CN117254788A - 一种微机电系统谐振器 - Google Patents

一种微机电系统谐振器 Download PDF

Info

Publication number
CN117254788A
CN117254788A CN202311269727.5A CN202311269727A CN117254788A CN 117254788 A CN117254788 A CN 117254788A CN 202311269727 A CN202311269727 A CN 202311269727A CN 117254788 A CN117254788 A CN 117254788A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric film
film layer
crystal
axis
mems resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311269727.5A
Other languages
English (en)
Inventor
张巧珍
李绪成
赵士程
梁远勇
徐诗尧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Justiming Electronic Technology Shanghai Co ltd
Original Assignee
Justiming Electronic Technology Shanghai Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Justiming Electronic Technology Shanghai Co ltd filed Critical Justiming Electronic Technology Shanghai Co ltd
Priority to CN202311269727.5A priority Critical patent/CN117254788A/zh
Publication of CN117254788A publication Critical patent/CN117254788A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/19Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/13Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials

Abstract

本发明公开了一种微机电系统谐振器,包括:金属电极层、压电膜层和支撑衬底;压电膜层位于支撑衬底的表面,支撑衬底用于支撑压电膜层;压电膜层为石英晶体,压电膜层包括结晶X轴和结晶Y轴;压电膜层包括中心梁、第一侧梁、第二侧梁、第一连接部和第二连接部;中心梁沿结晶Y轴延伸;第一侧梁和第二侧梁位于中心梁的两侧,关于中心梁对称设置,且沿结晶Y轴延伸;第一连接部位于第一侧梁和中心梁之间,且连接第一侧梁和中心梁;第二连接部位于第二侧梁和中心梁之间,且连接第二连接部和中心梁;金属电极层与压电膜层连接。本发明实施例提供的技术方案提高了微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性,提升了机电耦合效果。

Description

一种微机电系统谐振器
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域,尤其涉及一种微机电系统谐振器。
背景技术
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System),也叫做微电子机械系统,是一种将微型机械元件、电子元件和传感器集成到单个芯片上的技术。它允许制造微小而精密的机械结构,如谐振器,从而实现高度稳定的性能。微机械系统的发展促使了微型谐振器的研究和创新。MEMS技术使得可以在微米尺度上制造复杂的机械结构和设备,为研发高性能谐振器提供了平台。
但是现有技术中的硅基微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性不高,且机电耦合效果不太好。
发明内容
本发明提供了一种微机电系统谐振器,以提高微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性,以提升机电耦合效果。
根据本发明的一方面,提供了一种微机电系统谐振器,包括:
金属电极层、压电膜层和支撑衬底;
所述压电膜层位于所述支撑衬底的表面,所述支撑衬底用于支撑所述压电膜层;
所述压电膜层为石英晶体,所述压电膜层包括结晶X轴和结晶Y轴,所述结晶X轴和所述结晶Y轴均与所述压电膜层的表面平行;所述压电膜层包括中心梁、第一侧梁、第二侧梁、第一连接部和第二连接部;所述中心梁沿所述结晶Y轴延伸;所述第一侧梁和所述第二侧梁位于所述中心梁的两侧,关于所述中心梁对称设置,且沿所述结晶Y轴延伸;所述第一连接部位于所述第一侧梁和所述中心梁之间,且连接所述第一侧梁和所述中心梁;所述第二连接部位于所述第二侧梁和所述中心梁之间,且连接所述第二连接部和所述中心梁;
所述金属电极层与所述压电膜层连接,用于引出所述压电膜层的电信号。
可选地,所述金属电极层位于所述压电膜层远离所述支撑衬底的表面。
可选地,所述金属电极层的厚度大于或等于0.2微米,且小于或等于1微米。
可选地,所述支撑衬底包括空腔,所述压电膜层位于所述空腔之上。
可选地,所述中心梁、所述第一侧梁、所述第二侧梁、所述第一连接部和所述第二连接部位于所述空腔之上。
可选地,所述支撑衬底的截面图形为“冂”型。
可选地,所述压电膜层的厚度大于或等于80微米,且小于或等于150微米。
可选地,所述金属电极层包括铝、铜以及金中的至少一种。
可选地,所述石英晶体包括AT切型石英、Z切型石英、SC切型石英、X切型石英以及Y切型石英中的至少一种。
可选地,所述中心梁的在结晶轴Y轴的长度大于或等于600微米,且小于或等于1300微米
本发明实施例提供的技术方案,压电膜层采用石英晶体,由于石英晶体是一种具有稳定、可预测振荡特性的晶体材料。因此采用石英晶体的微机电系统谐振器具有在固有频率上的稳定性和高品质因子(Q值)的特点,使其非常适合用于制造高精度的振荡器和时钟。与硅基谐振器相比,采用石英晶体的微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性高于硅基谐振器;采用石英晶体的微机电系统谐振器的机电耦合效果优于硅基谐振器。综上,本发明实施例的技术方提高了微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性并提升了机电耦合效果。且采用石英晶体的微机电系统谐振器具有小尺寸、低成本、低功耗的特点,使得采用石英晶体的微机电系统谐振器在新兴的移动、电信网络中得到了广泛的应用。具体的,该微机电系统谐振器由沿结晶Y轴延伸的一根中心梁和两根平行侧梁(第一侧梁和第二侧梁)组成,第一连接部位于第一侧梁和中心梁之间,且连接第一侧梁和中心梁;第二连接部位于第二侧梁和中心梁之间,且连接第二连接部和中心梁。在所使用的振动模式中,中心梁根据基模通过拉伸-压缩振动,第一侧梁和第二侧梁则根据基模通过拉伸-压缩振动,压电膜层在结晶X轴产生相应正负电荷,并通过金属电极层引出电信号。综上所述,本发明实施例提供的微机电系统谐振器,相对于传统技术,具有制造成本低、频率稳定性高和尺寸可控性好的优点。该微机电系统谐振器适用于无线通信、计算机系统、惯性导航等领域。
应当理解,本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征,也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例提供的一种微机电系统谐振器的结构示意图;
图2是图1在A1-A2方向的剖面图;
图3是图1的俯视图;
图4是图1的仰视图。
附图标记说明:
1、金属电极层,2、压电膜层,3、支撑衬底,4、空腔,2a、中心梁,2b、第一侧梁,2c、第二侧梁,2d、第一连接部,2e、第二连接部。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或器的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或器,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或器。
为了提高微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性并提升机电耦合效果,本发明实施例提供了如下技术方案:
如图1-图4所示,该微机电系统谐振器包括:金属电极层1、压电膜层2和支撑衬底3;压电膜层2位于支撑衬底3的表面,支撑衬底3用于支撑压电膜层2;压电膜层2为石英晶体,压电膜层2包括结晶X轴和结晶Y轴,结晶X轴和结晶Y轴均与压电膜层2的表面平行;压电膜层2包括中心梁2a、第一侧梁2b、第二侧梁2c、第一连接部2d和第二连接部2e;中心梁2a沿结晶Y轴延伸;第一侧梁2b和第二侧梁2c位于中心梁2a的两侧,关于中心梁2a对称设置,且沿结晶Y轴延伸;第一连接部2d位于第一侧梁2b和中心梁2a之间,且连接第一侧梁2b和中心梁2a;第二连接部2e位于第二侧梁2c和中心梁2a之间,且连接第二连接部2e和中心梁2a;金属电极层1与压电膜层2连接,用于引出压电膜层2的电信号。
石英晶体的主要化学成分是二氧化硅,是一种各向异性的压电材料,石英晶体包括结晶X轴和结晶Y轴,结晶Y轴又称之为机械轴,结晶X轴又称之为电轴。石英晶体属于压电材料,基于其压电材料的正压电效应,当外力作用于石英晶体的结晶Y轴后,将会在相应的结晶X轴方向上产生相应正负电荷。
本发明实施例提供的技术方案,压电膜层2采用石英晶体,由于石英晶体是一种具有稳定、可预测振荡特性的晶体材料。因此采用石英晶体的微机电系统谐振器具有在固有频率上的稳定性和高品质因子(Q值)的特点,使其非常适合用于制造高精度的振荡器和时钟。与硅基谐振器相比,采用石英晶体的微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性高于硅基谐振器;采用石英晶体的微机电系统谐振器的机电耦合效果优于硅基谐振器。综上,本发明实施例的技术方提高了微机电系统谐振器在温度变化时振动频率的稳定性并提升了机电耦合效果。且采用石英晶体的微机电系统谐振器具有小尺寸、低成本、低功耗的特点,使得采用石英晶体的微机电系统谐振器在新兴的移动、电信网络中得到了广泛的应用。
具体的,该微机电系统谐振器由沿结晶Y轴延伸的一根中心梁2a和两根平行侧梁(第一侧梁2b和第二侧梁2c)组成,第一连接部2d位于第一侧梁2b和中心梁2a之间,且连接第一侧梁2b和中心梁2a;第二连接部2e位于第二侧梁2c和中心梁2a之间,且连接第二连接部2e和中心梁2a。在所使用的振动模式中,中心梁2a根据基模通过拉伸-压缩振动,第一侧梁2b和第二侧梁2c则根据基模通过拉伸-压缩振动,压电膜层2在结晶X轴产生相应正负电荷,并通过金属电极层1引出电信号。
综上所述,本发明实施例提供的微机电系统谐振器,相对于传统技术,具有制造成本低、频率稳定性高和尺寸可控性好的优点。该微机电系统谐振器适用于无线通信、计算机系统、惯性导航等领域。
需要说明的是,压电膜层2位于结晶Y轴和结晶X轴确定的平面内,本发明实施例提供的微机电系统谐振器属于二维长度延伸模式(2D-LEM)的微机电系统谐振器。
可选地,在上述技术方案的基础上,金属电极层1位于压电膜层2远离支撑衬底3的表面,便于引出压电膜层2在结晶X轴产生的电信号。
可选地,在上述技术方案的基础上,金属电极层1的厚度大于或等于0.2微米,且小于或等于1微米,该厚度范围的金属电极层1具有良好的电信号引出能力。
可选地,在上述技术方案的基础上,支撑衬底3包括空腔4,压电膜层2位于空腔4之上。
具体的,空腔4可以降低压电膜层2振动产生的谐振信号的损耗,进而能够使本发明实施例提供的微机电系统谐振器在使用时更加稳定的工作。
可选地,在上述技术方案的基础上,中心梁2a、第一侧梁2b、第二侧梁2c、第一连接部2d和第二连接部2e位于空腔4之上。
具体的,空腔4可以降低中心梁2a根据基模通过拉伸-压缩振动,第一侧梁2b和第二侧梁2c则根据基模通过拉伸-压缩振动产生的谐振信号的损耗,进而能够使本发明实施例提供的微机电系统谐振器在使用时更加稳定的工作。
可选地,在上述技术方案的基础上,如图2所示,支撑衬底3的截面图形为“冂”型。
具体的,支撑衬底3的截面图形为“冂”型,便于形成上述空腔4。
可选地,在上述技术方案的基础上,压电膜层2的厚度大于或等于80微米,且小于或等于150微米,该厚度范围再加上中心梁2a、第一侧梁2b、第二侧梁2c、第一连接部2d和第二连接部2e的形状,使得中心梁2a根据基模通过拉伸-压缩振动,第一侧梁2b和第二侧梁2c则根据基模通过拉伸-压缩振动产生预设频率的谐振信号。
可选地,在上述技术方案的基础上,金属电极层1包括铝、铜以及金中的至少一种。
具体的,铝、铜以及金中的至少一种具有良好的导电性能,便于引出压电膜层2在结晶X轴产生的电信号。
可选地,在上述技术方案的基础上,石英晶体包括AT切型石英、Z切型石英、SC切型石英、X切型石英以及Y切型石英中的至少一种。
谐振器的用途不同,选取的石英晶体的切割角度不同。石英晶体包括AT切型石英、Z切型石英、SC切型石英、X切型石英以及Y切型石英中的至少一种,可以拓宽微机电系统谐振器的应用领域。
可选地,在上述技术方案的基础上,中心梁2a的在结晶轴Y轴的长度大于或等于600微米,且小于或等于1300微米,使得中心梁2a根据基模通过拉伸-压缩振动时,使得微机电系统谐振器产生预设频率的谐振信号。
应该理解,可以使用上面所示的各种形式的流程,重新排序、增加或删除步骤。例如,本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行,只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果,本文在此不进行限制。
上述具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是,根据设计要求和其他因素,可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微机电系统谐振器,其特征在于,包括:
金属电极层、压电膜层和支撑衬底;
所述压电膜层位于所述支撑衬底的表面,所述支撑衬底用于支撑所述压电膜层;
所述压电膜层为石英晶体,所述压电膜层包括结晶X轴和结晶Y轴,所述结晶X轴和所述结晶Y轴均与所述压电膜层的表面平行;所述压电膜层包括中心梁、第一侧梁、第二侧梁、第一连接部和第二连接部;所述中心梁沿所述结晶Y轴延伸;所述第一侧梁和所述第二侧梁位于所述中心梁的两侧,关于所述中心梁对称设置,且沿所述结晶Y轴延伸;所述第一连接部位于所述第一侧梁和所述中心梁之间,且连接所述第一侧梁和所述中心梁;所述第二连接部位于所述第二侧梁和所述中心梁之间,且连接所述第二连接部和所述中心梁;
所述金属电极层与所述压电膜层连接,用于引出所述压电膜层的电信号。
2.根据权利要求1所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述金属电极层位于所述压电膜层远离所述支撑衬底的表面。
3.根据权利要求1或2所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述金属电极层的厚度大于或等于0.2微米,且小于或等于1微米。
4.根据权利要求1所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述支撑衬底包括空腔,所述压电膜层位于所述空腔之上。
5.根据权利要求4所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述中心梁、所述第一侧梁、所述第二侧梁、所述第一连接部和所述第二连接部位于所述空腔之上。
6.根据权利要求4或5所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述支撑衬底的截面图形为“冂”型。
7.根据权利要求1所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述压电膜层的厚度大于或等于80微米,且小于或等于150微米。
8.根据权利要求1所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述金属电极层包括铝、铜以及金中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述石英晶体包括AT切型石英、Z切型石英、SC切型石英、X切型石英以及Y切型石英中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的微机电系统谐振器,其特征在于,所述中心梁的在结晶轴Y轴的长度大于或等于600微米,且小于或等于1300微米。
CN202311269727.5A 2023-09-27 2023-09-27 一种微机电系统谐振器 Pending CN117254788A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311269727.5A CN117254788A (zh) 2023-09-27 2023-09-27 一种微机电系统谐振器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311269727.5A CN117254788A (zh) 2023-09-27 2023-09-27 一种微机电系统谐振器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117254788A true CN117254788A (zh) 2023-12-19

Family

ID=89131027

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311269727.5A Pending CN117254788A (zh) 2023-09-27 2023-09-27 一种微机电系统谐振器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117254788A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5260596A (en) Monolithic circuit with integrated bulk structure resonator
JP4429918B2 (ja) Mems圧電共振器
JP4087790B2 (ja) 極超短波mem共振器のための中心質量の減少したマイクロブリッジ構造
EP2603976B1 (en) Micromechanical resonator and method for manufacturing thereof
CN1612472B (zh) 压电振动片、压电器件、便携电话和电子设备的制造方法
KR100802865B1 (ko) 압전 진동편 및 압전 장치
US6940370B2 (en) MEMS resonator and method of making same
US7612484B2 (en) High-deformation composite microresonator
CN102246003B (zh) 振动陀螺仪元件及其制造方法
JP6145288B2 (ja) 圧電振動片、圧電振動子、発振器、電子機器、及び電波時計
JP2002535865A (ja) 動作周波数を有するマイクロメカニカル共振器を含むデバイス及び動作周波数を拡張する方法
JP2004200917A (ja) 圧電振動片と圧電振動片を利用した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器
JP2006203304A (ja) 圧電薄膜共振器及びそれを用いた発振器並びにそれを内蔵した半導体集積回路
JPWO2007088696A1 (ja) 圧電振動装置
JP2011155628A (ja) 振動片、振動子、発振器、電子機器、および周波数調整方法
Tanaka An overview of quartz MEMS devices
US20140292155A1 (en) Electro-acoustic transducer with periodic ferroelectric polarization produced on a micromachined vertical structure
JP2021503229A (ja) 圧電共振器および圧電共振器の製造方法
US9413333B2 (en) Nanomechanical resonator array and production method thereof
Chen et al. A Fully Differential CMOS–MEMS DETF Oxide Resonator With $ Q>\hbox {4800} $ and Positive TCF
TWI519066B (zh) 微機電共振器及其訊號處理方法以及製造方法
CN117254788A (zh) 一种微机电系统谐振器
JP5064155B2 (ja) 発振器
JPS6281807A (ja) 圧電薄膜共振子
JP3975927B2 (ja) 圧電振動片と圧電振動片を利用した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination