CN113692707A - 微机电谐振器 - Google Patents

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Abstract

一种微机电(MEMS)谐振器，包括弹簧质量系统，该弹簧质量系统具有第一重量部分(M1)、第二重量部分(M2)、以及在重量部分之间的中心弹簧部分(SP)。

Description

微机电谐振器
技术领域
本发明总体上涉及微机电(MEMS)谐振器。
背景技术
此章节在不承认本文中描述的任何技术表示现有技术的情况下说明有用的背景信息。
常规地从石英音叉谐振器(诸如32.768kHz石英音叉谐振器)获得低频率时钟基准。
微机电(MEMS)谐振器正发展成提供与石英音叉相同的功能性，并且具有如下益处：诸如减少的成本、较小的芯片大小、增加的针对冲击与振动的鲁棒性、以及广泛温度范围内的更佳稳定性。
用于频率基准应用的MEMS谐振器(诸如硅MEMS谐振器)中的关键性能参数是等效串联电阻(ESR)。ESR与谐振器的品质因数Q成反比，并且因此通常期望最大化该参数。
发明内容
本发明的某些实施例的目标在于提供一种具有所期望的特性的微机电谐振器。
根据本发明的第一示例方面，提供了一种微机电谐振器，该微机电谐振器包括：
弹簧质量系统，该弹簧质量系统具有
第一重量部分，
第二重量部分，以及
中心弹簧部分，该中心弹簧部分在重量部分之间。
在某些实施例中，谐振器包括被掺杂到至少2*1019cm-3的平均杂质浓度的硅体，并且中心弹簧部分的材料部分沿垂直于y轴的x轴定向，谐振器被配置成在该y轴的方向上振动，其中x轴沿<100>硅晶体方向延伸或与该方向偏离小于5度。
在某些实施例中，中心弹簧部分包括由沟槽间隔开的、与<100>硅晶体方向对准或与该方向偏离小于5度的臂。
在某些实施例中，第一重量部分和第二重量部分是对称的重量部分。
在某些实施例中，中心弹簧部分是对称部分。
在某些实施例中，中心弹簧部分包括曲折结构，该曲折结构在其第一端处被附接到第一重量部分并且在其相对端处被附接到第二重量部分。
在某些实施例中，第一重量部分和第二重量部分在其边缘处被连接到中心弹簧部分。
在某些实施例中，第一重量部分和第二重量部分包括前边缘、后边缘、右边缘和左边缘。在边缘中，前边缘为面向中心弹簧部分的边缘。在某些实施例中，第一重量部分在连接前边缘和左边缘的拐角处和在连接前边缘和右边缘的拐角处连接到中心弹簧部分。类似地，第二重量部分在连接前边缘和左边缘的拐角处和在连接前边缘和右边缘的拐角处连接到中心弹簧部分。在某些实施例中，第一重量部分和第二重量部分在位于前边缘中部的区域中连接到中心弹簧部分。
在某些实施例中，谐振器支持可折叠模式形状。在某些实施例中，谐振器以平面内弯曲模式操作。然而，在某些其他实施例中，谐振器以平面外模式操作。因此，在某些实施例中，谐振器支持平面内弯曲振动操作模式或平面外弯曲振动操作模式。
在某些实施例中，中心弹簧部分包括对称放置的折叠弹簧(或者由对称放置的折叠弹簧形成)。在某些实施例中，中心弹簧部分包括彼此串联附接或彼此并联附接的未折叠弹簧(或者由彼此串联附接或彼此并联附接的未折叠弹簧形成)。
在某些实施例中，第一重量部分和第二重量部分被配置成对称地振动。
在某些实施例中，谐振器包括对称定位的锚定点。
在某些实施例中，在谐振器的、谐振器沿其振动的方向上，谐振器包括在弹簧部分的第一边缘中部的锚定点和在相对边缘中部的锚定点。取决于重量部分的形式，所述方向(y方向，如在说明中中稍后定义的)可以是谐振器的长度方向或宽度方向。所提及的边缘可以形成谐振器的侧边缘。
在某些实施例中，弹簧部分内的锚定点的数目为两个。在某些实施例中，锚定点用于将谐振器锚定到周围(或锚定到周围基板)。在某些实施例中，中心弹簧部分包括引导到锚定点的连接梁。在某些实施例中，连接梁与中心弹簧部分的质心或弹簧质量系统的质心对准。在某些实施例中，连接梁从中心弹簧部分的曲折形状延伸到锚定点。
在某些实施例中，谐振器包括与中心弹簧部分的质心或弹簧质量系统的质心对准的锚定点。
在某些实施例中，谐振器包括用于将中心弹簧部分锚定到周围的锚定点，谐振器的主谐振模式形状在锚定点处具有节点。
在某些实施例中，谐振器包括半导体材料。在某些实施例中，谐振器包括硅。在某些实施例中，谐振器包括简并掺杂的硅。在某些实施例中，超过50％的谐振器质量由简并掺杂的硅构成。在某些实施例中，谐振器包括被掺杂到至少2*1019cm-3、诸如至少1020cm-3的平均杂质浓度的硅体。在某些实施例中，谐振器为(单晶)硅MEMS谐振器。
在某些实施例中，谐振器被配置成被压电致动。
在某些实施例中，中心弹簧部分的个体弹簧元件的纵轴沿硅的[100]晶体方向定向。因此，在某些实施例中，中心弹簧部分的(延长)材料部分沿垂直于y轴的x轴定向，该谐振器被配置成在该y轴方向上振动，其中x轴沿<100>硅晶体方向延伸或与该方向偏离小于5度。在某些实施例中，本文中的材料部分包括笔直部分或(在y方向上)由沟槽彼此间隔开的个体弹簧元件。
在某些实施例中，谐振器的纵轴被定义为谐振器沿其振动的方向。
在某些实施例中，谐振器在真空中操作。
在某些实施例中，在重量部分的端部(或后边缘)处的沟槽具有减小空气阻尼效应的宽度。该宽度取决于所讨论的实施例。在某些实施例中，应用大于5μm的宽度。
在某些实施例中，重量部分的后边缘为谐振器的外端部。
在某些实施例中，谐振器包括第一重量部分和第二重量部分，第一重量部分和第二重量部分包括沟槽的网格。
在某些实施例中，谐振器被制作在绝缘体上硅SOI晶片(或SOI型晶片)上。在某些实施例中，谐振器被制作在腔SOI(C-SOI)晶片上。
在某些实施例中，谐振器被配置为在32kHz频带处操作，诸如在频率32.768kHz处操作。
在某些实施例中，中心弹簧部分沿长方形裸片的对角线定向。
在某些实施例中，弹簧质量系统包括被附接到第一重量部分和第二重量部分的额外支撑弹簧。
在某些实施例中，支撑弹簧为中心弹簧部分的(多个)弹簧的附加部分。因此，支撑弹簧与中心弹簧部分分隔开。在某些实施例中，支撑弹簧附接到第一重量部分和第二重量部分的后边缘(即，与面向中心弹簧部分的边缘相对的边缘)。
在某些实施例中，谐振器的第一部分位于简并掺杂的硅层中，并且谐振器的第二部分位于SiO2层中，该SiO2层被形成在简并掺杂的硅层的下方或上方或者简并掺杂的硅层的两侧上。
在某些实施例中，氧化硅SiO2层被定位为紧邻简并掺杂的硅层或在简并掺杂的硅层中部，以使得SiO2层将简并掺杂的硅层分为两个部分。
在某些实施例中，谐振器在y轴方向上振荡。通过中心弹簧部分连接的第一重量部分和第二重量部分经历周期性移动，在该移动中，重量部分彼此靠近或彼此远离。在某些实施例中，移动是往复移动。在某些实施例中，坐标系统被选择为使得y轴在谐振器的纵向方向上且x轴垂直于y轴，但取决于实施例，谐振器可以在x方向上比在y方向上更长(或一样长)。第一重量部分在y方向上与第二重量方向间隔开。在某些实施例中，y方向被定义为穿过(通过)第一重量部分的质心且穿过第二重量部分的质心的方向。在某些实施例中，y方向被定义为(在谐振器的平面中)中心弹簧部分被允许沿其振动的方向。在某些实施例中，谐振器仅在单个平面中振荡。在某些实施例中，谐振器仅在一个维度(+y和–y方向)中振荡。在某些其他实施例中，振荡器以平面外模式(+z和-z方向)振荡。
在某些实施例中，前文提及的未折叠弹簧上的折叠弹簧的更小尺寸(y方向上的宽度)相同。在某些实施例中，折叠弹簧或未折叠弹簧在中心弹簧部分内形成重复结构。
在某些实施例中，谐振器结构具有反射对称。在某些实施例中，谐振器结构具有镜面对称。在某些实施例中，镜面对称是相对于x轴和/或y轴的。在某些实施例中，x轴和y轴的相交点在谐振器结构的质心中。在某些实施例中，谐振器结构具有旋转对称。
在某些实施例中，谐振器包括被布置成具有侧质量的音叉的形状的第一重量部分和第二重量部分以及中心弹簧部分。
在某些实施例中，谐振器包括被成行地定位并且与共用质量元件或连接梁连接的一组双端音叉谐振器。
在某些实施例中，谐振器包括：
材料堆叠，该材料堆叠具有在顶部电极层与底部电极层之间的氧化硅层。
在某些实施例中，谐振器还包括第三重量部分和第四重量部分，其中中心弹簧部分以在其中心处与机械锚交叉的形式被布置。
在某些实施例中，谐振器包括具有相对极性的两个顶部电极、以及电浮置的底部电极(或设备层)。
在某些实施例中，公开了一种“可折叠”型硅MEMS谐振器。对称的第一重量部分和第二重量部分以由中心弹簧部分(或弹簧质量系统)的弹簧常数所控制(或规定)的方式振动(或振荡)。在某些实施例中，谐振器的传导是基于使用压电薄膜。
在某些实施例中，公开了具有低声损耗(即，高品质因数)和低ESR的谐振器结构。当谐振器被制作在具有相对于Si结晶结构的正确对准的高度磷掺杂硅上时，可以获得在宽温度范围上的良好频率稳定性。
在前文中已呈现不同的不具约束力的示例方面和实施例。以上实施例和此描述中稍后描述的实施例用于解释可以在本发明的实施方式中利用的被选择的方面或步骤。应当理解，对应实施例同样适用于其他示例方面。可以形成实施例的任何适当的组合。
附图说明
现在将仅以示例的方式参考附图来描述本发明，其中：
图1A示出了根据某些实施例的微机电(MEMS)谐振器；
图1B示出了根据某些实施例的经修改的MEMS谐振器；
图2示出了根据某些实施例的另一MEMS谐振器；
图3示出了图1A的MEMS谐振器的某些尺寸；
图4示出了与图1A中所示的类型的MEMS谐振器相关的实验结果；
图5示出了根据某些实施例的另一MEMS谐振器；
图6示出了根据某些实施例的具有对角线设计的MEMS谐振器；
图7示出了根据某些实施例的具有额外支撑弹簧的MEMS谐振器；
图8示出了根据某些实施例的压电致动MEMS谐振器的截面图；
图9示出了用于图8的谐振器的电极图案的示例；
图10示出了根据某些实施例的MEMS谐振器的备选截面图；
图11示出了用于图10的谐振器的电极图案的示例；
图12A至图12C示出了根据其他实施例的MEMS谐振器的截面图；
图13示出了根据某些实施例的具有修整重量层的MEMS谐振器；
图14示出了根据某些实施例的音叉类型的MEMS谐振器；
图15示出了根据某些实施例的具有对角线设计的另一MEMS谐振器；
图16A至图16C示出了根据某些实施例的另一音叉谐振器；
图17至图21示出了根据某些实施例的双端音叉类型的MEMS谐振器；以及
图22示出了根据某些实施例的旋转MEMS谐振器。
具体实施方式
在以下描述中，相似标号表示相似元件。
图1A示出了根据某些实施例的微机电(MEMS，微机电系统)谐振器。更详细地说，图1A示出了谐振器结构的俯视图。坐标系统被选择为使得y轴在谐振器的纵向方向上，并且x轴垂直于y轴。谐振器在y轴方向上振荡。
图1A中(及其他附图中)的黑色部分表示通常被蚀刻掉的沟槽，即，层(通常为SOI晶片的硅层)的、在制造过程中已被去除的部分。所呈现结构内的白色部分表示材料部分，通常为硅或简并掺杂的硅区域。因此，谐振器几何形状被限定。在图1A中尚未绘出用于压电致动的电极几何形状。
参考标记A1和A2表示锚定到周围基板的点。MEMS谐振器被描述为具有对称重量部分M1和M2的弹簧质量系统，其中质量M1＝M2＝M。重量部分由中心弹簧部分SP连接。
中心弹簧部分SP包括折叠的弹簧(或等效地，彼此串联或并联附接的若干未折叠的弹簧)。可以使复合弹簧常数低以支持小占用面积中具有低频率的谐振模式。
谐振器的频率f为f＝1/(2pi)x sqrt(K/M)。
在公式中，中心弹簧部分的弹簧常数由K表示。
谐振器的模式形状为“可折叠模式”，即，重量部分M1和M2在+y和-y方向上对称地振动。
关于谐振器的对准，x轴和y轴优选地沿<100>硅晶体方向延伸(或与<100>硅晶体方向偏离小于5度)。在某些实施例中，折叠弹簧的长度方向(即，x方向)沿[100]晶体方向定向(或与[100]晶体方向偏离小于5度)。
图1A中公开的结构在通过结构的质心的x轴和y轴两者上方具有镜面对称。通过具有对称，获得出现在位于结构的侧边缘中部的锚定位置A1和A2的、(主)谐振模式形状的良好节点，从而引起高品质因数(在真空下)。
参考标记T1表示质量M1和M2的不平行于y方向(主谐振模式中的振动方向)的侧边上的沟槽。在某些实施例中，沟槽T1大于5μm以减小空气阻尼效应，从而降低品质因数对压力的依赖，并且提供大气压力下的充分品质因数，以使得设备可以甚至在大气压力下被测量(尽管谐振器的典型的最终操作条件是在真空下，通过真空封装实现)。
在图1A中所示的实施例的修改中，可以调节个体弹簧尺寸。此外，质量(重量部分)尺寸可以变化。此外，中心弹簧部分内的弹簧数目可以发生变化。上述内容适用于所有实施例。
第一重量部分M1(类似地，第二重量部分M2)具有面向中心弹簧部分K的前边缘、在其右侧上的右边缘、在其左侧上的左边缘以及在谐振器结构端部处的后边缘。
尽管在图1A中所示的实施例中，重量部分M1和M2经由(多个)前边缘的中心区域连接(或机械附接)到中心弹簧部分SP，但图1B中所示的备选实施例公开仅在前边缘的拐角处的到中心弹簧部分的机械附接(连接(多个)前边缘以及右边缘和左边缘)。图1B中所示的附接示出了将两个重量部分附接到中心弹簧部分从而提高稳定性的两个点。
在图1A和图1B中，连接梁CB在x方向上从结构的质心延伸到锚定位置A1和A2。因此，中心弹簧部分通过两个点附接到周围基板，并且通过一个或两个点附接到重量部分中的每个重量部分。
图2示出了如图1A中的类似设计，但具有包括小沟槽的网格的质量(重量)部分，这些小沟槽在设备在SOI(绝缘体上硅)晶片上被制作时实现埋入氧化层的释放。此外，图2示出了略微不同的中心部分，以提供用于谐振器到周围基板的更强锚定的更短连接梁CB长度。中心弹簧部分的中心部分包括展开材料区域以使结构更强。展开区域没有(曲折)弹簧。展开区域可以包含多个沟槽。沟槽可对称地放置。
图3示出了所示的图1A的谐振器的尺寸。这些是可以用于例如创建在大致32kHz的频率处操作的谐振器的示例尺寸。谐振器的宽度为405μm，谐振器的长度为628μm，并且个体弹簧元件的较小尺寸(宽度)为9μm。谐振器位于其中的层(即，设备层)的厚度可以在例如4μm到20μm的范围内。
图4示出了实验结果，其响应于在p<0.1mbar的真空下测量的在44kHz处操作的测试设计。所获得的品质因数为17000，并且ESR为133kOhm。
图5示出了如图2中的类似谐振器，但具有不同质量M1和M2尺寸，且具有以不同方式折叠的中心弹簧结构，其使得连接梁元件CB更短，以提供谐振器到基板的更强支撑。连接梁CB从曲折弹簧元件的外部转向点延伸到锚定点A2(A1)。
图6示出了沿对角线谐振器结构的弹簧。中心折叠弹簧结构的有效长度通过沿裸片的对角线定向弹簧而在给定长方形裸片区域内最大化。因此，用于实现例如32kHz谐振频率谐振器所需的区域可最小化。
图7示出了通常具有图2中所示的谐振器结构但具有附接到质量部分M1和M2的额外支撑弹簧SS(额外弹簧部分还附接到例如侧边处的周围基板)的MEMS谐振器。
支撑弹簧相对于沿y轴的运动的弹簧常数小于谐振器的主弹簧常数K的1/10。可以存在附接到质量M1和M2的多个支撑弹簧SS。支撑弹簧SS可以附接到质量M1和M2的任一(x定向或y定向)侧。
支撑弹簧SS的目的是抑制寄生谐振模式，并且增加结构相对于z定向(垂直于x方向和y方向两者)位移的刚度。这可以有益于部件的可制造性以及设备操作期间的可靠性(不可靠性的一个来源可以是结构到间隙上方的底层(硅)处理晶片的静摩擦。
图8示出了当在SOI晶片150上制作时谐振器设备的示例横截面。利用以下解释在附图中示出了层L1-L6：
L2＝压电层：传导是基于压电层。示例层材料为AlN、ScAlN和ZnO。L2厚度可以是例如1μm。
L1＝顶部电极层：在压电层的顶侧上为顶部电极层。此层的材料可以是Al、Mo、Au、多晶硅或任何其他合适的导电材料。L1厚度可以是例如1μm。
L3＝底部电极层：在压电层的底侧上为底部电极层。此层的材料可以是Al、Mo、Au、多晶硅或任何其他合适的导电材料。L3厚度可以是例如1μm。
L4＝掺杂硅层(谐振器主体和底部电极)：磷掺杂单晶硅形成的谐振器(或中心弹簧部分)的>50％的质量。在某些实施例中，磷掺杂浓度大于1*1019cm-3。掺杂硅层可以充当底部电极层，即，层L3和L4可以组合成单个硅层。L4厚度可在例如2μm–20μm的范围内。
L5＝埋入氧化层：此层从谐振器结构下面蚀刻以释放谐振器(由参考标记100标记的谐振器区域)以在其谐振模式中振动。
L6＝硅处理层。
在其他实施例中，可以存在额外的材料层。
参考标号201指示与底部电极层的电连接，并且参考标号202指示与顶部电极层的电连接。层L2中的开口由参考标号120表示。
图9示出了顶部电极图案的示例(参考图8)，其可以被用于实现“可折叠”谐振模式的机电传导。TE表示附图中的顶部电极。
图10示出了谐振器设备的备选横截面，其中与图8的不同之处在于存在顶部电极的两个极性：203[Xin]和204[Xout]，并且底部电极浮置。由于具有两个极性的顶部电极几何形状需要没有电连接的交叉电极图案(参见图11)，因此需要额外的材料层：L7＝桥接导体层，L8＝桥接介电层。
图11示出了顶部电极图案的示例(参考图10)，其可以被使用以在顶部电极层具有两个极性(Xin、Xout)的区域时实现“可折叠”谐振模式的机电传导。不同极性的迹线的交叉通过使用L7桥接导体层和L8桥接介电层(图11中未示出L8)来实现。
图12A示出了根据其他实施例的MEMS谐振器的截面图。在这些实施例中，提供热氧化层L4’。热氧化层(例如氧化硅SiO2层)被定位为紧邻(简并)掺杂硅层L4(在(简并)掺杂硅层L4下方或上方)或在层L4的两侧上。在其他实施例中，氧化硅SiO2层被定为在层L4中部中，以使得SiO2层将L4层分为两个部分。热氧化层L4’用于提高谐振器的热特性。在某些实施例中，通过添加热氧化层来修改(例如增加)谐振器的(频率的)线性温度系数TCF1。例如，没有热氧化层的谐振器可以具有略负值的TCF1(例如-5ppm/℃)。通过添加具有取决于实施例的适当厚度的热氧化层，增加TCF1。可以实现所期望的TCF1＝0。
图12B和图12C示出了根据其他实施例的MEMS谐振器的截面图。在这些实施例中，氧化硅(SiO2)层L4’沉积在压电层L2上(如图12B中所图示的(即，在层L1与L2之间))或沉积在压电层下方(如图12C中所图示的(即，在L2与底部电极层L3之间))。关于其他材料层，参考图8和图10的解释。在某些实施例中，如上文参考图8所讨论，掺杂硅层L4可以充当底部电极层，即，层L3和L4可以组合成单个硅层。
这些方案的优点可以通过考虑以下推理来理解。为了实现谐振器中ESR的降低，通过在维持材料堆叠的总TCF1为零的条件的同时减小膜厚度，来按比例缩小谐振器的质量是有利的。氧化硅具有高于高度磷掺杂硅的相对较高的正温度系数，并且因此可以通过由氧化硅替换掺杂硅的部分同时保持总TCF1＝0来减小谐振器材料堆叠总厚度(和质量)。减小厚度的结果是ESR降低，并且同时跨压电层的电容增加。为了防止电容增加太多，将氧化硅层L4’放置在底部电极与顶部电极之间是有利的，如图12B和图12C中所图示的。
存在使氧化硅层生长的若干已知方法，诸如硅的热氧化、等离子增强化学气相沉积(PECVD)或低温氧化物(LTO)方法。例如，PECVD和LTO方法可以用于根据图12B和图12C的材料堆叠来生长用于谐振器的SiO2层。
在某些实施例中，底部电极层L3和掺杂硅层L4组合成单个掺杂硅层L4。在此情况下，热氧化物可以方便地由层L4通过热氧化形成，从而在剩余层L4的顶部上形成层L4’。
图13示出了与图5的设计类似的设计，但具有层L9：在质量M1和M2顶部上的修整重量层(对角阴影线区域/灰色区域)。层L9的目的是通过减小层L9(或层L9的部分)的厚度(例如通过离子束修整或通过激光消融)来提供谐振频率的良好可调节性。L9的材料可以是例如Mo或Au。作为示例，由于与图3中的尺寸类似的尺寸和10μm的Si设备层厚度，每去除100nm的Mo，谐振频率改变大约40,000ppm。
图14示出了根据某些实施例的另一(单晶)硅MEMS谐振器1400。关于谐振器1400的材料、一般结构和一般功能，参考先前描述中呈现的实施例。坐标系统如附图中所示地定义。因此，谐振器或谐振器结构的层(诸如压电层)通常位于xy平面中。
谐振器1400可以被视为在振动臂端部装配有额外质量的音叉谐振器以将弹簧质量系统的谐振频率降低到所需值。因此，在某些实施例中，谐振器1400具有一般的M形状。谐振器1400包括弹簧质量系统，该弹簧质量系统具有第一重量部分1401、第二重量部分1402、以及在重量部分之间的中心弹簧部分。在某些实施例中，中心弹簧部分包括音叉的第一(左)臂1403和音叉的第二(右)臂1404。臂1403和1404与x方向对准。左臂1403通过间隙与右臂1404分隔开，但也在其端部处机械连接到右臂1404的相应端。音叉进一步在连接臂的相同的(多个)端处锚定到机械锚1409。部分1403(和相应地部分1404)在相对端处连接到部分1401(相应地部分1402)。除此之外，在部分1401与1403之间存在第一间隙，并且在部分1402与1404之间存在相应第二间隙。
优选振动模式为其中谐振器1400的两个臂相对于彼此反相移动的平面内运动。振动臂1403、1404因此振动，以使得它们交替地更靠近彼此移动且以对称方式更远离彼此移动(如y方向上的双箭头所描绘的)。
为了最小化频率随温度的变化，以n型掺杂剂(诸如磷)简并掺杂谐振器的单晶硅层是有利的。在某些实施例中，掺杂浓度大于1*1019cm-3。在某些实施例中，掺杂硅形成谐振器的振动臂1403、1404的质量的至少50％。这有利于争取高热稳定性。在某些实施例中，两个臂1403、1404沿<100>结晶轴(诸如[100]硅结晶轴)对准(或与该方向偏离小于5度)，这也将有助于实现高热稳定性。
在某些实施例中，谐振器1400借助于压电耦接设置成振动。在某些实施例中，压电膜(例如AlN薄膜)沉积在谐振器结构的单晶硅层的顶部上。顶部电极被沉积并图案化在压电薄膜上。在某些实施例中，顶部电极的第一部分1405定位在振动臂1403上，且第二部分1406定位在振动臂1404上。电极的材料可以是例如Mo、Al、Au、Pt、Ag、多晶硅或另一导电材料。
在某些实施例中，掺杂硅层L4(参见例如图8、图10和图12A至图12C)充当底部电极层。在某些备选实施例中，在操作为底部电极的单晶硅上存在额外的薄层或层堆叠(参见图8、图10和图12A至图12C中的L3)。在某些实施例中的谐振器1400的材料堆叠因此对应于可选地由如图12A至图12C公开的L4’特征补偿的在前文中参考图8呈现的材料堆叠。
在某些实施例中，如图14中所描绘，图案化顶部电极，以使得当交流信号连接在顶部电极与底部电极之间时，谐振器1400的两个臂经受支持反相谐振的力。这可以例如通过如图14中所描绘的图案化顶部电极来实现，以使得臂1403、1404的在紧邻将臂1403、1404分隔开的间隙的压电层顶部上的区域(即区域1405和1406)被电极部分覆盖，而臂1403、1404的更靠近重量部分的区域保持未被覆盖。
在某些备选实施例中，图案化顶部电极，以使得臂1403、1404的在更靠近重量部分的压电层顶部上的区域被电极部分覆盖，而臂1403、1404的紧邻将臂1403、1404分隔开的间隙的区域保持未被覆盖。
在某些实施例中，到图案化顶部电极的布线从被定位在机械锚1409上的接触焊盘1408(由根据图8的材料堆叠的谐振器的参考标号202指示)布置。用于底部电极的接触焊盘1407(由根据图8的材料堆叠的谐振器的参考标号201指示)可以被定位在相同锚1409上。(图14中未示出了图8中图示的压电层L2中的开口120)。
图15示出了根据某些实施例的另一音叉谐振器。音叉臂1403、1404的长度可以利用有关芯片(或裸片)的对角线尺寸，而质量元件(重量部分)1401、1402被放置在裸片的拐角中。在某些实施例中，两个臂1403、1404沿<100>结晶轴(诸如硅的[100]结晶轴)对准(或与该方向偏离小于5度)以最小化热系数。
优选振动模式为其中谐振器的两个臂相对于彼此反相移动的平面内运动(在xy平面中)。振动臂1403、1404(与x方向对准)因此振动，以使得它们交替地更靠近彼此移动且以对称方式更远离彼此移动(如图15中的y方向上的双箭头所描绘的)。图15中所示的谐振器的材料堆叠对应于谐振器1400的材料堆叠。
图16A示出了音叉谐振器的其他实施例。图16A中所示的谐振器1600包括弹簧质量系统，该弹簧质量系统具有第一重量部分1601、第二重量部分1602以及在重量部分之间的中心弹簧部分。在某些实施例中，中心弹簧部分包括音叉的第一(左)臂1603、以及音叉的与x方向对准的第二(右)臂1604。左臂1603通过间隙与右臂1604分隔开，但也在其端部处机械连接到右臂1604的相应端。音叉进一步在连接臂的相同(多个)端处锚定到机械锚1609。部分1603(和相应地部分1604)在相对端处连接到部分1601(相应地部分1602)。除此之外，在部分1601与1603之间存在第一间隙，并且在部分1602与1604之间存在相应第二间隙。
优选振动模式是其中谐振器1600的两个臂相对于彼此在y方向上反相移动的平面内运动。振动臂1603、1604因此振动，以使得它们交替地更靠近彼此移动且以对称方式更远离彼此移动(如双箭头所描绘)。
因此，谐振器1600基本上对应于谐振器1400。与谐振器1400相比的不同之处在于致动方法的实现。代替顶部电极和底部电极，谐振器结构包括具有相对极性的两个顶部电极、以及电浮置的底部电极层L3。谐振器1600的材料堆叠对应于在前文中参考图10和图12A至图12C呈现的材料堆叠中的任一材料堆叠。在某些实施例中，顶部电极的图案化如图16A中所描绘，以使得第一顶部电极的第一部分1605定位在振动臂1603上且第二部分1606定位在振动臂1604上，并且第二顶部电极的第一部分1615定位在振动臂1603上且第二部分1616定位在振动臂1604上。臂1603、1604的紧邻将臂1603、1604分隔开的间隙的区域1605、1606被第一顶部电极覆盖，并且臂1603、1604的更靠近相应重量部分1601、1602的区域1615、1616被第二顶部电极覆盖。
在某些实施例中，到第一顶部电极的布线从被定位在机械锚1609上的接触焊盘1608布置。第二顶部电极的接触焊盘1618可以被定位在相同锚1609上。
图16B示出了音叉谐振器的其他实施例。图16B中所示的谐振器1600’包括弹簧质量系统，该弹簧质量系统具有第一重量部分1601、第二重量部分1602、以及在重量部分之间的中心弹簧部分。在某些实施例中，中心弹簧部分包括音叉的第一(左)臂1603’和音叉的第二(右)臂1604’。左臂1603’通过间隙与右臂1604’分隔开，但也在其端部处机械连接到右臂1604’的相应端。音叉进一步在连接臂的相同(多个)端处锚定到机械锚1609’。部分1603’(和相应地部分1604’)在相对端处连接到部分1601(相应地部分1602)。除此之外，在部分1601与1603’之间存在第一间隙，并且在部分1602与1604’之间存在相应的第二间隙。
在该实施例中，振动模式是其中谐振器1600’的两个臂相对于彼此反相移动的平面外运动。振动臂1603’、1604’因此振动，以使得当左臂1603’在正z轴方向上移动时，右臂1604’在负z轴方向上移动(且反之亦然)。
在图16B中说明这种谐振器1600’的机电致动的优选实现。存在具有相对极性的两个顶部电极(即，用于左臂的电极1605’和用于右臂的电极1606’)、以及电浮置的底部电极层L3。电信号(Xin、Xout)连接到分别与顶部电极1605’和1606’连接的接触焊盘1618’和1608’。接触焊盘形成于机械锚定区域1609’上。谐振器1600’的材料堆叠可以对应于在前文中参考图10和图12A至图12C呈现的材料堆叠中的任一材料堆叠。
图16C示出了音叉谐振器的其他实施例。类似于谐振器1600’，图16C中所示的谐振器1600”包括弹簧质量系统，该弹簧质量系统具有第一重量部分1601、第二重量部分1602、以及在重量部分之间的中心弹簧部分。中心弹簧部分包括音叉的第一(左)臂1603”和音叉的第二(右)臂1604”。左臂1603”通过间隙与右臂1604”分隔开，但也在其端部处机械连接到右臂1604”的相应端。音叉进一步在连接臂的相同(多个)端处锚定到机械锚1609”。部分1603”(和相应地部分1604”)在相对端处连接到部分1601(相应地部分1602)。除此之外，在部分1601与1603”之间存在第一间隙，并且在部分1602与1604”之间存在相应的第二间隙。
在某些实施例中，如图16C中所描绘的，图案化顶部电极，以使得当交流信号连接在顶部电极与底部电极之间时，谐振器1600”的两个臂经受支持平面外运动的力，在平面外运动中谐振器1600”的两个臂相对于彼此同相移动(即，左臂1603”和右臂1604”在正z轴或备选地负z轴的方向上移动)。为了支持这种振动模式，顶部电极包括分别设置在左臂和右臂上的两个部分1605”和1606”。顶部电极部分连接到设置在机械锚1609”上的接触焊盘1608”。底部电极的接触焊盘1607”可以被定位在相同锚1609”上。在某些实施例中的谐振器1600”的材料堆叠因此对应于可选地由如图12A至图12C公开的L4’特征补充的、在前文中参考图8呈现的材料堆叠。
图17A示出了根据某些实施例的另一MEMS谐振器。关于谐振器1700的材料、结构和一般功能，参考先前的描述，尤其是参考对谐振器1400的描述。
谐振器1700可以被视为双端音叉谐振器，这是因为双端音叉谐振器的一般结构可以被视为已通过在振动臂端部处连接两个音叉谐振器而形成。谐振器1700包括弹簧质量系统，该弹簧质量系统具有第一重量部分1701、第二重量部分1702、以及在重量部分之间的中心弹簧部分。在某些实施例中，中心弹簧部分包括与x方向对准的第一(左)振动臂1703和第二(右)振动臂1704。左臂1703通过(闭合)间隙17与右臂1704分隔开，但也在其端部处机械连接到右臂1704的相应端。在某些实施例中，两个重量部分为附接到两个振动臂1703、1704的中间点以将谐振频率的值调节为所需值的相同质量元件。除此之外，在部分1701与1703之间和在部分1702与1704之间分别存在间隙。谐振器1700进一步在其一端处锚定到机械锚1709，并且在其相对端处锚定到另一机械锚1719。
优选振动模式是其中谐振器1700的两个臂相对于彼此通过压电传导在y方向上反相移动的平面内运动。两个(弯曲)振动臂1703、1704因此振动，以使得它们交替地更靠近彼此移动且以对称方式更远离彼此移动(如双箭头所描绘的)。图案化顶部电极以支持这种运动。在某些实施例中，图案化顶部电极以在臂的纵向方向上形成交替图案。在某些实施例中，臂1703、1704的在压电层顶部上的中心纵向区域布置成使得紧邻重量部分的区域被顶部电极(即，顶部电极部分1705和1706)覆盖，并且更靠近间隙17的区域保持未被覆盖。臂1703、1704的远端纵向区域相反地布置，即，更靠近间隙17的区域被顶部电极(即，顶部电极部分1715、1725、1716和1726)覆盖，并且紧邻重量部分的区域保持未被覆盖。
在某些实施例中，到图案化顶部电极的布线从被定位在机械锚1709上的接触焊盘1708布置。此外，可以布置从顶部电极部分到顶部电极的其他部分的布线。并且，可以布置从相对锚1719开始的布线。底部电极的接触焊盘1707可以被定位在例如锚1709、1719中的一个锚处。
图17B示出了双端音叉谐振器的另一实施例。谐振器1730的优选振动模式为平面外运动，其中谐振器1730的两个臂相对于彼此通过压电传导在z方向上同相移动。(针对相邻弯曲振动臂，间隙17中的符号示出相对运动方向，不管是在正z方向上还是负z方向上。)两个(弯曲)振动臂1703、1704因此振动，以使得两个臂1703和1704交替地在正z方向上或在负z方向上移动。图案化顶部电极以支持这种运动。谐振器结构包括具有相对极性的两个顶部电极、以及电浮置的底部电极层L3。谐振器1730的材料堆叠对应于在前文中参考图10和图12A至图12C呈现的材料堆叠中的任一材料堆叠。在某些实施例中，臂1703、1704的在压电层顶部上的中心纵向区域主要被第一顶部电极结构(即，顶部电极部分1732和1742)覆盖并且连接到(第一)接触焊盘1708，而臂1703、1704的远端纵向区域主要被第二顶部电极结构(即，顶部电极部分1731、1733、1741和1743)覆盖并且连接到(第二)接触焊盘1718。在图17B中所示的示例中，接触焊盘1708定位在锚1709处，并且接触焊盘1718定位在相对锚1719处。
图17C示出了双端音叉谐振器的另一实施例。谐振器1750的优选振动模式为平面外运动，其中谐振器1750的两个臂相对于彼此通过压电传导在z方向上反相移动。两个(弯曲)振动臂1703、1704因此振动，以使得臂1703在正z方向上移动，而臂1704在负z方向上移动，或反之亦然。图案化顶部电极以支持这种运动。谐振器结构包括具有相对极性的两个顶部电极、以及电浮置的底部电极层L3。谐振器1750的材料堆叠对应于在前文中参考图10和图12A至图12C呈现的材料堆叠中的任一材料堆叠。在某些实施例中，臂1703的在压电层(即，顶部电极部分1752)顶部上的中心纵向区域、以及臂1704的在压电层(即，顶部电极部分1761和1763)顶部上的远端纵向区域主要被第一顶部电极结构覆盖并且连接到接触焊盘1708，而臂1704的在压电层(即，顶部电极部分1762)顶部上的中心纵向区域、以及臂1703的在压电层(即，顶部电极部分1751和1753)顶部上的远端纵向区域主要被第二顶部电极结构覆盖并且连接到接触焊盘1718。
在图17B和图17C中所图示的实施例中，两个顶部电极不需要彼此交叉。因此，不需要图10和图12A至图12C中描绘的材料堆叠中的层L7和L8。
与在前述音叉谐振器中类似地，图17A至图17C中的双端音叉谐振器1703、1704的臂与<100>结晶轴(诸如硅的[100]结晶轴)对准(或与该方向偏离小于5度)以实现高的热稳定性。
双端音叉谐振器可以组合成具有互连元件的较大谐振器结构，这些互连元件使组件以单集体振动模式谐振。在图18A和图18B中示出了这种双端音叉谐振器组件的示例。个体双端音叉谐振器1800(图17A至图17C中所示的类型的五个谐振器)已被成行地放置。双端音叉谐振器1800包括它们自己的通过间隙18分隔开的振动臂1803、1804。共用质量元件1802定位在相邻中心弹簧部分之间，并且端部质量元件1801定位在组件的端部中。组件包括连接到中心弹簧部分(双端音叉)的相应端的机械锚1809、1819。在其他实施例中，这些锚可以被组合或连接和/或移动得更靠近中心锚。
在图18A中所示的示例中，个体双端音叉谐振器1800都以平面内反相模式(在xy平面中)振动，而相邻谐振器1800的振动模式彼此偏移180度。因此，连接到其相邻双端音叉谐振器臂1803、1804的质量元件1802(图18A中的四个最内侧的质量元件)与相邻臂同步移动。
在图18B中描绘经连接的双端音叉谐振器的组件的另一实施例。在该实施例中，个体双端音叉谐振器1800都以平面外反相模式振动，而谐振器1800的振动模式彼此偏移180度(如示出正z方向和负z方向上的运动的符号所图示的)。因此，连接到其相邻双端音叉谐振器臂1803、1804的质量元件1802(图18B中的四个最内侧的质量元件)与相邻臂同步移动。
在某些实施例中，最外侧质量元件1801的体积(例如，宽度)为最内侧质量元件1802的体积的50％或基本上50％，以促进振动能量在互连双端音叉谐振器1800之间的平均分布。如在前文中，双端音叉谐振器1800的臂1803、1804与<100>结晶轴(诸如硅的[100]结晶轴)对准(或与该方向偏离小于5度)。
图19A和图19B示出了互连双端音叉谐振器的其他实施例。在一些实施例中，图案化电极结构，以使得当交流信号连接在顶部电极与底部电极之间时，相邻的双端音叉谐振器经受支持具有180度相对相移的运动的力。在某些实施例中，这通过以如图19A中所示的方式图案化顶部电极来获得。为简单起见，绘制(仅)具有三个双端音叉谐振器1800的组件。当比较两个相邻谐振器1800时，在相应弯曲臂1803(或1804)的相对顶表面侧上图案化顶部电极1850。
在某些实施例中，到图案化顶部电极1850的布线从被定位在组合机械锚1809上的接触焊盘1808布置。底部电极的接触焊盘1807可以被定位在相同锚1809上。
在其他实施例中，诸如在图19B中所图示的示例中，对应谐振器1800'的结构包括具有相对极性的两个顶部电极(1860和1870)以及电浮置的底部电极层L3。谐振器1800’的材料堆叠对应于在前文中参考图10和图12A至图12C呈现的材料堆叠中的任一材料堆叠(除了图10和图12A至图12C中描绘的材料堆叠中的层L7和L8之外，因为在图19B的示例中不需要层L7和L8)。为简单起见，绘制(仅)具有两个双端音叉谐振器1800’的组件。
在左边的双端音叉谐振器中，臂1803的在压电层顶部上的中心纵向区域主要被(连接到接触焊盘1868的)第一顶部电极结构1860覆盖，并且臂的远端纵向区域主要被(连接到接触焊盘1878的)第二顶部电极结构1870覆盖，而对于臂1804，中心纵向区域主要被第二顶部电极结构1870覆盖并且臂的远端纵向区域主要被第一顶部电极结构1860覆盖。在图19B中所示的示例中，接触焊盘1868定位在锚1809处，并且接触焊盘1878定位在相对锚1819处。
当比较两个相邻的双端音叉谐振器1800’时，相应中心纵向区域和远端纵向区域被具有相对极性的顶部电极覆盖。当交流信号连接在两个顶部电极之间时，相邻双端音叉谐振器经受支持具有180度相对相移的运动的平面外的力。因此，连接到其相邻双端音叉谐振器臂1803、1804的质量元件1802(图19B中的最内侧质量元件)与相邻臂同步移动。
图20示出了图18A至图18B和图19A至图19B中所示的实施例的某些修改。仅中心双端音叉谐振器1800(或1800’)被机械锚定。而且，通过经由共用质量元件1802优选地以对称图案连接相邻谐振器的电极来实施到其他双端音叉谐振器的顶部电极。
图21示出了图18至图20中所示的实施例的另一修改。已最小化(或省略)互连质量元件(共用质量元件)，以使得仅通过连接梁2145来实施相邻谐振器之间的连接元件。
图22示出了其中存在中心弹簧结构或部分的旋转谐振器2200，该中心弹簧结构或部分在其中心处机械锚定到机械锚2209。中心弹簧部分经由四个弹簧元件或臂2203、2204、2213和2214连接到被布置在环绕区域中的四个质量元件2201、2202、2211和2212。弹簧元件形成交叉结构，并且弹簧元件基本上沿<100>结晶轴对准(或与该方向偏离小于5度)。
图案化顶部电极2205、2206、2215和2216，以使得当交流信号连接在顶部电极与底部电极之间时，臂2203、2204、2213和2214经受支持绕z轴的旋转(往复)运动，以使得中心锚定区域2209保持固定。这可以例如通过一如图22中所图示的方式图案化顶部电极来实现，以使得臂2203、2204、2213和2214的在所讨论的臂的相同侧上(例如，在从锚2209观察的右侧上)的表面区域(即，区域2205、2206、2215和2216)被电极部分覆盖，而臂的剩余区域保持未被覆盖。在该示例中，四个质量元件在相同方向上(同相)旋转。
到顶部电极的(优选地金属)布线22从接触焊盘2208布置。到底部电极的接触从接触焊盘2207布置。(图8中所图示的压电层L2中的开口120在图22中未示出。)更一般地，接触焊盘可以表示硅穿孔互连件，它们是晶片级封装谐振器的一部分。
在某些实施例中，谐振器2200的材料堆叠与可选地由如图12A至图12C公开的L4’特征补充的、在前文中参考图8所呈现的方式类似地实施。
在其他实施例中，对应于谐振器2200的谐振器被实施为具有带相对极性的两个顶部电极(Xin和Xout)并且具有电浮置的底部电极。在这种实施例中，可以在其中两个电极彼此交叉的区域中与图10和图11中所示的实施例中类似地实施的顶部电极之间存在额外绝缘层(L8)。材料堆叠的技术实施可以类似地如图10和图12A至图12C中所示的实施例中的任一实施例中所描述来实施。
在不限制专利权利要求书的范围和解释的情况下，在下面列出本文中公开的示例实施例中的一个或多个的某些技术效果。一个技术效果是优化的硅MEMS谐振器设计。一个技术效果是提供具有所期望的谐振频率的可折叠模式MEMS谐振器。另一技术效果是宽温度范围上的良好频率稳定性。另一技术效果是低的等效串联电阻(ESR)。另一技术效果是提供具有小占用面积的谐振器。
已借助于本发明的特定实施方式和实施例的非限制示例来提供以上描述，具体实施方式的完整和信息描述当前由用于执行本发明的发明人来考虑。然而，所属领域的技术人员清楚，本发明不限于上文所呈现的实施例的细节，而是可以在不脱离本发明的特性的情况下使用等效方式在其他实施例中实施。
此外，本发明的上文所公开实施例的特征中的一些可用于在无其他特征的对应使用的情况下变得有利。因此，前文描述应仅视为说明本发明的原理，而非其限制。因此，本发明的范围仅由随附专利权利要求书限制。

Claims (27)

1.一种微机电谐振器，包括：
弹簧质量系统，所述弹簧质量系统具有
第一重量部分，
第二重量部分，以及
中心弹簧部分，所述中心弹簧部分在所述重量部分之间，所述谐振器具有用于致动所述谐振器的压电层。
2.根据权利要求1所述的谐振器，包括被掺杂到至少2*1019cm-3的平均杂质浓度的硅体，并且其中所述中心弹簧部分的材料部分沿垂直于y轴的x轴定向，所述谐振器被配置成在所述y轴的方向上振动，其中所述x轴沿<100>硅晶体方向延伸或与所述<100>硅晶体方向偏离小于5度。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中所述第一重量部分和所述第二重量部分是对称的重量部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述中心弹簧部分是对称部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述中心弹簧部分包括曲折结构，所述曲折结构在所述曲折结构的第一端处被附接到所述第一重量部分、并且在所述曲折结构的相对端处被附接到所述第二重量部分。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其中所述第一重量部分和所述第二重量部分在所述第一重量部分和所述第二重量部分的边缘处被连接到所述中心弹簧部分。
7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，支持可折叠模式形状。
8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，在所述谐振器的、所述谐振器沿其振动的方向上，所述谐振器包括在所述弹簧部分的第一边缘中部的锚定点、以及在相对边缘中部的锚定点。
9.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，包括与所述中心弹簧部分的质心或所述弹簧质量系统的质心对准的锚定点。
10.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，包括用于将所述中心弹簧部分锚定到周围的锚定点(A1、A2)，所述谐振器的主谐振模式形状在所述锚定点(A1、A2)处具有节点。
11.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述谐振器包括半导体材料和/或硅和/或简并掺杂的硅，和/或超过50％的谐振器质量由简并掺杂的硅构成，和/或所述谐振器包括被掺杂到至少2*1019cm-3、诸如至少1020cm-3的平均杂质浓度的硅体。
12.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述谐振器被配置成被压电致动。
13.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述中心弹簧部分包括由沟槽分隔开的、与<100>硅晶体方向对准或与所述<100>硅晶体方向偏离小于5度的臂。
14.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述谐振器在真空中操作。
15.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中在所述重量部分的端部处的沟槽具有减小空气阻尼效应的宽度。
16.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述第一重量部分和所述第二重量部分包括沟槽的网格。
17.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，被制作在绝缘体上硅SOI晶片上。
18.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，被配置为在32kHz频带处操作，诸如在频率32.768kHz处操作。
19.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述中心弹簧部分沿长方形裸片的对角线定向。
20.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述弹簧质量系统包括被附接到所述第一重量部分和所述第二重量部分的额外支撑弹簧。
21.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中所述谐振器的第一部分位于简并掺杂的硅层中，并且所述谐振器的第二部分位于SiO2层中，所述SiO2层被形成在所述简并掺杂的硅层的下方或上方或者所述简并掺杂的硅层的两侧上。
22.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，包括被布置成具有侧质量的音叉的形状的所述第一重量部分和所述第二重量部分以及所述中心弹簧部分。
23.根据前述权利要求1至22中任一项所述的谐振器，包括被成行地定位并且与共用质量元件或连接梁连接的一组双端音叉谐振器。
24.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，包括:
材料堆叠，具有在顶部电极层与底部电极层之间的氧化硅层。
25.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，还包括第三重量部分和第四重量部分，其中所述中心弹簧部分以在所述中心弹簧部分的中心处与机械锚交叉的形式被布置。
26.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，包括具有相对极性的两个顶部电极、以及电浮置的底部电极。
27.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，支持平面内弯曲振动操作模式或平面外弯曲振动操作模式。
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