CN107251425A - 用于振荡器和实时时钟应用的多线圈弹簧mems谐振器 - Google Patents

用于振荡器和实时时钟应用的多线圈弹簧mems谐振器 Download PDF

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Abstract

一种多线圈弹簧MEMS谐振器，包括中心锚定体和谐振器主体（106），所述谐振器主体（106）包括两个或更多线圈弹簧（102a、102b），所述线圈弹簧（102a、102b）以螺旋图案从中心锚定体延伸到外部闭合环（104）。每对线圈弹簧源自中心锚定体上的相对点并且以螺旋图案延伸到外部环上的相对点。线圈弹簧的数目、线圈弹簧的长度和宽度、以及外部环的重量被选择成实现所需的谐振频率。外部环（104）包括垂直的换能器（108）并且可以包括调整外部环（104）的重量的孔（130）。一组驱动电极（110）和感测电极（112）被附着到衬底。

Description

用于振荡器和实时时钟应用的多线圈弹簧MEMS谐振器
本申请要求2014年10月22日提交的美国临时专利申请号62/067,230的题为“MULTIPLE COIL SPRING RESONATORS”的优先权，其出于全部目的通过引用被结合到本文。
本申请还要求于2014年10月22日提交的美国临时专利申请号62/067,206的题为“COMPOUND SPRING RESONATORS FOR FREQUENCY AND TIMING GENERATION”的优先权，其出于全部目的通过引用被结合到本文。
背景技术
MEMS（微机电系统）谐振器是以精确频率振动的小机电结构。MEMS谐振器在用于提供计时参考和频率参考的电子电路中是有用的。在典型应用中，MEMS谐振器附着于电子电路以形成振荡器电路。MEMS振荡器包括由维持放大器在连续运动中驱动的MEMS谐振器。MEMS谐振器的机械谐振振动被感测和转换为具有非常精确的频率的电信号。精确的MEMS谐振频率被用作振荡器电路的参考频率。附着于MEMS谐振器的电子电路将所感测的电信号放大并且基于MEMS谐振频率来设定或调整振荡器的输出频率。例如，电子电路可以包括相位锁定回路（PLL）或者频率锁定回路，其基于作为参考频率的MEMS谐振频率来生成可编程的输出频率。
用于MEMS振荡器的通常应用包括实时时钟。实时时钟（RTC）是计算机时钟，经常采用集成电路形式，被用来跟踪诸如计算机、服务器和消费电子设备的电子系统中的当前时间。包括图1（a）和1（b）的图1示出了传统的实时时钟电路。参照图1（a），通常作为实时时钟集成电路提供的实时时钟1包括振荡器电路2和支持电路（RTC电路）3。传统的实时时钟使用晶体振荡器电路，其使用振动石英晶体4的机械谐振来提供所需的参考频率。石英晶体4（实时时钟集成电路外部的分立部件）被驱动以诸如32.768 kHz的所需频率谐振。振荡器电路2将石英晶体4的振动转变为具有所需精确频率（例如，32.768 kHz）的电信号。RTC电路3提供信号放大、时钟分频（clock division）、以及其它时间保持功能。实时时钟1通常包括替代电源5，使得实时时钟能够在主电源断电或变得不可用时继续保持时间。替代电源5可以是电池电源，诸如锂离子电池或超级电容器。
因为石英晶体庞大并且无法良好地与半导体集成电路集成，所以MEMS谐振器已经在构造振荡器电路时变成传统石英晶体的引人注目的替代。参照图1（b），实时时钟6使用实时时钟集成电路来形成，该实时时钟集成电路包括实时时钟芯片7和mems谐振器8，其可以共同封装在相同的集成电路封装内，诸如但不限于方形扁平无引脚封装（QFN）或者平面网格阵列封装（LGA）。MEMS谐振器8提供精确的参考频率。实时时钟芯片7容纳全部的支持电路，包括振荡器电路2和RTC电路3。在因此集成了MEMS谐振器的情况下，实时时钟的尺寸被减小。此外，MEMS谐振器提供了附加的益处，诸如在更宽的温度范围内更加一致的稳定性以及对诸如冲击和振动之类的环境因素的更好的抵抗性。
附图说明
在下面的详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。
包括图1（a）和1（b）的图1示出传统的实时时钟电路。
包括图2（a）和2（b）的图2示出在一些实施例中结合本发明的MEMS谐振器的MEMS振荡器电路和实时时钟电路。
包括图3（a）和3（b）的图3包括本发明的实施例中的复合弹簧MEMS谐振器的透视图和俯视图。
包括图4（a）和4（b）的图4包括本发明实施例中的弹簧单胞的透视图和顶视图。
图5是包括本发明的实施例中的多个谐振器单元的复合弹簧MEMS谐振器的透视图。
图6是在一些实施例中的图5的复合弹簧MEMS谐振器的顶视图。
图7是在一些实施例中的图6的复合弹簧MEMS谐振器沿着线A-A'的截面图。
包括图8（a）至8（c）的图8示出一些示例中的图6的MEMS谐振器的谐运动。
图9是包括在本发明的替代实施例中的释放孔的复合弹簧MEMS谐振器的透视图。
图10是在本发明的实施例中的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。
图11是在本发明的实施例中结合驱动和感测电极的图10的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。
图12是在一些实施例中的图11的多线圈弹簧MEMS谐振器的顶视图。
图13是在一些实施例中的图12的多线圈弹簧MEMS谐振器沿着线B-B'的截面图。
包括图14（a）至14（b）的图14示出一些示例中的图10的MEMS谐振器的谐运动。
图15是在本发明的替代实施例中没有释放孔的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。
具体实施方式
本发明可以以许多方式实施，包括作为过程；装置；系统；和/或物质组成。在本说明书中，这些实施方式或者本发明可以采取的任何其它形式可以被称为技术。一般地，在本发明的范围内，所公开的过程的步骤的顺序可以被改变。
下面连同示出本发明原理的附图来提供本发明的一个或多个实施例的详细描述。本发明结合这样的实施例进行描述，但是本发明并不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求来限定并且本发明涵盖大量的替代、修改和等同物。大量具体细节在以下描述中被阐明以便提供对本发明的透彻理解。这些细节出于示例的目的而提供并且本发明可以根据权利要求而没有这些具体细节中的一些或全部来实施。出于清楚的目的，在与本发明有关的技术领域中已知的技术材料并未被详细描述，以免不必要地模糊本发明。
根据本发明的实施例，复合弹簧MEMS谐振器包括使用形成复合弹簧块的一个或多个弹簧单胞（unit cell）构造的谐振器主体以及形成谐振器主体的一个或多个复合弹簧块。每个复合弹簧块被锚定于节点处以确保高品质（Q）因数。谐振器主体还包括附着于复合弹簧块的开端并且电容地耦合于驱动/感测电极的质量（mass）。包括形成弹簧单胞的梁的长度和宽度的弹簧单胞的尺度（dimension）、用于复合弹簧块的弹簧单胞的数目、以及质量的尺寸和重量被选择成实现所需的谐振频率。同时，复合弹簧块的数目以及前述的尺度和配置因素被选择成调谐所需的电特性，诸如MEMS谐振器的阻抗。
根据本发明的其它实施例，多线圈弹簧MEMS谐振器包括中心锚定体（centeranchor）以及包括从中心锚定体以螺旋图案延伸到外部闭合环的两个或更多线圈弹簧的谐振器主体。每一对线圈弹簧源自中心锚定体上的相对点并且以螺旋图案延伸到外部环上的相对点。线圈弹簧的数目、线圈弹簧的长度和宽度、以及外部环的重量被选择成实现所需的谐振频率。
在本描述中，MEMS谐振器指的是以稳定和精确的谐振频率振动的小机电结构。在本发明的实施例中，MEMS谐振器是可以被激励到机械谐振振动中的硅弹簧质量系统。MEMS谐振器由维持放大器驱动以在连续振荡中振动，从而生成输出频率。具体地，维持放大器检测谐振器运动并且将附加能量驱动到谐振器中，同时维持在所需振幅下的谐振器运动。谐振振动被感测并且转换成具有谐振器的谐振频率的电信号。MEMS谐振器具有在形成MEMS振荡器和实时时钟方面的应用。
本发明的MEMS谐振器相比于传统的MEMS谐振器实现了许多优点。首先，本发明的MEMS谐振器针对低频振动被优化。配置用于低频操作的传统MEMS谐振器通常要求大的谐振器主体尺寸。在本发明的实施例中，复合弹簧和线圈弹簧MEMS谐振器使谐振器主体的物理尺寸最小化，同时针对低频输出优化了谐振器。同时，本发明的MEMS谐振器能够实现低运动阻抗，这是振荡器或实时时钟应用中的关键参数。
其次，使用堆叠弹簧单胞形成的复合弹簧MEMS谐振器实现了低刚度，同时在紧凑的区域中维持良好的机械稳定性。本发明的复合弹簧MEMS谐振器操作稳定，具有可预测的温度行为并且实现了高品质因数。
最后，多线圈弹簧谐振器在中心锚定于衬底。通过仅使用单个中心锚定体，多线圈弹簧谐振器的谐振频率对衬底或封装应力更不敏感。本发明的多线圈弹簧谐振器也因此以高品质因数实现了操作中的稳定性。
在一些应用中，本发明的MEMS谐振器用作振荡器电路的频率源。具体地，本发明的MEMS谐振器可以被用来为实时时钟电路提供稳定并且准确的参考时钟，以使得实时时钟能够在温度变化期间维持准确的时间。在一个示例中，本发明的MEMS谐振器用于构造MEMS振荡器，从而提供在实时时钟电路中有用的32.768 kHz或者32.768 kHz的倍数的输出频率。包括图2（a）和2（b）的图2示出了在一些实施例中的结合本发明的MEMS谐振器的MEMS振荡器电路和实时时钟电路。参照图2（a），提供为实时时钟集成电路的实时时钟10包括实时时钟芯片11和MEMS谐振器12，其被共同封装在相同的集成电路中，或者被形成在相同的半导体衬底上。MEMS谐振器12可以实施为下面描述的复合弹簧MEMS谐振器或者多线圈弹簧MEMS谐振器。MEMS谐振器12为形成在实时时钟芯片11上的振荡器电路13提供精确的参考频率。对于基于时间的应用，MEMS谐振器12被构造成以32.768 kHz或者以32.768 kHz的某个倍数谐振。例如，在一些实施例中，MEMS谐振器12构造成以524.288 kHz（16x）或者以262.144 kHz（8x）谐振。实时时钟电路的相位锁定回路（PLL）将MEMS谐振器频率向下分频到所需的32.768 kHz频率。这样，MEMS谐振器12可以制作得更小以减少成本，同时实时时钟可以在分频操作期间改进噪声。
实时时钟芯片11容纳用于实时时钟10的全部支持电路以提供信号放大、时钟分频、以及其它时间保持功能。在本示例中，实时时钟芯片11包括诸如以32.768kHz提供稳定时钟信号的振荡器电路13。具体地，振荡器电路13驱动MEMS谐振器12以生成具有32.768kHz或者32.768kHz的倍数的所需参考频率的感测信号。振荡器电路13将具有32.768kHz的频率的时钟信号提供为参考时钟信号。实时时钟芯片11还包括时钟分频器14，以基于参考时钟信号生成一定频率范围内的输出时钟信号。例如，输出时钟信号可以具有1Hz到32kHz的频率。实时时钟芯片11还包括控制逻辑电路15和存储器16，以提供控制并且实现其它时基（time base）或时间保持功能。图2（a）中示出的实时时钟10的示意图仅是说明性的并且不意图是限制性的。在实际实施方式中，实时时钟10可以包括图2（a）的示例示意图中未示出的其它电路。
实时时钟10通常包括替代电源5，因此实时时钟可以在主电源断电或者变得不可用时继续保持时间。替代电源5可以是电池电源，诸如锂离子电池或者超级电容器。
图2（b）示出在一些实施例中的MEMS振荡器的示例构造。参照图2（b），MEMS振荡器13包括维持放大器22，其配置成在连续运动中驱动MEMS谐振器12以生成输出频率作为参考频率。参考频率是MEMS谐振器的谐振频率，其设定在32.768kHz或者32.768kHz的倍数。MEMS振荡器13还配置成感测MEMS谐振器12的谐振振动。感测信号被提供到相位锁定回路（PLL）23作为参考频率。PLL生成在参考频率下或者作为参考频率的函数的时钟信号。振荡器电路13可以包括输出驱动器24，以生成由下游实时时钟电路使用的参考时钟信号。在本示例中，参考时钟信号具有32.768kHz的频率。
复合弹簧MEMS谐振器
包括图3（a）和3（b）的图3包括在本发明实施例中的复合弹簧MEMS谐振器的透视图和顶视图。参照图3，复合弹簧MEMS谐振器50包括谐振器主体52，其形成为悬置在衬底（未示出）上方并且通过一对隔离锚定体56锚定于衬底的一对连接弹簧质量系统54。具体地，谐振器主体52包括基到基（base-to-base）连接并且悬置在衬底上方的第一弹簧质量系统54a（“弹簧质量部分1”）和第二弹簧质量系统54b（“弹簧质量部分2”），使得它们的相对运动和后续应力在弹簧质量系统54通过隔离锚定体56锚定于衬底所处的节点处抵消。
在弹簧质量系统54中，弹簧质量部分1、2中的每一个通过在开端处附着于质量的弹簧结构形成。在本发明的实施例中，弹簧质量部分1、2中的每一个使用被堆叠以形成复合弹簧结构的弹簧单胞来形成。在图3（b）中，MEMS谐振器50被示出为具有采用填充图案（hatch pattern）的弹簧单胞结构，以示出弹簧单胞的折叠弹簧结构。复合弹簧结构可以包括一个或多个弹簧单胞，以获得谐振器的所需刚度并且因此调整谐振器的频率。更具体地，弹簧单胞的数目可以选择成实现MEMS谐振器的所需谐振频率。弹簧质量部分1、2的复合弹簧结构在基部（节点）处连接以形成单个复合弹簧块55。在弹簧质量部分1中，复合弹簧结构在开端处附着于第一质量60a。在弹簧质量部分2中，复合弹簧结构在开端处附着于第二质量60b。第一和第二质量60a、60b的尺寸和重量被选择成调谐或调整谐振器的谐振频率。此外，第一和第二质量60a、60b用作MEMS谐振器50的输入和输出电极以耦合去往/来自谐振器主体的输入驱动信号和输出感测信号。输入和输出电极通过电容耦合来操作以使得弹簧质量系统54能够被静电地驱动和感测，如下面将更加详细解释的。
在本发明的实施例中，弹簧质量系统54由弹簧单胞64形成，所述弹簧单胞64被重复和连接以形成复合弹簧结构。包括图4（a）和4（b）的图4包括本发明的实施例中的弹簧单胞的透视图和顶视图。参照图4，弹簧单胞64具有紧凑的折叠弹簧结构。在本示例中，弹簧单胞64具有矩形折叠弹簧结构。弹簧单胞64被设计成使得折叠弹簧结构能够通过堆叠而重复以形成复合弹簧结构。因此形成的复合弹簧结构使弹簧质量系统的尺寸最小化，同时保持稳定。由堆叠的弹簧单胞形成的复合弹簧结构能够提供低刚度，同时在MEMS谐振器中的紧凑区域中维持良好的机械稳定性。
在本发明的实施例中，MEMS谐振器50的谐振频率由弹簧单胞的尺度限定，即弹簧单胞的宽度（W）和高度（H）以及形成弹簧单胞的梁的长度和宽度。MEMS谐振器50的谐振频率还由用于复合弹簧块的弹簧单胞的数目以及质量的尺寸和重量来限定。
返回到图3和4，在MEMS谐振器50中，谐振器主体52包括在节点处基到基连接的弹簧质量部分1和弹簧质量部分2（54a、b）。弹簧质量部分1、2由锚定体56通过隔离悬臂梁58在节点处锚定于衬底。即，锚定体56连接或附着于衬底（未示出）并且弹簧质量部分1、2通过悬臂梁58在节点处连接于锚定体56。悬臂梁58未附着于衬底，而是悬置于衬底上方。在本描述中，节点指的是在谐振振动期间基本上不移动或者仅具有最小移动的谐振器主体上的点。通过将弹簧质量系统54锚定于节点处，MEMS谐振器可以实现高品质因数。每个隔离悬臂梁58在节点处将复合弹簧块55连接于锚定体56。隔离悬臂梁58用来将任何残余运动或环境应力从锚定体56隔离，从而保持弹簧质量系统中的振动能量并且改进谐振器的品质因数。在本发明的替代实施例中，悬臂梁可以省略并且锚定体56可以在节点处直接附着于谐振器主体。
在一些实施例中，MEMS谐振器50通过对具有20-30μm厚度的硅层进行图案化和蚀刻来形成。因此，MEMS谐振器50具有大致20-30μm的厚度。弹簧单胞64具有56μm的宽度（W）和15μm的高度（H）并且由形成折叠弹簧结构的3μm宽的梁构成。在本示例中，弹簧质量部分1和2（54a和54b）每个使用三个弹簧单胞来形成。质量60a和60b每个具有56μm乘22μm的尺度。悬臂梁58具有13μm乘30μm的尺度。锚定体56具有30μm乘30μm的尺度。复合弹簧谐振器的所产生的谐振频率是大致524kHz。
在本发明的实施例中，MEMS谐振器50使用诸如多晶硅或单晶硅的导电材料来形成。此外，在一些实施例中，本发明的MEMS谐振器可以使用标准CMOS制造过程来形成。在一些实施例中，MEMS谐振器被形成在绝缘体上硅（SOI）晶片上。即，MEMS谐振器被形成在硅层中，所述硅层被形成在具有在其上形成的绝缘层的衬底上。例如，在一个实施例中，具有形成于其上的2μm的氧化硅的硅基层可以用作衬底。可以是多晶硅层或单晶硅层的硅层形成在衬底上并且硅层被图案化以形成MEMS谐振器。
在一些实施例中，包括弹簧质量系统、悬臂梁、和锚定体的谐振器主体可以通过使谐振器结构在形成在衬底上的硅层上光刻地图案化来形成。在一些实施例中，硅层是单晶硅层并且具有20-30μm的厚度。硅层被图案化有谐振器结构，包括弹簧、质量、悬臂梁、和锚定体。随后，硅层被蚀刻，诸如使用利用氢氟酸的湿蚀刻过程以释放除了锚定体以外的谐振器弹簧和质量结构。在蚀刻过程之后，谐振器主体从底层衬底释放，同时锚定体保持附着于衬底。在一些实施例中，释放孔可以被包括在质量60a、b中以便于蚀刻以及谐振器主体从底层衬底的释放。释放孔也使得质量的重量能够被调整以调谐MEMS谐振器的谐振频率，如以下将更加详细地解释的。
在一些实施例中，MEMS谐振器50基于静电换能来操作。MEMS谐振器50利用驱动电极和感测电极来形成狭窄和良好受控的间隙，其中驱动/感测电极被连接或附着于衬底，如图3（b）中所示。例如，驱动电极66可以电容地耦合于质量60a，而感测电极68可以电容地耦合于质量60b。驱动/感测电极与质量之间的间隙通常为约1μm或更小的小空气间隙。通过静电换能作用，MEMS谐振器被驱动到谐振振动中。谐振振动被感测并转换成具有明确定义和精确的频率的电信号。注意，谐振器结构和电极是对称的并且因此驱动和感测电极可以互换。
在上述的图3中示出的实施例中，描述了在谐振器主体中包括单个复合弹簧结构的MEMS谐振器。如上所述，包括形成弹簧单胞的梁的尺度的弹簧单胞的尺度以及在复合弹簧块中的弹簧单胞的数目被选择以调谐MEMS谐振器的谐振频率。此外，在复合弹簧块的开端处的质量的尺寸和重量也被选择以调谐MEMS谐振器的谐振频率。在一些实施例中，图3的谐振器主体表示谐振器单元，其中谐振器单元可以重复并且并联连接以形成具有所需频率以及电特性的MEMS谐振器。具体地，虽然诸如弹簧单胞尺度、块中的弹簧单胞的数目以及质量的尺寸和重量的因素对MEMS谐振器的有效电特性有所贡献，但是MEMS谐振器的电特性可以通过并联连接多个谐振器单元来进一步被调整。
图5是包括本发明的实施例中的多个谐振器单元的复合弹簧MEMS谐振器的透视图。图6是在一些实施例中的图5的复合弹簧MEMS谐振器的顶视图。在图6中，MEMS谐振器被示出为具有在填充图案中弹簧单胞结构，以示出用来形成复合弹簧块的弹簧单胞的折叠弹簧结构。参照图5和6，复合弹簧MEMS谐振器70使用并联连接以形成谐振器主体的三个谐振器单元50a、50b和50c来形成。每个谐振器单元50a-c以与上面关于图3描述的相同的方式来构造。更具体地，每个谐振器单元包括由三个弹簧单胞形成的弹簧质量部分1和由三个弹簧单胞形成的弹簧质量部分2。用于每个谐振器单元的复合弹簧块通过悬臂梁和锚定体被锚定于节点处。用于两个相邻谐振器单元的锚定体可以合并成单个锚定体。
复合弹簧块的开端处的质量74a和74b形成为单个连续或邻接结构以实现并联连接。质量74a连接于全部谐振器单元的弹簧质量部分1的开端。质量74b连接于全部谐振器单元的弹簧质量部分2的开端。质量74a与驱动电极66分开狭窄的空气间隙以与驱动电极66形成电容器。质量74b与感测电极68分开狭窄的空气间隙以与感测电极68形成电容器。驱动/感测电极与质量之间的空气间隙是小的，通常约1μm或更小。注意，谐振器结构和电极是对称的并且因此驱动和感测电极可以互换。此外，驱动电极66和感测电极68被连接或附着于衬底，同时包括复合弹簧结构和质量的谐振器主体悬置于衬底上方。
如由此配置的，复合弹簧MEMS谐振器70实现了具有降低有效阻抗的增加的电极区域。具体地，第一和第二质量74a、b形成用于分别电容地耦合于驱动电极66和感测电极68的大的电极区域。具体地，在多个并联连接的谐振器单元的第一开端处的质量74a电容地耦合于驱动电极66以接收输入驱动信号，同时在多个并联连接的谐振器单元的第二开端处的质量74b电容地耦合于感测电极68以提供输出感测信号。即，驱动电极66与质量74分开狭窄的并且良好受控的间隙，使得驱动电极66和质量74a形成电容器。类似地，感测电极68与质量74b分开狭窄的并且良好受控的间隙，使得感测电极66与质量74b形成电容器。通过多个谐振器单元的并联配置使得大的电极区域是可能的。此外，通过使谐振器单元由此并联连接，MEMS谐振器的电阻或者运动阻抗被减小，从而改进MEMS谐振器70的电特性。
因此，在一些实施例中，本发明的复合弹簧MEMS谐振器可以通过选择用于复合弹簧块的弹簧单胞的所需数目以调谐MEMS谐振器的所需谐振频率以及通过选择并联谐振器单元的所需数目以调整用于MEMS谐振器的所需电特性来形成。具体地，MEMS谐振器的谐振频率通过质量（质量60a、b）的尺寸（或尺度）和重量以及由弹簧单胞的数目和弹簧单胞的尺度（包括形成弹簧单胞的梁的尺度）确定的弹簧的刚度来调谐。MEMS谐振器的阻抗通过并联连接的谐振器单元的数目来调谐。
图7是在一些实施例中的图6的复合弹簧MEMS谐振器沿着线A-A'的截面图。参照图7，MEMS谐振器70形成在衬底上，衬底包括硅基层76以及形成在基层76上的诸如氧化硅的绝缘体层77。谐振器结构被形成在诸如单晶硅或多晶硅层的硅层78中。硅层78可以是20-30μm厚。硅层78被光刻地图案化并且然后被蚀刻，例如使用氢氟酸的湿蚀刻，以释放弹簧结构。作为大的硅结构的锚定体56保持附着于绝缘层77，因为来自湿蚀刻的底切（undercutting）不足以蚀刻通过锚定体。
包括图8（a）至8（c）的图8示出在一些示例中的图6的MEMS谐振器的谐运动。图8中示出的位移出于说明性目的而被扩大。在实际实践中，MEMS谐振器的移动是小的并且保持在质量与驱动/感测电极之间的狭窄空气间隙内。例如，当空气间隙是1μm时，MEMS谐振器的弹簧结构具有小于1μm的位移。将参照图6至图8来描述MEMS谐振器70的操作。
在本发明的实施例中，MEMS谐振器70是静电驱动和感测的。为了致动MEMS谐振器，DC电压和小的AC信号被施加到驱动电极66。质量74a然后由驱动电极66通过空气间隙来电容地驱动。由于驱动电压，复合弹簧块振动。更具体地，MEMS谐振器中的复合弹簧结构从第一位置（图8（a））开始并且向外扩展（或伸展）来在两端处推动质量朝向驱动/感测电极（未示出），如图8（b）中所示。在复合弹簧结构伸展到最大振幅的情况下，复合弹簧结构返回到第一位置，如图8（c）中所示。复合弹簧结构的谐运动随着MEMS谐振器70被驱动而以谐振频率重复。在锚定体附着于复合弹簧结构的节点处，复合弹簧结构在振动移动期间不移动。
质量74a相对于感测电极68的位移改变了两个电极之间形成的电容器的电容。在质量74b与感测电极68之间形成时变电容器。为了感测电容变化，DC电压被施加在谐振器结构与感测电极68之间并且生成指示电容变化的AC电流。感测电极处的AC电流被感测以生成具有精确频率的感测信号。在一些实施例中，MEMS谐振器70被调谐到32.768 kHz或者32.768 kHz的某个倍数的谐振频率。MEMS谐振器70可以用来构造MEMS振荡器，从而提供在实时时钟电路中有用的32.768 kHz的输出频率。
图9是在本发明的替代实施例中包括释放孔的复合弹簧MEMS谐振器的透视图。参照图9，MEMS谐振器90以与图5的MEMS谐振器70相同的方式进行构造，但是在复合弹簧块95的开端处的质量94a和94b中增加了释放孔96。释放孔96用来调整质量94a、94b的重量，同时还便于容易制造。具体地，质量94a和94b的重量可以通过在质量的结构中包括释放孔96的布置来调谐。调整质量94a和94b的重量调整了谐振器主体的重量，这继而调谐了MEMS谐振器的谐振频率。此外，释放孔96通过为蚀刻剂进入以在谐振结构下进行蚀刻提供附加的开口而增强了释放谐振器主体的湿蚀刻过程，从而增强了蚀刻过程并且确保了谐振器结构的释放。释放孔96的数目、尺寸、和位置可以被选择成调整质量的重量以调谐谐振频率且在制造期间增强结构的蚀刻两者。图9中的释放孔的布置仅是说明性的。
本发明的复合弹簧MEMS谐振器相比于传统MEMS谐振器实现了许多优点。首先，本发明的复合弹簧MEMS谐振器相比于传统MEMS谐振器可以针对低频实现紧凑的尺寸。其次，本发明的复合弹簧MEMS谐振器可以实现相对低的运动阻抗，这在谐振器应用于构造诸如实时时钟的计时或时钟电路时是关键参数。第三，本发明的复合弹簧MEMS谐振器具有对称的谐振模式形状并且具有附着于谐振主体的节点的锚定体。因此，本发明的复合弹簧MEMS谐振器可以实现低损耗和高品质因数。
多线圈弹簧MEMS谐振器
图10是在本发明的实施例中的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。参照图10，多线圈弹簧MEMS谐振器100包括由一对或多对线圈弹簧102和悬置在衬底（未示出）上方并且通过中心锚定体106锚定于衬底的外部闭合环104形成的谐振器主体。线圈弹簧102以螺旋图案从中心锚定体106延伸到外部闭合环104。每对线圈弹簧102源自中心锚定体106上的相对点并且以螺旋图案延伸到外部环结构104上的相对点。在图10和下面的图形中，MEMS谐振器的线圈弹簧在不同的填充图案中示出以示出线圈弹簧结构。
更具体地，在本实施例中，第一线圈弹簧102a源自中心锚定体上的第一位置并且以螺旋图案针对围绕中心锚定体106的整个圆形延伸以在外部环104上在与第一位置对准的位置处终止。第二线圈弹簧102b源自中心锚定体上与第一位置相对的第二位置。第二线圈弹簧102b以螺旋图案针对围绕中心锚定体106的整个圆形延伸以在外部环104上在与第二位置对准的位置处终止。在本发明的实施例中，线圈弹簧102可以以顺时针方向或者逆时针方向从中心锚定体螺旋至输出闭合环。本发明的MEMS谐振器的特征是长线圈弹簧在谐振器主体中的使用，其中长线圈弹簧在非常小的区域中提供了低弹簧常数。在本实施例中，线圈弹簧以螺旋图案在围绕中心锚定体的整个圆形中延伸。在其它实施例中，线圈弹簧可以围绕中心锚定体在部分圆形中螺旋。此外，在其它实施例中，线圈弹簧可以围绕中心锚定体针对大于整个圆形来螺旋。
MEMS谐振器100的谐振器主体还包括附着于外部环结构104并且从外部环104向外延伸的一组电极108。在一些实施例中，电极108形成为垂直于外部环。电极108用作耦合往返于谐振器主体的驱动和感测信号的换能器。在本实施例中，示出了八个换能器108。在其它实施例中，可以结合任何数目的一个或多个换能器108。在本实施例中的八个换能器的使用仅是说明性的并且并非旨在是限制性的。
在MEMS谐振器100中，线圈弹簧102的对数、线圈弹簧102的长度和宽度、以及外部闭合环104的重量被选择成实现所需的谐振频率。在图10中示出的实施例中，外部闭合环104和电极108被形成有释放孔130。释放孔130可以用来调整外部环和电极的重量，以便调谐MEMS谐振器的谐振频率。释放孔130还用来便于在制造过程期间的蚀刻以及谐振器主体从底层衬底的释放。
在替代实施例中，外部环104可以结合不同于释放孔的结构以调整质量并且因此调整谐振频率。外部环上的结构可以以电的方式或通过激光修整（trim）以调整谐振频率而不影响MEMS谐振器的品质因数。
在一个实施例中，外部环104的重量以及线圈弹簧102的对数和长度和宽度被选择成使得MEMS谐振器100用作低频谐振器。例如，在一个实施例中，MEMS谐振器100被配置用于32.768 kHz或者32.768 kHz的某个倍数的谐振频率，从而适合于计时应用或实时时钟。
在一些实施例中，MEMS谐振器100通过对具有20-30μm厚度的硅层进行图案化和蚀刻来形成。因此，MEMS谐振器100具有大致20-30μm的厚度。中心锚定体具有92μm的直径。外部环具有187μm的内径和12μm的宽度。线圈弹簧具有8.5μm的宽度以及大于中心锚定体的周长并且可以小于或者大于外部环的内周长的长度。线圈弹簧谐振器的所产生的谐振频率是大致64 kHz。
在本发明的实施例中，MEMS谐振器100使用诸如多晶硅或单晶硅的导电材料来形成。此外，在一些实施例中，本发明的MEMS谐振器可以使用标准CMOS制造过程来形成。在一些实施例中，MEMS谐振器形成在绝缘体上硅（SOI）晶片上。即，MEMS谐振器形成在硅层中，所述硅层形成在具有在其上形成的绝缘层的衬底上。例如，在一个实施例中，具有在其上形成的2μm的氧化硅的硅基层可以被用作衬底。可以是多晶硅层或单晶硅层的硅层形成在衬底上并且硅层被图案化以形成MEMS谐振器。
在一些实施例中，谐振器主体可以通过使谐振器结构在衬底上形成的硅层上光刻地图案化来形成。在一些实施例中，硅层是单晶硅层并且具有20-30μm的厚度。硅层被图案化有谐振器结构，包括线圈弹簧、外部环和中心锚定体。然后，硅层被蚀刻，诸如使用利用氢氟酸的湿蚀刻过程以释放除了锚定体以外的谐振器线圈弹簧和闭合环结构。在蚀刻过程之后，谐振器主体从底层衬底释放，同时中心锚定体保持附着于衬底。如图10中所示，释放孔130可以被包括在外部环104中以便于谐振器主体的蚀刻和释放。释放孔也使得质量的重量能够被调整以调谐谐振频率，如上面解释的。
在本发明的实施例中，MEMS谐振器100基于静电换能来操作。从外部环104延伸的电极108形成用于耦合到驱动和感测电极的换能器。在一些实施例中，换能器可以配置用于静电梳驱动。在其它实施例中，换能器可以配置用于静电并行板驱动。图11是在本发明的实施例中结合驱动和感测电极的图10的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。图12是在一些实施例中的图11的多线圈弹簧MEMS谐振器的顶视图。参照图11和12，在本实施例中，MEMS谐振器100的换能器108配置用于并行板驱动。每个换能器108耦合于一组驱动电极110和感测电极112。在本示例中，MEMS谐振器100包括八个换能器108。因此，提供一组16个驱动/感测电极110、112以用于MEMS谐振器的激励。
每对驱动/感测电极电容地耦合到相应的换能器108。每个换能器与驱动电极和感测电极分开狭窄并且良好受控的间隙，其中驱动/感测电极连接或附着于衬底。驱动/感测电极与换能器之间的间隙通常是约1μm或更小的小空气间隙。通过静电换能作用，MEMS谐振器被驱动到谐振振动。具体地，线圈弹簧和外部环以顺时针和逆时针方向旋转。谐振器主体的位移小于空气间隙，诸如小于1μm的一半。谐振振动被感测并转换成具有明确定义和精确频率的电信号。注意，谐振器结构和电极是对称的并且因此驱动和感测电极可以互换。
在本发明的实施例中，驱动电极110可以利用DC电压以及具有相同相位的AC信号来驱动。在其它实施例中，驱动电极110可以利用DC电压和不同相位的AC信号来驱动。
图13是在一些实施例中的图12的多线圈弹簧MEMS谐振器沿着线B-B'的截面图。参照图13，MEMS谐振器100形成在衬底上，所述衬底包括硅基层120以及形成在基层120上的诸如氧化硅的绝缘体层122。谐振器结构形成在诸如单晶硅或多晶硅层的硅层125中。硅层125可以是20-30μm厚。硅层125被光刻地图案化并且然后被蚀刻，诸如使用氢氟酸的湿蚀刻，以释放线圈弹簧结构。作为大的硅结构的中心锚定体106保持附着于绝缘层122，因为来自湿蚀刻的底切不足以蚀刻通过锚定体。线圈弹簧102和外部环104从底层衬底悬置。驱动和感测电极110和112保持连接于衬底。
包括图14（a）至14（b）的图14示出一些示例中的图10的MEMS谐振器的谐运动。图14中示出的位移出于说明目的而被扩大。在实际实践中，MEMS谐振器的移动是小的并且保持在换能器与驱动/感测电极之间的狭窄空气间隙内。例如，当空气间隙为1μm时，MEMS谐振器的线圈弹簧和外部环结构具有小于1μm的位移并且通常为约半个微米。将参照图12和14来描述MEMS谐振器100的操作。
在本发明的实施例中，MEMS谐振器100是静电驱动和感测的。为了致动MEMS谐振器，DC电压和小的AC信号被施加至驱动电极110。换能器108然后由驱动电极110通过空气间隙电容地驱动。由于驱动电压，线圈弹簧和外部环以顺时针方向旋转。更具体地，在MEMS谐振器中的线圈弹簧和外部环结构从第一位置开始（图14（a））并且以顺时针方向旋转到第二位置，如图14（b）中所示。在线圈弹簧和外部环结构由此旋转的情况下，线圈弹簧和外部环结构以逆时针方向旋转回到第一位置，如图14（a）中所示。线圈弹簧和外部环结构的谐运动随着MEMS谐振器100被驱动而以谐振频率重复。在线圈弹簧附着于中心锚定体的点处，线圈弹簧结构在振动移动期间不移动。
换能器108相对于感测电极112的位移改变了形成在两个电极之间的电容器的电容。在换能器108与感测电极112之间形成时变电容器。为了感测电容变化，DC电压被施加在谐振器结构与感测电极112之间并且生成指示电容变化的AC电流。在感测电极处的AC电流被感测以生成具有精确频率的感测信号。在一些实施例中，MEMS谐振器100被调谐到32.768kHz或者32.768 kHz的某个倍数的谐振频率。MEMS谐振器100可以用来构造MEMS振荡器，从而提供在实时时钟电路中有用的32.768 kHz的输出频率。
注意到MEMS谐振器100具有对称的谐振器结构并且因此驱动和感测电极可以互换是有益的。此外，线圈弹簧和外部环结构可以从逆时针方向旋转到顺时针方向并且然后重复。顺时针和逆时针旋转的顺序对于本发明的实施并不关键。
图15是在本发明的替代实施例中的没有释放孔的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。参照图15，MEMS谐振器150以与图10的MEMS谐振器100相同的方式构造，但是没有任何释放孔。本发明的多线圈弹簧MEMS谐振器可以使用如图10中所示的释放孔来形成以调整外部环和换能器的重量。然而，释放孔是可选的。在图15中示出的实施例中，多线圈弹簧MEMS谐振器可以形成为没有释放孔。在其它实施例中，多线圈弹簧MEMS谐振器可以形成为在外部环中具有释放孔但在换能器上没有。在又一些实施例中，多线圈弹簧MEMS谐振器可以形成为在换能器中具有释放孔但在外部环上没有。
虽然已经出于清楚理解的目的而在某些细节中描述了前述实施例，但是本发明不限于所提供的细节。存在实施本发明的许多替代方式。所公开的实施例是说明性的并且不是限制性的。

Claims (15)

1.一种MEMS谐振器，包括：
连接到衬底的中心锚定体；
谐振器主体，所述谐振器主体包括一对或多对线圈弹簧和外部闭合环，所述线圈弹簧以螺旋图案从所述中心锚定体延伸到所述外部闭合环，所述中心锚定体在所述谐振器主体的节点处；
形成在所述外部闭合环上的一个或多个换能器，每个换能器形成为与所述外部闭合环垂直并且从所述外部闭合环向外延伸；
形成为附着到所述衬底的一组驱动电极和一组感测电极，每个换能器电容地耦合到一个驱动电极和一个感测电极。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述线圈弹簧的对数、所述线圈弹簧的长度和宽度，以及所述外部闭合环的重量被选择以调谐所述MEMS谐振器的谐振频率。
3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，还包括：
形成在所述外部闭合环上以调整所述外部闭合环的重量的结构。
4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，相应的驱动电极与相应的换能器分开第一间隙并且所述感测电极以及相应的感测电极与相应的换能器分开第二间隙，所述第一和第二间隙中的每一个等于或小于1μm。
5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述谐振器主体具有20-30μm的厚度。
6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述谐振器主体由选自单晶硅层和多晶硅层的材料形成。
7.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述衬底包括硅基层，绝缘层形成在所述硅基层上。
8.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述线圈弹簧中的每一个源自所述中心锚定体上的第一位置并且以螺旋图案针对围绕所述中心锚定体的整个圆形来延伸以在所述外部闭合环上终止在与所述第一位置对准的位置处。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，每对线圈弹簧源自所述中心锚定体上的相对点并且以螺旋图案延伸到所述外部环结构上的相对点。
10.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述线圈弹簧中的每一个从所述中心锚定体以顺时针螺旋图案延伸。
11.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述线圈弹簧中的每一个从所述中心锚定体以逆时针螺旋图案延伸。
12.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述外部闭合环包括形成在其中的释放孔，所述释放孔调整所述外部闭合环的重量。
13.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中所述一个或多个换能器包括形成在其中的释放孔，所述释放孔调整所述一个或多个换能器的重量。
14.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，在每个弹簧质量部分中的所述复合弹簧结构中的弹簧单胞的数目以及所述质量的尺寸和重量被选择以调谐所述MEMS谐振器的谐振频率。
15.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述一个或多个换能器由相应的驱动电极通过不同相位中的驱动信号来驱动。
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