CN102868383B - Mems谐振器 - Google Patents

Abstract

一种MEMS谐振器，具有以闭环的形式锚定在所述环周围点上的谐振器块。一组环梳齿电极结构被固定在所述环上锚定点之间的位置，以便耦合去向/来自所述谐振器块的输入(驱动)和输出(感测)信号。

Description

MEMS谐振器

技术领域

本发明涉及MEMS谐振器。

背景技术

MEMS谐振器有望取代高精度振荡器中庞大并且昂贵的石英晶体。所述振荡器广泛地用于计时和频率基准应用，诸如实时时钟、手机中的RF模块、包含蓝牙模块的设备、USB模块以及其他数字和电信设备。MEMS振荡器提供小尺寸、低成本和潜在的高集成水平。一些最初的MEMS振荡器产品最近已经商业化。

MEMS振荡器基本上包括MEMS谐振器和外部放大器电路。这两个部分可以存在于相同封装中的两个独立管芯中，或者可以集成到相同的管芯中。所述MEMS谐振器由硅质量弹簧系统组成，可以激励所述质量弹簧系统进入机械谐振振动，并且意味着感测这个振动并且将它转换成电信号。将所述电信号馈送至放大器电路。这个电路基本上由增益放大器和移相器组成。将所述放大器的输出反馈到所述谐振器的激励一侧。如果所述总的回路增益大于1并且所述回路相移为0，那么可以在所述回路内维持所述振荡。所述振荡器的输出频率由所述MEMS谐振频率保持稳定。

存在多种MEMS谐振器。三种最常见类型的MEMS谐振器是电容谐振器、压电谐振器和压阻谐振器。从应用的角度来看，存在两个感兴趣的频率范围：MHz和kHz。例如，输出信号在MHz范围(典型地从10MHz到几百MHz)的振荡器可以应用在USB、以太网、视频和音频电路。工作在kHz范围(典型地32kHz到几百kHz)的振荡器可用于实时时钟(RTC)电路、低速串行I/O等。

对于MHz范围，压阻谐振器具有较低相位噪声的好处。在kHz频率范围，由于通常需要超低功率(例如用于实时时钟)，电容原理是较好的选择。

在电容MEMS谐振器中，所述谐振结构由在所述致动间隙(actuation gap)上作用的静电力激励。所述静电激励可以基于平行板(parallel-plate)原理或者梳齿驱动(comb-drive)原理。为了感测所述结构的振动，由感测间隙(有时也会是相同的致动间隙)分离的所述结构与固定电极之间电容变化用作输出信号。为了感测所述电容变化，在所述结构和所述感测电极之间施加DC电压。所述电容变化将自己显现在流经所述感测间隙的AC电流中，所述电流被称作动态电流(motionalcurrent)。

为了保证良好的性能，所述谐振器应当实现足够的信噪比(SNR)，所述信噪比与所述动态电流Im成比例：

$I_m=\mathrm{\η}\frac{\∂x}{\∂t}=\mathrm{\η}{\mathrm{\ω}}_0{x}_0\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t---\left(1\right)$

其中，x和x0分别是位移和振幅。ω0是谐振频率，t是时间，以及η是机电耦合系数，所述η依赖于所述间隙上的DC偏置电压、间隙尺寸、电极面积等。

从公式(1)可以看出，所述动态电流与谐振频率与振幅的乘积成比例。不幸地是，对于本发明主要感兴趣的低频谐振器，由于ω0数值小，Im可以是相当小的。

然而，通过利用大振幅x0激励所述设备能够补偿这一点。此外，所述信噪比(SNR)也由所述谐振器的功率容量(power handling)确定，所述功率容量是在每个周期上存储在所述系统中的最大能量。所述存储能量可被表示为：

$E_{\max }=(1/2)k_{\mathrm{eff}}{x}_0^2---\left(2\right)$

其中，keff是所述谐振器的有效弹簧刚度。对于低频谐振器，keff通常是非常小的，因此Emax可能也小。对于低频谐振器，具有大振幅是非常重要的。

对于大振幅，平行板激励不是好的选择，因为小的致动间隙限制了振幅，并且当振幅大时所述致动力是高度非线性的。已知，对于线性致动力和大振幅，可以使用梳齿驱动结构。一种非常常见的低频谐振器设计是带有梳齿驱动的梭型结构(shuttle structure)。

图1示出了一种如US5025346所公开的梭型谐振器。

所述谐振器主体由连接了在图1的左侧和右侧示出的两个梳齿10、12的小棒组成。所述主体由四折梁14、16支撑，即它们形成U形形状并且所述翼翅(limb)可以向左和向右倾斜。这些梁被锚定到固定的衬底18上。所述谐振器的主体是独立的并且能够围绕中心静止位置向左和向右摆动。在一些情况下(未示出)，所述梁可以是夹在在两个锚定器(anchor)上的直梁。所述梁的数量可以从2、4到大于4变化。

所述梳齿具有多个交叉指状物。它们与电极交叉，所述电极被固定在衬底上并且具有指状电极阵列19。所述两个固定电极与外界连接作为所述输入和输出(图1中的“IN”和“OUT”)。

在正常工作中，在所述输入处施加DC和AC电压(Vdc和Vac)的组合，相对于在锚定器处接地的梭型结构。电压的这种组合形成了横跨在所述输入电极交叉指状物上的AC力，所述力造成梭型振动。所述AC力与Vac与Vdc的乘积成比例。

如果所述电压Vac的频率以及因此所述致动力的频率等于所述梭型的自然频率，则发生谐振并且将所述梭型驱动至最大振幅。为了感测所述振动，在所述输出与接地结构之间施加DC电压。作为输出电极处的移动指状物与固定指状物之间电容变化的结果，在所述输出电路中出现AC移动电流，所述电流可被读出电路感测。

这种设计基本上有两个问题：

(1)低Q因子：所述Q因子由振动周期期间的机械能损耗确定。损耗越低，谐振器的Q因子越高。如图1所示的设计具有不对称的谐振模式形状，因为在除了静止位置之外的任何位置上，所述结构相对于锚定点(anchor point)都不是对称的。这导致通过锚定器的大量机械损耗，因为在振动期间，所述梭型主体不断地在所述锚定器上施加不对称应力。

本领域普通技术人员应当知道，良好的谐振器设计应当具有对称的谐振模式形状或者具有附着在所述谐振器主体波节点(nodal point)上的锚定器。所述波节点是在振动期间(实质上)不移动的点。

(2)非线性：可以将谐振器建模成质量弹簧系统。在理想的情况下，所述弹簧应当是线性的，这意味着其刚度k是与振幅无关的常数。然而实际上，通常不是这种情况：所述刚度是振幅的函数。存在非线性弹簧刚度的三个不同的来源：弹簧的构造、材料的非线性和源自致动力(通常是静电力)的电学非线性。材料的非线性总是存在的，并且没有什么可以做的来避免它，除非通过选择正确的晶体取向来使它最小化。与所述平行板致动相比，所述梳齿驱动结构固有地提供了相当线性的力。对梭型谐振器中非线性的最大贡献是梁结构，所述梁结构将所述谐振器与所述锚定点相连。可以将折叠梁的回复力建模成位移x的多项式函数：

F(x)＝k₁x+k₃x³；(3)

其中，k₁和k₃是线性刚度项和立方刚度项。对于折叠梁，k₃是正的，意味着所述弹簧在大振幅下变得更硬。因此在大振幅下，(振幅-频率响应曲线的)谐振峰不再是对称的。

在图2中示出了非线性行为的典型示例。该导纳-频率图是在具有35kHz的谐振频率的梭型谐振器上测量到的实际响应曲线。箭头示出了在频率向上扫描和频率向下扫描期间信号扫描的方向。

在大振幅下的谐振峰变得向较高频率倾斜并且在谐振附近存在大的跳跃。如果所述频率是上下扫描，则在所述向上扫描和向下扫描曲线之间存在滞后。这是弹簧立方非线性的典型示例。

在振荡器中应当避免所述谐振器的非线性。过去已经公知的是对于基于石英的振荡器，所述非线性行为是几乎所有的频率不稳定性、谐波产生(造成向高次谐波的能量损耗)、振幅-频率效应和互相调制的起源。

所述梭型谐振器的非线性抑制了在大振幅下的工作，而大振幅在那些低频谐振器中是关键的，以便获得足够的SNR。

发明内容

根据本发明，提供了一种MEMS谐振器，包括：

谐振器质量块(resonator mass)，以闭环的形式存在；

一组在所述环周围间隔开的一个或者多个锚定点，其中所述环在所述锚定点上与固定衬底连接；

一组固定在所述环上的环梳齿电极结构；

至少一个驱动梳齿电极结构，所述一个驱动梳齿电极结构附着在所述衬底上，并且与固定在所述环上的一组梳齿电极结构的一个相互作用；

至少一个感测梳齿电极结构，所述一个感测梳齿电极结构(34c、34d)附着在所述衬底上，并且与固定在所述环上的一组梳齿电极结构的另一个相互作用；以及

控制电路，用于控制施加在至少一个驱动梳齿电极结构上的信号。

本发明提供了一种具有梳齿驱动(用于驱动和用于感测)的环谐振器主体，所述梳齿驱动附着在所述环上。这种结构提供了较高的品质因子和较好的线性度。“环”意味着任何闭合的形状，可以是圆形或者任何其他多边形。它不是实心的形状，而是包括了沿闭合路径的梁。

环谐振器不是从一侧往返到另一侧，而是形状变形。通过环周围的固定梳齿电极位置的合适选择以及合适的环形状设计，所述形状的变形可以引起所需的所述梳齿电极的线性移动。

例如在准波节点处提供一个或者多个锚定器来使机械损耗最小化并且增强所述线性度。这些准波节点是在环的谐振变形期间所述环最小移动的点。完美的波节点应当是静止的，但是这种点可能不存在。提及在说明书中所声称的波节点应当理解为在锚定器之间谐振器上位置最稳定的点，因而包括“准波节点”。

就高品质因子和线性度而言，本发明的结构提供了远优于所述梭型谐振器的行为。

可以存在一组恰好四个环梳齿电极结构，恰好两个驱动梳齿电极结构和恰好两个感测梳齿电极结构。所述四个环梳齿电极结构可以在所述环周围均匀地角向间隔开，然后所述两个驱动梳齿电极结构是在直径上对置的，并且所述两个感测梳齿电极结构是在直径上对置的。在环梳齿电极之间可以存在四个锚定点，但是也可以更少。

这样提供了一种谐振结构，具有锚定在四个点上的框架形状，例如接近其波节点。所述框架形状是环形，可以是圆环、正方形环或者其他多边形形状的环。为了实现具有大振幅的致动，所述谐振结构具有带有交叉指状物的梳齿驱动。优选地将所述梳齿附着在波腹点附近，所述波腹点是在锚定器之间的中点。

在正方形环的情况下，所述锚定点在角上。

利用无论是从环向内还是从环向外延伸的臂可以将所述锚定点连接在衬底上。这些臂可视为连接梁。

每一个环梳齿电极结构和每一个相关的驱动或者感测梳齿电极结构可以包括沿第一线的第一平行梳齿指状物阵列和沿第二线的第二平行梳齿指状物阵列，所述第二线沿梳齿指状物方向与所述第一线间隔开。

这种结构增加了机电耦合并且提高了所述致动力的线性度。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的示例，其中：

图1示出了一种已知的MEMS谐振器，采用在梳齿电极之间的往复移动；

图2示出了图1所示结构的导纳，作为频率的函数；

图3示出了本发明的第一谐振器设计；

图4示出了本发明的第二谐振器设计；

图5示出了图4的谐振器的模式形状(mode shape)；

图6示出了对于图4的谐振器和对于图1的梭型谐振器，作为压力函数的品质因子；

图7示出了对于图4的谐振器，作为频率函数的导纳；

图8示出了对于图1的谐振器，作为频率函数的导纳；

图9示出了本发明的第三谐振器设计；以及

图10示出了本发明的第四谐振器设计。

具体实施方式

本发明提供了一种MEMS谐振器，其中所述谐振器质量块是以闭环的形式锚定在所述环周围的点上。一组环梳齿电极结构固定在所述环上，例如位于所述锚定点之间的位置处，以便耦合去往/来自所述谐振器质量块的输入(驱动)和输出(感测)信号。

本发明的谐振器具有环形的框架形状，可以是圆环或者对称的多边形环，诸如正方形。所述结构具有面内振动模式形状，其中所述结构的段(segment)交替地向内和向外弯曲，而所述结构的宽度实质上保持不变。将锚定器定位于所述模式形状的波节点上，即在所述分区之间的边界上。在所述波节点(或者准波节点)处，所述材料在振动期间不会显著地移动。

所述结构材料是一种导电材料，诸如掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、SiGe、金属等。将带有交叉指状物的梳齿附着在所述段的波腹点(振幅最大的位置)上。所述梳齿驱动结构允许所述谐振器按照更大的振幅振动并且产生更线性的力。

图3以顶视图示出了第一示例，其中所述框架20具有圆环的形状。实际上所述结构在第三维度上突出(到纸面内)，并且具有一定的厚度。例如所述厚度为几微米至几十微米。

所述环的直径典型地可以是几十微米至几百微米。所述环用锚定器30锚定在四个点上。所述锚定器在波节点上连接所述环20。

在这种情况下所述锚定器是以直棒的形式存在，但是应当理解任何其他形状的锚定器都是允许的，例如T形、Z形或者锯齿形。所述锚定器可以向内朝向所述环的中心，如图4所示，否则与如图3所示的设计相同。

在图4所示的情况下，所述机械损耗较小，因为所述锚定器在中心点形成了平衡的应力。

在任意两个连续锚定点之间的每一段的中间，即所述波腹点，将以梳齿32(表示为32a至32d)形式的电极附着于交叉指状物33。所述附着点不应当太大以便避免对环的弯曲变形的严重影响，但是应当足够牢固以便支撑所述梳齿。通过附着在波腹点，所述环在该位置的移动是线性的(如下图5所示)。

相对于每一个移动的梳齿32，存在固定梳齿34(表示为34a至34d)形式的相关电极结构，其具有与所述移动指状物交叉的指状物35。

所述电极成对连接：左边和右边的固定电极结构34a、34b连接在一起，以及上边和下边的固定电极结构34c、34d连接在一起。它们形成了所述谐振器的输入36和输出37。所述结构是对称的，因此所述输入和输出可以互换。

为了致动所述谐振器，向输入电极36施加DC电压和AC电压的组合(相对于所述谐振器结构的电势)。作为致动的结果，所述环以面内椭圆模式形状振动。

图5是图4所示谐振器的预期模式形状的有限元仿真。

静止位置被表示为50，而所述椭圆模式形状被表示为52。可以看出，所述波腹点沿线性径向路径移动，而锚定器连接所述结构的所述波节点几乎没有移动。

为了简化所述模型，将所述梳齿建模为单个方框，因为它们不影响所述模式形状。为了便于观察，夸张了所述变形。

因为所述锚定点是在振动期间不显著移动的准波节点，所以减小了机械损耗。因此，对于这种结构所述Q因子可以非常高。由于所述环刚度的高线性度，所述频率响应直到大振幅都表现得非常线性。

图6示出了所述谐振器的Q因子，表示为环境压力的函数，并且示出了按照图4所示设计的厚度为10μm、环直径为500μm的谐振器以及梭型谐振器的行为。两种情况的偏置电压是相同的：Vdc＝3V并且Vac＝5mV。

图4的谐振器的Q因子被表示为曲线60，而对于梭型谐振器相应的曲线被表示为曲线62。

压力对Q因子有明显的影响：压力越低，空气阻尼损耗越低，因此Q因子越高。另一方面，在高Q因子下，所述谐振器可以在较大振幅下振动，可能导致非线性行为，如图2所示。

从图6可以明显地看出，环谐振器远优于梭型谐振器。在任何压力下，所述环的Q因子都比所述梭型谐振器的大几倍。

此外，环谐振器往往表现为线性，甚至在最小压力小于1Pa(这时Q因子约为70,000)的情况下。因此这种器件的工作范围非常广，并且可以根据所述封装可用的压力水平任意地选择。

当压力低于20Pa时，梭型谐振器非常迅速地受限于非线性。因此它工作的压力范围非常窄。在这种情况下所述压力应当高于20Pa以便保证线性度，并且它不应当太高以便维持可接受的Q因子。

图7和图8分别示出了在图6中标记为“1”和“2”的点的频率响应曲线。因此，图7示出了环谐振器在图6中点“1”处的线性频率响应曲线，而图8示出了梭型谐振器在图6中点“2”处的非线性频率响应曲线。

在如图7所示的点“1”处，环谐振器的响应曲线在谐振峰周围是完美对称的，代表了线性响应。对于这个曲线的Q因子大约为70,000。作为高Q因子的结果，该点处的动态电阻(motional resistance)只有804kΩ。

另一方面，在如图8所示的点“2”处，所述曲线明显是非线性的，在谐振峰附近有跳跃。该点处的动态电阻高得多，大约为4.4MΩ。

为了增加机电耦合从而减小所述谐振器的动态电阻，应当增加指状物的数量。在上述示例中，在每一个准波节点上都存在锚定臂(anchorarm)。然而，可以使用更少的锚定臂。例如，基准图3，可以只存在两个锚定臂，一对相邻的或者一对相对的。所述锚定器的数量应当是足够的，以便支撑所述环和梳齿的整个结构。在这个限制下，一个锚定臂可能就够了。

在另一个实施例中，如图9所示，所述梳齿驱动可被安排在多个级中。在这个示例中，每一个输出32都有两级，但是应当理解所述级的数量可以更大，如果这样不会引起不期望的面外振动或者不使所述锚定器超载的话。

每一级都包括一组梳齿指状物。每一个移动电极结构都具有第一组指状物90和第二组指状物92。所有梳齿指状物都是平行的，并且一组与另一组间隔开(沿所述指状物方向)。如图所示，中心棒连接两组梳齿指状物。所述固定电极结构34与一组第一指状物94和一组第二指状物96相对应。

在另一个实施例中，所述谐振器的框架结构可以是正方形的，如图10所示。所示结构具有面内振动模式形状，其中所述框架的段交替地向内和向外弯曲，而所述框架的宽度实质上保持不变。

将所述锚定器30定位于所述模式形状的准波节点上，在这种情况下是在所述框架20的角上。所述锚定器可以是直棒，如在该示例中所示，或者可以是任何合适的形状，诸如T形、Z形、锯齿形等。

所述锚定器再次可以朝外或者朝内。与圆环的情况类似，存在附着到所述框架的侧边上的梳齿。所述梳齿结构可以具有单个或者多个级，如上所述。所述框架也可以是圆角的，以便具有更好的分布应力。

本发明提供了一种设计，其中替代侧向摆动并且在锚定器上产生大的不对称应力的梭型主体，框架形状的谐振器主体(以环形或者多边形框架的形式)以弯曲模式形状振动。

因此所述振动模式形状相对于所述锚定器是对称的，导致了低得多的机械损耗。所述框架的线性度也比梭型谐振器的折叠的两段夹住梁好得多。

本发明提供了较低的机械损耗和较高的Q因子。它还实现了更线性的弹簧，允许所述谐振器即使在非常低的气压下也表现地线性。

本发明的结构没有改变用于控制所述谐振器的电路。因此，将图3中在端口37的电信号输出信号馈送给包括增益放大器和移相器的放大器电路。将所述放大器的输出反馈给所述谐振器的致动一侧至端口36。利用所述MEMS谐振频率使所述振荡器电路的输出频率保持稳定。

为了感测所述电容变化并且因此得出振荡器信号，在所述结构和与所述输出37相连的感测电极之间施加DC电压。所述电容变化将自己显现在流经所述感测间隙的AC电流中，所述电流被称作动态电流。

对于本领域普通技术人员，在振荡器电路中使用本发明的谐振器设计是常规的。

通过对附图、公开和所附权利要求的学习，本领域普通技术人员在实践所声称的发明中能够理解并且实现所公开实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，而不定冠词“一个”不排除多个。在互不相同从属权利要求中列举的某些实施方法的事实不表示不能采用这些实施方法组合的优势。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限定所述范围。

Claims (11)

1.一种MEMS谐振器，包括：

谐振器质量块，以闭环(20)的形式存在；

一组在所述环周围间隔开的一个或者多个锚定点(30)，其中所述环在所述锚定点上与固定衬底连接；其中所述锚定点或每一个锚定点包括在所述环谐振变形期间所述环(20)最小移动的准波节点；

一组环梳齿电极结构(32a-32d)，固定在所述环上的在所述环谐振变形期间最大振幅的非节点处；

至少一个驱动梳齿电极结构(34a、34b)，所述一个驱动梳齿电极结构(34a、34b)附着在所述衬底上，并且与固定在所述环(20)上的一组梳齿电极结构(32a、32b)的一个相互作用；

至少一个感测梳齿电极结构(34c、34d)，所述一个感测梳齿电极结构(34c、34d)附着在所述衬底上，并且与固定在所述环(20)上的一组梳齿电极结构(32c、32d)中的另一个相互作用；以及

控制电路，用于利用来自感测梳齿电极结构的反馈来控制施加在至少一个驱动梳齿电极结构(34a、34b)上的信号；

其中所述谐振器质量块、所述环梳齿电极结构、所述驱动梳齿电极结构和所述感测梳齿电极结构围绕所述锚定点是对称的。

2.根据权利要求1所述的谐振器，包括一组恰好四个环梳齿电极结构(32a-32d)，恰好两个驱动梳齿电极结构(34a、34b)和恰好两个感测梳齿电极结构(34c、34d)。

3.根据权利要求2所述的谐振器，其中所述四个环梳齿电极结构(32a-32d)在所述环(20)周围均匀地角向间隔开，所述两个驱动梳齿电极结构(34a、34b)是在直径上对置的，并且所述两个感测梳齿电极结构(34c、34d)是在直径上对置的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述环(20)包括圆形。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振器，其中所述环(20)包括正方形，并且所述锚定点(30)位于一个或者多个角上。

6.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述锚定点通过从所述环向内延伸的臂与所述衬底连接。

7.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述锚定点通过从所述环向外延伸的臂与所述衬底连接。

8.根据权利要求1所述的谐振器，其中每一个环梳齿电极结构(32)和每一个相关的驱动或者感测梳齿电极结构(34)包括沿第一线的第一平行梳齿指状物阵列(90、94)和沿第二线的第二平行梳齿指状物阵列(92、96)，所述第二线沿梳齿指状物方向与所述第一线间隔开。

9.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述控制电路配置为利用直流电压与交流电压的组合来致动所述谐振器质量块。

10.根据权利要求1所述的谐振器，其中每一个环梳齿电极结构(32)附着于所述环谐振变形期间所述环(20)最小移动的波节点之间的中点上。

11.根据权利要求1所述的谐振器，包括恰好四个锚定点。