CN111380631A - 谐振器、制造谐振器的方法、应变传感器和传感器阵列 - Google Patents

谐振器、制造谐振器的方法、应变传感器和传感器阵列 Download PDF

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Abstract

提供了谐振器、制造谐振器的方法以及包括谐振器的应变传感器和传感器阵列。谐振器被设置为从支撑件沿长度方向延伸。谐振器包括单晶材料，并且被设置为沿单晶材料的晶向之中满足所需的杨氏模量和所需的泊松比中的至少一个的晶向延伸。

Description

谐振器、制造谐振器的方法、应变传感器和传感器阵列
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2018年12月28日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请No.10-2018-0173084的优先权，该申请的公开内容通过引用全部并入本文中。
技术领域
本公开涉及谐振器、制造谐振器的方法以及包括谐振器的应变传感器和传感器阵列。
背景技术
谐振器是在某个频带中振动的器件。可以通过使用微机电系统(MEMS)在半导体基板(例如，硅基板)上形成微振动结构来制造谐振器。例如，谐振器适用于诸如机械滤波器和声学传感器的振动传感器。例如，振动传感器可以用作安装在移动电话、家用电器、图像显示设备、虚拟现实设备、增强现实设备和人工智能(AI)扬声器上的传感器，并且可以识别由诸如外部应力、外部压力或外力的外部输入产生的振动。
发明内容
提供了一种谐振器、制造谐振器的方法、以及包括谐振器的应变传感器和传感器阵列。
其他方面部分地将在以下描述中阐述，且部分地将通过以下描述而变得清楚明白，或者可以通过本发明的实践来获知。
根据本公开的一个方面，提供了一种谐振器，从支撑件沿长度方向延伸，谐振器包括：单晶材料，其中，谐振器沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，晶向来自单晶材料的多个晶向。
谐振器可以沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
谐振器可以沿具有最大泊松比的晶向延伸。
谐振器的一端可以固定到支撑件。
谐振器的两端可以固定到支撑件。
支撑件可以包括单晶材料。
根据本公开的另一方面，提供了一种谐振器，从支撑件沿长度方向延伸，谐振器包括：具有(100)晶面的单晶硅，其中，谐振器沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，晶向来自单晶硅的晶向。
谐振器可以沿具有最小杨氏模量和最大泊松比的晶向延伸。
谐振器可以沿单晶硅的<100>晶向延伸。
谐振器可以沿单晶硅的<100>晶向和<110>晶向之间的晶向延伸。
谐振器可以是沿长度方向延伸的梁型形状。
谐振器的至少一端可以固定到支撑件。
支撑件可以包括单晶硅。
根据本公开的另一方面，提供了一种制造谐振器的方法，包括：图案化包括单晶材料的基板，以将基板的一部分形成为沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，晶向来自单晶材料的晶向。
图案化基板还可以包括：图案化基板，以使基板的一部分沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
图案化基板还可以包括：图案化基板，以使基板的一部分沿具有最大泊松比的晶向延伸。
基板可以包括具有(100)晶面的单晶硅，并且图案化基板还可以包括：图案化基板，以使基板的一部分沿单晶硅的<100>晶向延伸。
根据本公开的另一方面，提供了一种应变传感器，包括：谐振器，被设置为从支撑件沿长度方向延伸；以及感测器件，被配置为测量谐振器的应变，其中，谐振器包括单晶材料并且沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，晶向来自单晶材料的晶向。
谐振器可以沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
谐振器可以沿具有最大泊松比的晶向延伸。
谐振器可以包括具有(100)晶面的单晶硅。
谐振器可以沿单晶硅的<100>晶向延伸。
谐振器可以沿单晶硅的<100>晶向和<110>晶向之间的晶向延伸。
谐振器的至少一端可以固定到支撑件。
感测器件可以包括压电器件、压阻器件或者电容器件。
感测器件可以包括光学器件，光学器件测量由谐振器反射的光的角度变化。
根据本公开的另一方面，提供了一种传感器阵列，包括：多个谐振器，多个谐振器中的每一个从支撑件沿长度方向延伸并且具有不同的谐振频率；以及多个感测器件，配置为测量多个谐振器的应变，其中，多个谐振器中的每一个包括单晶材料并且沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，晶向来自单晶材料的晶向。
多个谐振器中的每一个可以沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
多个谐振器中的每一个可以沿具有最大泊松比的晶向延伸。
多个谐振器中的每一个可以包括具有(100)晶面的单晶硅。
多个谐振器中的每一个可以沿单晶硅的<100>晶向延伸。
多个谐振器中的每一个可以沿单晶硅的<100>晶向和<110>晶向之间的晶向延伸。
多个谐振器中的每一个的至少一端可以固定到支撑件。
支撑件可以包括单晶材料。
根据本公开的另一方面，提供了一种谐振器，包括：由单晶材料形成的支撑部分；由单晶材料形成并从支撑部分延伸的谐振部分，其中，基于杨氏模量和泊松比中的至少一个，以相对于单晶材料的(100)晶面的倾斜角形成谐振部分。
支撑部分可以是单晶材料的蚀刻部分。
谐振部分可以是单晶材料的蚀刻部分。
倾斜角可以介于单晶材料的<100>晶向和<110>晶向之间。
倾斜角可以是单晶材料的<100>晶向。
根据本公开的另一方面，提供了一种制造谐振器的方法，包括：在光掩膜上提供平行于单晶材料晶片的平坦区的参考线图案；基于光掩膜在单晶材料晶片上图案化谐振部分，其中，基于杨氏模量和泊松比中的至少一个以相对于参考线图案的倾斜角来图案化谐振部分。
图案化谐振部分可以包括：在单晶材料晶片的表面上蚀刻具有扇形肋形状的薄图案；选择薄图案不会塌陷的方向；以及将光掩膜的参考线与该方向彼此对齐。
可以通过使用湿蚀刻液进行图案化。
平坦区可以是单晶材料的(100)晶面。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他方面将变得明确并且更容易理解，在附图中：
图1A示出了根据具有(100)晶面的单晶硅的晶向的杨氏模量；
图1B示出了根据具有(100)晶面的单晶硅的晶向的泊松比；
图2示出了通过图案化具有(100)晶面的单晶硅晶片而制造的一般谐振器；
图3A和图3B是分别示出了一般谐振器的平面图和截面图；
图4示出了使用图3A和图3B的一般谐振器的应变传感器；
图5示出了根据示例性实施例的通过图案化具有(100)晶面的单晶硅晶片而制造的谐振器；
图6A和图6B是分别示出了根据示例性实施例的谐振器的平面图和截面图；
图7示出了使用根据示例性实施例的谐振器的应变传感器；
图8至图11示出了应用图7的应变传感器的感测器件；
图12A示出了在使用一般谐振器的应变传感器的端部受外部输入而向上移位之后的状态；
图12B示出了在使用根据示例性实施例的谐振器的应变传感器的端部受外部输入而向上移位之后的状态；
图13A示出了在使用一般谐振器的应变传感器的端部向下移位之后的状态；
图13B是沿图13A的线I-I’的剖视图；
图14A示出了在使用根据示例性实施例的谐振器的应变传感器的端部向下移位之后的状态；
图14B是沿图14A的线I-I’的剖视图；
图15A示出了在使用一般谐振器的应变传感器的端部向上移位之后的状态；
图15B是沿图15A的线II-II’的剖视图；
图16A示出了在使用根据示例性实施例的谐振器的应变传感器的端部向上移位之后的状态；
图16B是沿图16A的线II-II’的剖视图；
图17A示出了通过将具有(100)晶面的单晶硅晶片沿晶向图案化而制造的谐振器；
图17B示出了根据图17A的谐振器的晶向的谐振特性；
图18示出了根据另一示例性实施例的麦克风；
图19A示出了使用一般谐振器的麦克风的谐振特性；
图19B示出了使用根据示例性实施例的谐振器的麦克风的谐振特性；以及
图20示出了根据另一示例性实施例的谐振器。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中，为了清楚并且为了便于解释，元件的尺寸可能被夸大。在这点上，呈现的实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。
将理解，当层被称为在另一层或基板“上”时，其可以直接在另一层或基板上，或者还可以存在中间层。单数形式的表述涵盖复数表述，除非在上下文中具有明确的不同的意义。当在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”或“具有”和/或“含有”指明所述元件的存在，但不排除存在或添加一种或多种其他元件。
术语“一”、“一个”和“该”以及类似指示物的使用应被解释为涵盖单数和复数二者。可以按照任何适当顺序执行构成本文中描述的方法的操作，除非本文中另外指出或者与上下文明显矛盾。本公开不限于描述的操作顺序。本文中提供的任何和所有示例或示例性语言的使用仅意在更好地阐述本公开的实施例且不对本公开的范围施加限制，除非另外要求。
单晶硅的晶体结构是金刚石结构，因此，如图1A和图1B所示，杨氏模量和泊松比可以根据单晶硅的晶向而变化。杨氏模量是指材料抵抗外部压力的程度。泊松比是指在向材料施加竖直应力时，横向应变和纵向应变之间的比率。
图1A示出了根据具有(100)晶面的单晶硅的晶向的杨氏模量。图1B示出了根据具有(100)晶面的单晶硅的晶向的泊松比。(100)表示代表晶面的米勒指数。
参考图1A，在具有(100)晶面的单晶硅中，<110>晶向上的杨氏模量最大，<100>晶向上的杨氏模量最小。<110>和<100>表示代表晶向的米勒指数。
参考图1B，在具有(100)晶面的单晶硅中，<110>晶向上的泊松比最小，<100>晶向上的泊松比最大。
通过使用杨氏模量和泊松比，可以将有效杨氏模量表示为等式(1)。
Figure BDA0002087055130000061
其中，Eeff表示有效杨氏模量，E表示杨氏模量，ν表示泊松比。
根据等式(1)，有效杨氏模量与杨氏模量成正比，并且与泊松比成反比。因此，在具有(100)晶面的单晶硅中，<110>晶向上的有效杨氏模量最大，<100>晶向上的有效杨氏模量最小。因此，在具有(100)晶面的单晶硅中，可以在<110>晶向上实现最硬的结构，在<100>晶向上实现最柔性的结构。
图2示出了通过图案化具有(100)晶面的单晶硅晶片而制造的一般谐振器。
参考图2，在单晶硅晶片W的一侧设置平坦区FZ，在处理具有(100)晶面的单晶硅晶片W时，平坦区FZ用作基线。平坦区FZ一般在平行于<110>晶向的方向上形成。在这种情况下，垂直于平坦区FZ的方向是<110>晶向。
图2示出了通过图案化具有(100)晶面的单晶硅晶片W而制造的四种类型的一般谐振器221、222、223和224，即，第一谐振器221、第二谐振器222、第三谐振器223和第四谐振器224。第一谐振器221和第二谐振器222被制造成具有悬臂型结构，其中谐振器的一端固定到支撑件210；第三谐振器223和第四谐振器224被制造成具有桥型结构，其中谐振器的两端都固定到支撑件210。支撑件210可以包括具有(100)晶面的单晶硅，其与单晶硅晶片W中包括的材料相同。
第一谐振器221和第三谐振器223被设置为从支撑件210沿垂直于平坦区FZ的<110>晶向延伸。第二谐振器222和第四谐振器224被设置为从支撑件210沿平行于平坦区FZ的<110>晶向延伸。这样，一般谐振器221、222、223和224被设置为沿具有(100)晶面的单晶硅的<110>晶向延伸。
图3A和图3B示出了图2的一般谐振器221、222、223和224之一。详细地，图3A是一般谐振器的平面图，图3B是一般谐振器的截面图。
参考图3A和图3B，一般谐振器220被设置为从支撑件210沿平行于或垂直于平坦区FZ的<110>晶向延伸。一般谐振器220可以制造成梁型形状。一般谐振器220的一端固定到支撑件210，一般谐振器220的另一端被设置为根据外部输入(例如，外部应力、外部压力或外力)竖直移动。
图4示出了使用图3A和图3B的谐振器的应变传感器。
参考图4，应变传感器290包括一般谐振器220和设置在一般谐振器220上的感测器件230。如上所述，一般谐振器220包括具有(100)晶面的单晶硅，并且被设置为从支撑件210沿<110>晶向延伸。感测器件230可以设置在一般谐振器220的上表面上。感测器件230可以测量由外部输入P产生的一般谐振器220的应变。
这样，使用具有(100)晶面的单晶硅制造的一般谐振器220被设置为从支撑件210沿平行于或垂直于平坦区FZ的<110>晶向延伸。
在具有(100)晶面的单晶硅中，如上所述，杨氏模量E在<110>晶向上最大。此外，即使考虑<110>晶向上的泊松比v时，根据等式(1)，有效杨氏模量Eeff在<110>晶向上也具有最大值。因此，与其他晶向相比，设置为沿<110>晶向延伸的一般谐振器220具有产生相对小的位移的刚性特性。因此，当使用一般谐振器220制造应变传感器290时，感测效率可能降低。
图5示出了根据示例性实施例的通过图案化具有(100)晶面的单晶硅晶片而制造的谐振器。
参考图5，在具有(100)晶面的单晶硅晶片W的一侧设置平坦区FZ，在处理具有(100)晶面的单晶硅晶片W时，平坦区FZ用作基线。平坦区FZ在平行于<110>晶向的方向上形成。在这种情况下，垂直于平坦区FZ的方向是<110>晶向。
图5示出了根据示例性实施例的通过图案化具有(100)晶面的单晶硅晶片W而制造的四种类型的谐振器：第一谐振器321、第二谐振器322、第三谐振器323和第四谐振器324。第一谐振器321和第二谐振器322被制造成具有悬臂型结构，其中谐振器的一端固定到支撑件310；第三谐振器323和第四谐振器324被制造成具有桥型结构，其中谐振器的两端都固定到支撑件310。支撑件310可以包括具有(100)晶面的单晶硅，其与单晶硅晶片W中包括的材料相同。
第一谐振器321和第三谐振器323被设置为从支撑件310沿<100＞晶向延伸，该<100>晶向相对于<110>晶向(即，平行于平坦区FZ的方向)倾斜45°。第二谐振器322和第四谐振器324被设置为从支撑件310沿<100>晶向延伸，该<100>晶向相对于<110>晶向倾斜135°。这样，根据示例性实施例的第一谐振器321、第二谐振器322、第三谐振器323和第四谐振器324被设置为沿具有(100)晶面的单晶硅的<100>晶向延伸。
图6A和图6B示出了根据图5的示例性实施例的第一谐振器321、第二谐振器322、第三谐振器323和第四谐振器324之一。详细地，图6A是根据示例性实施例的谐振器的平面图，图6B是根据示例性实施例的谐振器的截面图。
参考图6A和图6B，谐振器320被设置为从支撑件310沿<100＞晶向延伸。谐振器320可以制造成梁型形状。谐振器320的一端固定到支撑件310，谐振器320的另一端被设置为根据外部输入(例如，外部应力、外部压力或外力)竖直移动。
根据实施例，谐振器可以包括由单晶材料形成的支撑部分310、和由单晶材料形成且从支撑部分延伸的谐振部分320。谐振部分可以以相对于单晶材料的(100)晶面的倾斜角来形成。基于杨氏模量和泊松比中的至少一个确定倾斜角。
根据实施例，制造谐振器的方法可以包括使用光掩膜的一系列半导体制造过程。例如，在光掩膜的设计期间，在光掩膜上提供与材料晶片的平坦区对齐的参考线图案或形状。晶片的平坦区表示晶片的基本晶向。将谐振器图案的方向设计为与参考线图案成相对角度。在这种状态下，相对角度是以期望的晶向来形成谐振器的角度。因此，基于光掩膜对谐振器进行图案化。
接下来，通过在一系列制造过程中与之前的光掩膜对齐来执行后续的过程。
根据实施例，为了获得更精确的角度，首先，可以通过使用诸如KOH或THAM的湿蚀刻液在材料晶片的表面上湿蚀具有扇形肋形状的薄图案。接下来，通过选择图案不会塌陷的方向来确定准确的方向(100)，并且所选择的方向和光掩膜的参考线可以彼此对齐。
图7示出了使用图6A和图6B的谐振器320的应变传感器390。
参考图7，应变传感器390包括谐振器320和设置在谐振器320上的感测器件330。如上所述，谐振器320包括具有(100)晶面的单晶硅，并且被设置为从支撑件310沿<100>晶向延伸。感测器件330可以设置在谐振器320的上表面上。感测器件330可以测量由外部输入P产生的谐振器320的应变。
图8至图11示出了应用图7的应变传感器390的感测器件。
图8示出了压电器件用作感测器件的情况。参考图8，压电器件340可以包括压电层343与第一电极341和第二电极342，压电层343的电压根据施加的压力而变化，第一电极341和第二电极342分别设置在压电层343的两侧。压电器件340可以设置在谐振器320的上表面上，并且可以通过测量由于谐振器320的位移而在压电层343中产生的电压变化来测量谐振器320的应变。
图9示出了压阻器件用作感测器件的情况。参考图9，压阻器件350可以包括压阻层353以及设置在压阻层353的上表面上的第一电极351和第二电极352。根据实施例，在压阻层353中产生的电压根据施加的压力而变化。压阻器件350可以设置在谐振器320的上表面上，并且可以通过测量由于谐振器320的位移而在压阻层353中产生的电压变化来测量谐振器320的应变。
图10示出了电容器件用作感测器件的情况。参考图10，电容器件360可以包括第一导体361和第二导体362，第一导体361设置在谐振器320的一端的上表面上，第二导体362设置在第一导体361上方以与第一导体361分开。第一导体361被设置为与谐振器320的端部一起移动，第二导体362固定。电容器件360可以通过测量由于谐振器320的位移而产生的第一导体361和第二导体362之间的电容变化来测量谐振器320的应变。
图11示出了光学器件用作感测器件的情况。参考图11，光学器件370可以包括光源371和光接收器372，光源371设置在谐振器320上方，光接收器372接收由光源371发射并由谐振器320反射的光。光学器件370可以通过测量由于谐振器320的位移而产生的光的反射角(α)变化来测量谐振器320的应变。
上述感测器件仅是示例，并且可以将能够测量谐振器320的应变的其他各种器件应用于图7的应变传感器390。
这样，使用具有(100)晶面的单晶硅制造的谐振器320被设置为沿<100>晶向延伸。如上所述，在具有(100)晶面的单晶硅中，杨氏模量E在<100>晶向上最小，并且即使考虑泊松比v时，有效杨氏模量Eeff也在<100>晶向上具有最小值。因此，与其他晶向相比，被设置为沿<100>晶向延伸的根据示例性实施例的谐振器320具有产生相对大的位移的柔性特性。
当使用根据示例性实施例的谐振器320实现应变传感器390时，可以获得高信号输出和高Q因子，因此可以提高对外部输入信号的测量灵敏度和频带灵敏度。
图12A示出了在使用一般谐振器420的应变传感器490的端部受外部输入而向上移位之后的状态。一般谐振器420包括具有(100)晶面的单晶硅，并且被设置为从支撑件沿<110>晶向延伸。诸如压电器件的感测器件430被设置在一般谐振器420的上表面上。
图12B示出了在使用根据示例性实施例的谐振器520的应变传感器590的端部受外部输入而向上移位之后的状态。根据示例性实施例的谐振器520包括具有(100)晶面的单晶硅，并且形成为从支撑件沿<100>晶向延伸，感测器件530形成在谐振器520的上表面上。
将相同大小的外部输入P施加到图12A的应变传感器490和图12B的应变传感器590上。在这种情况下，图12A的一般谐振器420的端部移位了D1，根据图12B的示例性实施例的谐振器520的端部移位了D2。
通过使用应力和有效杨氏模量Eeff，可以将应变表示为等式(2)。
Figure BDA0002087055130000111
其中，ε表示应变，σ表示应力。
根据等式(2)，应变ε与应力σ成正比，并且与有效杨氏模量Eeff成反比。因此，当应力σ恒定时，应变ε与有效杨氏模量Eeff成反比。
如上所述，在具有(100)晶面的单晶硅中，<110>晶向上的有效杨氏模量最大，<100>晶向上的有效杨氏模量最小。因此，当施加相同大小的外部输入时，与图12A中沿<110>晶向延伸的一般谐振器420相比，图12B中沿<100>晶向延伸的谐振器520可以获得相对大的位移。
这样，当外部输入P的大小彼此相同时，图12B中沿<100>晶向延伸的谐振器520的位移D2大于图12A中沿<110>晶向延伸的谐振器420的位移D1，因此，与图12A的应变传感器490相比，图12B的应变传感器590可以获得改善的输出信号。
图13A示出了在使用一般谐振器420的应变传感器490的端部向下移位之后的状态，图13B是沿图13A的线I-I’的剖视图。在图13B中，虚线示出了应变传感器490移位之前的状态，ν1表示一般谐振器420的泊松比。
图14A示出了在使用根据示例性实施例的谐振器520的应变传感器590的端部向下移位之后的状态，图14B是沿图14A的线I-I’的剖视图。在图14B中，虚线示出了应变传感器590移位之前的状态，ν2表示根据示例性实施例的谐振器520的泊松比。
图13A和图13B的应变传感器490与图14A和图14B的应变传感器590通过外部输入向下移位相同的大小D1。参考图13B和图14B，当一般谐振器420和根据示例性实施例的谐振器520向下移位时，分别设置在一般谐振器420和根据示例性实施例的谐振器520上的感测器件430和530沿横向产生压缩剪切应变。图13B和图14B中所示的箭头的大小表示在感测器件430和530中产生的压缩剪切应变的大小。
在具有(100)晶面的单晶硅中，<110>晶向的泊松比最小，<100>晶向的泊松比最大。因此，图14A和图14B的根据示例性实施例的谐振器520的泊松比ν2大于图13A和图13B的一般谐振器420的泊松比ν1。因此，在图14A和图14B的设置在根据示例性实施例的谐振器520上的感测器件530中可以比在图13A和图13B的设置在一般谐振器420上的感测器件430中产生更大的剪切应变，因此可以改善输出信号。
图15A示出了在使用一般谐振器420的应变传感器490的端部向上移位之后的状态，图15B是沿图15A的线II-II’的剖视图。在图15B中，虚线示出了应变传感器490移位之前的状态，ν1表示一般谐振器420的泊松比。
图16A示出了在使用根据示例性实施例的谐振器520的应变传感器590的端部向上移位之后的状态，图16B是沿图16A的线II-II’的剖视图。在图16B中，虚线示出了应变传感器590移位之前的状态，ν2表示根据示例性实施例的谐振器520的泊松比。
图15A和图15B的应变传感器490与图16A和图16B的应变传感器590通过外部输入向上移位相同的大小D2。参考图15B和图16B，当一般谐振器420和根据示例性实施例的谐振器520向上移位时，分别设置在一般谐振器420和根据示例性实施例的谐振器520上的感测器件430和530沿横向产生拉伸剪切应变。图15B和图16B中所示的箭头的大小表示在感测器件430和530中产生的拉伸剪切应变的大小。
如上所述，因为根据图16A和图16B的示例性实施例的谐振器520的泊松比ν2大于图15A和图15B的一般谐振器420的泊松比ν1，所以在图16A和图16B的设置在根据示例性实施例的谐振器520上的感测器件530中可以比在图15A和图15B的设置一般谐振器420上的感测器件430中产生更大的剪切应变，因而可以改善输出信号。
图17A示出了通过将具有(100)晶面的单晶硅晶片沿晶向图案化而制造的谐振器1100。
参考图17A，通过将具有(100)晶面的单晶硅晶片W沿不同晶向图案化而制造的十六个谐振器1100径向地布置。
图17B示出了根据图17A的谐振器1100的晶向的谐振特性。图17B示出了当已向图17A的谐振器1100中的三个谐振器施加了相同的外部输入时，通过根据频率测量位移而获得的结果，三个谐振器是沿作为平坦区FZ的方向的<110>晶向图案化的谐振器1100、沿相对于<110>晶向倾斜45°的<100>晶向图案化的谐振器1100以及沿<110>晶向和<100>晶向之间的晶向(具体地，相对于<110>晶向倾斜22.3°的晶向)图案化的谐振器1100。
参考图17B，三个谐振器1100中沿<100>晶向图案化的谐振器1100具有最大位移和最小谐振频率带宽，沿<110>晶向图案化的谐振器1100具有最小位移和最大谐振频率带宽。沿<110>晶向和<100>晶向之间的晶向图案化的谐振器1100的位移和谐振频率带宽具有沿<100>晶向图案化的谐振器1100和沿<110>晶向图案化的谐振器1100之间的值。
这样，由于沿相对于<110>晶向(该晶向是平坦区FZ的方向)倾斜45°的<100>晶向图案化的谐振器1100具有最大位移，因此谐振器1100具有最高输出；且由于沿相对于<110>晶向(该晶向是平坦区FZ的方向)倾斜45°的<100>晶向图案化的谐振器1100具有最小谐振频率带宽，因此谐振器1100具有最高频率选择性和最高Q因子。因此，当使用沿<100>晶向图案化的谐振器1100制造的传感器时，可以获得高效率。
上面已经描述了使用具有(100)晶面的单晶硅的杨氏模量和泊松比二者实现沿<100>晶向延伸的谐振器的情况。然而，实施例不限于此，并且仅使用杨氏模量和泊松比中的一个的晶向可被定义为谐振器延伸的方向。例如，具有最小杨氏模量的晶向或者具有最大泊松比的晶向可被定义为谐振器延伸的方向。
例如，根据上述示例性实施例的谐振器适用于诸如机械滤波器和声学传感器的振动传感器。
图18示出了根据另一示例性实施例的麦克风600。图18的麦克风600是一种使用根据上述示例性实施例的谐振器制造的声学传感器类型的麦克风。
参考图18，麦克风600包括其中形成腔室615的基板610、以及设置在基板610的腔室615上的传感器阵列690。传感器阵列690可以包括多个谐振器、以及测量谐振器的应变的多个感测器件。
多个谐振器可以具有不同的谐振频率以感测不同频带的声频。为此，可以提供具有不同尺寸的多个谐振器。例如，可以提供具有不同长度、宽度或厚度的多个谐振器。设置在腔室615上的谐振器的数量可以根据设计条件进行各种修改。
图18示出了具有不同长度的谐振器沿着腔室615两侧的边缘布置并且彼此平行的情况。然而，这仅是示例，谐振器可以以各种其他形式布置。例如，谐振器可以沿一行布置。
谐振器可以被设置为各自从基板610的支撑件沿长度方向延伸。如上所述，多个谐振器包括具有(100)晶面的单晶硅，并且被设置为各自沿单晶硅的<100>晶向延伸。
由于声学输入部分、谐振器和声学输出部分沿一个方向布置，因此图18的麦克风600可以具有方向性。详细地，麦克风600可以具有双方向性，例如，沿+z轴方向的方向性和沿-z轴方向的方向性。
在图18的麦克风600中，构成传感器阵列690的谐振器包括具有(100)晶面的单晶硅，并且被设置为各自从基板610的支撑件沿<100>晶向延伸，因此可以获得改善的输出和改善的灵敏度。此外，因为谐振器具有窄的谐振频带，所以可以改善频率选择性和Q因子，因而可以实现高分辨率。
图19A示出了使用一般谐振器的麦克风的谐振特性。一般谐振器包括具有(100)晶面的单晶硅，并且各自沿<110>晶向延伸。图19B示出了使用根据示例性实施例的谐振器的麦克风的谐振特性。根据示例性实施例的谐振器包括具有(100)晶面的单晶硅，并且各自沿<100>晶向延伸。
参考图19A和图19B，各自沿<100>晶向延伸的根据示例性实施例的谐振器比各自沿<110>晶向延伸的一般谐振器具有更窄的谐振频带。因此，在相同的输入频率范围ΔH内，相比于各自沿<110>晶向延伸的谐振器，可以布置更多的各自沿<100>晶向延伸的谐振器，因此可以实现更高的分辨率。
图20示出了根据另一示例性实施例的谐振器720。
参考图20，谐振器720包括具有(100)晶面的单晶硅，并且被设置为从支撑件710沿<hkl>晶向延伸。<hkl>晶向可以是<110>晶向和<100>晶向之间的晶向。换句话说，<hkl>晶向可以是以相对于<110>晶向0°和45°之间的角度倾斜的方向，<110>晶向是平坦区FZ的方向。
如上所述，沿<110>晶向和<100>晶向之间的晶向延伸的谐振器720的位移和谐振频率带宽具有沿<100>晶向图案化的一般谐振器220和沿<110>晶向图案化的根据示例性实施例的谐振器320之间的值。
图20的谐振器720延伸的方向可以根据应用领域的要求而变化。例如，可以制造沿<110>晶向和<100>晶向之间的任意晶向延伸的谐振器720，以满足期望的谐振特性所需的杨氏模量和/或泊松比。
上面已经描述了使用具有(100)晶面的单晶硅制造谐振器的情况。然而，实施例不限于此，并且可以使用具有除(100)晶面之外的晶面的单晶硅来制造谐振器。
备选地，可以使用除单晶硅之外的单晶材料制造谐振器。在这种情况下，可以将谐振器设置为从支撑件沿单晶材料的晶向之中满足杨氏模量和泊松比中的至少一个的晶向延伸。例如，可以将谐振器设置为沿具有最小杨氏模量的晶向或者沿具有最大泊松比的晶向延伸。然而，实施例不限于此。
根据上述实施例，可以使用根据单晶材料的晶向而变化的杨氏模量和泊松比来制造谐振器，因此可以实现满足期望的谐振特性的传感器。当使用具有(100)晶面的单晶硅晶片制造谐振器时，图案化单晶硅晶片以使其沿<100>晶向延伸，从而实现了能够获得高输出的谐振器。此外，因为谐振器具有窄的谐振频带，所以可以改善频率选择性和Q因子。因此，当使用该谐振器时，可以实现具有高灵敏度和高分辨率的传感器。尽管已参考附图描述了一个或多个实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (44)

1.一种谐振器，从支撑件沿长度方向延伸，所述谐振器包括：
单晶材料，
其中，所述谐振器沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，所述晶向来自所述单晶材料的多个晶向。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中，所述谐振器沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其中，所述谐振器沿具有最大泊松比的晶向延伸。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中，所述谐振器具有沿长度方向延伸的梁型形状。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其中，所述谐振器的一端固定到所述支撑件。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其中，所述谐振器的两端固定到所述支撑件。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其中，所述支撑件包括所述单晶材料。
8.一种谐振器，从支撑件沿长度方向延伸，所述谐振器包括：
具有(100)晶面的单晶硅，
其中，所述谐振器沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，所述晶向来自所述单晶硅的多个晶向。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中，所述谐振器沿具有最小杨氏模量和最大泊松比的晶向延伸。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中，所述谐振器沿所述单晶硅的＜100＞晶向延伸。
11.根据权利要求8所述的谐振器，其中，所述谐振器沿所述单晶硅的＜100＞晶向和＜110＞晶向之间的晶向延伸。
12.根据权利要求8所述的谐振器，其中，所述谐振器具有沿长度方向延伸的梁型形状。
13.根据权利要求8所述的谐振器，其中，所述谐振器的至少一端固定到所述支撑件。
14.根据权利要求8所述的谐振器，其中，所述支撑件包括所述单晶硅。
15.一种制造谐振器的方法，包括：
图案化包括单晶材料的基板，以将所述基板的一部分形成为沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，所述晶向来自所述单晶材料的多个晶向。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，图案化所述基板还包括：图案化所述基板，以使所述基板的一部分沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，图案化所述基板还包括：图案化所述基板，以使所述基板的一部分沿具有最大泊松比的晶向延伸。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，
所述基板包括具有(100)晶面的单晶硅，以及
图案化所述基板还包括：图案化所述基板，以使所述基板的一部分沿所述单晶硅的＜100＞晶向延伸。
19.一种应变传感器，包括：
谐振器，被设置为从支撑件沿长度方向延伸；以及
感测器件，被配置为测量所述谐振器的应变，
其中，所述谐振器包括单晶材料，并且沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，所述晶向来自所述单晶材料的多个晶向。
20.根据权利要求19所述的应变传感器，其中，所述谐振器沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
21.根据权利要求19所述的应变传感器，其中，所述谐振器沿具有最大泊松比的晶向延伸。
22.根据权利要求19所述的应变传感器，其中，所述谐振器包括具有(100)晶面的单晶硅。
23.根据权利要求22所述的应变传感器，其中，所述谐振器沿所述单晶硅的＜100＞晶向延伸。
24.根据权利要求22所述的应变传感器，其中，所述谐振器沿所述单晶硅的＜100＞晶向和＜110＞晶向之间的晶向延伸。
25.根据权利要求19所述的应变传感器，其中，所述谐振器的至少一端固定到所述支撑件。
26.根据权利要求19所述的应变传感器，其中，所述感测器件包括压电器件、压阻器件或者电容器件。
27.根据权利要求19所述的应变传感器，其中，所述感测器件包括光学器件，所述光学器件测量由所述谐振器反射的光的角度变化。
28.一种传感器阵列，包括：
多个谐振器，所述多个谐振器中的每一个从支撑件沿长度方向延伸并且具有不同的谐振频率；以及
多个感测器件，被配置为测量所述多个谐振器的应变，
其中，所述多个谐振器中的每一个包括单晶材料，并且沿基于杨氏模量和泊松比中的至少一个而确定的晶向延伸，所述晶向来自所述单晶材料的多个晶向。
29.根据权利要求28所述的传感器阵列，其中，所述多个谐振器中的每一个沿具有最小杨氏模量的晶向延伸。
30.根据权利要求28所述的传感器阵列，其中，所述多个谐振器中的每一个沿具有最大泊松比的晶向延伸。
31.根据权利要求28所述的传感器阵列，其中，所述多个谐振器中的每一个包括具有(100)晶面的单晶硅。
32.根据权利要求31所述的传感器阵列，其中，所述多个谐振器中的每一个沿所述单晶硅的＜100＞晶向延伸。
33.根据权利要求31所述的传感器阵列，其中，所述多个谐振器中的每一个沿所述单晶硅的＜100＞晶向和＜110＞晶向之间的晶向延伸。
34.根据权利要求28所述的传感器阵列，其中，所述多个谐振器中的每一个的至少一端固定到所述支撑件。
35.根据权利要求28所述的传感器阵列，其中，所述支撑件包括所述单晶材料。
36.一种谐振器，包括：
支撑部分，由单晶材料形成；
谐振部分，由所述单晶材料形成并且从所述支撑部分延伸，
其中，基于杨氏模量和泊松比中的至少一个，以相对于所述单晶材料的(100)晶面的倾斜角来形成所述谐振部分。
37.根据权利要求36所述的谐振器，其中，所述支撑部分是所述单晶材料的蚀刻部分。
38.根据权利要求36所述的谐振器，其中，所述谐振部分是所述单晶材料的蚀刻部分。
39.根据权利要求36所述的谐振器，其中，所述倾斜角介于所述单晶材料的＜100＞晶向和＜110＞晶向之间。
40.根据权利要求36所述的谐振器，其中，所述倾斜角是所述单晶材料的＜100＞晶向。
41.一种制造谐振器的方法，包括：
在光掩膜上提供平行于单晶材料的平坦区的参考线图案；
基于所述光掩膜在单晶材料晶片上图案化谐振部分；
其中，基于杨氏模量和泊松比中的至少一个，以相对于所述参考线图案的倾斜角来图案化所述谐振部分。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，图案化所述谐振部分包括：
在所述单晶材料晶片的表面上蚀刻具有扇形肋形状的薄图案；
选择所述薄图案不会塌陷的方向；以及
将所述方向与所述光掩膜的参考线图案彼此对齐。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，通过使用湿蚀刻液进行所述图案化。
44.根据权利要求41所述的方法，其中，所述平坦区是所述单晶材料的(100)晶面。
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