/应变管理技术也是合适的。(见例如图44～48)。确实，MEMS谐振器102可以在非波节点处以一种对称或非对称的方式(例如在MEMS谐振器102“中心”内或周围)耦合到基底锚(和应力/应变机构120)。值得注意，这些锚定-应力/应变管理技术可以结合这里描述和说明的任何实施例来实现。(见例如图49～52)。

此外，还可以结合这里描述和说明的任何实施例实现负荷缓解技术/结构(例如，负荷缓解机构112)。(见例如图52～55)。

在权利要求中，“拉长直梁段”指(i)直的或者基本上直的拉长梁，和/或(ii)具有纵向轴，直的或者基本上直的拉长梁，而不管梁的厚度和/或宽度(如果有的话)的变化，和/或(iii)与弯曲相比充分地更直的梁。

此外，在权利要求中，术语“槽”指的是任意形状和/或尺寸的开孔、孔隙和/或槽(不管是部分还是全部地延伸通过拉长梁段或弯曲段的整个高度/厚度)。更进一步，在权利要求中，术语“孔隙”指的是任意形状和/或尺寸的开孔、孔隙和/或槽(不管是部分还是全部地延伸通过拉长梁段或弯曲段的整个高度/厚度)。

MEMS谐振器阵列100的本发明的上述实施例仅仅是说明性的。它们不是穷尽性的，也不是要将本发明限制于这里公开的精确形式、技术、材料和/或配置。以上技术可以有许多改进和变化。将会明白还可以采用其它实施例，并且可以进行操作改变而不会偏离本发明的保护范围。因此，给出本发明的示例性实施例的前述描述的目的是进行说明和描述。以上技术可以有许多改进和变化。本发明的保护范围不限于这一详细描述。

另一方面，本发明是排列成N×M MEMS框阵列结构的多个正方形框谐振器(其中N和M是整数)。各个正方形MEMS谐振器的每个梁段都与一个相邻谐振器共享。通过这种方式，这种结构提供不同的和谐振耦合效应。另外，这一结构提供相对低的能量损失、高的Q因子和驱动/感测电极布局的灵活性。

参考图56A和56B，N×M MEMS框阵列结构200(在这个示例性的实施例中，N和M都等于2)包括正方形MEMS谐振器202a～d。正方形MEMS谐振器202a～d中的每一个都包括四个梁段204。每个正方形MEMS谐振器202a～d的梁段204中的两个都与相邻正方形MEMS谐振器202a～d共享。例如，正方形MEMS谐振器202a(i)与正方形MEMS谐振器202b共享梁段204c，并且(ii)与正方形MEMS谐振器202d共享梁段204d。类似地，正方形MEMS谐振器202c(i)与正方形MEMS谐振器202b共享梁段204b，并且(ii)与正方形MEMS谐振器202d共享梁段204a。通过这种方式，每个正方形MEMS谐振器202a～d都以机械方式耦合到其它正方形MEMS谐振器202a～d和/或与它们集成。在工作的时候，正方形MEMS谐振器202a～d因为这一机械耦合而在平面内以相同频率振动。

上述MEMS框阵列结构可以用多种技术来锚定，这些技术包括上面针对MEMS框阵列结构描述的那些。其中一个或多个正方形MEMS谐振器中的角落段包括波节点，在这些波节点处将MEMS框阵列结构锚定到基底是有利的。就这一点而言，参考图57A和57B，在一个实施例中，MEMS框阵列结构200包括锚耦合段206，它们以机械方式将MEMS框阵列结构200耦合到锚208。锚耦合段206在或者接近波节点210处连接到MEMS框阵列结构200。通过这种方式，因为锚定而产生的垂直和水平方向能量损失将会得到最小化、减小和/或受到限制，这样一来就能够得到或者提供较高Q的MEMS结构。

值得注意，图57A和57B所示的锚定技术还具有不需要任何附加的或额外的掩模来限定到基底的锚这样的好处。换句话说，可以同时制作正方形MEMS谐振器202a～d和锚定结构。

不必在每一个波节点或区域锚定MEMS框阵列结构200，但是可以在一个或多个位置，最好是在一个或多个波节位置(当谐振器振荡时，谐振器不运动，很少运动和/或基本静止的区域或位置)锚定。例如，参考图57A、58和59，可以在MEMS框阵列结构200的一个点、两个点和/或四个区域或部分锚定MEMS框阵列结构200(例如，优选在一个或多个正方形MEMS谐振器202a～d的波节点210处或附近)。就这一点而言，一个或多个锚耦合段206将梁段204形成的特定角落连接到对应的锚208。

值得注意，参考图60A和60B，本发明的MEMS框阵列结构200可以采用应力/应变缓解机构212(例如弹簧或者弹簧一样的部件)来管理、控制、减小、消除锚208的位置处在基底上由MEMS框阵列结构200锚定通过或在基底的一个、一些或全部点的运动引起的的应力或应变，和/或使它们最小。例如，正方形MEMS谐振器202a的角落通过锚耦合段206以机械方式耦合到应力/应变缓解机构212。

值得注意，除了它们以外或者代替它们，可以通过正方形MEMS谐振器202的一个或多个内部角落将MEMS框阵列结构200锚定到结构上(见例如图60A和60B中的波节点210c)。就这一点而言，锚可以位于正方形MEMS谐振器202的一个、一些或所有内部角落以下，因为可以将这些角落设计成包括不动节点。在MEMS框阵列结构200包括大量正方形MEMS谐振器202的地方，为了加强MEMS框阵列结构200的水平面(平面内)振动，在正方形MEMS谐振器202的内部角落内或处采用一个或多个锚结构是有利的。

在工作的时候，MEMS框阵列结构200的每个正方形MEMS谐振器202在平面内以相同频率振动。任意两个相邻正方形MEMS谐振器202的相位差都是或者近似是180度。就这一点而言，参考图61和62，在一个实施例中，受到激励的时候，正方形MEMS谐振器202相对于相邻正方形MEMS谐振器202以近似180度的相位差振动。例如，正方形MEMS谐振器202a相对于正方形MEMS谐振器202b和202e以180度的相位差振动。正方形MEMS谐振器202的振动模式可以是常规的挠性在位模式(flexural in place modes)。因此，不必将任何感测或驱动电极放置在正方形MEMS谐振器202的“下面”或“上面”来驱动和感测MEMS框阵列结构200。

值得注意，参考图62，在正方形MEMS谐振器202的角落中或上的波节点210在工作过程中很少有直到根本没有运动。换句话说，当正方形MEMS谐振器202在第一偏转状态和第二偏转状态之间振荡时，这些角落的区域或部分，特别是连接到锚耦合段210的那些，是相对静止的。

参考图63和64，在工作的时候，正方形MEMS谐振器202a和202c的外部角落段是相对静止，并且没有应力的节点(也就是波节点)。因此，在这个实施例中，MEMS框阵列结构200包括锚耦合段206，这个锚耦合段206以机械方式将MEMS框阵列结构200耦合到锚208，从而使源自例如锚定点处的运动阻力的垂直和水平能量损失最小化、得到减小和/或受到限制。

可以将感测和驱动电极和电路配置成提供单端输出信号或差分输出信号。例如，参考图65，在一个实施例中，将MEMS框阵列结构200配置成提供差分输出信号。在这个实施例中，将感测和驱动电极和电路配置成提供具有(或者基本上具有)180度相位差的输出信号。通过这种方式，MEMS框阵列结构200提供差分输出信号对，由于多个正方形MEMS谐振器202的振荡梁段204(例如对称振荡梁段)的相加效应，这些差分输出信号对具有较大的信噪比。

差分驱动电路222和差分感测电路224可以是众所周知的常规电路。确实，差分驱动电路222和差分感测电路224可以是任意类型的电路(不管是否是在MEMS框阵列结构200所在的同一基底上集成(或制作)的)，并且所有这些电路，不管是现在已知的还是以后开发出来的，都落在本发明的保护范围之内。

另外，驱动电极214和216以及感测电极218和220可以是众所周知的常规类型，也可以是任意类型和/或形状的电极，不管是现在已知的还是以后开发出来的。此外，物理电极机构可以包括，例如，电容性的、压敏电阻的、压电的、电感性的、磁阻性的和热性的。确实，不管是现在已知的还是以后开发出来的，所有物理电极机构都落在本发明的保护范围之内。

驱动电极214/216和感测电极218/220可以相对于正方形MEMS谐振器202的梁段布置或放置，以便检测梁段的一个或多个选定的或预定的谐波。此外，还可以选择驱动电极214/216和感测电极218/220的数量和长度，以便优化、加强和/或改善MEMS谐振器的工作性能。更进一步，可以在没有附加或额外掩模的情况下制作驱动电极214/216和感测电极218/220。也就是说，可以同时制作正方形MEMS谐振器202a～d、驱动电极214/216和感测电极218/220。

差分驱动电路222和差分感测电路224可以集成在MEMS框阵列结构200所在的同一个基底上(或者制作在其中)。除此以外，或者代替它，差分驱动电路222和差分感测电路224还可以集成到物理上与MEMS谐振器结构所在基底分开(并且在电气上互相连接)的基底上。

应该注意，感测和驱动电极有许多其它配置和/或体系能够引起或激励梁204谐振，从而生成和/或产生具有(或基本上具有)180度相位差的输出信号。所有这些配置和/或体系都落在本发明的保护范围之内。

本发明的MEMS框阵列结构可以用众所周知的材料，采用众所周知的技术制作。例如，可以用众所周知的半导体，比如硅、锗、锗化硅或砷化镓，来制作MEMS框阵列结构(包括它的组成部件)。确实，MEMS框阵列结构可以包括例如周期表的第IV栏的材料，例如硅、锗、碳；以及它们的组合，例如锗化硅或者碳化硅；还有III-V化合物的，例如，磷化镓、磷化铝镓或者其它III-V组合；还有III、IV、V或VI材料的组合，例如氮化硅、氧化硅、碳化铝或者氧化铝；还有金属硅化物、锗化物和碳化物，例如硅化镍、硅化钴、碳化钨或者硅化铂锗；还有掺杂变种，包括掺杂磷、砷、锑、硼或铝的硅或锗、碳或象锗化硅一样的组合；还有具有各种晶体结构的这些材料，包括单晶、多晶、纳米晶或者非晶；还有具有晶体结构的组合，例如具有单晶和多晶结构的范围(不管是掺杂还是未掺杂的)。

此外，本发明的MEMS框阵列结构可以用众所周知的光刻、蚀刻、沉积和/或掺杂技术在绝缘体上半导体(SOI)基底中或上形成。为了简单起见，这里不讨论这种制作技术。但是，形成或制作本发明的谐振器结构的所有技术，不管是现在已知的还是以后开发出来的，都落在本发明的保护范围之内(例如，利用标准或大尺寸(厚)晶片(图中没有画出)和/或焊接技术(也就是将两个标准晶片焊接到一起，其中较低的/底部晶片包括上面放置的牺牲层(例如氧化硅)因此较上/顶部晶片变薄(来回碾压)并且被抛光以便在其中或上面接受机械结构)的众所周知的形成，光刻、蚀刻和/或沉积技术。

值得注意，SOI基底可以包括第一基底层(例如半导体(比如硅)、玻璃或蓝宝石)、第一牺牲/绝缘层(例如二氧化硅或氮化硅)以及布置在牺牲/绝缘层上或者以上的第一半导体层(例如硅、砷化镓或锗)。可以在第一半导体层(例如硅、锗、锗化硅或砷化镓这种半导体)中或上利用众所周知的光刻、蚀刻、沉积和/或掺杂技术来形成机械结构。

在一个实施例中，SOI结构可以是利用众所周知的技术制作的SIMOX晶片。在另一个实施例中，SOI基底可以是具有第一半导体层的常规SOI晶片。就这一点而言，具有较薄第一半导体层的SOI基底可以用大块硅晶片制作，这种大块硅晶片被植入和利用氧气进行氧化从而在单个或单一晶体晶片表面下或以下形成较薄的SiO₂。在这一实施例中，第一半导体层(也就是单晶硅)布置在第一牺牲/绝缘层(也就是二氧化硅)上，后者布置在第一基底层(在这个实例中也就是单晶硅)上。

在将MEMS框阵列结构的多个正方形MEMS谐振器制作在多晶硅或单晶硅内或上的那些情形中，本发明中特定几何形状的MEMS谐振器结构，例如圆角正方形MEMS谐振器，可以保持与多晶硅或单晶硅的结构和材料对称性。特别是本发明的圆角正方形MEMS谐振器可以内在地与单晶硅的立体结构兼容。在标准晶片上的每个横向正交方向(例如100、010或者110)，单晶硅的特性可以与一个或多个几何形状的谐振器匹配。就这一点而言，单晶硅的晶体特性可以具有和一个或多个几何形状的谐振器结构相同或适当的对称性。

本发明的MEMS框阵列结构可以用各种技术和材料进行封装，例如，薄膜技术、基底焊接技术(例如焊接半导体或玻璃一样的基底)和预制封装(例如TO-8“罐”)。确实，可以采用任意封装和/或制作技术，不管是现在已知的还是以后开发出来的；因此，所有这些制作和/或封装技术都落在本发明的保护范围之内。例如，可以采用以下非临时专利申请中描述和说明的系统、装置和/或技术：

(1)“Electromechanical System having a Controlled Atmosphere，and Method of Fabricating Same”，2003年3月20日递交，序列号为10/392,528；

(2)“Microelectromechanical Systems，and Method ofEncapsulating and Fabricating Same”，2003年6月4日递交，序列号为10/454,867；以及

(3)“Microelectromechanical Systems Having Trench IsolatedContacts，and Methods of Fabricating Same”，2003年6月4日递交，序列号为10/455,555。

可以将上述专利申请中描述和说明的发明用于制作本发明的正方形MEMS谐振器和MEMS框阵列结构。为了简单起见，不重复那些讨论。但是，在这里明确指出，将上述专利申请中的全部内容，包括例如所有发明/实施例的特征、属性、替换方案、材料、技术和/或优点，结合进来作为参考。

值得注意，本发明中的正方形MEMS谐振器和MEMS框阵列结构的尺度、特性和/或参数可以用各种技术来确定，这些技术包括有限元模拟和仿真技术(例如通过计算机驱动的分析引擎实现的有限元模拟，这些分析引擎有FemLab(来自Consol)、ANSYS(ANSYS公司)、IDEAS和/或ABAKUS)和/或经验数据/测量结果。例如，可以采用有限元模拟引擎，利用或者基于一组边界条件(例如谐振器结构的尺寸)，来设计、确定和评估如下项目的尺度、特性和/或参数：(i)梁段204；(ii)锚耦合段206；和(ii)波节点210(如果有的话)；和/或(vi)应力/应变机构212。确实，可以利用这种有限元模拟、仿真和分析引擎来观察和/或确定单独的或者结合进MEMS框阵列结构200的正方形MEMS谐振器202对锚和/或结构的影响和/或响应。

MEMS框阵列结构200的本发明的上述实施例仅仅是说明性的。它们不是穷尽性的，也不是要将本发明限制于这里公开的精确形式、技术、材料和/或配置。以上技术可以有许多改进和变化。将会明白还可以采用其它实施例，并且可以进行操作改变而不会偏离本发明的保护范围。因此，给出本发明的示例性实施例的前述描述的目的是进行说明和描述。以上技术可以有许多改进和变化。本发明的保护范围不限于这一详细描述。

本发明的MEMS阵列结构和MEMS框阵列结构可以在多种应用中实现，这些应用包括例如，在其中采用谐振器或振荡器的时序或时钟装置或时钟对准电路。确实，本发明的MEMS阵列结构和MEMS框阵列结构可以在采用时钟信号或参考时钟的任意系统或装置中实现，例如，在数据、卫星和/或无线通信系统/网络、移动电话系统/网络、蓝牙系统/网络、zig bee系统/网络、手表、实时时钟、机顶盒和用于它的系统/网络、计算机系统(例如膝上型、PC和/或手持装置)、电视和它的系统/网络、消费电子(比如DVD播放器/记录器、MP3、MP2、DIVX或者类似的音频/视频系统)。

Claims (35)

1.一种MEMS阵列结构，包括：

多个MEMS谐振器，每个MEMS谐振器都包括：

多个拉长直梁段，其中每个梁段都包括第一端和第二端；

多个弯曲段，其中每个弯曲段都包括第一端和第二端，其中梁段的每一端都与所述弯曲段之一的有关的端连接，从而形成一个几何形状；以及

一个或多个谐振器耦合段，其中至少一个谐振器耦合段被布置在相邻MEME谐振器相对的拉长直梁段中的每一个之间。

2.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中所述多个MEMS谐振器中至少一个的至少一个弯曲段包括波节点，并且其中所述MEMS阵列结构还包括：

至少一个锚耦合段；以及

基底锚，通过所述锚耦合段耦合到所述波节点，以便将所述MEMS谐振器固定到基底。

3.如权利要求2所述的MEMS阵列结构，还包括布置在所述锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述波节点之间的应力/应变缓解机构。

4.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器都包括四个拉长直梁段和四个弯曲段，并且其中所述几何形状是圆角正方形。

5.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的至少一个弯曲段包括波节点，并且其中所述MEMS阵列结构还包括布置在有关的波节点和基底锚之间的至少一个锚耦合段，并且其中所述基底锚将所述MEMS谐振器牢固地固定到基底。

6.如权利要求5所述的MEMS阵列结构，还包括布置在所述锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述波节点之间的应力/应变缓解机构。

7.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中每个谐振器耦合段都包括孔隙来减小所述段的质量。

8.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中每个谐振器耦合段都包括那些端处的加厚形状，从而使所述谐振器耦合段的那些端具有比所述谐振器耦合段的中部更大的宽度。

9.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的每个弯曲段都包括至少一个波节点。

10.如权利要求9所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的至少一个波节点通过有关的锚耦合段连接到基底锚。

11.如权利要求10所述的MEMS阵列结构，还包括布置在有关的锚耦合段内，并且在有关的基底锚和有关的波节点之间的多个应力/应变缓解机构。

12.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的所述多个拉长直梁段中的至少一个包括布置在其中的多个槽。

13.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的多个弯曲段中的至少一个包括布置在其中的多个槽。

14.如权利要求1所述的MEMS阵列结构，其中所述MEMS谐振器的每个拉长直梁段的宽度在那些端处比其中心的宽。

15.一种MEMS阵列结构，包括：

多个MEMS谐振器，每个MEMS谐振器都包括：

多个拉长直梁段，其中每个梁段都包括第一端和第二端；

多个弯曲段，其中每个弯曲段都包括第一端和第二端，其中梁段的每一端都连接到所述弯曲段之一的有关的端，从而形成一个几何形状；以及

其中至少一个弯曲段包括波节点；

多个谐振器耦合段，其中至少一个谐振器耦合段布置在相邻MEMS谐振器的至少一对相对的拉长直梁段之间，从而使每个MEMS谐振器都连接到至少一个相邻MEMS谐振器；以及

多个锚耦合段，其中每个MEMS谐振器的所述至少一个波节点通过有关的锚耦合段连接到基底锚。

16.如权利要求15所述的MEMS阵列结构，还包括多个应力/应变缓解机构，其中至少一个应力/应变缓解机构布置在有关的锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述MEMS谐振器的所述波节点之间。

17.如权利要求15所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器都包括四个拉长直梁段和四个弯曲段，其中所述几何形状是圆角正方形。

18.如权利要求15所述的MEMS阵列结构，其中每个谐振器耦合段都包括孔隙来减小所述段的质量。

19.如权利要求15所述的MEMS阵列结构，其中每个谐振器耦合段都包括那些端处的加厚形状，从而使所述谐振器耦合段的那些端具有比所述谐振器耦合段的中部更大的宽度。

20.如权利要求15所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的所述多个拉长直梁段中的至少一个包括布置在其中的多个槽。

21.如权利要求15所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的多个弯曲段中的至少一个包括布置在其中的多个槽。

22.如权利要求15所述的MEMS阵列结构，还包括：

多个感测电极；

多个驱动电极，其中所述感测和驱动电极与所述MEMS谐振器的多个拉长直梁段并列；以及

感测电路，耦合到所述感测电极，以提供输出信号。

23.如权利要求22所述的MEMS阵列结构，其中那些感测电极提供一个或多个信号给所述感测电路，作为响应，所述感测电路提供差分输出信号。

24.如权利要求22所述的MEMS阵列结构，其中那些感测电极提供一个或多个信号给所述感测电路，作为响应，所述感测电路提供单端输出信号。

25.一种MEMS阵列结构，包括：

多个MEMS谐振器，每个MEMS谐振器都包括：

多个拉长直梁段，其中每个梁段都包括第一端和第二端；

多个弯曲段，其中每个弯曲段都包括第一端和第二端，其中梁段的每一端都与所述弯曲段之一的有关的端连接，从而形成一个几何形状；以及

一个或多个谐振器耦合段，其中相邻MEMS谐振器相对的拉长直梁段中的每一个都包括在它们之间连接的谐振器耦合段；

多个感测电极；

多个驱动电极，其中所述感测和驱动电极与所述MEMS谐振器的多个拉长直梁段中的一个或多个并列；以及

感测电路，耦合到所述感测电极，以提供输出信号。

26.如权利要求25所述的MEMS阵列结构，其中那些感测电极提供一个或多个信号给所述感测电路，作为响应，所述感测电路提供差分输出信号。

27.如权利要求25所述的MEMS阵列结构，其中那些感测电极提供一个或多个信号给所述感测电路，作为响应，所述感测电路提供单端输出信号。

28.如权利要求25所述的MEMS阵列结构，其中那些感测电极中的至少一个布置在所述MEMS谐振器中至少一个的所述几何形状内。

29.如权利要求28所述的MEMS阵列结构，其中那些感测电极中的至少一个与所述MEMS谐振器中所述至少一个的多个拉长直梁段并列。

30.如权利要求25所述的MEMS阵列结构，其中所述多个MEMS谐振器中至少一个的至少一个弯曲段包括波节点，并且其中所述MEMS阵列结构还包括：

至少一个锚耦合段；以及

基底锚，通过所述锚耦合段耦合到所述波节点，以便将所述MEMS谐振器固定到基底。

31.如权利要求30所述的MEMS阵列结构，还包括布置在所述锚耦合段内，并且在所述基底锚和所述波节点之间的应力/应变缓解机构。

32.如权利要求25所述的MEMS阵列结构，其中每个MEMS谐振器的每一个弯曲段都包括至少一个波节点，并且其中每一个MEMS谐振器的至少一个波节点通过有关的锚耦合段连接到基底锚。

33.如权利要求32所述的MEMS阵列结构，还包括布置在有关的锚耦合段内，并且在有关的基底锚和有关的波节点之间的多个应力/应变缓解机构。

34.如权利要求25所述的MEMS阵列结构，其中每个谐振器耦合段都包括孔隙来减小所述段的质量。

35.如权利要求25所述的MEMS阵列结构，其中每个谐振器耦合段都包括那些端处的加厚形状，从而使所述谐振器耦合段的那些端具有比所述谐振器耦合段的中部更大的宽度。

Images