CN116346071A

CN116346071A - Mems谐振器及mems谐振器阵列

Info

Publication number: CN116346071A
Application number: CN202310363360.7A
Authority: CN
Inventors: 雷永庆; 李明; 李轩
Original assignee: Mestar Microelectronics Shenzhen Co ltd
Current assignee: Mestar Microelectronics Shenzhen Co ltd
Priority date: 2023-03-31
Filing date: 2023-03-31
Publication date: 2023-06-27

Abstract

本申请提出了一种MEMS谐振器及MEMS谐振器阵列。该MEMS谐振器包括振动单元、耦合储能单元、锚点、第一电极；振动单元用于产生谐振；耦合储能单元与振动单元耦合连接且为高Q振动模式；锚点将耦合储能单元固定于衬底上；第一电极邻近设置于振动单元，且与振动单元之间具有间隙。本申请在MEMS谐振器中设置了耦合储能单元，一方面相当于在既有振动单元的基础上引入了其他高品质因子体模态振动结构，从而可以提升整个MEMS谐振器的谐振Q值；另一方面该耦合储能单元与振动单元耦合连接，增大了耦合的面积，有利于提高耦合效率，可以进一步提升谐振Q值；另外，耦合储能单元与振动单元的耦合面积可以增大，也有利于提高耦合效率。

Description

MEMS谐振器及MEMS谐振器阵列

技术领域

本申请涉及MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)技术领域，具体涉及一种MEMS谐振器及MEMS谐振器阵列。

背景技术

MEMS谐振器用于产生时钟信号，以其体积小、失效率低、与集成电路制造工艺兼容好等优点，广泛应用于电路系统以提供时间参考和频率基准。在现有的MEMS谐振器中，不同谐振器的振动单元之间是通过杆或梁等长条状的结构件进行耦合连接的。但是，在这种耦合连接方式中，杆或梁等长条状的结构件与振动单元之间的耦合部面积较小，导致不同谐振器的振动单元之间的耦合面积较小，使得耦合效率较低，从而导致谐振Q值(品质因子)不高。

发明内容

鉴于此，本申请实施例提供一种MEMS谐振器及MEMS谐振器阵列，可以改善现有不同谐振器的振动单元之间的耦合连接方式所导致的谐振Q值不高的问题。

本申请实施例提供的一种MEMS谐振器，包括：

振动单元，用于产生谐振；

耦合储能单元，与所述振动单元耦合连接且为高Q振动模式；

锚点，将所述耦合储能单元固定于衬底上；

第一电极，邻近设置于所述振动单元，且与所述振动单元之间具有间隙。

可选地，所述振动单元为环状结构。

可选地，所述耦合储能单元采用柔性材料制得。

可选地，所述耦合储能单元为声子通孔结构。

可选地，沿垂直于所述衬底的视线方向，所述耦合储能单元呈矩形。

可选地，呈矩形的所述耦合储能单元的振动模式为lame模态。

可选地，沿垂直于所述衬底的视线方向，所述耦合储能单元呈圆形。

可选地，呈圆形的所述耦合储能单元的振动模式为WG模态。

可选地，所述MEMS谐振器还包括第二电极，所述第二电极邻近设置于所述耦合储能单元，且与所述耦合储能单元之间具有间隙。

本申请实施例提供的一种MEMS谐振器阵列，包括多个如上述任一项所述的MEMS谐振器，相邻所述振动单元之间设有一所述耦合储能单元。

可选地，多个所述MEMS谐振器形成闭合结构，即，任意相邻两个所述振动单元之间均设置有一个耦合储能单元并通过该耦合储能单元耦合连接。

可选地，所述MEMS谐振器阵列包括12个所述MEMS谐振器，且呈十字形结构。

如上所述，本申请在MEMS谐振器中设置耦合储能单元，一方面相当于在既有振动单元的基础上引入了其他高品质因子体模态振动结构，从而可以提升整个MEMS谐振器的谐振Q值；另一方面该耦合储能单元与振动单元耦合连接，增大了耦合的面积，有利于提高耦合效率，可以进一步提升整个MEMS谐振器的谐振Q值。

附图说明

图1为本申请实施例提供的第一种MEMS谐振器的结构俯视图；

图2为本申请实施例提供的第二种MEMS谐振器的结构俯视图；

图3为本申请实施例提供的第三种MEMS谐振器的结构俯视图；

图4为本申请实施例提供的第一种MEMS谐振器阵列的结构俯视图；

图5为本申请实施例提供的第二种MEMS谐振器阵列的结构俯视图；

图6为本申请实施例提供的第三种MEMS谐振器阵列的结构俯视图；

图7为本申请实施例提供的第四种MEMS谐振器阵列的结构俯视图；

图8为本申请实施例提供的第四种MEMS谐振器的结构俯视图；

附图标记：1、MEMS谐振器；10、衬底；11、振动单元；12、耦合储能单元；13、锚点；14、第一电极；141、驱动电极；142、感测电极；15、第二电极。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的上述问题，本申请提供一种MEMS谐振器及MEMS谐振器阵列。这两个保护主题基于同一构思，解决问题的原理基本相同或相似，各保护主题的实施方式可相互参阅，重复之处不予赘述。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图，对本申请的技术方案进行清楚地描述。显然，下文所描述实施例仅是本申请的一部分实施例，而非全部的实施例。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可相互组合，且亦属于本申请的技术方案。

在本申请实施例的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅为便于描述相应实施例的技术方案，而非指示或暗示装置或元件必须具有特定方位、以特定方位构造和操作，不能理解为对本申请的限制。

请参阅图1所示，为本申请实施例提供的一种MEMS谐振器1的结构俯视图。为了更好的描述，所谓俯视方向可以称为第二方向y，即垂直于MEMS谐振器1的衬底10的方向，图1中所示的第一方向x和第三方向z，可分别视为MEMS谐振器1所处的三维直角坐标系的其他两条坐标轴方向。

除衬底10之外，本申请的MEMS谐振器1还包括设置于该衬底10上的振动单元11、耦合储能单元12、锚点13、以及第一电极14。

衬底10包括但不限于为掺杂硅衬底，整体上为平面状结构件。

振动单元11也可以称为振子，用于产生所需频率的振动，即产生预设谐振频率的谐振。在实际场景中，该振动单元11为环状结构，其横截面(即x-z平面)形状(或者说正投影形状)可以为图1至图8所示的圆环形，当然也可以为矩形环、六边形环等多边形环。

振动单元11可以由半导体材料制成。例如，元素周期表第IV列中的材料，包括但不限于硅、锗、碳、及其适应性组合物或者化合物，例如硅锗或碳化硅；再例如，元素周期表第III-V列中材料的组合物或者化合物，包括但不限于磷化镓、磷化铝镓；又例如，元素周期表第III、IV、V或VI列中材料的组合物或者化合物，包括但不限于氮化硅、氧化硅、碳化铝、氮化铝和氧化铝中的至少一种；当然，还可以包括金属硅化物、锗化物和碳化物中的至少一种，包括但不限于硅化镍、硅化钴、碳化钨和硅化铂锗中的至少一种；掺杂变体，包括但不限于磷、砷、锑、硼或铝掺杂的硅或锗、碳或锗的组合，例如硅锗；具有各种晶体结构的材料及其适应性组合(可以是掺杂的也可以是未掺杂的材料)，包括但不限于单晶、多晶、纳米晶和无定形晶体中的至少一种。

振动单元11的制备方式，本申请实施例并不予以限定，包括但不限于使用本领域公知的光刻、蚀刻、沉积、掺杂等至少一种技术适应性制得。例如，首先提供一厚度较大的半导体衬底基材，并在该半导体衬底基材上覆盖一层光阻材料，然后在该光阻材料上设置掩模板(mask，又称光罩)，该掩模板的图案形状与所要制得的振动单元11的横截面形状相同，然后进行曝光、显影和刻蚀工序，以去除图案形状之外的光阻材料和半导体衬底材料，最终保留的即为环状的振动单元11。在刻蚀制程中，该半导体衬底基材的对应振动单元11正投影之外的区域并未被刻蚀镂空，从而既可以得到一整体上为平面状结构件或者称板状结构件的衬底10，又可以得到位于该衬底10上的环状的振动单元11。在该场景中，振动单元11和衬底10的主要材料可以相同。

耦合储能单元12可以设置于衬底10上。耦合储能单元12与振动单元11耦合连接，且为高Q振动模式。所谓高Q振动模式可以是相比较于振动单元11的振动模式而言，即，耦合储能单元12的振动模式的Q值高于振动单元11的振动模式的Q值。

锚点13将耦合储能单元12固定于衬底10上。例如，单个耦合储能单元12可以通过四个锚点13固定于衬底10上，这四个锚点13可以呈矩形设置，例如连接于矩形耦合储能单元12的四个顶角。锚点13的数量不做限制，用于将耦合储能单元12固定于衬底10上；优选偶数个，相对侧设置在耦合储能单元12上。

第一电极14邻近设置于振动单元11并与所述振动单元11之间具有一定的间隙，该间隙又可称为空气间隙，其距离可以根据实际需求适应性而定，例如可以介于100nm～1.2μm之间。该第一电极14用于电连接IC电路(图未示出)，以诱导振动单元11产生机械振荡。通过控制第一电极14接电的电参数(例如驱动电压的频率)，可以控制振动单元11的振动频率。

在如图1所示的场景中，第一电极14可以包括驱动电极141和感测电极142，分别设置于振动单元11的相对两侧。例如，对于横截面呈圆环状的振动单元11，驱动电极141可以设置于振动单元11的外侧、且与振动单元11的外侧面具有第一间隙，感测电极142设置于振动单元11的内侧、且与振动单元11的内侧面具有第二间隙，该第二间隙可以与第一间隙相等。驱动电极141电连接IC电路中的驱动电路，感测电极142电连接IC电路中的感测电路；工作时，通过驱动电极141以诱导MEMS谐振器1的振动单元11振荡或振动。感测电极142用于感测、采样和/或检测具有一个或多个谐振频率的信号，以此检测振动单元11的振动频率。对于本领域技术人员而言，上述驱动电极141、感测电极142、驱动电路以及感测电路，可以是常规的众所周知的类型，或者可以是现在已知的或以后开发的任何类型，在此不一一赘述。

如上所述，在本申请的MEMS谐振器1中增设了耦合储能单元12，一方面相当于在既有振动单元11的基础上引入了其他高品质因子体模态振动结构，从而可以提升整个MEMS谐振器1的谐振Q值，另一方面该耦合储能单元12与振动单元11耦合连接，增大了耦合的面积，有利于提高耦合效率，可以进一步提升整个MEMS谐振器1的谐振Q值。

应该理解到，单个MEMS谐振器1所设置的耦合储能单元12的个数，并不限于图1所示的一个，还可以为其他数量，例如图2所示的两个。并且，各个耦合储能单元12相对振动单元11的位置可根据实际所需适应性而定，例如图2所示的两个耦合储能单元12分设于振动单元11的左右两侧，与该振动单元11耦合的两个耦合储能单元12之间形成的夹角α角度为60°～180°，通过设定该夹角α角度位于该阈值范围内，可以使多个振动单元11耦合连接时形成闭合结构。

另外，如图1至图3、以及图8所示，单个MEMS谐振器1可以最少仅设置有一个振动单元11；其他场景的单个MEMS谐振器1可以设置有两个或者两个以上的振动单元11，相邻两个振动单元11之间设置有一个耦合储能单元12，该一个耦合储能单元12分别与这相邻两个振动单元11耦合连接。

可选地，耦合储能单元12可以为高品质因子体模态振动结构，例如可以采用柔性材料制得，具有良好的弹性；又例如，耦合储能单元12可以为声子通孔结构。当然并不限于此，只需耦合储能单元12具有耦合、以及将振动单元11传递过来的振动再返回给振动单元11的效果即可。

耦合储能单元12和锚点13的材料可以相同，当然也可以与振动单元11的材料相同。耦合储能单元12和锚点13可以采用相同或类似于制得振动单元11的工艺，例如，通过光刻、蚀刻、沉积、掺杂等至少一种技术适应性制得。对于单个MEMS谐振器1仅包含一个振动单元11的场景，耦合储能单元12和振动单元11可以通过同一道制程形成或者形成主体部分，从而简化制备工艺，当然锚点13也可以通过该同一道制程形成。

在实施场景中，沿垂直于衬底10的视线方向，即沿第二方向y观察，如图1、图2、图4至图8所示，所述耦合储能单元12可以呈矩形，呈矩形的耦合储能单元12的振动模式可选地为lame模态，即，耦合储能单元12的相对两侧(与振动单元11耦合连接的一侧、以及相对的另一侧)连续地扩张和收缩以实现振动；或者，如图3所示，所述耦合储能单元12也可以呈圆形，呈圆形的耦合储能单元12的振动模式可选地为WG模态(Wine glass，酒杯模态)。

相比较于传统的通过杆或梁等长条状的结构件进行耦合连接，在本申请实施例中，耦合储能单元12与振动单元11之间可视为面接触，接触面积较大，可以增大相邻振动单元11之间的耦合面积，从而可以使得不同MEMS谐振器1的振动单元11之间的耦合效率较高，有利于提升谐振Q值。

请继续参阅图8，本申请一实施例的MEMS谐振器1还可以包括第二电极15，所述第二电极15邻近设置于耦合储能单元12并与所述耦合储能单元12之间具有间隙，该间隙又可称为空气间隙，其距离可以根据实际需求适应性而定，例如可以介于100nm～1.2μm之间。

具体地，该第二电极15包括第一极片和第二极片，分别邻近设置于耦合储能单元12的相对两侧，并与所述耦合储能单元12的相对两侧之间分别具有间隙。该第一极片和第二极片用于电连接IC电路(图未示出)，以诱导耦合储能单元12产生机械振荡。通过控制第二电极15接电的电参数(例如驱动电压的频率)，可以控制耦合储能单元12的振动频率。该第二电极15可视为检测及驱动结构，通过耦合储能单元12与该第二电极15的配合，提升了驱动强度，可以减小模态位移，进一步降低了MEMS谐振器1的整体阻抗；进而可以进一步提升整个MEMS谐振器1的谐振Q值以及耦合效率。

本申请实施例还提供一种MEMS谐振器阵列，包括多个上述任一实施例的MEMS谐振器1，于此，不同MEMS谐振器1中的相邻振动单元11之间设有一耦合储能单元12，并通过该耦合储能单元12进行耦合连接。于此，该MEMS谐振器阵列可以产生对应实施例的MEMS谐振器1具有的有益效果。

在实施场景中，多个MEMS谐振器1之间耦合连接，可实现为闭合结构。

例如，请参阅图4所示的场景，MEMS谐振器阵列包括三个MEMS谐振器1，每个MEMS谐振器1包括一个振动单元11和一个耦合储能单元12，依次耦合连接使得MEMS谐振器阵列形成为三角形结构。

再例如，请参阅图5所示的场景，MEMS谐振器阵列包括四个MEMS谐振器1，每个MEMS谐振器1包括一个振动单元11和一个耦合储能单元12，依次耦合连接使得MEMS谐振器阵列形成为矩形结构。

再例如，请参阅图6所示的场景，MEMS谐振器阵列包括六个MEMS谐振器1，每个MEMS谐振器1包括一个振动单元11和一个耦合储能单元12，依次耦合连接使得MEMS谐振器阵列形成为六边形结构。

再例如，请参阅图7所示的场景，MEMS谐振器阵列包括十二个MEMS谐振器1，每个MEMS谐振器1包括一个振动单元11和一个耦合储能单元12，依次耦合连接使得MEMS谐振器阵列形成为十字形结构。

所述闭合结构可以使得任一个振动单元11均耦合连接有两个耦合储能单元12，同理，任一个耦合储能单元12均耦合连接有两个振动单元11，耦合面积较大，可以实现较高的耦合效率。并且，在该闭合结构的MEMS谐振器阵列中，各个MEMS谐振器1之间为并联连接，可以降低整体阻抗。

需要说明的是，图3至图7所示的场景中，未示出对应的电极，例如前述第一电极14和第二电极15，在实际场景中，各个振动单元11至少设置有驱动电极及感测电极，该驱动电极及感测电极的位置并不限于图1和图2所示。

应理解，本申请实施例提供的MEMS谐振器及MEMS谐振器阵列分别为对应的完整器件，也分别具备已知的器件具有的结构，在此仅对器件中涉及振动单元和电极的部件进行说明，对于其他部件不予以赘述。

以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的专利范围，对于本领域普通技术人员而言，凡是利用本说明书及附图内容所作的等效结构变换，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

尽管本文采用术语“第一、第二”等描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。另外，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

Claims

1.一种MEMS谐振器，其特征在于，包括：

振动单元，用于产生谐振；

耦合储能单元，与所述振动单元耦合连接且为高Q振动模式；

锚点，将所述耦合储能单元固定于衬底上；

2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述振动单元为环状结构。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述耦合储能单元采用柔性材料制得。

4.根据权利要求1或2所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述耦合储能单元为声子通孔结构。

5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，沿垂直于所述衬底的视线方向，所述耦合储能单元呈矩形或者圆形。

6.根据权利要求5所述的MEMS谐振器，其特征在于，

呈矩形的所述耦合储能单元的振动模式为lame模态；

呈圆形的所述耦合储能单元的振动模式为WG模态。

7.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述MEMS谐振器还包括第二电极，所述第二电极邻近设置于所述耦合储能单元，且与所述耦合储能单元之间具有间隙。

8.一种MEMS谐振器阵列，其特征在于，包括多个权利要求1至7任一项所述的MEMS谐振器，相邻所述振动单元之间设有一所述耦合储能单元。

9.根据权利要求8所述的MEMS谐振器阵列，其特征在于，多个所述MEMS谐振器形成闭合结构。

10.根据权利要求9所述的MEMS谐振器阵列，其特征在于，所述MEMS谐振器阵列包括12个所述MEMS谐振器，且呈十字形结构。