CN103716009B - Mems谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS谐振器，包括：衬底；振动盘，所述振动盘的表面积大于侧面积；至少一对输入电极，形成在所述衬底上并位于所述振动盘的相对侧，用于为所述振动盘提供交流信号；输出电极，设置于所述振动盘上，所述输出电极和所述振动盘之间具有电容介质，其中所述输出电极响应于所述交流信号所导致的所述电容介质的电容变化而输出频率信号；输入偏置电压电极，与所述振动盘的下表面平行设置，用于为所述振动盘提供直流偏置电压信号；锚结构，用于将振动盘支撑于输入偏置电压电极上并将直流偏置电压信号传送到振动盘，以减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。
Description
技术领域
本发明实施例涉及振荡器技术领域，尤其涉及一种MEMS谐振器。
背景技术
时钟和振荡器是电子系统（诸如实时时钟、手机中的射频模块、包含蓝牙模块的设备、USB模块以及其他数字和电信设备）的核心部件。电子系统中的定时基准一般采用石英振荡器，但石英振荡器为片外组元，不易于集成，不仅增加了集成成本，而且阻碍了系统的小型化。基于微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）谐振器的振荡器是近年来迅猛发展的一种振荡器，其中，MEMS谐振器体积小、高Q（品质因数）值、功耗低、其制造工艺与集成电路（Integrated circuit，IC）技术兼容，可实现与IC的统一芯片集成，构成MEMS振荡器，利于整个系统小型化，有广阔的应用前景。
现有的MEMS谐振器一般采用圆盘谐振器，主要由以下部分组成：输入、输出电极、偏置电压电极、振动盘、锚结构、衬底和控制电路，其中输入、输出电极和振动盘之间的距离以及电容面积直接决定着MEMS谐振器的动态电阻，从而直接影响MEMS谐振器的功耗，其中，动态电阻Rx由下式决定：
式中，ω0为放射状等高线模态谐振角频率，mre为振动盘质量，Q表示谐振器的谐振频率，Vp为振动盘的偏置电压，d0为输入、输出电极与振动盘之间的间距，φ1、φ2分别表示输入电极、输出电极覆盖的振动盘弧度，ε0表示空气的相对介电常数，R表示振动盘的半径，t表示振动盘的厚度。由此可知，通过减小输入、输出电极与振动盘之间的间距d0以及增大输入、输出电极与振动盘之间的电容面积是两种减小MEMS谐振器的动态电阻Rx的方式。
在MEMS谐振器工艺中，使用常见的光刻、刻蚀等方法得到的最窄间距d0为100nm左右，动态电阻Rx在2.6kΩ左右，或采用原子层沉积系统通过在电极与振动盘之间沉积电介质，将间距d0缩短到几十纳米，从而减小动态电阻Rx；但是，改进工艺较复杂、原子层沉积系统的设备售价昂贵使得MEMS谐振器的制作成本高。
相比，增大输入、输出电极与振动盘之间的电容面积成为减小MEMS谐振器的动态电阻Rx的有效方式，从而使MEMS谐振器实现低功耗。然而目前的圆盘谐振器都是读出侧壁电容，受限于厚度和半径，使得动态电阻难以有效减小。
发明内容
本发明提供一种MEMS谐振器，以减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。
本发明提供一种MEMS谐振器，包括：
衬底；
振动盘，所述振动盘的表面积大于侧面积；
至少一对输入电极，形成在所述衬底上并位于所述振动盘的相对侧，用于为所述振动盘提供交流信号；
输出电极，设置于所述振动盘上，所述输出电极和所述振动盘之间具有电容介质，其中所述输出电极响应于所述交流信号所导致的所述电容介质的电容变化而输出频率信号；
输入偏置电压电极，与所述振动盘的下表面平行设置，用于为所述振动盘提供直流偏置电压信号；
锚结构，用于将振动盘支撑于输入偏置电压电极上并将直流偏置电压信号传送到振动盘。
其中，所述振动盘可以为圆盘或方盘。
其中，所述振动盘为单层结构，由激励层组成；或
为双层结构，包括，非激励层和激励层；或
为三层结构，包括，第一非激励层、第二非激励层和设置于所述第一非激励层和第二非激励层之间的激励层；
其中，所述输入电极提供的交流信号施加于所述激励层。
其中，当所述振动盘为双层结构或三层结构时，相邻两层材料的杨氏模量不同。
其中，当所述输入电极为多对时，所述输入电极在所述振动盘的侧面呈周向均匀分布。
其中，所述输入电极中间设置有开口，所述输出电极从所述开口处伸出；或
至少一对输入电极用于支撑所述输出电极。
其中，所述锚结构为位于所述振动盘中心的单个圆柱锚，或位于所述振动盘边沿波节处的数个锚点，或位于所述振动盘边沿波节处的数个支撑梁。
其中，所述电容介质为真空或空气。
其中，所述输出电极和所述振动盘的间距为100nm-1um。
其中，所述输入电极与所述振动盘的间距为100nm-1um。
本发明提供一种MEMS谐振器，在表面积大于侧面积的振动盘的侧面通过输入电极施加激励，以增大输入机电耦合系数，并通过将输出电极设置于该振动盘的表面，使表面电容面积增加，同时使输出机电耦合系数增大，从而有效减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种MEMS谐振器的侧视图；
图2为图1所示的MEMS谐振器的俯视图；
图3为图2所示的MEMS谐振器中输出电极的一种具体的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种具体的振动模态；
图5为本发明实施例提供的另一种MEMS谐振器的俯视图；
图6为本发明实施例提供的再一种MEMS谐振器的俯视图；
图7为本发明实施例提供的又一种MEMS谐振器的俯视图；
图8为本发明实施例提供的又一种MEMS谐振器的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
请同时参阅图1、图2与图3，图1为本发明实施例提供的一种MEMS谐振器的侧视图，图2为图1所示的MEMS谐振器的俯视图，图3为图2所示的MEMS谐振器中输出电极的一种具体的结构示意图。如图1-3所示，所述谐振器包括：衬底11、振动盘12、至少一对输入电极13、输出电极14、输入偏置电压电极15和锚结构16。
其中，所述振动盘12的表面积大于侧面积，具体地，所述振动盘12可以为如图1-3所示的圆盘，也可以为方盘。
所述输入电极13形成在所述衬底11上并位于所述振动盘12的相对侧，具体地可以如图2、图3所示，用于为所述振动盘12提供交流信号，也就是说，通过所述输入电极13在所述振动盘12的侧面施加交流信号，即交流信号施加于所述输入电极13与振动盘12的侧面交叠部分，其中，该交流信号可以通过控制电路进行控制。
所述输出电极14设置于所述振动盘12上，所述输出电极14和所述振动盘12之间具有电容介质，其中所述输出电极14响应于所述交流信号所导致的所述电容介质的电容变化而输出频率信号。所述输出电极14具体地可以如图3所示，从所述输入电极的开口处伸出，其中伸出部分与衬底连接。
所述输入偏置电压电极15与所述振动盘12的下表面平行设置，用于为所述振动盘12提供直流偏置电压信号。
所述锚结构16用于将振动盘12支撑于输入偏置电压电极15上并将直流偏置电压信号传送到振动盘12。需要说明的是，所述锚结构16设置在振动波节处，从而使振动能量损失最小化，具体地，所述锚结构16可以为位于如图1-3所示的振动盘12中心的单个圆柱锚。
也就是说，通过锚结构16对所述振动盘12施加直流偏置电压信号，并通过所述输入电极13在所述振动盘12的侧面施加交流信号，使振动盘12的水平方向产生对称的激励，在垂直方向产生非对称激励，从而使所述振动盘12的表面有位移振幅，进而输出电极14与所述振动盘12之间的电容发生变化，产生电流，输出电极14检测所述电容变化产生的电流而输出频率信号。
本实施例提供的一种MEMS谐振器，在表面积大于侧面积的振动盘的侧面通过输入电极施加激励，以增大输入机电耦合系数，并通过将输出电极设置于该振动盘的表面，使表面电容面积增加，同时使输出机电耦合系数增大，从而有效减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。
可选地，所述电容介质可以为真空或空气。
优选地，所述输出电极14和所述振动盘12的间距为100nm-1um。
优选地，所述输入电极13与所述振动盘12的间距为100nm-1um。
通过将输出电极与振动盘的间距、以及输入电极与振动盘的间距设置为100nm-1um，以进一步减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。
可选地，所述振动盘12可以为单层结构，由激励层组成；或双层结构，包括，非激励层和激励层；或三层结构，具体地可以如图1所示，包括，第一非激励层121、第二非激励层123和设置于所述第一非激励层和第二非激励层之间的激励层122；其中，所述输入电极13提供的交流信号施加于所述激励层。
进一步优选地，当所述振动盘12为双层结构或三层结构时，相邻两层材料的杨氏模量不同。
示例性地，当所述振动盘12为如图1-3所示的三层结构时，其中，所述激励层122杨氏模量的温度系数为负值，例如，所述激励层122的材质为硅，所述第一非激励层121和第二非激励层123的杨氏模量的温度系数为正值，例如所述第一非激励层121和第二非激励层123的材质为二氧化硅，通过采用该三层结构，使总温度系数为零，以使MEMS谐振器的输出频率与温度无关，克服谐振器输出频率的温度依赖性。
示例性地，请参阅图4，为本发明实施例提供的一种具体的振动模态。当所述振动盘42为如图4所示的双层结构时，具体地可以为如图4所示的振动模态。
请参阅图5，图5为本发明实施例提供的另一种MEMS谐振器的俯视图。如图5所示，所述谐振器包括：衬底（未示出）、振动盘52、第一对输入电极531和第二对输入电极532、输出电极（未示出）、输入偏置电压电极（未示出）和锚结构56。
本实施例与上述实施例的相似之处不再赘述。区别在于，所述振动盘52为方盘。所述输入电极为两对，优选地，所述两对输入电极531和532在所述振动盘52的侧面呈周向均匀分布，用于为所述振动盘52提供交流信号，其中，所述交流信号可以通过控制电路进行控制。例如，当所述第一对输入电极531和第二对输入电极532提供的交流信号振幅相同、频率相同、相位相同时，所述振动盘52产生径向振动；当所述第一对输入电极531和第二对输入电极532提供的交流信号振幅不同、频率相同、相位相反，即相差π时，所述振动盘52产生酒杯型振动。
所述输出电极设置于所述振动盘52上，所述输出电极和所述振动盘52之间具有电容介质，其中所述输出电极响应于所述交流信号所导致的所述电容介质的电容变化而输出频率信号。所述输出电极具体地可以为具有伸出部分的输出电极，所述伸出部分位于所述第一对输入电极531和第二对输入电极532之间的开口处，其中伸出部分与衬底连接，用于支撑所述输出电极。
所述锚结构56设置在振动波节处，从而使振动能量损失最小化，具体地，如图5所示的振动盘52边沿波节处的数个锚点，例如四个。
本实施例中两对输入电极并不构成对本发明的限定，所述输入电极可以为多对，优选地，所述输入电极在所述振动盘的侧面呈周向均匀分布。
本实施例提供的一种MEMS谐振器，在表面积大于侧面积的振动盘的侧面通过输入电极施加激励，以增大输入机电耦合系数，并通过将输出电极设置于该振动盘的表面，使表面电容面积增加，同时使输出机电耦合系数增大，从而有效减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗；通过多对输入电极，以增大所述振动盘的激励，进一步增大输入机电耦合系数，增强所述振动盘的振动幅度，提高谐振器的输出频率。
请参阅图6，图6为本发明实施例提供的再一种MEMS谐振器的俯视图。如图6所示，所述谐振器包括：衬底（未示出）、振动盘62、第一对输入电极631和第二对输入电极632、输出电极64、输入偏置电压电极（未示出）和锚结构66。
本实施例与上述实施例的相似之处不再赘述。区别在于，所述输入电极为两对，优选地，所述第一对输入电极631和第二对输入电极632在所述振动盘62的侧面呈周向均匀分布，用于为所述振动盘62提供交流信号，其中，所述交流信号可以通过控制电路进行控制。优选地，所述第一对输入电极631和第二对输入电极632中间设置有开口，所述输出电极64从所述开口处伸出，其中伸出部分与衬底连接。
需要说明的是，本实施例中两对输入电极并不构成对本发明的限定，所述输入电极可以为多对，优选地，所述输入电极在所述振动盘的侧面呈周向均匀分布。
本实施例提供的一种MEMS谐振器，在表面积大于侧面积的振动盘的侧面通过多对输入电极施加激励，还通过在所述输入电极中间设置开口，以增大所述振动盘的激励，进一步增大输入机电耦合系数，增强所述振动盘的振动幅度，提高谐振器的输出频率；并通过将所述输出电极从所述开口处伸出，与衬底连接，使表面电容面积增加，同时使输出机电耦合系数增大，从而有效减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。
请参阅图7，图7为本发明实施例提供的又一种MEMS谐振器的俯视图。如图7所示，所述谐振器包括：衬底（未示出）、振动盘72、第一对输入电极731和第二对输入电极732、输出电极74、输入偏置电压电极（未示出）和锚结构76。
本实施例与图5所示实施例的相似之处不再赘述。区别在于，所述输入电极为两对，优选地，所述第一对输入电极731和第二对输入电极732在所述振动盘72的侧面呈周向分布，其中，所述第一对输入电极731用于为所述振动盘72提供交流信号，所述交流信号可以通过控制电路进行控制；所述第二对输入电极732与所述输出电极74连接，用于支撑所述输出电极74，也就是说，所述第二对输入电极732不为所述振动盘72提供交流信号。
需要说明的是，本实施例中两对输入电极并不构成对本发明的限定，所述输入电极可以为多对，优选地，所述输入电极在所述振动盘的侧面呈周向分布。
本实施例提供的一种MEMS谐振器，在表面积大于侧面积的振动盘的侧面通过多对输入电极施加激励，以增大所述振动盘的激励，增大输入机电耦合系数，增强所述振动盘的振动幅度，提高谐振器的输出频率；并通过一对输入电极支撑输出电极，使表面电容面积增加，使输出机电耦合系数增大，从而在有效减小MEMS谐振器的动态电阻、降低功耗的同时，实现工艺简化。
请参阅图8，图8为本发明实施例提供的又一种MEMS谐振器的俯视图。如图8所示，所述谐振器包括：衬底（未示出）、振动盘82、第一对输入电极831和第二对输入电极832、输出电极（未示出）、输入偏置电压电极（未示出）和锚结构86。
本实施例与图5所示实施例的相似之处不再赘述。区别在于，所述振动盘82为圆盘。所述输入电极为两对，优选地，所述两对输入电极831和832在所述振动盘82的侧面呈周向均匀分布，用于为所述振动盘82提供交流信号，其中，所述交流信号可以通过控制电路进行控制。例如，当所述第一对输入电极831和第二对输入电极832提供的交流信号振幅相同、频率相同、相位相同时，所述振动盘82产生径向振动；当所述第一对输入电极831和第二对输入电极832提供的交流信号振幅不同、频率相同、相位相反，即相差π时，所述振动盘82产生酒杯型振动。
所述输出电极设置于所述振动盘82上，所述输出电极和所述振动盘82之间具有电容介质，其中所述输出电极响应于所述交流信号所导致的所述电容介质的电容变化而输出频率信号。所述输出电极具体地可以为具有伸出部分的输出电极，所述伸出部分位于所述第一对输入电极831和第二对输入电极832之间的开口处，其中伸出部分与衬底连接，用于支撑所述输出电极。
所述锚结构86设置在振动波节处，从而使振动能量损失最小化，具体地，如图8所示的振动盘82边沿波节处的数个支撑梁，例如四个。
优选地，所述支撑梁的宽度为1-2μm。
本实施例中两对输入电极并不构成对本发明的限定，所述输入电极可以为多对，优选地，所述输入电极在所述振动盘的侧面呈周向均匀分布，以增大所述振动盘的激励，进一步增大输入机电耦合系数，增强所述振动盘的振动幅度，提高谐振器的输出频率。
本实施例提供的一种MEMS谐振器，在表面积大于侧面积的振动盘的侧面通过多对输入电极施加激励，以增大输入机电耦合系数，增强所述振动盘的振动幅度，提高谐振器的输出频率，其中通过振动盘边沿波节处的数个支撑梁作为锚结构，支撑所述输入电极，并通过将输出电极设置于该振动盘的表面，使表面电容面积增加，同时使输出机电耦合系数增大，从而有效减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；实施例中优选的实施方式，并非对其进行限制，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
振动盘，所述振动盘的表面积大于侧面积；
至少一对输入电极，形成在所述衬底上并位于所述振动盘的相对侧，用于为所述振动盘提供交流信号；
输出电极，平行且悬空设置于所述振动盘的上方，所述输出电极和所述振动盘之间具有电容介质，其中所述输出电极响应于所述交流信号所导致的所述电容介质的电容变化而输出频率信号；
输入偏置电压电极，与所述振动盘的下表面平行设置，用于为所述振动盘提供直流偏置电压信号；
锚结构，用于将振动盘支撑于输入偏置电压电极上并将直流偏置电压信号传送到振动盘；其中，所述锚结构为位于所述振动盘边沿波节处的数个锚点，或位于所述振动盘边沿波节处的数个支撑梁。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述振动盘为圆盘或方盘。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述振动盘为单层结构，由激励层组成；或
为双层结构，包括，非激励层和激励层；或
为三层结构，包括，第一非激励层、第二非激励层和设置于所述第一非激励层和第二非激励层之间的激励层；
其中，所述输入电极提供的交流信号施加于所述激励层。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其特征在于，当所述振动盘为双层结构或三层结构时，相邻两层材料的杨氏模量不同。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，当所述输入电极为多对时，所述输入电极在所述振动盘的侧面呈周向均匀分布。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其特征在于，所述输入电极中间设置有开口，所述输出电极从所述开口处伸出，所述伸出部分与衬底连接，用于支撑所述输出电极。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述锚结构为位于所述振动盘中心的单个圆柱锚。
8.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述电容介质为真空或空气。
9.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述输出电极和所述振动盘的间距为100nm-1um。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述输入电极与所述振动盘的间距为100nm-1um。
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