CN111699628A - Mems谐振器阵列布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机电谐振器，该微机电谐振器包括：支撑结构；谐振器元件，被悬置到支撑结构，该谐振器元件包括多个子元件；以及致动器，用于将谐振器元件激发到谐振模式。子元件被定尺寸为使得它们在一个方向上可划分为一个或多个基本元件，该一个或多个基本元件具有不同于1的长宽比，使得基本元件中的每个基本元件支持基本谐振模式，这些基本元件一起定义子元件的复合谐振模式。子元件还通过连接元件彼此耦合，并且相对于彼此定位为使得基本元件处于矩形阵列配置，其中每个基本元件占据单个阵列位置，并且阵列配置的至少一个阵列位置没有基本元件。

Description

MEMS谐振器阵列布置
技术领域
本发明涉及微机电(MEMS)谐振器。
背景技术
机电电阻，也被称为等效串联电阻(ESR)，是谐振器的重要性能参数。与传统的石英晶体相比，特别是在压电致动的波束谐振器(诸如长度延展(LE)谐振器)中，ESR倾向于是高的，因为基本LE模式只能存在于长对宽的长宽比大于1的波束谐振器中，即，在长度大于波束的宽度的波束中，并且第N泛音LE模式可以存在于长对宽的长宽比大于N的波束谐振器中。由于LE模式的ESR在波束宽度增加时减小，较宽的波束是优选的以得到较低的ESR。然而，LE模式的存在与长宽比的接合设置针对ESR的较低限制。
MEMS谐振器设计中的附加任务是使谐振器的频率对温度改变不敏感，即温度补偿。通常，由单晶硅制备的波束谐振器可以利用如下进行温度补偿：对硅晶体进行足够强的掺杂，使波束相对于下层硅晶体的晶体方向适当地成形和对准，并且适当地选择其谐振模式。通过掺杂来进行温度补偿例如在WO 2012/110708A1中有更为广泛的讨论。
波束可以例如以长度延伸(LE)谐振模式进行振荡，其中运动主要发生在波束的长度方向上。LE模式具有如下理想的性质：当谐振器波束沿着[100]晶体方向被引导时、以及当被掺杂有足够高掺杂浓度的n型掺杂剂时，其具有零或正一阶频率温度系数(TCF)。硅的正TCF允许使用具有负TCF的其他材料，例如，这些其他材料可能需要用于压电致动目的，并且因此复合LE模式谐振器的总TCF可以变为零。
代替LE模式，波束谐振器可以被激发成弯曲或扭转模式。然而，这些模式面临着与ESR和温度补偿有关的类似问题。
当希望同时具有较低的ESR和较低的温度依赖性时，面临着特殊的挑战。具有小于1的长对宽的长宽比(即，具有相对较宽的波束)的一些压电致动谐振器可以支持如下谐振模式，该谐振模式具有与在相同频率处的石英晶体可比的相对较低ESR水平。例如，Ho等人，“HIGH-ORDER COMPOSITE BULK ACOUSTIC RESONATORS”MEMS 2007，神户，日本，2007年1月21-25日，以及Kuypers J.,High Frequency Oscillators for Mobile Devices,inH.Bhugra,G.Piazza(eds.),Piezoelectric MEMS Resonators,Microsystems andNanosystems,DOI10.1007/978-3-319-28688-4_15,第335-385页示出，具有低ESR的这种谐振器设计可以在波束与下层硅晶体的[110]方向对准时实现。然而，这些谐振模式具有比例如LE模式更高的温度依赖性，并且因此在压电致动谐振器中的较少可用。
与MEMS谐振器设计有关的另外挑战包括保持谐振器的品质因数尽可能高，并且保持谐振器的占用面积(footprint)尽可能小，以便节省制造成本。
存在对一种能够同时满足尽可能多的上述要求的改进的谐振器的需求。
发明内容
本发明的目的是克服上述问题。一个特定的目的是提供一种新颖的谐振器结构，该谐振器结构能够提供更多的设计自由度，特别是用于实现具有高品质因数(Q值)和/或小占用面积的谐振器。
附加目的是实现具有低ESR的谐振器。
一个目的是实现一种谐振器，该谐振器同时提供比单波束几何形状更大的设计自由度、以及波束谐振器的优点。一个特别的目的是实现一种具有频率对温度的低依赖性的谐振器。
这些目的如本文中所描述和所要求保护的那样实现。
根据一个方面，提供了一种微机电谐振器，该微机电谐振器包括支撑结构以及被悬置到该支撑结构的谐振器元件，该谐振器元件包括彼此分开一距离而放置的多个子元件。还提供了一种用于将谐振器元件激发到谐振模式的致动器。根据本发明，子元件被定尺寸为使得这些子元件在一个方向上可划分为一个或多个基本元件，该一个或多个基本元件具有不同于1的长宽比，使得基本元件中的每个基本元件支持基本谐振模式(或相同的基本谐振模式)。此外，子元件通过连接元件彼此耦合，并且相对于彼此被定位为使得基本元件以矩形阵列配置来布置，其中每个基本元件占据单个阵列位置，并且谐振器元件的谐振模式是由基本元件定义的集体谐振模式(collective resonance mode)。另外，该阵列配置的至少一个阵列位置没有基本元件。
因此，谐振基本元件一起限定了在每个子元件中的集体谐振模式，并且子元件的耦合确保了整个谐振器元件的集体谐振模式。由于阵列配置，集体谐振不会通过移除分别对应于一个或多个相邻基本元件的一个或多个部分而被破坏。因此，在使新的设计可能性可用的同时，保持了谐振器的期望性质。
特别地，子元件的长对宽的长宽比高于1，由此它们是波束元件。取决于子元件的长度，它们作为一个整体以基本模式或基本模式的泛音进行谐振。基本模式可以是例如长度延伸模式、扭转模式或弯曲模式。
本发明提供了显著的益处。所耦合的子元件以及因此由占据的阵列位置限定的整个谐振器元件能够以集体谐振模式进行谐振，这产生了针对谐振器方明确限定的输出频率。与连接元件的耦合具有避免频率分裂(splitting)和出现多个谐振模式的效果。自由(free)阵列位置可以用于谐振器的其他功能组件，为了提及一些示例，诸如锚定或电过孔、表面电路系统或接触垫。因此，在不损害谐振器的性能的情况下增加了设计的自由度。
设计的自由度因此可以被用来修改谐振器包封几何形状(envelope geometry)，以用于例如让出针对谐振器的中央锚定的空间，这使损耗最小化并且使品质因数最大化，和/或让出针对电接触的空间，这在使用矩形切割时使谐振器组件的面积最小化。这些方案将在后面详细讨论。
该谐振器至少与长度延伸、弯曲和扭转模式兼容。另外，通过使用多个子元件，谐振器元件的面积可以增加以用于减小ESR，同时保持这些模式的益处。
重要的是，本发明与基于掺杂的(本征的)温度补偿兼容。这意味着，通过将硅晶片上的谐振器元件相对于硅晶片的晶体方向适当地对准，谐振器的频率的温度依赖性，即TCF的绝对值可以减小。
在压电致动的情况下(使用压电致动通常需要减小ESR)，上述益处特别重要。此外，由谐振器元件的硅主体布置的压电致动器材料层具有对TCF的影响，由此硅主体的TCF“过度补偿”是有益的。
因此，本发明以实际的方式克服了现有技术的限制，并且允许实现新类型的谐振器。
从属权利要求涉及本发明的所选择的实施例。
在一些实施例中，至少一个自由阵列位置位于阵列的外围位置处。在实践中，一个或多个自由位置可以在例如阵列的一个、两个或四个拐角处和/或在阵列的一侧。结果，非矩形的包封几何形状被形成。优选地，谐振器相对于锚定位置的对称性被维持。
在一些实施例中，至少一个自由阵列位置位于内部阵列位置处，从而提供有空隙的谐振器(voided resonator)元件。空隙可以位于阵列的一个或两个对称轴线处。优选地，谐振器至少相对于锚定位置的对称性被维持。
至少一个自由阵列位置包括可以被用于例如
-换能电路系统，被功能性地耦合到所述谐振器元件以用于对所述谐振器元件进行致动和/或感测，例如用于驱动谐振器的振荡器电路，和/或
-功能性地连接到谐振器元件的电过孔或电路，诸如一过孔，该过孔将谐振器的密封晶片级封装(WLP)的内侧连接到该封装或该封装的内部或外部电路的的外侧，和/或
-电接触端子，例如用于接合导线以用于使组件起作用，和/或
-支撑结构和锚定元件，用于悬置谐振器元件。
在一些实施例中，存在至少两种不同类型的上述子元件，第一类型具有与第一数目的基本元件相对应的第一长度，并且第二类型具有与第二数目的基本元件相对应的第二长度，第二长度和第二数目相当于(amount to)第一类型的第一长度和第一数目的整数分数。第二类型的子元件可以被定位在第一类型的两个子元件之间，这让出例如用于从第一类型的两个子元件锚定谐振器的空间。
在一些其他实施例中，谐振器元件包括空隙，该空隙由第二类型的两个子元件和第一类型的两个子元件限定。支撑结构可以布置为在空隙中延伸，并且谐振器元件悬置到在空隙内的支撑结构。
备选地，谐振器元件可以包括凹部，该凹部由第二类型的一个或多个子元件和第一类型的两个子元件限定。支撑结构至少部分布置为延伸到凹部中，并且谐振器元件悬置到在凹部内的支撑结构。
在一些实施例中，谐振器元件从在谐振器元件的宽度方向上的相对横向侧上的子元件的谐振模式的节点而被悬置到支撑结构。备选地或除此之外，谐振器元件可以从两个子元件之间的节点悬置到支撑结构，优选地在谐振器元件的宽度和长度方向两者上对称。两个子元件不一定是邻近元件，并且通常也不是邻近元件，而是由相当于一个或多个子元件(和介于中间的沟槽)宽度的一距离而分开。
通常，子元件中的每个子元件适于以基本谐振模式或基本谐振模式的泛音模式进行谐振。另外，连接元件被定位在子元件的谐振模式的非节点处，以用于实现集体谐振模式的上升。这确保了不存在若干谐振峰值以及谐振器的输出信号的干净度(cleanness)。
在一些实施例中，基本谐振模式是基本长度延伸(fundamental length-extensional)谐振模式，并且基本元件具有高于1的长对宽的长宽比。LE模式特别适合于最小化ESR和温度补偿。
在一些实施例中，子元件中的每个子元件适于以平面内长度延伸(in-planelength-extensional)谐振模式进行谐振。
在一些实施例中，基本谐振模式是基本扭转谐振模式或基本弯曲谐振模式，诸如平面内弯曲谐振模式。同样，在这种情况下，基本元件可以长对宽的长宽比高于1。
在一些实施例中，子元件通过中间区域彼此分开，中间区域包括由子元件之间的连接元件限定的一个或多个沟槽。沟槽的数目对应于泛音模式的阶数，子元件适于以该泛音模式进行谐振。
在一些实施例中，子元件和连接元件单晶硅形成，该单晶硅被掺杂到至少2＊1019cm-3、诸如至少1020cm-3的平均杂质浓度。特别是(用25度的准确度)与沿着阵列配置的主轴线、通常是沿着子元件的长度方向与硅晶体的[100]晶体方向对准相结合时，这允许对谐振器的高效温度补偿的同时实现小的ESR。
接下来，参考附图更详细地讨论本发明的实施例及其优点。
附图说明
图1-5示出了由基本元件形成的完全占据的谐振器阵列配置的俯视图。
图6示出了被悬置到支撑结构的谐振器元件的俯视图。
图7A、7B和7C分别示出了单束谐振器、以传统方式在宽度方向上延伸的波束、以及根据本发明的谐振器元件。
图8A示出了针对二阶LE模式而设计的一种谐振器配置的俯视图。
图8B示出了图8A的谐振器元件的一部分的振型(mode shape)图。
图9A示出了针对基本(一阶)LE模式而设计的一种谐振器配置的俯视图。
图9B示出了图9A的谐振器元件的一部分的振型图。
图10示出了对于多个模态阶数的模态频率作为波束长宽比(宽对长)的关系的曲线图。
图11示出了示例性高阶(第九泛音)模式谐振器元件配置的俯视图。
图12示出了图11的配置的有空隙的、中央锚定的变型的俯视图。
图13示出了图11的配置的非矩形变型。
图14A-D示出了中央锚定的有空隙的、分裂的和非矩形的谐振器元件的另外的示例。
图15A示出了图8A的压电耦合的第二泛音模式谐振器的测量的宽频范围导纳图(admittance graph)。
图15B示出了图15A的主谐振的导纳图的细节。
图15C示出了图8A的谐振器的测量的频率-对-温度曲线。
图16A示出了多分支的宽度耦合的谐振器板的俯视图。
图16B示出了纵向耦合的谐振器板的俯视图。
图17A-E示出了在纵向耦合的子元件之间的不同的可能的柔性连接元件几何形状。
图18A-C示出了不同的纵向耦合位置的示例。
图19A-D示出了用于纵向耦合的柔性连接元件的另外示例。
具体实施方式
定义
本文中的“节点”(nodal point)意指在振荡振型处的这样的点，其具有一平均振荡幅度，该平均振荡幅度小于振荡振型的最大幅度的20％。
“非节点”(或“从节点位移的点”)是指在振荡振型处的这样的点，其具有一平均振荡幅度，该平均振荡幅度是振荡振型的最大幅度的20％或更多。
术语“长度”和“纵向”(longitudinal)在本文中特别用于指代一平面内方向，该一平面内方向平行于主扩展方向LE模式、扭转模式的扭转轴线、或垂直于弯曲模式的主弯曲位移的轴线。“宽度”和“横切”是指与该方向正交的平面内方向。
长宽比(aspect ratio)是指元件或子元件的平面内尺寸之比。“有效长宽比”是指包括多个子元件的整个谐振器元件的长宽比，与其单独的子元件(波束)的(多个)长宽比相对。
“沟槽”(trench)是指谐振器元件内部的空的空间，其允许邻近子元件相对于彼此移动并且因此在子元件中发生期望模式。取决于元件适于支持的模式，“细长”(elongated)沟槽是具有3或更大、诸如5或更大、甚至10或更大的长宽比的沟槽，。
“连接元件”是机械地连接两个子元件的任何构件，该两个子元件位于距彼此一距离处。连接元件可以在宽度方向上耦合子元件，由此其在谐振器元件的纵向端部处限制在谐振器元件内的沟槽、或者备选地空隙或凹部。在这种情况下，该元件通常是基本上刚性的元件。备选地，它可以在长度方向上耦合子元件，由此其通常是柔性元件，诸如能够在谐振期间弹性变形的C形或S形元件。通常，连接元件是谐振器元件的单晶结构的一部分，其通过使用已知的MEMS微加工方法对谐振器元件的外部形状和在其中的沟槽进行图案化而生成。
“基本(谐振)模式”是指一阶谐振模式(也称为“第一泛音”)。较高泛音模式由几个基本模式形成。
“基本元件”是谐振器的矩形的平面内部分，其承载(carry)基本谐振模式。基本元件可以在纵向方向上以端对端配置无缝地(seamless)连接(即，由在其中激发的振型限定的波束的“虚拟”元件)，或者由间隙分开并且通过柔性连接元件连接。阶数N的较高泛音模式可以被视为在N个纵向端对端耦合的基本元件中发生的基本模式。
“集体(collective)谐振模式”是指复合谐振模式，在该复合谐振模式中，所关注的特定实体的所有基本元件以相同的基本谐振模式进行谐振，并且具有基本相同的频率和相同的或180度移位的相位。在整个谐振器元件的集体谐振模式中，形成谐振器元件的每个子元件承载一阶长度延伸、扭转或弯曲谐振模式或其较高泛音模式。在这种情况下，谐振器元件可划分为通常大小相等的基本元件，每个基本元件支持相同的基本模式。
在通常的实施例中，谐振器的所有基本元件以矩形阵列配置来布置。“占据”的阵列位置包含基本元件。“未被占据”的阵列位置没有谐振材料。
“有空隙的”谐振器元件形状意指这样的形状，其中在谐振器元件内的至少一个阵列位置未被占据。空隙可以用作锚定和/或电接触区。在本上下文中，子元件之间的期望谐振模式使能间隙(沟槽)不被认为是空隙。
矩形谐振器元件是其所有外围基本元件阵列位置均被占据的元件。非矩形元件具有至少一个外围阵列位置未被占据。
当关注子元件的长度时，“整数分数”意指分数N/M，其中N和M均为正整数并且N<M。例如，本发明的实施例中的第三泛音子元件比第五泛音子元件短整数分数(integerfraction)3/5。
波束元件中不同阶的长度延伸(LE)体声波模式在本领域中是已知的。在这样的模式中，元件(子元件)主要沿着单个轴线收缩和扩展，其中该轴线上有一个或多个节点。在对称元件中，并且在元件的两个纵向端都是自由的(未锚定到支撑结构)的典型情况中，节点沿着元件的长度对称地定位。类似地，扭转和平面内弯曲和出平面(out-of-plane)弯曲振型在本领域中是已知的。
在本文中的“温度补偿”的元件意指与与元件的机械运动相关的该元件的弹性性质，在本掺杂水平下，适于具有在至少某些温度范围中比不进行这种掺杂的情况小的对温度的依赖性。通常，温度补偿是选择材料性质、几何性质、晶体定向相关性质和振型的结果。掺杂浓度可以是2＊1019cm-3或更大，诸如1020cm-3或更大。掺杂剂可以是n型或p型掺杂剂，诸如磷或硼。本文中的温度补偿还涵盖所谓的“过度补偿”，即，使元件的TCF为这样的正值，使得当压电换能器层和/或某些其他层与该元件耦合时，谐振器的总TCF比没有掺杂的情况小。
所选择的实施例的描述
在下文中，首先参考完全占据的阵列谐振器来描述总体的谐振器结构和功能，然后特别关注具有一个或多个自由阵列位置的配置。应当注意，参考前者描述的原理适用于后者。另外，可以通过移除一个或多个基本元件、同时维持剩余基本元件的耦合，来修改所描述的阵列尺寸为至少2×2(特别是至少3×2，以保持对称性)的任何完全占据谐振器，以使其符合本发明。
通常，本文中讨论的谐振器元件可以包括具有大于1，特别是大于N的长宽比的多个子元件，其中N是在其中激发的集体模式的泛音的数目(即，模式阶)。
谐振器元件中的子元件的数目在谐振器元件的宽度方向上可以是两个或更多个，诸如2-50，并且在长度方向上可以是一个或多个，典型地是1-8，诸如2-8。
与在子元件中激发的模式阶数目相对应的在长度方向上的基本元件的数目可以例如是1-20，例如2-12。
为了实现低ESR，谐振器元件的有效长对宽的长宽比通常小于2。在一些实施例中，长宽比小于1。
下面主要参考长度延伸模式来描述本发明的更详细的实施例，为此，还提供了实验数据以说明本发明的可行性和益处，但是相同的原理也可以应用于扭转和弯曲模式。
在其一些实施例中，本发明提供了一种长度延伸模式谐振器，该长度延伸模式谐振器包括支撑结构、以及在其节点处被悬置到支撑结构的硅谐振器元件，该谐振器元件具有长度和宽度。谐振器元件还包括通过中间区域彼此部分地分开的至少两个子元件，中间区域中的每个中间区域包括至少一个细长沟槽和至少两个连接元件，该至少两个连接元件邻接沟槽并且在其非节点处将子元件彼此机械耦合。这确保了子元件的强耦合，并且因此确保了作为具有良好限定的谐振模式和谐振频率的单个元件的整个元件的行为。致动器适于将谐振器元件激发到长度延伸谐振模式，长度延伸谐振模式平行于至少一个细长沟槽的纵向方向。
在一些实施例中，谐振器元件包括掺杂硅的主体。此外，硅主体的[100]晶体方向可以沿着谐振器元件的长度延伸方向被定向，或者从谐振器元件的长度延伸方向偏离小于25度，特别是小于15度。与将谐振器的硅主体掺杂到至少2＊1019cm-3、诸如至少1020cm-3的平均杂质浓度一起，这允许对谐振器进行温度补偿的同时实现低ESR。
在一些实施例中，谐振器元件沿着其宽度并排地划分为三个或更多个子元件。以这种方式，谐振器的ESR可以保持为低，同时保持支持LE模式的能力以及用于高效温度补偿的可能性。
在一些实施例中，存在在至少一个中间区域中、优选地在所有中间区域中的至少两个沟槽和三个连接元件。这可以用于制造例如专用于特定高阶LE泛音的谐振器元件。
子元件的长宽比通常被选择为在2:1…10:1的范围中，用以保持子元件的数目相对低并且保持由沟槽占据的相对面积低，并且用以获取本发明的最大益处。然而，本发明也适用于更高长宽比的子元件。
图1示出了支持以第一和更高阶LE模式(泛音)进行振荡的谐振器元件。该元件包括三个子元件11A、11B、11C，其沿着宽度方向并排放置。相邻的子元件11A/11B、11B/11C通过两个连接元件12AB/14AB、12BC/14BC彼此耦合，两个连接元件12AB/14AB、12BC/14BC在子元件的纵向端部处或在其附近位于子元件之间。在连接元件12AB/14AB、12BC、14BC之间，存在沟槽13AB、13BC，其允许子元件11A、11B、11C在LE模式振荡期间在宽度方向上扩展。连接元件12AB、14AB和沟槽13AB的线性序列限定了第一中间区域，并且连接元件12BC、14BC和沟槽13BC的序列限定了第二中间区域。
如果将图1的每个子元件驱动到一阶模式，即基本模式，则谐振器元件形成完全占据的、矩形的3×1基本模式阵列。
应当注意，连接元件12AB/14AB、12BC/14BC不位于LE振荡模式的节点处，而是位于非节点处，该非节点在子元件的振荡端处或在其附近，这使得整个元件是一组强耦合谐振器，其能够以集体LE模式进行谐振。
该元件使用锚定件(anchor)19A、19B而从该元件的纵向外边缘的中点悬置。锚定件的数目可以大于两个。在通常配置中，锚定件位于元件的横向中轴线处或相对于元件的横向中轴线对称。
图2示出了适合于二阶LE模式振荡的一个实施例。在每个子元件21A、21B、21C之间存在三个连接元件22AB/24AB/26AB、22BC/24BC/26BC和两个沟槽23AB/25AB、23BC/25BC。这种配置允许子元件以第二LE模式、以及其他甚至更高阶模式在宽度方向上扩展。图2的谐振器元件形成矩形的3×2基本模式阵列。
每个子元件具有宽度W和长度L，宽度和长度在不同元件之间可以相同但不一定相同。还应当注意，连接元件不一定位于每个子元件对之间的相同位置，和/或子元件和/或沟槽不一定是完美矩形的，但它们中的一些或全部可以具有例如渐变(tapering)的形状。这些变型例如允许调节谐振器元件的TCF，这是因为，各个单独波束的长宽比影响每个单独波束的TCF，从而影响整个谐振器元件的TCF。另外，调节波束的尺寸和形状以及连接元件的位置、尺寸和数目可以提供附加的自由度，这可以用于将寄生模式的频率设置为最佳频率，其中寄生模式的有害效果可以被最小化。
图3示出了一个示例，其中存在被非类似的中间区域分开的四个子元件31A-D。在每两个最侧边的子元件31A/31B、31C/31D之间，存在两个沟槽33AB/35AB、33CD/35CD和三个连接元件32AB/34AB/36AB、32CD/34CD/36CD，而在最中间的子元件31B/31C之间，存在单个沟槽33BC和两个连接元件32BC/34BC。其他配置也是可能的。图3的谐振器元件形成(修改的)矩形4×2基本模式阵列。
图4示出了一个实施例，其中三个子元件41A、41B、41C与中间区域48AB、48BC交错，中间区域48AB、48BC均具有四个连接元件、以及沿着子元件的长度对称定位的三个沟槽。图4的谐振器元件形成矩形的3×3基本模式阵列。
图5示出了一种变型，该变型具有由参考图2讨论的种类的中间区域58AB-DE分开的五个子元件51A-E。在该示例中，元件的总宽度Wt大于元件的长度，元件的长度等于子元件的长度L。图5的谐振器元件形成矩形的5×2基本模式阵列。
在通常实现中，每对子元件之间的至少一个沟槽以LE模式的节点为中心。
对于能够支持LE模式的元件，在子元件之间的每个中间区域处的(多个)沟槽的总长度应当是该元件的总长度L的重要部分。在一些实施例中，该部分是50％或更多，诸如75％或更多。在一些实施例中，该部分是90％或更多。
在通常配置中，沟槽宽度为10μm或更小，并且优选地根据所使用的制备方法而尽可能窄，从而将沟槽的面积最小化。
在一些实施例中，沟槽和连接元件被定尺寸(dimensioned)和定位为使得能够避免频率分裂和多个同时谐振模式的出现。本文中，可以遵循http：//dx.doi.org/10.1109/FREQ.2010.5556299，Proc.IEEE International Frequency Control Symposium，2010，第410-414页的A.Jaakkola等人的“Experimental study of the effects of sizevariations on piezoelectrically transduced MEMS resonators”的原理。
在一些示例中，谐振模式是基本模式，并且长宽比是2-4。例如，可以是2.6-3.4。在一些示例中，谐振模式是二阶模式或更高，并且长宽比是3-10。对于二阶模式，长宽比可以是例如4.0-8.0。
图6示出了悬置的谐振器元件。除了最侧边的子元件的外部纵向侧上的节点处的锚点69之外，支撑结构60在所有位置处通过间隙与谐振器元件61分开。如上所述，这允许谐振器元件61以LE模式自由地振荡。
在上面讨论的每个实施例中，每个子元件的至少一个连接元件、通常是多于一个的连接元件位于一谐振模式的非节点处，该元件适于以该谐振模式进行谐振。这确保了子元件耦合并且协作地(in tandem)振荡。
最后，图7A-7C示出了本谐振器相对于常规谐振器的差异。图7A示出了具有两个自由端的单个高长宽比波束。图7B示出了在宽度方向上延伸的波束，实际上使其成为矩形板。这样的谐振器具有较低的ESR，并且可以在[110]方向上使用，但是当在[100]晶体方向上对准时不能在LE模式中工作，因此不能在其中进行温度补偿。图7C示出了根据本发明的一个实施例的谐振器元件。即使元件的侧边在[100]晶体方向上对准，该方案也工作，并且在[110]方向上具有与图7B的板相同的低ESR，。
图8A示出了能够支持第二LE泛音谐振模式的谐振器。谐振器的谐振器元件由多个(在此为11个)子元件形成，子元件均通过两个细长沟槽与邻近的子元件彼此分开，并且通过三个连接元件连接到邻近的子元件，两个细长沟槽一个接一个地被布置。当所示的谐振器板的尺寸为326μm×180μm时，谐振频率接近40MHz。图8A的谐振器元件形成矩形的11×2基本模式阵列。
图8B示出了用FEM软件模拟的图8A的几何形状的LE模式谐振振型。由于对称性，仅示出了整个谐振器的一半。灰色的阴影指示在每个位置处的总位移。如可以看出的是，每个子元件以相同的集体模式进行谐振。在二阶(以及其他偶数阶谐振)中，振型是不对称的，但是子元件的一端收缩而另一端扩展。
图9A示出了能够支持基本LE谐振模式的另一谐振器。当谐振器板的尺寸为300μm×180μm时，谐振频率接近20MHz。图8A的谐振器元件形成矩形的5×1基本模式阵列。
图9B示出了用FEM软件模拟的图9A的几何形状的东南的、对称的四分之一的LE模式谐振振型。
图10示出了波束(在此对应于子元件)的模态频率的曲线图，该波束的长宽比在接近零(非常细的波束)到1之间。虚线指示基本LE模式(LE1)以及泛音模式LE2……LE4。沿着LEx模态分支，在由参数L定义的方向上的LEx模式仅存在于虚线区域处。
图11示出了高(第九)泛音长度延伸谐振器元件的一个示例，该谐振器元件包括多个(19)子元件111A，多个子元件111A在宽度方向上堆叠，并且用锚定元件119从其相对的纵向侧处的节点锚定。例如，为了形成大约以120MHz振荡的谐振器，元件的尺寸可以设置为225μm×170μm。
图12示出了在其他方面与图11类似的配置，但是现在锚定已通过如下来完成：通过在谐振器元件中设置空隙118，即“移除”子元件的一些中央基本元件(在这种情况下为5×3个基本元件)，来使用在谐振器的中央处的锚定元件129。因此，所得到的结构包括具有不同长度的两种类型的子元件121A、121B。较短子元件121B的长度是较长元件121A的长度的整数分数。已经表明，即使包封(envelope)几何形状已经被修改，板的集体谐振模式性质也被维持。
通常，本谐振器设计允许(优选地对称地)移除期望的基本元件，而不会损失复合谐振器的期望(集体)模式特性。这具有如下优点：即使在中央存在空隙也能维持LE谐振模式特性。从最小化可能影响谐振器元件的封装应力的角度来看，中央锚定就其本身而言是有益的。从低声学损耗的观点来看，中央锚定也是有益的，由此增加了谐振器的Q值。由于本发明允许的结构的高度对称性，减少了损耗。
图13示出了非矩形几何形状的一个示例，其中在谐振器板的拐角处，基本元件被省去。同样，在这种情况下，所得到的结构包括具有不同长度的两种类型的子元件131A、131B。在这种情况下，即使包封几何形状已经被修改，板的集体谐振模式性质也被维持。自由区域113例如可以用于组件的电互连和/或过孔。
因此，如图12和13所例示的有空隙的和/或非矩形谐振器元件是有益的，因为考虑到在普通的切割过程中，包含多个组件的晶片被切成矩形部分，每个矩形部分包含单个组件，谐振器组件的占用面积可以被最小化。仅提及一些潜在需求，从谐振器面积中释放的面积可以用于锚定或内部或外部连接目的。图12和图13的实施例也可以被组合以提供有空隙的、且非矩形谐振器元件。
图11-13的谐振器元件形成矩形的19×11基本模式阵列。图11的阵列位置已经被完全占据，但在图12和13中存储在未被占据的阵列位置。
图14A示出了类似于图12的实施例，但是现在适于较小的频率(泛音3)。这里的空隙148A是通过“移除”一个子元件的所有基本元件，并且在空隙148A的纵向端部使用较长的连接元件147A来产生的。利用锚定元件149A的中央锚定被实现。
图14B示出了另外的变型，其中图14A的较长的耦合元件147A被省略，使得谐振器实际上是双元件谐振器，每个单个元件是当前讨论的类型。这是一种简单的几何形状以进行处理，因为锚定到周围的衬底不需要如图14A的设计一样的到背面或顶部晶片的结构接触。为了使集体模式存在于谐振器的两个元件之间，锚定需要被实现以使得两个元件不是太弱地彼此耦合(由于制造缺陷，这可能产生两个不同的峰值)。
图14C和14D示出了另外的实施例，其结合了图14A和14B的优点，并且提供了中央锚定，到致动器的容易的电连接并且克服了弱耦合的潜在问题。图14C的配置将左侧和右侧耦合，使得存在一个复合模式，其通过使用一个较长的连接元件147C，并且支撑结构148C和在该元件的相对侧的锚定元件149C，结构148C延伸到中央锚定区域。图14D的实施例与图14C的实施例相似，但是在此，通过包含子元件141D的一个完整的基本元件实现和确保了充分的耦合，该子元件141D具有另一子元件141C的整数分数长度。
图14A-D的谐振器元件形成矩形是11×3基本模式阵列，在图14A-C中具有3个未被占据的阵列位置，并且在图14D中具有2个未被占据的阵列位置。(取决于耦合强度，图14B的实施例也可以被看作是两个5×1阵列)。
一般而言，在一些实施例中，如图12、13和14D所示，存在至少两种不同类型的子元件，第一类型具有第一长度，第二类型具有第二长度，第二长度相当于第一类型的长度的整数分数，以用于将不同类型的子元件激发到集体基本谐振模式的不同泛音模式。
在一些示例中，像图12和14D的那些示例，第二(较短)类型的至少一个子元件位于第一(较长)类型的两个子元件之间。例如，这为中央锚定留出了空间，在这种情况下，谐振器元件在第二类型的子元件的相对侧从第一类型的两个子元件悬置到支撑结构。
在一些示例中，像图12的示例，谐振器元件包括空隙，该空隙由第二类型的两个或更多个子元件、以及第一类型的两个子元件限定，支撑结构至少部分布置在空隙中，并且谐振器元件悬置到在空隙内的支撑结构。因此，谐振器元件被中央地锚定，以围绕在横向平面中的锚定位置。
在一些实施例中，像图14D所示的实施例，谐振器元件包括凹部(即，横向凹陷)，该凹部由第二类型的一个或多个子元件和第一类型的两个子元件限定，支撑结构至少部分布置为在该凹部内延伸，并且谐振器元件悬置到在该凹部内的支撑结构。
借助于空隙和凹部配置两者，可以实现中央锚定，其可以用于使谐振器的损失最小化。空隙配置具有如下益处，其可以实现完全对称的谐振器，而凹部配置允许更简单地电访问谐振器的表面，其通常包含压电致动层。借助于凹部配置，可以完全避免晶片中的硅通孔(through silicon via)。在空隙配置中，硅通孔可以被布置在晶片中，到空隙的区域。
图15A示出了当在具有厚度为28/1/0.3μm的Si/AlN/Mo材料堆叠的晶片上制备时，与图8A的谐振器相对应的压电耦合的第二泛音模式谐振器的测量的宽频率导纳图。可以推断出，在42MHz处的主模式被干净地(cleanly)激发。也就是说，仅存在较少的寄生谐振模式(例如在18MHz处)，并且寄生谐振模式耦合比主模式弱得多。
图15B示出了图15A的设计的主谐振的导纳图的细节(被标记为“11个波束”)、以及与图15A的谐振器相似但具有较小数目的经耦合的波束元件的谐振器的主谐振的对应图(分别被标记为“7个波束”和“3个波束”)。针对所有三种情况示出了通过拟合到测量结果而获得的谐振器品质因数Q、分流电容C0和等效串联电阻R1(＝ESR)。该图示出了当谐振器宽度与耦合波束元件的数目成比例地增加时，ESR如何降低。
图15C示出了以下两者的测量的频率对温度的关系曲线：图15A的谐振器(被标记为“堆叠LE波束泛音2”)、以及类似于WO 2018/002439 A1中讨论的混合WE-Lame模式谐振器的相同特性，这两者都被制备在n型掺杂为7＊1019cm-3的相同晶片上。可以看出：图15A的谐振器的线性温度系数TCF1比另一谐振器的相同参数高大约4个单位。因此，存在较高的过度补偿，这具有以下益处：例如可以使用较厚的AlN层以用于压电驱动的目的，以实现经温度补偿的设计。
图16A示出了一种谐振器元件配置，该谐振器元件配置具有并排耦合的短的子元件的四个分支，其在节点处被锚定到中央支撑元件。每个分支元件是6×1基本模式阵列谐振器元件，在其子元件之间具有非节点内部耦合。
在图16A的一个变型(未详细示出)中，为了确保分支之间的集体谐振，中央元件是谐振的子元件，并且分支与中央子元件的耦合也可以在非节点处，由此形成13×2基本模式阵列。
图16B示出了纵向耦合的谐振器板的俯视图，其包括三行11列的基本模式子元件。每行在该行两端处使用柔性纵向连接元件而耦合到另一行。如上所讨论的，每行使用刚性连接元件在内部进行耦合。11×3基本元件阵列被形成。
图17A-E示出了在纵向耦合的子元件之间的不同的可能的柔性连接元件几何形状。也在图16B的配置中使用的侧面可连接形状“C”形状在图17A中示出。端部可连接形状在图17B-17E中示出。这些示出了图17B的端部可连接C形状、图17C和17D的S形状、以及图17E的倾斜I形状。可以理解，其他柔性形状和所图示的形状的变型也是可能的。
图18A-C示意性地示出了在谐振器板水平上的不同纵向耦合选项的示例。可以看出，纵向耦合可以例如使用图17B-E的元件(在图18A-C中未详细示出的连接元件)以任何配置、优选地对称的配置而被直接布置在纵向元件之间。
如上面所讨论示例中示出的，代替或除了同一列中子元件的端到端连接，还可以使用在宽度方向上在列边界之上延伸的较长元件来连接不同列的子元件(未示出)。
图19A-D示出了柔性连接元件的另外的示例，这些柔性连接元件均具有至少一个T形分支。
引用列表
专利文献
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Claims (20)

1.一种微机电谐振器，包括：
-支撑结构，
-谐振器元件，被悬置到所述支撑结构，所述谐振器元件包括多个子元件，
-致动器，用于将所述谐振器元件激发到谐振模式，
其中
-所述子元件被定尺寸为使得所述子元件在一个方向上可划分为一个或多个基本元件，所述一个或多个基本元件具有不同于1的长宽比，使得所述基本元件中的每个基本元件支持基本谐振模式，
-所述子元件通过连接元件彼此耦合，并且相对于彼此被定位为使得
ο所述基本元件处于矩形阵列配置，其中每个基本元件占据单个阵列位置，
ο所述谐振器元件的所述谐振模式是集体谐振模式，以及
-所述阵列配置的至少一个阵列位置没有基本元件。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中至少一个自由阵列位置位于所述阵列的外围位置处，诸如在所述阵列的一个拐角、两个拐角或四个拐角处和/或在所述阵列的一侧，从而提供非矩形谐振器元件。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中至少一个自由阵列位置位于内部阵列位置处，诸如在位于所述阵列的一个或两个对称轴线处的阵列位置处，从而提供有空隙的谐振器元件。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述至少一个自由阵列位置包括换能电路系统，所述换能电路系统被功能性地耦合到所述谐振器元件以用于对所述谐振器元件进行致动和/或感测。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述至少一个自由阵列位置包括被功能性地连接到所述谐振器元件的垂直电过孔或水平电过孔。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述至少一个自由阵列位置包括电接触端子。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述谐振器元件在所述至少一个自由阵列位置处被悬置到所述支撑结构。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中存在至少两种不同类型的所述子元件，第一类型具有与第一数目的基本元件相对应的第一长度，并且第二类型具有与第二数目的基本元件相对应的第二长度，所述第二长度和所述第二数目相当于所述第一类型的所述第一长度和所述第一数目的整数分数。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中所述谐振器元件包括所述第二类型的至少一个子元件，被定位在所述第一类型的两个子元件之间。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中所述谐振器元件从所述第一类型的所述两个子元件被悬置到所述支撑结构。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中所述谐振器元件包括空隙，所述空隙由所述第二类型的所述子元件中的两个子元件和所述第一类型的所述两个子元件限定，所述支撑结构至少部分被布置在所述空隙中，并且所述谐振器元件被悬置到在所述空隙内的所述支撑结构。
12.根据权利要求10所述的谐振器，其中所述谐振器元件包括凹部，所述凹部由所述第二类型的所述子元件中的一个子元件和所述第一类型的所述两个子元件限定，所述支撑结构至少部分被布置为在所述凹部内延伸，并且所述谐振器元件被悬置到在所述凹部内的所述支撑结构。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述子元件中的每个子元件适于以所述基本谐振模式、或以所述基本谐振模式的泛音模式进行谐振。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述基本谐振模式是基本长度延伸谐振模式，并且所述基本元件的长对宽的长宽比高于1。
15.根据权利要求1至13中的任一项所述的谐振器，其中所述基本谐振模式是基本扭转谐振模式或基本弯曲谐振模式，诸如平面内弯曲谐振模式。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述连接元件被定位在所述子元件的所述谐振模式的非节点处，以用于将所述子元件彼此耦合，以便在所述谐振器元件中实现集体谐振模式。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述子元件通过中间区域而彼此部分地分开，所述中间区域中的每个中间区域包括至少一个细长沟槽、以及至少两个连接元件，所述至少两个连接元件邻接所述沟槽并且将所述子元件彼此机械耦合。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述子元件和所述连接元件由单晶硅形成，所述单晶硅被掺杂到至少2＊1019cm-3、诸如至少1020cm-3的平均杂质浓度。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述谐振器元件包括硅晶体主体，所述硅晶体主体的[100]晶体方向沿着所述阵列配置的主轴线、特别是沿着所述子元件的长度方向被定向，或者从所述阵列配置的所述主轴线、特别是从所述子元件的所述长度方向偏离小于25度、特别是小于15度。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的谐振器，其中所述子元件中的每个子元件适于以平面内长度延伸谐振模式进行谐振。
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