CN101401303B - 具有至少一种谐振器模式形状的mems谐振器及制造方法,含此mems谐振器的振荡器及滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有至少一种谐振器模式形状的MEMS谐振器，所述MEMS谐振器包括：具有表面(12)的衬底(2)和谐振器结构(1)，其中，谐振器结构(1)为衬底(2)的一部分，其特征在于谐振器结构(1)由第一闭合沟槽(3)和第二闭合沟槽(3)限定，第一沟槽(3)位于第二沟槽(3)内，以便在衬底(2)内形成管状结构(1)，并且仅沿与表面(12)平行的方向从衬底(2)释放谐振器结构(1)。本发明还涉及制造这种MEMS谐振器的方法。

Description

具有至少一种谐振器模式形状的MEMS谐振器及制造方法,含此MEMS谐振器的振荡器及滤波器
技术领域
本发明涉及一种MEMS谐振器及其制造方法。
背景技术
为了代替在振荡器(或滤波器)中使用的大体积的石英晶体，在文献中报道了各种MEMS谐振器几何结构和制造工艺。半导体工艺中的集成允许极大地降低尺寸和成本。
MEMS谐振器由多晶硅或单晶硅制成。与多晶硅相比，由于单晶硅的低的内部摩擦以及由此而来的较高的机械品质因子、低的内部应力和对各种工艺参数的独立性，单晶硅是更有吸引力的材料。然而，单晶硅的显微机械加工不仅需要诸如绝缘体上的硅(SOI)之类的特殊硅晶片(这增加了成本，并且限制了进一步集成)，或者需要使用诸如HARPSS或BOSCH工艺之类的特殊工艺，这也限制了与MOS或无源工艺的兼容性，因此，导致了谐振器厚度的限制。使用不同概念制造MEMS谐振器：细束、盘或膜(通常，厚度小于6微米)的弯曲模式，和相对较厚的束、板或盘(通常，厚度小于18微米)的体声模式。弯曲模式谐振器的主要的缺点是低的功率处理，这是由于在10MHz以上的频率下其低质量导致的。当谐振器通过HARPSS或BOSCH工艺制造时尤其如此，因为它一旦侧向限定，向下切割(under-cutting)宽的机械结构成为问题。就功率处理来说，基于延伸模式的盘是有希望的。US6,856,217B 1公开了一种微机械谐振器装置，所述谐振器装置基于经向或侧向振动的盘结构，并且能够在远大于100MHz的频率处振动。盘的中心为节点，所以当盘谐振器在其中心受到支撑时，到衬底的锚耗散减至最小，允许这种设计在高频处保持高Q值。此外，这种设计在高频处保持高的硬度，因此最大化了动态程围。此外，该盘谐振器的侧壁表面面积通常比先前的弯曲模式谐振器设计中可得到的更大。当在给定的频率下使用电容(或静电)转换时，允许该盘设计以获得比其对应部分小的串联动态电阻。这种谐振器 获得的频率和动态范围使得其适用于各种通信系统中的高Q值RF滤波和振荡器应用。其尺寸也使得它特别适用于便携式、无线应用，其中如果大量使用，这种谐振器能极大地降低功耗、增加鲁棒性、并且延伸高性能无钱收发机的应用范围。US6,856,217B1没有公开单晶硅MEMS谐振器。
现有的MEMS谐振器的一个缺点是当在廉价的体衬底制造时，该MEMS谐振器不适用于10-50MHz范围内的频率。为获得在10-50MHz范围内的频率，需要非常大的盘谐振器面积。于是，不能再使用类似HARPSS或BOSCH的用于制造MEMS谐振器的工艺。下述公开物公开了HARPSS工艺：Siavash Pourkamali，et.al.“High-Q Single Crystal Silicon HARPSS CapacitiveBeam Resonators With Self-Aligned Sub-100-nm Transduction Gaps”，Journal ofMicroelectromechanical Systems，Vol.12，No.4，Aug.2003，p.487-496。
本发明的一个目的是提供一种改进的MEMS谐振器和制造这种MEMS谐振器的改进方法。
发明内容
本发明通过独立权利要求限定，从属权利要求限定有益的实施例。
本发明提供一种具有至少一种谐振器模式形状的MEMS谐振器，其包括具有表面(12)的衬底(2)和谐振器结构(1)，谐振器结构(1)为衬底(2)的一部分，并且谐振器结构(1)由第一闭合沟槽(3)和第二闭合沟槽(3)限定，第一沟槽(3)位于所述第二沟槽(3)内，以便在所述衬底(2)内形成管状结构(1)，并且仅沿与表面(12)平行的方向从所述衬底(2)释放所述谐振器结构(1)。
实现本发明的目的在于谐振器结构为衬底的一部分，并且本发明的又一特征在于谐振器由第一闭合沟槽和第二闭合沟槽限定，第一沟槽位于第二沟槽内，以便在衬底内形成管状结构，并且仅沿与表面平行的方向从所述衬底释放谐振器结构。根据本发明的MEMS谐振器通过两个闭合沟槽形成，因此提供在非常廉价的衬底内制造的非常简单的结构。在谐振器结构下不再如绝缘体上硅中的情况那样需要任何牺牲层，这意味着能在体衬底中制造MEMS谐振器。需要的仅是形成两个闭合沟槽，一个沟槽在另一沟槽内，这导致管状结构。另外，管状结构导致比盘结构低的硬度，这导致减小了用于给定频率的尺寸。
根据本发明的MEMS谐振器提供额外的益处。首先，管状结构以更好的方式提供调整谐振器的电特性的机会。与具有依赖于厚度、长度和半径的频率的束和盘谐振器相比，管频率可以通过改变管的长度、尺寸(外部沟槽的半径/宽度)或厚度(外部沟槽和内部沟槽之间的距离)调整。
此外，管可设计为具有任何希望的长度。因此，管的侧壁面积可以设计为在与在SOI晶片中制造的等效盘相同或更大的范围内。另外，由于谐振器的闭合形状，使得其更刚硬，管的侧壁面积比制造在SOI晶片中或使用HARPSS或BOSCH工艺制造的等效束谐振器的侧壁面积大得多。这样的结果是驱动电极也可具有更大的面积，这导致装置的较低的动态电阻。
制造根据本发明的MEMS谐振器的方法与类似PICS工艺的多种常规工艺兼容。相反，US6,856,217B1公开了一种制造MEMS谐振器的复杂方法，该方法包括在衬底上的层沉积步骤、图形化层步骤和选择去除步骤的组合，以产生用于MEMS谐振器的可移动元件。这种工艺与类似PICS工艺的大多数常规工艺不兼容。
根据本发明的MEMS谐振器的有益实施例的特征在于衬底为单晶硅衬底。与多晶硅相比，由于其低的内部摩擦和由此而来的较高的机械品质因子、低的内部应力和对各种工艺参数独立性，单晶硅为更有吸引力的材料。因此，可以实现MEMS谐振器的改进性能。
根据本发明的MEMS谐振器的又一实施例的特征在于第一闭合沟槽和第二闭合沟槽具有环形形状，以便形成环形管状结构。盘和由此形成的环形管状结构提供了MEMS谐振器的良好的功率处理。此外，在多数工艺中，环形形状容易制造。
在根据本发明的MEMS谐振器的最后提及的实施例的改进中，第一闭合沟槽和第二闭合沟槽彼此之间同心地设置，以便按照以下方式形成所述营状结构，使得在所有与表面平行的半径方向中具有恒定厚度管状结构.在该实施例中，管的所有直径方向中的厚度为恒定值，作为这样的结果，在沿那些方向衬底的杨氏模量(Young′s modulus)相间的情况下，该实施例对于制造窄频带谐振器(通常，使用在谐振器中)是有益的。
优选地，管状结构的高度(所述高度由所述第一和第二闭合沟槽的深度限定)是管状结构的厚度的两倍多。在该实施例中，谐振频率落入某些无线应用(例如，10MHz至50MHz)需要的频率。高度与厚度的比率越大，谐振频率越低。此处应指出，制造现有的盘谐振器，使得其在那些频率谐振不是很有吸引力的。这种盘谐振器的面积将变得太大。
根据本发明的MEMS谐振器的替代实施例的特征在于第一和第二闭合沟道为非环形的，以便形成具有在与表面平行的半径方向的变化厚度的管状结构，该结构用于补偿沿所述方向上衬底材料的杨氏模量中的差异。在该实施例中，与表面平行的径向方向的厚度变化可用于补偿那些方向中衬底的杨氏模量变化。作为替代，这种变化可用于产生用在MEMS滤波器中的谐振频率带。
在根据本发明的MEMS谐振器的又一实施例中，驱动电极位于所述闭合沟槽之一的侧壁上，所述驱动电极配置用于驱动谐振器。有利地，所述驱动电极用于驱动MEMS谐振器的模式形状，众所周知，这种结构公知为单端微机械谐振器。
在所述实施例的有益改进中，驱动电极沿所述闭合沟槽的全部长度配置。在该实施例中，振动模式是这样的：所述管在整个周长同时地膨胀和收缩。这种模式形状也称为径向模式。
在MEMS谐振器的一些实施例中，所述驱动电极也配置用于感测所述谐振器的运动。有利地，这些实施例节约面积，因为不需要分离的感测电极。
作为替代，在再一实施例中，感测电极位于所述闭合沟槽的另一个的侧壁上。众所周知，这种配置作为双端微机械谐振器。由于偏置电压可以直接施加到谐振器本身，该实施例不需要不复杂的调整电子设备。双端结构的又一益处是电极到谐振器的电容不再将输入连接到输出，以这种方式，较好地将输入与输出绝缘。
本发明还涉及制造MEMS谐振器的方法，根据本发明的方法包括以下步骤：
配置具有表面的衬底；
在衬底中形成第一闭合沟槽；
在衬底中形成第二闭合沟槽，第二闭合沟槽包围第一闭合沟槽，以便形成管状结构；
将掺杂剂原子注入到衬底中，用于使谐振器结构导电，并且用于限定电极；
在衬底上和所述沟槽的所有侧壁上的配置电介质层；
在衬底上和所述沟槽中配置导电层；
图形化所述导电层，使得在局部暴露电介质层的管状结构处形成开口，图形化进一步使得形成第一沟槽内的分离内电极和第二沟槽内的分离外电极；
选择性地从开口部分地去除电介质层以形成所述内电极和管状结构之间的第一间隙，并且形成所述外电极和管状结构之间的第二间隙。
根据本发明的制造方法提供了形成具有管状结构的MEMS谐振器的便利方法。
本发明还涉及包括根据本发明的MEMS谐振器的MEMS振荡器。这种MEMS振荡器的益处是它具有低的相位噪声，并且提供了由于其低成本和减小的尺寸导致的高集成度。
本发明还涉及包括这种MEMS振荡器的集成电路。这种集成电路的益处是振荡器可与无源和/或有源组件同时制造，而不需要昂贵的衬底或昂贵的额外制造步骤。
因此，根据本发明的MEMS谐振器允许单片集成MEMS谐振器相对直接的集成。
本发明还涉及包括单个MEMS谐振器的MEMS滤波器。因为已经反映用于形成频率带滤波器的分离的MEMS谐振器的连接过多，这种MEMS滤波器不比已知的MEMS滤波器更复杂。因此，使用单个MEMS谐振器节约了成本。
作为替代，本发明涉及包括多个MEMS谐振器的MEMS滤波器，其中MEMS谐振器导电地或机械地连接。
任何额外的特征可以组合一起，并且可以与任何方面相组合。其它益处对于本领域技术人员是显而易见的。在不偏离本发明的权利要求的情况下，可以做出大量的变型和改进。因此，应清楚理解本说明仅为示意性的，并非限制本发明的范围。
附图说明
现在参考附图作为示例说明如何实施本发明，其中
图1a-1e示出了根据本发明的一个实施例制造MEMS谐振器的方法的不同阶段；
图2a和2b示出了处于振荡中的管状MEMS谐振器的第一实施例的仿真状态；
图3a和3b示出了将分离MEMS谐振器耦合在一起的两种不同方式；
图4a和4b示出了处于振荡中的管状MEMS谐振器的第二实施例的仿真状态；以及
图5a和5b示出了处于振荡中的管状MEMS谐振器的第三实施例的仿真状态。
具体实施方式
参考某些附图和根据特定实施例说明本发明，但本发明并不由此限制，而是仅限于权利要求。不应认为权利要求中的任何参考标记限制范围。描述的附图仅为示意性的，而不是限制性的，在附图中，为了示例的目的，夸大了某些元件的尺寸，并且并非等比例绘制。在本发明的说明书和权利要求中使用术语“包括”的地方，并不排除其它元件或步骤。在其中使用不确定或确定的条款的地方，当指单个名词(例如，“一个”，“这”)时，除非另有说明，这包括多个该名词。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三和类似词语用作在类似元件之间区分，并不必用于说明次序或时序。应当理解，在适当的条件下这样使用的术语可以互换，此处说明的实施例可以以其它次序(并非此处说明的次序)操作。
图1a-1e示出了制造根据本发明的MEMS谐振器的方法的有益实施例，每幅图示出了三个不同视图的不同阶段，分别为：平面截面图A-A、垂直截面图B-B和顶视图。这些图中所示方法具有以西安主要益处：不仅提供了非常简单的MEMS谐振器结构，并且与已知的工艺(所谓的PICS工艺)完全兼容。能够在具有对工艺很小改进的PICS工艺中制造MEMS谐振器，比如选择性地部分去除用于形成谐振器和电极之间的间隙的电介质层。PICS工艺对于本领域的技术人员是众所周知的，也可参考F.Roozeboom，et.，“More than′Moore′:towards passive andSystem-in-Packageintegration”，Electrochem.Soc.Symp.Proc，Vol.2005-8，June2，p.16-31。
应指出，本发明不限于图1a-1e所示的方法的实施例。多种变型是可能的。
图1a示出了根据本发明的方法的实施例的一个阶段。在该阶段中，谐振器结构1垂直地限定在具有顶部表面12的单晶硅衬底2中。这借助刻蚀两个闭合沟槽3的方式实现，其中一个闭合沟槽在另一个闭合沟槽的旁边。在该特定实例中，沟槽都是环形，并且彼此之间同心地设置，但也可能是其它形状和非同心设置。衬底不需要是单晶硅衬底。然而，单晶硅衬底提供比多晶硅硅衬底低的内部摩擦和高的机械品质因子。作为本发明最大的益处是能够使用任何类型的衬底。甚至能够使用超廉价的体衬底。在该说明书中，将体衬底限定为不具有任何不同材料(例如，氧化层)层的衬底和具有不同材料层(例如，图形化的或未图形化的)、具有不同结构(例如，外延层)层或具有不同掺杂(例如，阱区域)层的衬底。
图1b示出了根据本发明的方法的实施例的另一阶段。在该阶段中，掺杂硅衬底2以在谐振器结构1上形成导电层4，所述导电层4限定MEMS谐振器结构的电极。可以如此选择掺杂，使得形成(重掺杂)n型导电层4。为此目的，可以使用硼原子。显然，也能够使用类似磷和砷的p型掺杂剂，这最终导致p型导电层4。
图1c示出了根据本发明的方法的实施例的又一阶段。在该阶段中，用薄电介质膜5和多晶硅层6填充沟槽3。然后，图形化多晶硅层6，用 于限定驱动和感测电极8，从而形成暴露下面电介质层5的环形开口7。电介质层5可包括类似氧化硅、氮化硅、聚酰胺和其它聚合物的材料。电介质层5甚至可包括不同材料的叠层，例如，与PICS工艺完全兼容的氧化硅/氮化硅/氧化硅叠层。多晶硅层6可为掺杂的多晶硅层(n型或p型)。多晶硅层可由多晶硅锗层或金属层代替。
图1d示出了根据本发明的方法的实施例的再一阶段。在该阶段中，在驱动和感测电极8上形成接触9。而且形成到导电层4的接触10。在形成该接触10之前，局部去除薄电介质膜5，以便实现接触10和导电层4之间的电接触。接触可包括不同材料，例如，铝、钨、金、铜、重掺杂多晶硅或多晶硅锗。
图1e示出了根据本发明的方法的实施例的又一阶段。在该阶段中，在所述结构上配置掩模(图中未示出)并且图形化掩模，使得覆盖至少包围电极8外部的薄电介质膜5。接下来，通过多晶硅层6中的开口7选择性地去除部分薄电介质膜5。应在这段时间期间执行选择性的去除，所述这段时间为从至少向下到沟槽3的底部的管状谐振器结构的一边上去除薄电介质膜5的时间段。因此，在该选择性去除期间，(在管状谐振器结构1的两边形成环形)空气间隙11，作为它的结果，在沿与起始顶部表面12平行的方向上释放结构。最终，在该阶段的结尾去除掩模。
如果去除花费多一点时间以便去除更多的电介质膜5的是没有关系的，因为这仅意味着接近沟槽底部的电极的那部分将在其两边释放。
选择性(部分)地去除层对于技术人员是众所周知的技术，并且例如可以使用类似湿法刻蚀步骤执行。然而，其它技术也是可能的。
制造图1a-1e所示的MEMS谐振器的方法仅作为根据本发明的方法的一个实施例。所示的工艺与PICS工艺兼容，但本发明的范围内的多个变形是可能的(显而易见，使工艺与PICS工艺较不兼容)。例如，沟槽3的可能是不同的形状，例如，椭圆、正方形、三角形、矩形和其它形状。沟槽3的这些不同形状将导致谐振器结构的不同形状。可利用谐振器结构1的这些不同形状来补偿材料的杨氏模量中的差异(沿不同方向)，或产生其中MEMS谐振器能用作滤波器的频率带。这是可能的， 甚至不需要改变PICS工艺。
在该特定实例中，外部电极为输入/驱动电极IN，并且内部电极为输出/感测电极OUT。与导电层4连接的第三电极为偏置电极VBIAS。MEMS谐振器的支撑结构(也称为锚)由管状结构的底部限定，所述管状结构附加到衬底2。
借助仿真，使用计算和模式分析已经证明管状MEMS谐振器的可行性。建模和仿真的谐振器包括固定在其底部的谐振器结构1、包围谐振器结构1的外部表面的电极8和可能的面向谐振器结构1的内部表面的另一电极8。在该特定应用中，管状结构1的规格选择如下：
管状结构的高度＝30μm；
管状结构的厚度＝10μm；
管状结构的平均半径＝55μm；以及
空气间隙厚度(在每个电极和管状结构之间)＝35nm。
管状结构1的厚度限定在沿着与图1a中的表面12平行的所有径向方向上。换言之，与表面12平行和与管状结构1垂直的方向。
管状MEMS谐振器工作如下。当在管状结构1的外部电极IN和电极VBIAS之间施加电压时，在管状结构1的外部表面上产生径向力，所述力趋向于沿所有径向方向延伸管状结构1。因此，我们驱动的振动模式是所述管上部分的膨胀和收缩。可使用另一电极(OUT)来感测振荡结构1的运动。
应指出，模式形状为与所述管平行的方向的轴的函数。在邻近谐振器结构1的底部(也称为锚13)，延伸/收缩为最小(在锚13处接近零)，而在邻近谐振器结构1的顶部处，延伸/收缩为最大。实际上，管状谐振器结构1的这种模形式可看作谐振器结构1的延伸的、径向的(在平行于表面12的平面上)、弯曲的模式形状(？)的组合。在电极不完全包围谐振器结构的情况下，甚至谐振器结构的轮廓修改也是可行的。在下面的参考文献中可找到关于谐振器的轮廓修改的更多信息：ZhiliHao，et.al.“VHF Single-Crystal Silicon EllipticBulk-Mode CapacitiveDisc Resonators---Part I：Design and Modeling”，Journal ofMicroelectromechanical Systems，Vol.13，No.6，Dec.2004，p.1043-1053。
为了示范谐振器的可行性，已经使用FEA软件工具“ANSYS”。构造的模型基于下面的常量/参数：
表1：用于仿真和计算的常量/参数
常量/参数 符号 值
杨氏模量 E 150GPa
次泊松比 V 0.3
密度 ρ 2330kg/m3
自由空间介电常数 ε0 8.854e-12F/m
相对介电常数 εr 1
管高度 L 30μm
管厚度 T 10μm
管平均半径 R 55μm
空气间隙厚度 d 35nm
平均管半径定义为管状结构的内部半径(该实例中为50μm)和外部半径(该实例中为60μm)的平均值。
模式分析显示出用于考虑的尺寸和振动模式的频率为26.5MHz。图2a和2b示出了振荡中的该管状MEMS谐振器的仿真状态。图中没有示出电极。
理论和ANSYS仿真显示出当管的高度或其半径增长时，MEMS谐振器的谐振频率减小，但是它随着管的宽度增长而增长。因此，可以通过改变尺寸调节谐振。然而，高度为宽度的至少两倍至三倍是必需的。
对于这种类型的MEMS谐振器，可推导功率处理和动态电阻。功率处理Pmax推导如下：
P max = ω 0 · k r · X max 2 Q
其中ω0、kr、Xmax、和Q分别为角谐振频率、相对硬度、最大振幅和品质因子。
使用该公式，可以如下估计功率处理。相对最大振幅Xmax固定为 10nm，品质因子Q固定为4000。将这些数字代入公式，得出功率处理Pmax＝20μW。该值作为迄今为止文献中找到振幅的相同数量级中的最好结果。
动态电阻Rx推导如下：
R x = ω 0 · m r Q · η 2
其中mr和η分别为相对质量和机电耦合系数。
机电耦合系数等于：
η = ϵ 0 · ϵ r · V p 2 π ( R + T / 2 ) L d 2
其中Vp，ε0，εr，L，T，R，d分别为极化电压、自由空间介电常数、相对介电常数、管高度、管厚度、管平均半径和空气间隙厚度。
结构质量根据下述公式估计：
mr＝ρ·2·π·R·T·L
其中ρ，L，T，R分别为密度、管高度、管厚度、管平均半径。
极化电压Vp估计为1伏特。将这些数字代入用于计算动态电阻Rx的公式中，得出其值为1.5kΩ。该值作为迄今为止文献中找到振幅的相同数量级中的最好结果。
本领域的技术人员可以通过调节管半径R、管厚度T及其高度L优化动态电阻Rx和功率处理Pmax。
图3a和3b示出了机械互相耦合两个谐振器的两种不同方式的示意性顶视图。耦合多个谐振器通常用来产生滤波器。在这种情况下，将每个谐振器滤波器设计为滤波其自己的频率或频率带。图3a和3b中仅示出(示意性)了谐振器结构。在图3a中提供了互相贴近的第一谐振器结构1和第二谐振器结构1′，其中机械连接装置15连接这两个结构。在图3a中，谐振器结构绘制为具有相同尺寸，但这非必须的。实际上，第二谐振器结构1′的所有参数可与第一谐振器结构1不同，以便确认第二谐振器结构在不同的频率处振荡/滤波。在图3b中，第一谐振器结构1和第二谐振器结构1′的一个配置在另一个里面，并且通过机械连接装置15互相连接。
作为机械连接的替代，已实现了多个谐振器的电连接。机械连接和电连接均为本领域技术人员众所周知，参见Siavash Pourkamali，et al.“Electrostatically coupled micromechanical beam filters”，Micro17thIEEE International Conference on Electro Mechanical Systems，2004，p.584-587，和Frank D.Bannon，III，et al.“High-Q HFMicroelectromechanical Filters”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.35，No.4，April2000，p.512-526。
图4a和4b示出了振荡中的管状MEMS谐振器的第二实施例的仿真的状态。在该实施例中，谐振器以与另一本征模式对应的另一模式形状操作。作为实例，对该模式形状的谐振器敏感度可以通过设计电极(未示出)使得其不完全包围结构来驱动。作为替代，所述电极分开，并且配置在管状结构的两个相对边上。沿一个方向(例如，图4a中的X方向)，管状结构膨胀，而沿另一方向(例如，图4a中的Y方向)管状结构收缩，形成图4a所示的椭圆模式形状。然后，管状结构将沿一个方向(图4b中的X方向)收缩，并且沿另一反方向(图4b中的Y方向)膨胀，形成图4b中所示的反椭圆模式形状。
图5a和5b示出了振荡中的管状MEMS谐振器的第三实施例的仿真状态。在该实施例中，谐振器以与另一本征模式对应的另一模式形状操作。作为实例，对该模式形状的谐振器敏感度可以通过设计电极(未示出)使得其不完全包围结构驱动。作为替代，配置三个驱动电极，以便分布在管状结构周围相等的距离处。在一个状态中(参考图5a)，沿电极配置处的方向管状结构膨胀，而沿另一方向(在这些电极之间)管状结构收缩。在另一状态中(参考图5b)，管状结构的膨胀和收缩正好相反。
因此，本发明提供了一种有吸引力的MEMS谐振器，所述MEMS谐振器具有(在功率处理和动态电阻方面)与文献中报导的最好数值相当的性能。
当MEMS谐振器制造在体衬底中时，根据本发明的MEMS谐振器的一些实施例特别地适用于10-50MHz范围内的频率。同时，这些实施例维持好的性能(高的功率处理和低的动态电阻)。
本发明还提供了一种制造这种MEMS谐振器的方法，所述方法能容易地与类似PICS的工艺工艺兼容。
虽然在权利要求中使用术语MEMS谐振器装置，本发明并不是仅限于谐振器和振荡器。谐振器装置也能应用在MEMS滤波器装置中。

Claims (12)

1.一种具有至少一种谐振器模式形状的MEMS谐振器，所述MEMS谐振器包括具有表面(12)的衬底(2)和谐振器结构(1)，其特征在于，所述谐振器结构(1)为衬底(2)的一部分，并且其特征还在于所述谐振器结构(1)由第一闭合沟槽(3)和第二闭合沟槽(3)限定，所述第一沟槽(3)位于所述第二沟槽(3)内，以便在所述衬底(2)内形成管状结构(1)，并且仅沿与表面(12)平行的方向从所述衬底(2)释放所述谐振器结构(1)。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第一闭合沟槽(3)和所述第二闭合沟槽(3)具有环形形状，以便形成环形管状结构(1)。
3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第一闭合沟槽(3)和所述第二闭合沟槽(3)彼此之间同心设置，以便按照以下方式形成管状结构(1)，使得所述管状结构(1)在沿与所述表面(12)平行的所有径向方向上具有恒定的厚度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述管状结构(1)的高度大于管状结构(1)厚度的两倍，所述高度由所述第一和第二闭合沟槽(3)的深度限定。
5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第一和第二闭合沟槽(3)为非环形，以便形成具有在沿与表面(12)平行的径向方向上变化的厚度的管状结构(1)，用于补偿沿所述方向所述衬底材料的杨氏模量中的差异。
6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，驱动电极(8，IN)位于所述闭合沟槽(3)之一的侧壁上，所述驱动电极(8，IN)配置用于驱动所述谐振器。
7.根据权利要求6所述的MEMS谐振器，其特征在于，沿所述闭合沟槽(3)之一的整个长度配置驱动电极(8，IN)。
8.根据权利要求6或7所述的MEMS谐振器，其特征在于，还将感测电极(8，OUT)配置用于感测所述谐振器的运动。
9.根据权利要求6或7所述的MEMS谐振器，其特征在于，感测电极(8，OUT)位于所述闭合沟槽(3)中的另一个的侧壁上。
10.一种制造具有至少一种模式形状的MEMS谐振器的方法，所述方法包括以下步骤：
配置具有表面(12)的衬底(2)；
在衬底(2)中形成第一闭合沟槽(3)；
在衬底(2)中形成第二闭合沟槽(3)，所述第二闭合沟槽(3)包围所述第一闭合沟槽(3)以便形成管状结构(1)；
将掺杂剂原子注入到衬底(2)中，用于使谐振器结构(3)导电，并且用于限定电极(VBIAS)；
在衬底(2)上和所述第一和第二闭合沟槽(3)的所有侧壁上配置电介质层(5)；
在衬底(2)上和所述第一和第二闭合沟槽(3)中配置导电层(6)；
图形化所述导电层(6)，使得开口(7)形成在局部暴露所述电介质层(5)的管状结构(1)的位置处，图形化进一步使得形成第一沟槽(3)内的分离内电极(8，OUT)和第二沟槽(3)内的分离外电极(8，IN)；
从开口(6)选择性地部分去除电介质层(5)，用于形成所述内电极(8，OUT)和管状结构(1)之间的第一间隙(11)，并且形成所述外电极(8，IN)和管状结构(1)之间的第二间隙(11)。
11.一种MEMS振荡器，包括权利要求1至9中任一项所述的MEMS谐振器。
12.一种MEMS滤波器，包括权利要求1至9中任一项所述的单个MEMS谐振器。 
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7907035B2 (en) * 2007-12-18 2011-03-15 Robert Bosch Gmbh MEMS resonator array structure and method of operating and using same
EP2347506B1 (en) 2008-10-14 2013-01-09 Nxp B.V. Frame-shaped mems piezoresistive resonator
US8040207B2 (en) 2009-01-15 2011-10-18 Infineon Technologies Ag MEMS resonator devices with a plurality of mass elements formed thereon
FI20096201A0 (fi) * 2009-11-19 2009-11-19 Valtion Teknillinen Massa-aaltoresonaattori ja menetelmä sen valmistamiseksi
CN101984557B (zh) * 2010-11-03 2012-11-21 中国科学院半导体研究所 基于谐振原理工作的mems滤波器模块
FI126586B (fi) * 2011-02-17 2017-02-28 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Uudet mikromekaaniset laitteet
US9991868B1 (en) * 2014-04-14 2018-06-05 Hrl Laboratories, Llc Micro-resonator having lid-integrated electrode
CN104202011A (zh) * 2014-08-29 2014-12-10 电子科技大学 基于绝缘材料振动块的mems谐振器
US9866200B2 (en) 2014-10-22 2018-01-09 Microchip Technology Incorporated Multiple coil spring MEMS resonator
US9923545B2 (en) 2014-10-22 2018-03-20 Microchip Technology Incorporated Compound spring MEMS resonators for frequency and timing generation
WO2016171772A1 (en) * 2015-04-21 2016-10-27 Massachusetts Institute Of Technology Dual trench deep trench-based unreleased mems resonators
CN105306003B (zh) * 2015-11-20 2017-12-22 中国科学院半导体研究所 环形检测电极面内伸缩谐振器设计及其制备方法
WO2019050517A1 (en) * 2017-09-07 2019-03-14 Georgia Tech Research Corporation HIGH CORIOLIS COUPLING TUBING / ROLLING GYROSCOPE DISCHARGED FROM THE SUBSTRATE
CN109376373B (zh) * 2018-08-30 2020-09-18 西安电子科技大学 一种耦合谐振滤波器的构建方法
CN114301406B (zh) * 2021-12-29 2024-04-02 苏州达波新材科技有限公司 空腔型压电单晶体声波谐振器及其制备方法
CN116488609B (zh) * 2023-06-20 2023-09-19 麦斯塔微电子(深圳)有限公司 微机电系统谐振器
CN116545382B (zh) * 2023-07-07 2023-10-31 麦斯塔微电子(深圳)有限公司 Mems振荡器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1475856A1 (en) * 2002-02-13 2004-11-10 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Micromachine vibration filter
CN1610253A (zh) * 2003-10-22 2005-04-27 精工爱普生株式会社 压电谐振器的制造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3634787A (en) * 1968-01-23 1972-01-11 Westinghouse Electric Corp Electromechanical tuning apparatus particularly for microelectronic components
US6136630A (en) * 1998-06-04 2000-10-24 The Regents Of The University Of Michigan Method of making a micromechanical device from a single crystal semiconductor substrate and monolithic sensor formed thereby
DE19852878B4 (de) 1998-11-16 2009-11-12 Infineon Technologies Ag Mikromechanisches Bauelement und Herstellungsverfahren hierfür
US6275122B1 (en) * 1999-08-17 2001-08-14 International Business Machines Corporation Encapsulated MEMS band-pass filter for integrated circuits
US6628177B2 (en) 2000-08-24 2003-09-30 The Regents Of The University Of Michigan Micromechanical resonator device and micromechanical device utilizing same
US7023065B2 (en) * 2002-08-07 2006-04-04 Georgia Tech Research Corporation Capacitive resonators and methods of fabrication
US6985051B2 (en) * 2002-12-17 2006-01-10 The Regents Of The University Of Michigan Micromechanical resonator device and method of making a micromechanical device
WO2005074502A2 (en) * 2004-01-21 2005-08-18 The Regents Of The University Of Michigan High-q micromechanical resonator devices and filters utilizing same
US7323952B2 (en) * 2005-09-02 2008-01-29 Robert Bosch Gmbh Breath-mode ring resonator structure, and method of designing, operating and using same
US7633360B2 (en) * 2005-09-27 2009-12-15 Analog Devices, Inc. MEMS resonator having an inner element and an outer element that flex
WO2007056277A2 (en) * 2005-11-04 2007-05-18 Cornell Research Foundation, Inc. Dielectrically transduced single-ended to differential mems filter

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1475856A1 (en) * 2002-02-13 2004-11-10 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Micromachine vibration filter
CN1610253A (zh) * 2003-10-22 2005-04-27 精工爱普生株式会社 压电谐振器的制造方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
》.2002,第12卷(第9-10期),1185-1199. *
Farrokh ayazi.The HARPASS process for fabrication of precision MEMS inertial sensors.《mechatronics&gt *
Farrokh ayazi.The HARPASS process for fabrication of precision MEMS inertial sensors.《mechatronics>》.2002,第12卷(第9-10期),1185-1199.

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Publication number Publication date
ATE441974T1 (de) 2009-09-15
WO2007102130A3 (en) 2007-11-15
US7839239B2 (en) 2010-11-23
WO2007102130A2 (en) 2007-09-13
US20100156569A1 (en) 2010-06-24
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EP1997225A2 (en) 2008-12-03
DE602007002284D1 (de) 2009-10-15
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