CN109417123A - 具有高品质因数的压电式微机电系统谐振器 - Google Patents

Abstract

一种设置有高品质因数和较低的动态阻抗的MEMS谐振器。MEMS谐振器包括：具有相对表面的硅层；在硅层的一个表面上方的压电层；以及分别布置在压电层的相对表面上的电极对。此外，压电层具有相对于MEMS谐振器的竖直轴以一定角度延伸的晶轴。

Description

具有高品质因数的压电式微机电系统谐振器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年7月12日提交的题为“PIEZOELECTRIC MEMS RESONATOR WITHA HIGH QUALITY FACTOR”的美国非临时专利申请第15/207,801号的权益，该申请的全部内容通过引用明确地并入本文中。

技术领域

本发明涉及MEMS谐振器，并且更具体地，涉及具有高品质因数的MEMS谐振器。

背景技术

微机电系统(“MEMS”)谐振器是以高频振动的小型机电结构，并且通常用于定时参考、信号滤波、质量感测、生物感测、运动感测以及其他应用。MEMS谐振器被认为是石英定时装置的常用替选方案。通常，石英谐振器具有高品质因数和压电耦合。高品质因数表明，相对于谐振器的存储的能量而言，能量损耗率较低，即，振荡消失得更慢。然而，石英谐振器的一个限制是它们难以以较小尺寸进行设计。

通常，采用基于光刻的制造工艺和晶片级处理技术，将MEMS谐振器由硅制成。设计者和制造商已经发现，纯硅谐振器通常表现出与石英晶体相当的非常高的品质因数，例如，如下面标识的非专利文献1中所描述的。然而，裸硅不是压电的，并且纯硅谐振器具有高动态阻抗，从而使得它们在许多应用中不适合代替石英谐振器。

为了降低MEMS谐振器的动态阻抗，一些设计中已增加了压电材料，例如氮化铝(AIN)薄膜层，如下面标识的例如非专利文献2中所描述的。在典型的压电式MEMS谐振器中，可以将钼薄膜溅射在硅上，然后是AIN层和另外的钼层。在薄膜沉积之后，对金属层、AIN层和硅进行蚀刻，以形成谐振器形状。利用所得到的设计，下钼层和上钼层用作电极，以对谐振器的机械振动进行激发和检测。

图1示出了常规的薄膜体声波谐振器。如所示出的，薄膜体声波谐振器10包括：具有振荡空间20的成对的衬底层11和12；以及被布置成面向振荡空间20的压电层叠结构14。压电层叠结构14包括从靠近振荡空间20的一侧按顺序布置的下电极15、压电薄膜16和上电极17。此外，下绝缘层13被形成为与下电极15的下表面接触，并且上绝缘层23被形成为与上电极17的下表面接触。

利用图1示出的薄膜体声波谐振器10的设计的一个限制在于，压电薄膜16和金属层15及17的增加破坏了薄膜体声波谐振器10的对称性。换句话说，衬底层11和12的顶部与这样的层的底部不同。

不对称的设计引起谐振器在厚度方向上的振动，这导致了谐振器的能量泄漏。通常，在相同频率下，压电式MEMS谐振器的品质因数比裸硅谐振器低约一个数量级。这种低品质因数使振荡器应用中的噪声增加，并且使动态阻抗增加。

一种试图克服压电式MEMS谐振器的低品质因数的设计是通过使用高阶泛音设计来增加谐振器的尺寸，例如，如下面标识的专利文献1中所描述的。虽然高阶的泛音设计直接降低了动态电阻，但是它也增加了谐振器的尺寸。此外，由于谐振器的制造成本与尺寸成比例，因此较大的谐振器尺寸不是优选的。另外，即使对于较大的谐振器，低动态阻抗仍然不足以用于低噪声振荡器应用，并且需要更高的品质因数。

非专利文献1：V.Kaajakari，T.Mattila，A.Oja，J.以及H.“Square-extensional mode single-crystal silicon micromechanical resonator forlow phase noise oscillator applications”，IEEE Electron Device Letters，第25卷，第4期，第173至175页，2004年4月。

非专利文献2：G.Piazza，P.J.Stephanou，A.P.Pisano，“Piezoelectric AluminumNitride Vibrating Contour-Mode MEMS Resonators”，Journal of MicroElectroMechanical Systems，第15卷，第6期，第1406至1418页，2006年12月。

专利文献1：美国专利第7,924,119号。

发明内容

因此，本文公开的MEMS谐振器增加了谐振器的品质因数，这使得在不增加谐振器尺寸的情况下具有较低的动态阻抗。

在一个实施方式中，MEMS谐振器包括：具有相对表面的硅层；在硅层的一个表面上方的压电层；以及分别布置在压电层的相对表面上的电极对(例如，金属层)。此外，压电层具有相对于MEMS谐振器的竖直轴成一定角度延伸的晶轴。

在实施方式的改进中，MEMS谐振器是面剪切模式谐振器，在电极对被电流激励时，面剪切模式谐振器主要在压电层的xy平面中振动。在又一方面，MEMS谐振器可以是Lamé模式谐振器。

优选地，压电层的晶轴在等于或大于10°的角度的方向上延伸。优选地，该角度相对于与硅层的第一表面正交的方向在40°与75°之间(并且理想地为56°)。

在一个实施方式中，压电层包括氮化铝(AIN)，以及成对的金属层包括钼(Mo)。

在另一实施方式中，压电层的相邻边缘沿着相对于硅层的晶体轴的[100]方向和[010]方向定向。

在另一实施方式中，压电层的相邻边缘沿着相对于硅层的晶体轴的[110]方向定向。

优选地，硅层、压电层和成对的金属层在xy平面中共同形成方形。此外，MEMS谐振器的方形形状的各个侧边的长度优选地在20μm与300μm之间。此外，MEMS谐振器的厚度可以在5μm与30μm之间。

在另一实施方式中，硅层形成电极对中的一个。

在另一实施方式中，提供了包括多个MEMS谐振器的MEMS谐振器阵列。在该实施方式中，MEMS谐振器：硅层，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；压电层，其被布置在硅层的第一表面上方并且具有晶轴，晶轴相对于与硅层的第一表面正交的方向以大于0°的角度的方向延伸；以及成对的金属层，其被分别布置在压电层的相对表面上。此外，多个MEMS谐振器中的每一个相对于彼此横向地布置为阵列。

以上示例实施方式的简化综述用于提供对本公开内容的基本理解。该综述不是所有构想方面的广泛概述，并且既不旨在标识所有方面的关键或重要元素，也不旨在界定本公开内容的任何或所有方面的范围。它唯一的目的是以简化形式将一个或更多个方面呈现为随后的本公开内容的更详细描述的前序。为了前述内容的实现，本公开内容的一个或更多个方面包括在权利要求书中描述和特别指出的特征。

附图说明

被并入本说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本公开内容的一个或更多个示例实施方式，并且连同详细描述一起用于说明本公开内容的原理和实现方式。提供的附图仅用于说明的目的，因此未按比例绘制。

图1示出了常规的薄膜体声波谐振器。

图2A和图2B示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器的俯视图。

图2C示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器的计算机模拟的三维模式形状。

图3A示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器的剖视图。

图3B示出了根据示例性实施方式的压电谐振器的透视图，其中，晶体c轴沿x轴方向倾斜。

图4示出了MEMS谐振器的常规压电沉积的剖视图的比较示例。

图5示出了显示示例性实施方式的压电层的耦合系数与c轴角度的模拟测试结果的曲线图。

图6A和图6B示出了示例性谐振器相对于硅晶体轴的取向。

图7示出了根据另一示例性实施方式的MEMS谐振器阵列。

图8示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器的示例性制造方法的框图。

具体实施方式

本文在MEMS谐振器或MEMS谐振器阵列的背景下，并且更具体地，在Lamé模式谐振器和其中振动运动在谐振器的xy平面中并且在厚度方向(即谐振器的z平面)上不显著变化的其他面剪切模式谐振器的背景下描述示例方面。优选地，本文描述的MEMS装置可以用在受益于高品质因数的任何基于MEMS的装置中，例如，包括陀螺仪和辐射热测定器的传感器。

本领域普通技术人员将认识到，以下描述仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。对于受益于本公开内容的本领域技术人员而言，其他方面将很容易启发他们。现在将详细参考如附图中所示的示例方面的实现方式。贯穿附图和以下描述，将尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的项。

图2A和图2B示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器(例如Lamé模式谐振器)的俯视图。如所示出的，图2A示出了在0°相位角处具有Lamé模式变形的谐振器200，图2B示出了在180°异相角处具有Lamé模式变形的谐振器200。Lamé模式的特点在于，相对侧连续地扩张和收缩。更具体地，如图2A所示，谐振器200的顶侧205a和底侧205b扩张(由实线指示)，同时左侧210a和右侧210b收缩(由虚线指示)。然后，在激励期间，在图2B所示的180°异相角处，谐振器200的顶侧205a和底侧205b收缩(由虚线指示)，同时左侧210a和右侧210b扩张(由实线指示)。

根据示例性实施方式，谐振器200由每个边的长度在20μm至300μm之间的方形板形成。此外，谐振器200的板厚度优选地在5μm至30μm之间。

图2C示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器200的计算机模拟的三维模式形状。由于谐振器板的方形边缘如上所述以反相方式弯曲，因此在激励和运动期间，板的体积保持不变，并且厚度方向的变化最小。

常规地，由单晶硅制成的纯Lamé模式谐振器已经表明了非常高的品质因数。例如，对于如静电致动的MEMS谐振器，用于Lamé模式谐振器的这种设计可以在5MHz下实现超过100万的品质因数。遗憾的是，将单晶硅用于Lamé模式谐振器不会导致有效的静电耦合。例如，耦合系数可能小于0.1％，这在许多应用中当然太低，并且导致太大的动态阻抗。

相比之下，压电式MEMS谐振器提供了改进的耦合系数。如上面关于图1所描述的，典型的压电式MEMS谐振器具有夹在两个金属电极之间的氮化铝薄膜层。通常，金属电极是钼，但是也可以使用其他材料，例如铂或铝。压电膜可以是氮化铝(AIN)或者掺杂的氮化铝，但是也可以是PZT或氧化钛。

此外，金属电极的厚度通常为50nm至400nm，并且压电膜的厚度通常为400nm至2μm。还可以在这种谐振器上设置另外的薄膜层。例如，可以用二氧化硅薄膜来改变谐振器的频率的温度系数。

然而，使用压电薄膜不能有效地致动常规的Lamé模式谐振器。这是因为Lamé模式在纯剪切谐振模式下操作，如上所述，这意味着运动是纯剪切变形，并且谐振器的体积不变。

根据本公开内容的示例性实施方式，MEMS谐振器设置有作为Lamé模式的谐振模式。具体地，形成压电层的c轴(即竖直的晶轴)，以用于有效地致动谐振器200。

具体地，图3A示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器的剖视图。特别地，MEMS谐振器200包括具有相对的第一表面和第二表面的结构层310，优选地为硅。优选地，结构层厚度的范围可以为3μm至30μm。此外，压电层320布置在结构层310上方，并且成对的金属电极层330a和330b布置在压电层320的相对表面上。优选地，压电层320由氮化铝(AIN)形成，以及金属电极层330a和330b由钼(Mo)形成。根据另一方面，如果硅层310由简并半导体制成，则硅层可以用作第二电极330b。此外，尽管未示出，但应当认识到的是，结构层310可以布置在提供机械支承的、例如可以在200μm至600μm之间的衬底上。

根据当前实施方式，通过使压电层320的c轴相对于竖直轴(z轴)以一定角度定向来使谐振器200有效地耦合。换句话说，压电层布置在硅层的第一表面上方并且具有c轴，c轴相对于与硅层的第一表面正交的方向以一定角度的方向延伸。

如下面更详细地描述的，已知对于较低质量的多晶压电膜，甚至对于高质量的压电膜，在制造过程中各个晶体排列可能存在一些轻微的变化。换句话说，尽管大多数晶体与竖直轴紧密排列在一起——这是制造过程的直接影响(下面讨论)，但是在各个晶体的基础上将存在一些意外的扩展/变化，即使在晶体排列的平均值将等于竖直轴或在一定角度内的情况下也是如此。相比之下，并且如下面将详细讨论的，根据示例性实施方式的压电层320有意地被制造成使得该层的晶体相对于竖直轴的平均角度不是无关紧要的。因此，为了获得有效的耦合系数，压电层320的晶体排列的平均角度必须至少为5°，尽管下面将参照图5来讨论优选角度。出于本公开内容的目的，构想的是，在提及“晶轴”和/或“c轴”时，所提及的轴是示例性实施方式的压电层320的各个晶体的轴的平均。

具体地，如图3A所示，谐振器200形成有压电层320，其具有相对于竖直的“z”轴偏离或倾斜(即5°或更大)的c轴。压电层320的c轴通过附图标记340示出。根据示例性实施方式，通过使压电层320的平均c轴的定向相对于谐振器200的z轴倾斜，谐振器200实现具有有效静电耦合的Lamé模式谐振。

在操作中，在将电信号施加在成对的金属电极之间时，由于压电效应，压电薄膜变形。厚度方向(z轴)上的变形通常用于对以厚度模式振动的薄膜体声波模式谐振器的致动。在厚度模式中，这些谐振器主要在厚度方向上振动，并且这种模式可以视为两个相对表面(顶部表面和底部表面)向上和向下异相移动。除了厚度变形以外，压电薄膜还在横向方向(x轴和y轴)上变形。在常规的谐振器装置中，对于优先的横向变形不存在优先的横向方向，并且由压电效应产生的横向应力在xy平面的所有方向上相等。此外，横向压电效应已经成功地应用于拉伸模式谐振器，例如，纵模光束谐振器和在xy平面中振动的拉伸板谐振器。

相比之下，因为横向压电效应不存在优先方向，所以无法以常规结构来激励剪切模式谐振例如面剪切模式或Lamé模式谐振。参照图2C，在竖直c轴定向的压电薄膜中x和y方向上的应力大小相等，并且谐振器体积保持不变的剪切模式未被激发。当根据示例性实施方式将压电薄膜320的c轴定向成偏离z轴时，对称性被破坏，并且xy平面中的应变不均匀。

图3B示出了根据示例性实施方式的压电谐振器的透视图，其中，晶体c轴沿x轴方向倾斜。当在电极(330a和330b)之间施加电场时，压电效应在x方向和y方向上引起横向应力，但是现在应力的大小不同，并且甚至可能具有相反的符号。以这种方式定向的压电膜320可以有效地耦合至面内剪切模式，其中，x方向和y方向上的运动沿相反方向。为了最大限度地耦合，优选地是，偏离z轴的倾斜沿着谐振器的横向边缘(即，如图3B所示沿着x或y)对齐。

图4示出了MEMS谐振器400的常规压电沉积的剖视图的比较示例。在用于谐振器的典型压电沉积中，例如图1中示出和上面所描述的薄膜体声波谐振器10，压电层420的c轴沿着竖直轴(即z轴)对齐。压电层420的竖直c轴是使压电薄膜在谐振器板的顶部(例如通过离子束照射)直接向下生长到铝层上的结果，使得压电层420的c轴竖直于由板谐振器限定的平面。

由于这种MEMS设计的压电层420的竖直c轴，所以在顶部电极430a与底部电极430b之间施加电压的情况下，电场引起压电薄膜420中的应力变形。这种应力变形有效地致动拉伸模式，例如长度拉伸、宽度拉伸或者方形拉伸模式。然而，由于这种设计，纯面剪切模式例如Lamé模式无法被致动。

典型地，在压电薄膜沉积期间，压电膜的c轴沿着z轴对齐，这种对齐遵循沉积衬底的对称性质和沉积过程的物理布置。常规地，它们都不具有任何优先的面内分量，并且压电材料优先地在平均晶体向z方向排列的晶体结构中生长。

常规地，在高质量的压电膜中，大多数晶体沿z轴方向紧密排列，其中，各个晶体排列从竖直轴的扩展一般小于0.5°。在较低质量的多晶体压电膜中，取决于薄膜生长条件，各个晶体排列的扩展可以高达15°，但是平均排列仍然通常沿着z方向。通过改变沉积的物理布置，例如通过相对于样品表面以倾斜角度来沉积压电材料，可以生长这样的压电材料，在该压电材料中，如本文根据示例性实施方式所描述的，平均c轴相对于z轴成角度。

相比之下，返回参照图3A和图3B，示例性实施方式的压电层320的c轴被设置成相对于竖直轴(z轴)成角度，这实现了具有有效静电耦合的谐振Lamé模式谐振。

图5示出了示出示例性实施方式的压电层320的耦合系数与c轴角度的模拟测试结果的曲线图。曲线图中的取向(即x轴)指示压电层320的c轴相对于该层的竖直z轴的取向。如图5所示，随着c轴偏离竖直轴的取向的增加，耦合系数显著增加，在c轴取向大约为56°处具有最大耦合系数5.6％。出于本公开内容的目的，要注意的是，如本文所使用的术语“大约”或“基本上”考虑了在制造过程期间等可能发生的微小变化。例如，在制造期间，可以将离子束照射的方向设置成相对于竖直轴成56°，但是如本领域技术人员将理解的，这个过程可能导致略高于或低于56°的压电层的c轴。

根据示例性实施方式，压电层320的c轴相对于z轴或者竖直轴优选地在40°与75°之间。如图5的曲线图所示，这些c轴的角度将导致MEMS谐振器200的耦合系数约为4.00％或者更高。根据示例性实施方式的改进，压电层320的c轴优选地为56°或约为56°，这导致如上所述和如图5所示的5.6％的耦合系数。

根据示例性实施方式，压电晶体的优选c轴在40度至75度之间。然而，要认识到的是，由于制造限制等，相对于竖直轴生长如此大的角度的晶体可能是不经济的。如图5所示，在大于10°的角度下并且特别地在大于20°的角度下可以获得有效的压电耦合。因此，根据替选实施方式，构想的是，压电层320相对于z轴的平均c轴可以大于10°，并且更优选地大于20°。

如本领域技术人员将理解的，对于在定时装置应用中实施的MEMS谐振器，谐振器具有好的温度稳定性是很重要的。此外，未补偿的Lamé模式谐振器示出了负的温度频率系数(TCF)。可以通过对硅衬底进行掺杂来补偿TCF，以使TCF更偏正值。

图6A和图6B示出了相对于根据示例性实施方式的示例性谐振器200的硅晶体轴的取向，其可以用于例如定时装置应用。在典型的硅处理中，硅表面呈[001]晶体方向，但是横向硅尺寸以光刻方式来限定，并且谐振器侧壁可以以任何方向对齐。对于纯Lamé模式谐振器，谐振器侧壁应与[100]硅晶体方向对齐，或者与[110]硅晶体方向对齐。

图6A示出了根据示例性实施方式的Lamé模式谐振器600a，其中，边缘被定向成沿着[100]方向和[010]方向。在这种取向下，谐振频率为：

在这种情况下，L是谐振器600a的边长，ρ是硅的密度。通常，对于硅谐振器，TCF主要由弹性常数确定。根据该取向，温度依赖性(即，TCF)由硅的弹性常数C11和C12确定。已知C11＝16.60*10¹¹dyn/cm²，并且C12＝6.40*10¹¹dyn/cm²，并且这些常数具有负的温度系数。因此，由硅制成的谐振器具有负的TCF。可以通过使用磷或者其他n型掺杂剂重掺杂硅来使TFC更偏正值。在谐振器600a的优选实施方式中，磷掺杂密度超过2*10¹⁹ 1/cm³。

此外，图6b示出了具有沿[110]方向定向的边缘的Lamé模式谐振器600b的另一实施方式。在该实施方式中，纯硅谐振器的谐振频率如下所给出的由硅剪切模块C44(已知为7.96*10¹¹dyn/cm²)确定：

同样的，L是谐振器的边长，ρ是硅的密度。根据该取向，可以通过使用硼或其他p型掺杂剂重掺杂硅来使剪切模量C44的温度系数更偏正值。这导致TCF更偏正值。在谐振器600b的优选实施方式中，硼掺杂密度超过10²⁰ 1/cm³。

应当认识到的是，对于如上所描述的谐振器600a和600b二者，谐振器频率主要由谐振器600a和600b的侧边的横向谐振器尺寸(即长度L)确定，而不是由谐振器厚度确定。这与厚度剪切模式谐振器(例如，图1中所示的体膜声波谐振器10)显著不同，在厚度剪切模式谐振器中，频率由器件的厚度而不是由横向尺寸确定。这是因为如上所讨论的当前的谐振器在厚度方向上的运动的变化是最小的。谐振器位移(模式形状)主要取决于面内位置(xy平面中的位置)，而不是沿厚度方向(即，z方向)的位置。在纯Lamé模式下，运动不具有厚度依赖性。这与厚度模式和厚度剪切模式谐振器形成对比，在厚度模式和厚度剪切模式谐振器中，位移具有强的厚度依赖性(即，位移取决于沿z轴的位置)，并且谐振频率主要由谐振器厚度确定。

此外，厚度剪切模式谐振器通常不以单晶硅作为结构层。金属和大多数压电薄膜(例如氮化铝)具有正的TCF，这使得它们不适合在没有另外的补偿的情况下用于定时参考应用。如已经提到的，可以通过掺杂硅来使硅TCF为正。通过相对于薄膜特性来调整硅厚度和掺杂水平，可以使谐振器具有几乎为零的TCF。在典型应用中，硅厚度的范围为3μm至30μm。另外，可以将二氧化硅薄膜结合至谐振器中，以使TCF更偏正值。

图7示出了根据另一示例性实施方式的MEMS谐振器阵列700的俯视图。具体地，对于高频谐振器应用，具有并联的多个谐振器阵列是有益的。如图7所示，MEMS谐振器阵列700包括四个Lamé模式谐振器700a、700b、700c和700d，其中，谐振器通过侧边连接。应当认识到的是，虽然阵列700示出了装置具有以并联附接的四个谐振器，但是实施方式决不应限于特定数目的谐振器。

此外，应当认识到的是，每个谐振器700a、700b、700c和700d可以对应于如上所描述的图2和图3中所示的谐振器200。此外，谐振器700a、700b、700c和700d中的每一个以及它们之间的压电换能器元件可以包括公共衬底层，例如硅层310。公共层意味着谐振器700a、700b、700c和700d可以由相同的SOI晶片层(即，结构层)进行处理。根据示例性实施方式，将多个谐振器元件用于MEMS谐振器装置700增加了谐振器尺寸，并且降低了动态阻抗。

图8示出了根据示例性实施方式的示例性制造方法的框图。该装置仅被示出为包括硅层310和AIN层320。如所示出的，制造过程包括离子源810和溅射源820。优选地，通过由离子束辅助RF磁控溅射来制造AIN层320。例如，可以在由溅射源820提供的N₂/Ar气体中溅射铝金属靶。根据示例性实施方式，通过离子源810产生的离子束以一定角度被提供到铝金属靶上，以形成所生成的压电膜的倾斜c轴，压电膜沉积在硅层810上，以形成所生成的MEMS谐振器300。

应当认识到的是，根据替选实施方式，可以在离子束照射期间以一定角度对金属样品进行定位，或者可以利用另一离子束将离子重新定向。只要溅射的入射角改变为一定角度，根据示例性实施方式，所生成的压电层的c轴将倾斜。

最后，应当认识到的是，根据示例性实施方式的Lamé模式谐振器的益处在于，该装置是面剪切模式谐振器。如上所描述的，在振动周期期间谐振器体积不会改变，并且因此，谐振器的品质因数可以比典型的拉伸模式谐振器的品质因数大得多。此外，面剪切模式的TCF比拉伸模式的TCF更容易补偿，因为掺杂剂密度不需要如上面关于图6A和图6B所描述的那样高以实现零一阶TCF。此外，根据一个方面，如果硅层由简并半导体制成，则硅层可以用作第二电极。

为了清楚起见，在本文中并未公开实施方式的所有常规特征。应当认识到的是，在本公开内容的任何实际实现方式的开发中，必须做出许多特定于实现方式的决定，以实现设计者的特定目标，并且这些特定目标将针对不同的实现方式和不同的设计者而变化。应当理解的是，这样的设计努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员而言，仍然是工程的常规任务。

此外，要理解的是，本文中使用的措辞或术语是出于描述而非限制的目的，使得根据在本文中提出的教示和指导，结合相关领域的技术人员的知识，本领域的技术人员将理解本说明书的术语或措辞。此外，除非如此明确阐述，否则本说明书或权利要求书中的任何术语不应被赋予不常见的或特殊的含义。

虽然已经结合示例性实施方式描述了前述内容，但是应当理解的是，术语“示例性”仅仅意味着作为示例。因此，本申请旨在覆盖可以包括在本文中公开的MEMS谐振器的精神和范围内的替选方案、修改方案和等同方案。

附图标记列表

200、600a、600b：MEMS谐振器

205a、205b、210a、210b：MEMS谐振器的边缘

310：硅层

320：压电层

330a、330b：金属层

430：压电层的c轴

700：MEMS阵列

810：离子源

820：溅射源

Claims (20)

1.一种MEMS谐振器，包括：

硅层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

压电层，其被布置在所述硅层的第一表面上方并且具有晶轴，所述晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以等于或大于5°的角度的方向延伸；以及

电极对，其被分别布置在所述压电层的相对表面上，

其中，所述晶轴是所述压电层的各个晶体的轴的平均。

2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述MEMS谐振器是面剪切模式谐振器，当所述电极对被电流激励时，所述面剪切模式谐振器主要在所述压电层的xy平面中振动。

3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其中，所述面剪切模式谐振器是Lamé模式谐振器。

4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以等于或大于10°的角度的方向延伸。

5.根据权利要求4所述的MEMS谐振器，其中，所述晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以40°与75°之间的角度的方向延伸。

6.根据权利要求5所述的MEMS谐振器，其中，所述晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以56°的角度的方向延伸。

7.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述压电层包括氮化铝(AIN)，并且所述电极对包括钼(Mo)。

8.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述压电层的相邻边缘相对于所述硅层的晶体轴沿着[100]方向和[010]方向定向。

9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述压电层的相邻边缘相对于所述硅层的晶体轴沿着[110]方向定向。

10.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述硅层、所述压电层和所述电极对在xy平面中共同形成方形形状。

11.根据权利要求10所述的MEMS谐振器，其中，所述MEMS谐振器的方形形状的各个侧边的长度在20μm与300μm之间，并且其中，所述MEMS谐振器的厚度在5μm与30μm之间。

12.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述硅层形成所述电极对中的一个。

13.一种MEMS谐振器阵列，包括：

多个MEMS谐振器，每个MEMS谐振器具有：

硅层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

压电层，其被布置在所述硅层的第一表面上方并且具有晶轴，所述晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以等于或大于5°的角度的方向延伸；以及

电极对，其被分别布置在所述压电层的相对表面上，

其中，所述多个MEMS谐振器中的每一个相对于彼此被横向地布置为阵列，并且

其中，所述晶轴是所述压电层的各个晶体的轴的平均。

14.根据权利要求13所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述MEMS谐振器中的每一个都是面剪切模式谐振器，当所述电极对被电流激励时，所述面剪切模式谐振器主要在所述压电层的xy平面中振动。

15.根据权利要求14所述的MEMS谐振器阵列，其中，每个面剪切模式谐振器都是Lamé模式谐振器。

16.根据权利要求13所述的MEMS谐振器阵列，其中，每个MEMS谐振器的晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以等于或大于10°的角度的方向延伸。

17.根据权利要求13所述的MEMS谐振器阵列，其中，每个MEMS谐振器的晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以40°与75°之间的角度的方向延伸。

18.根据权利要求17所述的MEMS谐振器阵列，其中，每个MEMS谐振器的晶轴相对于与所述硅层的第一表面正交的方向以56°角度的方向延伸。

19.根据权利要求13所述的MEMS谐振器阵列，其中，每个MEMS谐振器的压电层的相邻边缘相对于所述硅层的晶体轴沿着[100]方向和[010]方向定向。

20.根据权利要求13所述的MEMS谐振器阵列，其中，每个MEMS谐振器的压电层的相邻边缘相对于所述硅层的晶体轴沿着[110]方向定向。