CN110024284B - 角耦接谐振器阵列 - Google Patents
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Abstract
提供了在高频应用中具有改善的电气特性和减小的动态阻抗的MEMS谐振器阵列。MEMS谐振器阵列包括一对第一压电谐振器，所述一对第一压电谐振器彼此相对，所述一对第一压电谐振器之间限定有空间。此外，MEMS谐振器阵列包括一对第二压电谐振器，所述一对第二压电谐振器彼此相对并且分别耦接至第一压电谐振器中的每一个的相应角。照此，第二压电谐振器中的每一个被部分地设置在所述一对第一压电谐振器之间限定的空间中。
Description
技术领域
本发明一般涉及MEMS谐振器阵列，更具体地，涉及具有角耦接以使高频应用中的动态阻抗最小化的MEMS谐振器阵列。
背景技术
微机电系统(“MEMS”)谐振器是以高频率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代物，以提供准确的时间基准或频率基准。通常，石英谐振器具有高Q值和压电耦合。高Q值表示相对于所存储的谐振器能量而言能量损失率低，即，振荡消失得更慢。然而，石英谐振器的一个限制是难以以较小尺寸设计它们。
因此，MEMS谐振器已经用作被要求比可获得的石英谐振器更小的装置和应用的替代物。此外，为了使Q值最大化，这种MEMS谐振器已被设计成在体模式下谐振，在体模式下，谐振器主要在面内变形而面外运动被最小化。特别地，期望避免谐振器的面外弯曲模式，原因是这些模式在高频下具有低Q值。
此外，MEMS谐振器的谐振频率与谐振器宽度成反比关系。因此，为了增加谐振器的谐振频率，装置设计必须相应地减小谐振器的宽度和长度。然而，减小这种谐振器的尺寸也会导致更高的电阻抗，这是不期望的。
一些现有的谐振器设计试图通过提供并联的多个谐振器的阵列来降低电阻抗。例如，下面标识的非专利文献1展示了耦接的10.7MHz方形板谐振器阵列，其中，板进行面外振动并且用静电换能器对板进行致动。
图1示出了与非专利文献1中公开的设计类似的常规微机械谐振器阵列。如图1所示，谐振器阵列1包括多个谐振器板10A至10C，所述多个谐振器板10A至10C分别通过耦接梁20A和20B而被耦接。然而，对于这种设计，由于静电致动和面外弯曲模式，谐振器阵列1不能满足高于20MHz的频率，原因在于：对于大多数装置实现，动态阻抗将仍然是不可接受得高。
此外，下面标识的非专利文献2公开了另一常规设计，该常规设计引入了静电致动的谐振器阵列，其中谐振器与连接梁连接。因为静电致动使动态阻抗不可接受得高，因此非专利文献2中公开的设计也包括技术弱点。此外，耦接梁的振动导致了谐振响应中的许多寄生谐振(spurious resonance)。
为了将上述设计的一些弱点减到最少，通常使用基于光刻的制造工艺和晶片级加工技术由硅制成许多MEMS谐振器。然而，由于裸硅不是压电的并且纯硅谐振器具有高动态阻抗，已经发现在谐振器的顶部上添加压电材料例如氮化铝(AIN)薄膜层产生具有较低动态阻抗的谐振器。典型的压电MEMS谐振器在图2A和图2B中示出。
具体地，图2A示出了常规宽度伸缩谐振器10的顶视图。如所示的，谐振器10是具有横向长度L和宽度W的矩形形状(尽管已经使用其他形状)。此外，谐振器10在该谐振器的侧面上包括两个小的锚11A和11B以安装该谐振器。
图2B示出了常规谐振器10的横截面视图。通常，使用MEMS制造技术由硅制造谐振器10。在硅衬底12的顶部上，谐振器10具有夹在两个金属电极14A与14B之间的压电薄膜16以提供压电耦合。在示例性设计中，金属电极14A和14B通常是钼，但是也可以使用其他材料例如铂或铝。此外，压电膜16可以是氮化铝(AIN)或掺杂的氮化铝，但是也可以是PZT或氧化钛。
如上所述，为了使谐振器10的Q值最大化，期望谐振器以体模式谐振，在体模式下，谐振器主要在面内变形而面外运动被最小化。特别地，期望避免谐振器的面外弯曲模式，原因是这些模式在高频下具有低Q值。此外，对于体振动模式，横向谐振器维度决定谐振器谐振频率并且在设计高Q值谐振器时是重要的。具有高Q值的良好设计具有如图2A所示的宽度为W且长度为L的矩形形状。谐振器10的运动主要沿宽度方向，因此谐振器被称为宽度伸缩谐振器。
图2C示出了根据常规设计的宽度伸缩谐振器10的顶视图，其中谐振器10的振动运动(即，收缩振动和扩展振动)主要沿宽度方向。该模式是优选的，原因在于：谐振器的短边上的锚点11A和11B具有最小的移动，因此使锚损耗最小化并使Q值最大化。
返回参照图2A，例如，如下面标识的专利文献1中描述的，还已知特定纵横比(“AR”)——被定义为长度L与宽度W的比率(即，AR＝L/W)——使安装损耗最小化并因此使Q值最大化。特别地，根据材料特性，最佳纵横比范围从1.2到1.8，对于硅基谐振器，最佳纵横比通常为约1.5。
如上面进一步指出的，谐振频率与谐振器宽度成反比关系。然而，具有增加的谐振频率的小型谐振器也经历更高的电阻抗，这是不期望的。因此，一些现有的谐振器设计将多个谐振器组合在阵列中以降低电阻抗。例如，下面标识的专利文献2描述了面内模式谐振器阵列，其中用压电换能元件致动谐振器，该压电换能元件横向地布置在至少两个谐振器元件之间。然而，专利文献2中公开的设计也经历下述技术弱点：通过将耦接布置成在元件之间是横向的，引入了可能干扰谐振器模式形状的附加振动元件，导致令人不满意的频率响应。
专利文献1：美国专利第5,548,180号。
专利文献2：美国专利第8,786,166号。
非专利文献1：Clark等人，“Parallel-Coupled Square-ResonatorMicromechanical Filter Arrays”，IEEE国际频率控制研讨会和博览会，485页至490页(2006)。
非专利文献2：Bhave等人，“Fully-Differential Poly-SiC Lame ModeResonator and Checkerboard Filter”，关于微电子机械系统的第18届IEEE国际会议，223页至226页(2005)。
发明内容
因此，本文中公开的MEMS谐振器阵列在高频应用中提供减小的动态阻抗，同时改善了电气特性例如驱动级别依赖性。
因此，根据一个方面，提供了一种MEMS谐振器阵列，该MEMS谐振器阵列包括至少一对第一压电谐振器，所述至少一对第一压电谐振器彼此相对，所述至少一对第一压电谐振器之间限定有空间。此外，该MEMS谐振器阵列包括至少一对第二压电谐振器，所述至少一对第二压电谐振器彼此相对并且分别耦接至第一压电谐振器中的每一个的相应角，使得第二压电谐振器中的每一个被部分地设置在所述一对第一压电谐振器之间限定的空间中。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，所述一对第一压电谐振器中的第一压电谐振器的第一边在相应角处耦接至第二压电谐振器中的每一个的相应第一边，使得第一压电谐振器的第一边在第一对连接区域处与第二压电谐振器的相应第一边交叠。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，所述一对第一压电谐振器中的第二压电谐振器的第一边在相应角处耦接至第二压电谐振器中的每一个的相应第二边，使得第二压电谐振器的第一边在第二对连接区域处与第二压电谐振器的相应第二边交叠，其中，所述第二边与第二压电谐振器的第一边相对。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，第一对连接区域和第二对连接区域包括1.0μm与20.0μm之间的交叠距离。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，第一对连接区域和第二对连接区域包括相应压电谐振器的每个边的总长度的15％或更小的所述压电谐振器的相应边的压电谐振器交叠百分比。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，第一压电谐振器和第二压电谐振器中的每一个包括具有基本上相等的长度L和宽度W的矩形形状。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，第一压电谐振器和第二压电谐振器中的每一个包括具有六个角的多边形形状。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，所述一对第二压电谐振器直接耦接至第一压电谐振器中的每一个的相应角，相邻压电谐振器之间具有交叠的连接区域。此外，在这方面中，交叠的连接区域分别包括1.0μm与20.0μm之间的交叠距离。另外地或可替选地，交叠的连接区域包括相应压电谐振器的每个边的总长度的15％或更小的压电谐振器的相应边的压电谐振器交叠百分比。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，所述一对第二压电谐振器耦接至第一压电谐振器中的每一个的相应角，其中，相应的间隔件设置在所耦接的压电谐振器中的每一个之间。
在示例性MEMS谐振器阵列的另一方面中，该阵列还包括至少一对附加压电谐振器，所述至少一对附加压电谐振器耦接至未耦接至所述一对第一压电谐振器的第二压电谐振器中的一个第二压电谐振器的相应角。
根据另外的实施方式，提供了一种MEMS谐振器阵列，该MEMS谐振器阵列包括：至少一对第一压电谐振器，所述至少一对第一压电谐振器中的每一个具有侧表面，所述侧表面沿第一方向彼此平行延伸并且面向彼此，所述至少一对第一压电谐振器之间限定有空间；以及至少一对第二压电谐振器，所述至少一对第二压电谐振器中的每一个具有彼此平行并且沿第一方向延伸的相对的第一侧表面和第二侧表面。在本实施方式中，第二压电谐振器中的每一个耦接至所述一对第一压电谐振器中的相应的相对的角，使得第二压电谐振器中的每一个被部分地设置在所述一对第一压电谐振器的侧表面之间限定的空间中。
示例实施方式的以上简要概述用于提供对本公开内容的基本理解。该概述不是对考虑的所有方面的广泛综述，并且既不意在识别所有方面的关键或重要要素，也不意在描述本公开内容的任何或所有方面的范围。该概述的唯一目的是以简化的形式呈现一个或更多个方面作为以下的本公开内容的更详细描述的序言。为了实现上述内容，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且特别指出的特征。
附图说明
并入本说明书并且构成本说明书的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实施方式的原理和实现。所提供的附图仅出于说明性目的，因此未按比例绘制。
图1示出了常规压电微机械谐振器阵列。
图2A示出了常规宽度伸缩谐振器的顶视图。
图2B示出了图2A中示出的常规谐振器的横截面视图。
图2C示出了图2A所示的宽度伸缩谐振器的顶视图，并且示出了振动运动。
图3A和图3B示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器阵列。
图3C示出了将如图3B所示的示例性MEMS谐振器阵列中的两个谐振器之间的机电耦合系数与谐振器交叠百分比进行比较的图。
图4A和图4B示出了根据另一示例性实施方式的MEMS谐振器阵列。
图5A示出了根据又一示例性实施方式的MEMS谐振器阵列的顶视图。
图5B示出了图5A所示的MEMS谐振器阵列的变型的顶视图。
图6示出了根据另一实施方式的MEMS谐振器阵列的顶视图。
图7示出了根据下述可替选实施方式的MEMS谐振器阵列，该可替选实施方式示出了建议的示例性设计的扩展。
具体实施方式
根据本文描述的示例性实施方式，提供了MEMS谐振器设计以通过使在高频应用中的常规MEMS谐振器设计中观察到的高动态阻抗和驱动级别依赖性最小化来改善电气特性。特别地，如将在下面详细讨论的，示例性谐振器阵列包括多个压电谐振器，所述多个压电谐振器彼此物理连接以用于机械耦接。
本领域普通技术人员将认识到，以下描述仅是说明性的，并且并不意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，他们很容易想到其他方面。现在将详细参考如附图所示的示例方面的实现。遍及附图和以下描述，将尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的项。
图3A和图3B示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器阵列。具体地，图3A示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器阵列100的部分顶视图。如所示的，谐振器阵列100包括第一对压电谐振器110A和110B(即，压电谐振器板)，所述第一对压电谐振器110A和110B设置在相同的平面中(即，沿纵向方向)，其中压电谐振器110A与110B之间设置有空间120(或区域)。
图3B示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器阵列100的完整顶视图。如所示的，MEMS谐振器100是与图3A所示的设计配置相同的设计配置，该MEMS谐振器100具有第一对压电谐振器110A和110B，压电谐振器110A和110B之间设置有空间120。如进一步所示，设置了第二对压电谐振器110C和110D，所述第二对压电谐振器110C和110D仅被部分地设置在压电谐振器110A与110B之间的空间120(即，区域)中，以形成所有四个压电谐振器110A至110D之间的机械连接。
通常，预期压电谐振器110A至110D中的每一个可以从SOI晶片的相同层(即，结构层)被处理。此外，虽然未示出，但是压电谐振器110A至110D中的每一个可以包括夹在两个金属电极之间的压电薄膜以提供压电耦合，例如上面关于图2B所描述的常规分层。金属电极例如可以由钼、铂或铝形成。此外，压电膜例如可以是氮化铝(AIN)或掺杂的氮化铝，但是也可以是PZT或氧化钛。可以使用如本领域技术人员将理解的电气连接配置来并联地耦接压电谐振器，但是具体配置对于示例性MEMS谐振器阵列并不重要，因此将不再进一步详细描述。
根据示例性实施方式，金属电极的厚度例如可以是50纳米(nm)至400nm，压电膜的厚度例如可以是400nm至2μm。此外，硅衬底12的厚度例如可以在3μm至30μm的范围内。虽然未示出，但是在一些常规设计中也可以存在附加的薄膜层。例如，可以使用二氧化硅薄膜层来改变谐振器的频率的温度系数。
如图3B中进一步所示，压电谐振器110C和110D耦接至压电谐振器110A和110B中的每一个，使得它们部分地交叠。更具体地，压电谐振器110A的沿横向方向延伸的第一边与压电谐振器110C和110D中的每一个的沿相同方向(即，横向方向)延伸的第一边部分地交叠。例如，这些压电谐振器的交叠可以分别在连接区域111和113处。类似地，压电谐振器110B的沿相同的横向方向延伸的第一边分别在连接区域112和114处与压电谐振器110C和110D中的每一个的第二边(与第一边相对)部分地交叠。
如进一步所示，压电谐振器110A至110D中的每一个优选地具有从顶视图来看相同或基本上相同或类似的外部形状，在本实施方式中该外部形状为正方形形状。根据可替选实施方式，压电谐振器可以具有如下所讨论的矩形外部形状。关于图3B中示出的实施方式，应当理解，横向方向和纵向方向仅针对相对视角被示出，就这一点而言可以反向，原因是外部形状是正方形形状，因此，长度和宽度是相同的或基本上相同的并且是关于彼此垂直的。
通常，预期本文所使用的术语“基本上”将在制造过程期间可能发生的谐振器形状的微小变化考虑在内。例如，根据一个实施方式，压电谐振器110A至110D被设计成具有相同或基本上相同的维度。然而，在MEMS制造过程期间用于对层进行沉积和蚀刻的机器可能导致这些维度的微小差异。因此，术语“基本上”将由于制造设备的变化而导致的维度变化考虑在内。
根据示例性实施方式，提供了压电谐振器110A与压电谐振器110C和110D中的每一个之间的部分交叠机械连接以及压电谐振器110B与压电谐振器110C和110D中的每一个之间的部分交叠机械连接，以确保所有压电谐振器110A至110D以相同的频率振动。在这方面中，示例性交叠距离在1.0μm与20.0μm之间。此外，如所示的，每个压电谐振器110A至110D具有正方形的外部形状，优选地，每个边具有例如约130μm的长度。使用压电谐振器之间的这种交叠连接，从应用的角度来看，MEMS谐振器阵列110不会显著地影响所连接的压电谐振器110A至110D的模式形状(包括Q值)，而是在压电谐振器之间提供良好的机械耦接并且还便于在压电谐振器的顶部上使用薄膜进行电气连接。
此外，在与常规的MEMS设计比较时，使用压电谐振器的示例性MEMS谐振器阵列100提供比静电谐振器更低的动态阻抗。此外，由于压电谐振器110C和110D被部分地设置在压电谐振器110A与110B之间的区域120中，所以整个谐振器结构非常紧凑，因而不浪费谐振器之间的多余空间。优选地，在不使机电耦合系数降低到如下所讨论的有效装置应用所需的所需值以下的情况下，交叠区域尽可能大以减少浪费的空间。另外，由于压电谐振器110A至110D仅部分地彼此接触，因此各个压电谐振器的模式形状没有显著地改变。最后，在示例性实施方式中，MEMS谐振器阵列110不需要各个压电谐振器之间的连接梁(例如，与图1相比)，如上面关于常规设计描述的，各个压电谐振器之间的连接梁不必要地增加了阵列的尺寸并引入附加的振动模式。
图3C示出了将示例性MEMS谐振器阵列例如图3B中所示的设计中的两个压电谐振器(例如，压电谐振器110A和110C)之间的机电耦合系数(以百分比)与压电谐振器交叠(以百分比)进行比较的图。对于压电谐振器交叠百分比，应当理解，该百分比表示压电谐振器110A的第一边的与压电谐振器110C(或压电谐振器110D)交叠的部分与压电谐振器110A的该边的总长度相比。因此，作为示例，例如，如果压电谐振器110A具有约130μm的边长度(沿横向方向延伸)，其中与压电谐振器110C有20μm的交叠区域，则压电谐振器交叠将为约15％。如图3C所示，当压电谐振器交叠大于15％时，机电耦合系数下降到5.0以下并且随着交叠百分比的增加而继续减小。此外，本领域技术人员已知：机电耦合系数的下降表示谐振模式形状已被干扰，并且阵列的模式形状不再能够通过各个压电谐振器的模式来描述。受干扰的模式形状表现出较差的机电耦合和降低的Q值。因此，根据示例性实施方式，MEMS谐振器阵列110中的压电谐振器(例如，压电谐振器110A和110B)中的每一个应该在相邻压电谐振器(例如，压电谐振器110C和110D)的连接区域处以不多于15％的交叠进行交叠，以保持有效的谐振模式形状。同时，如上所述，交叠连接区域(例如，区域111、112、113和114中的每一个)必须至少为1.0μm以确保压电谐振器之间的良好机械耦接。
图4A和图4B示出了根据另一示例性实施方式的MEMS谐振器阵列。具体地，图4A示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器阵列200的部分顶视图。特别地，压电谐振器阵列200包括第一对压电谐振器210A和210B，所述第一对压电谐振器210A和210B设置在相同的平面中(即，沿纵向方向)，其中，压电谐振器210A与210B之间设置有空间220(或区域)。根据示例性实施方式，压电谐振器210A和210B的外部形状是具有六个角的多边形。
图4B示出了根据示例性实施方式的MEMS谐振器阵列200的完整顶视图。如所示的，MEMS谐振器200是与图4A所示的设置配置相同的设计配置，该MEMS谐振器200具有第一对压电谐振器210A和210B，压电谐振器210A和210B之间设置有空间220。如进一步所示，第二对压电谐振器210C和210D仅部分地设置在压电谐振器210A与210B之间的空间220(即，区域)中，以形成所有四个压电谐振器210A至210D之间的机械连接。
因此，如所示的，压电谐振器210A的沿横向方向延伸的第一边分别在连接区域211和213处连接至压电谐振器210C和210D中的每一个的第一边(也沿横向方向延伸)。类似地，压电谐振器210B的沿横向方向延伸的第一边分别在连接区域212和214处连接至压电谐振器210C和210D中的每一个的第二边(与第一边平行且相对)。与上面描述的示例性MEMS谐振器阵列100类似，连接区域211至214优选地以不多于15％的压电谐振器交叠延伸1.0μm与20.0μm之间的交叠距离(即，例如，在示例性实施方式中，当侧表面为约130μm时)。鉴于与上面描述的MEMS谐振器100相比的图4B中示出的MEMS谐振器200，应当理解，可以根据本文中的公开内容的示例性实施方式来实现具有不同外部形状(例如，正方形、多边形等)的压电谐振器。
图5A示出了根据又一示例性实施方式的MEMS谐振器阵列的顶视图。如所示的，MEMS谐振器阵列300包括第一对压电谐振器310A和310B以及第二对压电谐振器310C和310D，第一对压电谐振器310A和310B之间设置有空间或区域320，第二对压电谐振器310C和310D被部分地设置在空间320中并且分别在连接区域311、312、313和314处耦接至压电谐振器310A和310B。
如该实施方式中所示，压电谐振器310A至310D中的每一个包括下述外部矩形形状，该外部矩形形状具有沿纵向方向延伸的长度L和沿横向方向延伸的宽度W，其中长度L比宽度W更长。具体地，压电谐振器310A包括彼此平行并且沿横向方向延伸的相对的短边(即，第一边351A和第二边352A)，并且还包括彼此平行并且沿纵向方向延伸的相对的长边(即，第三边353A和第四边354A)。类似地，压电谐振器310B包括彼此平行并且沿横向方向延伸的相对的短边(即，第一边351B和第二边352B)，并且还包括彼此平行并且沿纵向方向延伸的相对的长边(即，第三边353B和第四边354B)。此外，压电谐振器310C包括彼此平行并且沿横向方向延伸的相对的短边(即，第一边351C和第二边352C)，并且还包括彼此平行并且沿纵向方向延伸的相对的长边(即，第三边353C和第四边354C)。最后，压电谐振器310D包括彼此平行并且沿横向方向延伸的相对的短边(即，第一边351D和第二边352D)，并且还包括彼此平行并且沿纵向方向延伸的相对的长边(即，第三边353D和第四边354D)。
在示例性方面中，压电谐振器310A的短边351A和压电谐振器310B的短边352B面向彼此，351A和352B之间限定有空间320。类似地，压电谐振器310C的长边354C和压电谐振器310D的长边353D面向彼此，354C和353D之间限定有空间320。
如进一步所示，如本领域技术人员所理解的，每个压电谐振器310A至310D包括可以物理地耦接至传感器装置(未示出)的框架(即，支承构件)的锚点，使得MEMS谐振器设置在框架中的腔中。因此，如所示的，压电谐振器310A包括锚点331A和332A，压电谐振器310B包括锚点331B和332B，压电谐振器310C包括锚点331C和332C，压电谐振器310D包括锚点331D和332D。优选地，这些锚点是振动伸缩在宽度伸缩模式下的结点。因此，如所示的，相应锚点分别被定位在压电谐振器310A至310D的每个主要表面的中心处，并且被定位在压电谐振器310A至310D的相应较短边(即，沿横向方向)的中心部分处。注意，本文中公开的其他MEMS谐振器阵列(例如，阵列100和200)也可以包括这种锚点，但是没有如此被示出以免不必要地模糊示例性实施方式的各方面。
根据图5A中的示例性方面，压电谐振器310A至310D的长度和宽度的纵横比被选择成获得使锚区域附近的运动最小化的宽度伸缩模式形状。例如，如上所述，根据材料特性，最佳纵横比范围从1.2到1.8，对于硅基谐振器，最佳纵横比通常为约1.5。因此，在这方面中，压电谐振器310A至310D中的每一个的长度L(即，沿纵向方向的长度)可以是宽度W(即，沿横向方向的长度)的长度的1.5倍。
此外，根据该实施方式，压电谐振器310A至310D被对准以沿着短边连接，以类似于上面描述的图3B的实施方式，使耦接对压电谐振器模式形状的干扰最小化。因此，压电谐振器310A的沿横向方向延伸的第一边351A分别在连接区域311和313处沿着边352C和352D与压电谐振器310C和310D中的每一个部分地交叠。此外，在这些连接区域311和313处的交叠长度优选地以不多于15％的压电谐振器交叠延伸1.0μm与20.0μm之间的距离，以保持有效的谐振模式形状并且还确保压电谐振器之间的充分机械耦接。类似地，压电谐振器310B的沿横向方向延伸的边352B分别在连接区域312和314处沿着边351C和351D(分别与边352C和352D相对)与压电谐振器310C和310D中的每一个部分地交叠。此外，在这些连接区域312和314处的交叠长度也优选地以不多于15％的压电谐振器交叠延伸1.0μm与20.0μm之间的距离，以保持有效的谐振模式形状并且还确保压电谐振器之间的充分机械耦接。因此，如所示的，MEMS谐振器阵列300包括从纵向视角和横向视角二者来看均对称的外部形状。
图5B示出了图5A中所示的MEMS谐振器阵列300的变型的顶视图。具体地，MEMS谐振器400的许多部件与MEMS谐振器阵列300基本上相同，因此在本文中将不再重复。主要变化在于：在图5A中，压电谐振器310C和310D的长边被设置在压电谐振器310A与310B之间的空间320中。相比之下，如图5B所示，压电谐振器310A和310B的短边(即，边351A和352B)被设置在压电谐振器310C与310D之间的空间320中。
因此，如所示的，连接区域341、342、343和344位于矩形形状的压电谐振器310A至310D中的每一个的长边的角和交叠区域处，而不是位于如图5A所示的短边的角和交叠区域处。另外，MEMS谐振器400具有与MEMS谐振器300类似的设计，包括优选地具有相同的方面。此外，对于这两个实施方式，连接区域(即，阵列300的区域311至314或者阵列400的区域341至344)优选地以不多于15％的压电谐振器交叠延伸1.0μm与20.0μm之间的交叠距离。
图6示出了根据另一实施方式的MEMS谐振器阵列500的顶视图。图6所示的设计类似于上面所讨论的MEMS谐振器阵列300。具体地，MEMS谐振器阵列500包括在角区域处彼此耦接的四个矩形形状的压电谐振器410A至410D。然而，如进一步示出的，使用间隔件411、412、413和414将相应的压电谐振器彼此连接起来。在一个方面中，间隔件可以使用相同的硅或用于制造压电谐振器的其他衬底材料。就这一点而言，交叠区域仍将是相同的，这意味着，例如，压电谐振器410A将以不多于15％的压电谐振器交叠在1.0μm与20.0μm之间的距离处与压电谐振器410C和410D中的每一个沿横向方向交叠。然而，在这方面中，压电谐振器并非直接地耦接至每一个，而是设置了间隔件411至414以将压电谐振器彼此耦接。
最后，应当理解，虽然MEMS谐振器阵列中的每一个包括四个压电谐振器作为阵列的一部分，但是可以修改本文中描述的设计，使得每个阵列可以被扩展成任意大的尺寸，其中压电谐振器被部分地放置在另外两个压电谐振器之间的区域中。
图7示出了根据可替选实施方式的MEMS谐振器阵列，该可替选实施方式突出了建议的示例性设计的扩展。例如，MEMS谐振器阵列600可以是图5A中所示且上面描述的阵列300的修改。具体地，MEMS谐振器阵列600包括如上所述的压电谐振器310A、310B、310C和310D，这些压电谐振器之间设置有空间320A。如进一步所示，压电谐振器310E和310F部分地角耦接至压电谐振器310D，其中压电谐振器310G被部分地设置在压电谐振器310E与310F之间的空间320B中。应当理解，例如，可以沿纵向方向和横向方向二者将附加的压电谐振器添加到阵列600以构建MEMS谐振器阵列，以具有任意大的尺寸来进一步减小动态阻抗。此外，MEMS谐振器阵列600优选地具有从装置的垂直轴沿纵向方向和横向方向二者来看整体对称的形状。
为了清楚起见，在本文中没有公开实施方式的所有常规特征。应当理解，在本公开内容的任何实际实现的开发中，必须做出大量特定于实现的决定以实现设计者的特定目标，并且对于不同的实现和不同的设计者而言，这些特定目标将不同。应当理解，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将不过是工程的常规任务。
此外，应当理解，本文中使用的措辞或术语是出于描述的目的而非限制的目的，使得本说明书中的术语或措辞应该由本领域技术人员结合相关领域技术人员的知识、根据本文中呈现的教导和指导来解释。此外，除非如此明确地阐述，否则并不意在将本说明书或权利要求书中的任何术语归于不常见的或特殊的含义。
尽管已经结合示例性实施方式描述了前述内容，但是应当理解，术语“示例性”仅仅意味着作为示例。因此，本申请旨在涵盖可以包括在本文公开的MEMS谐振器的精神和范围内的替代、修改和等同物。
附图标记列表
100、200、300、400、500、600：MEMS谐振器阵列
120、220、320、420、320A、320B：空间
110A至110D、210A至210D、310A至310G、410A至410D：压电谐振器
331A至331D、332A至332D：锚点
111至114、211至214、311至314、341至344：连接区域
351A至351D、352A至352D：压电谐振器的短边
353A至353D、354A至354D：压电谐振器的长边
411至414：间隔件
Claims (18)
1.一种微机电系统MEMS谐振器阵列，包括：
至少一对第一压电谐振器，所述至少一对第一压电谐振器彼此相对，所述至少一对第一压电谐振器之间限定有空间；以及
至少一对第二压电谐振器，所述至少一对第二压电谐振器彼此相对并且分别耦接至所述第一压电谐振器中的每一个的相应角，使得所述第二压电谐振器中的每一个被部分地设置在所述一对第一压电谐振器之间限定的空间中，
所述一对第一压电谐振器和所述一对第二压电谐振器设置在相同的平面中，
所述一对第一压电谐振器中的第一谐振器的第一边在相应角处耦接至所述第二压电谐振器中的每一个的相应第一边，使得所述第一谐振器的所述第一边在第一对连接区域处与所述第二压电谐振器的相应第一边交叠，
所述一对第一压电谐振器中的第二谐振器的第一边在相应角处耦接至所述第二压电谐振器中的每一个的相应第二边，使得所述第二谐振器的所述第一边在第二对连接区域处与所述第二压电谐振器的相应第二边交叠，其中，所述第二边与所述第二压电谐振器的第一边相对，
所述一对第一压电谐振器和所述一对第二压电谐振器具备锚点，所述锚点位于所述一对第一压电谐振器和所述一对第二压电谐振器各自的相对的短边的中心部分。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述第一对连接区域和所述第二对连接区域包括1.0μm与20.0μm之间的交叠距离。
3.根据权利要求1所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述第一对连接区域和所述第二对连接区域包括相应压电谐振器的每个边的总长度的15％或更小的所述压电谐振器的相应边的压电谐振器交叠百分比。
4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述第一压电谐振器和所述第二压电谐振器中的每一个包括具有基本相等的长度L和宽度W的矩形形状。
5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述第一压电谐振器和所述第二压电谐振器中的每一个包括具有六个角的多边形形状。
6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述一对第二压电谐振器直接耦接至所述第一压电谐振器中的每一个的相应角，相邻压电谐振器之间具有交叠的连接区域。
7.根据权利要求6所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述交叠的连接区域分别包括1.0μm与20.0μm之间的交叠距离。
8.根据权利要求6所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述交叠的连接区域包括相应压电谐振器的每个边的总长度的15％或更小的所述压电谐振器的相应边的压电谐振器交叠百分比。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述一对第二压电谐振器耦接至所述第一压电谐振器中的每一个的相应角，其中，相应的间隔件设置在所耦接的压电谐振器中的每一个之间。
10.根据权利要求1所述的MEMS谐振器阵列，还包括至少一对附加压电谐振器，所述至少一对附加压电谐振器耦接至未耦接至所述一对第一压电谐振器的第二压电谐振器中的一个第二压电谐振器的相应角。
11.一种微机电系统MEMS谐振器阵列，包括：
至少一对第一压电谐振器，所述至少一对第一压电谐振器中的每一个具有侧表面，所述侧表面沿第一方向彼此平行延伸并且面向彼此，所述至少一对第一压电谐振器之间限定有空间；以及
至少一对第二压电谐振器，所述至少一对第二压电谐振器中的每一个具有彼此平行并且沿所述第一方向延伸的相对的第一侧表面和第二侧表面，
其中，所述一对第一压电谐振器和所述一对第二压电谐振器设置在相同的平面中，
所述第二压电谐振器中的每一个耦接至所述一对第一压电谐振器中的相应的相对的角，使得所述第二压电谐振器中的每一个被部分地设置在所述一对第一压电谐振器的侧表面之间限定的空间中，
所述一对第一压电谐振器中的第一谐振器的第一边在相应角处耦接至所述第二压电谐振器中的每一个的相应第一边，使得所述第一谐振器的所述第一边在第一对连接区域处与所述第二压电谐振器的相应第一边交叠，
所述一对第一压电谐振器中的第二谐振器的第一边在相应角处耦接至所述第二压电谐振器中的每一个的相应第二边，使得所述第二谐振器的所述第一边在第二对连接区域处与所述第二压电谐振器的相应第二边交叠，其中，所述第二边与所述第二压电谐振器的第一边相对，
所述一对第一压电谐振器和所述一对第二压电谐振器具备锚点，所述锚点位于所述一对第一压电谐振器和所述一对第二压电谐振器各自的相对的短边的中心部分。
12.根据权利要求11所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述第一压电谐振器和所述第二压电谐振器中的每一个包括具有基本相等的长度L和宽度W的矩形形状，其中，所述长度L比所述宽度W更长。
13.根据权利要求12所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述第一压电谐振器中的每一个的侧表面和所述第二压电谐振器中的每一个的第一侧表面和第二侧表面对应于长度等于宽度W的矩形形状的所述短边。
14.根据权利要求12所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述第一压电谐振器中的每一个的侧表面和所述第二压电谐振器中的每一个的第一侧表面和第二侧表面对应于长度等于长度L的矩形形状的长边。
15.根据权利要求11所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述一对第二压电谐振器直接耦接至所述第一压电谐振器中的每一个的相应角，相邻压电谐振器之间具有交叠的连接区域。
16.根据权利要求15所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述交叠的连接区域分别包括1.0μm与20.0μm之间的交叠距离。
17.根据权利要求15所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述交叠的连接区域包括相应压电谐振器的每个边的总长度的15％或更小的所述压电谐振器的相应边的压电谐振器交叠百分比。
18.根据权利要求11所述的MEMS谐振器阵列，其中，所述一对第二压电谐振器耦接至所述第一压电谐振器中的每一个的相应角，其中，相应的间隔件设置在所耦接的压电谐振器中的每一个之间。
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