CN1345480A - 包含具有工作频率的微机械谐振器的装置及扩展该频率的方法 - Google Patents

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M·麦科克代尔
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Abstract

用多晶硅表面微加工工艺制造一种弯曲振动的微机构谐振器,该谐振器采用非侵入的支持构件在30～90MHz的VHF频率取得高达8400的Q值。本发明还公开一种增加谐振器以及其它类似微机构谐振器操作频率的方法。方法的一个实施例称作差动信号法。方法的另一实施例称作微凹部下降法。支承构件包括形为梁的一个或多个扭转式支承簧(16),这种梁由于四分之一波长阻力变换而可有效地使谐振器梁与其锚定件18隔振,可尽可能减小锚定损耗,并可使谐振器达到高的Q值,而且在VHF频率范围内具有高度刚性。谐振器还包括一个或多个形成在弯曲谐振梁(12)或底衬上的形为微凹部的间隔器(26)。在操作时,微凹部(26)确定谐振器的电容换能器间隙。当在驱动电极(20)和谐振梁(12)之间加上大的直流偏压时,该微凹部(26)在弯曲谐振器梁(12)和驱动电极(20)之间形成预定的最小距离。

Description

包含具有工作频率的微机械谐振器的 装置及扩展该频率的方法
技术领域
本发明涉及包含微机械谐振器的装置，具体涉及包含具有操作频率的微机械谐振器的装置以及扩展该操作频率的方法。
背景技术
贮能电路的机械振动元件例如晶体谐振器和SAW谐振器由于具有高的品质因素Q和极好的温度稳定性已广泛地应用于无线通信子系统中的频率选择和频率基准。然而这些装置体积大、一般要求精密的机加工，因而价格昂贵。最重要的是，这些机械元件由于是印刷电路片外边的元件，所以必须以插件模式连接于集成电子块，这样便造成外差式收发信机小型化和工作性能提高的严重瓶颈问题。
近来年，已利用与集成电路相容的多晶硅表面微机械工艺提出其性能类似于宏结构谐振器的微机械谐振器(在英语中可简写为μresonator)，这种多晶硅微谐振器在真空中其Q值超过80000，其中心频率温度系数在-10ppm/℃范围(比消零法小好几倍)内，这种多晶硅微谐振器可以很好地用作小型化替用品，取代各种高Q值振荡器和滤波应用中的晶体。到今天为止已例示说明频率从几千赫到几十万千替的具有高Q值的折叠梁微谐振器(folded-beamuresonator)。然而对于通信应用需要更高频率的谐振器，例如在甚高频范围的中频(IF)滤波器。
振动梁微机械谐振器可用多晶硅到电镀的镍等各种材料制作，近年来已成为在各种选择频率的通信行业中很有潜力的候选品。特别是，如果能得到需要的VHF(甚高频)和UHV(超高频)，则低损耗的IF(中频)和RF(射频)过滤器和高Q值振荡器二者一定会受益于这种装置的微小尺寸、实际的零DC功率损耗和整体性。
到现在为止，由于可以很简便地使这些装置具有很小的质量和很大的刚性，所以已深入地研究了用于VHF范围的固定-固定梁微机械谐振器。能够获得高的Q值和很大刚性对于通信级谐振器是极端重要的。因为刚性可以直接影响包含这种谐振器的电路的动态范围。然而，在固定-固定梁设计的情况下，较大的刚性通常以增大锚定损耗为代价，因而降低了谐振器Q值。
MacDonald等的美国专利No.5 640 133公开一种基于电容的可调谐微机械谐振器。该谐振器包括固定许多电极的活动梁。该谐振器还包括许多固定电极。在操作时，通过调节加在梁电极和固定电极的偏压便可调节谐振器的谐振频率。
Burns等的美国专利No.5 550 516公开一种积成的谐振微梁传感器和晶体管振荡器。该传感器和谐振器具有高的Q值，可利用各种电路、电极移动和微梁几何结构的各种形状来改变操作的谐振频率。
Albrecht等的美国专利No.5 399 232公开一种具有一体棱锥尖的微组构悬臂针，该棱锥针整体形成于悬臂上，限制该臂在锥尖方向的运动。
Griffin等的美国专利No.5 399 232公开一种Q值增大的谐振器，该谐振器利用谐振器的定位位置来提供要求的性能。为达到要求的损耗特性，这些谐振器分开一个四分之一波长距离。
Farace等的美国专利公开一种用硅晶片蚀刻的微机械电子振荡器。该专利讨论了使振荡器能按要求特性操作的结构和电路。
以下美国专利一般也和本发明相关，其专利号为：4 081 769；4596 969；4 660 004；4 862 122；5 065 119；5 191 304；5 446 729；5 428 325；5 025 346；5 090 254；5 455 547；5 491 604；5 537083以及5 589 082。
发明公开
本发明的目的是提供一种包含微机械谐振器的装置，该谐振器具有高的品质因数Q，形成在底衬上，其中该装置具有目前商品收发信机的频率范围，本发明的目的是再提供一种增大谐振器操作频率的方法。
本发明的另一目的是提供一种包含微机构谐振器的装置，该谐振器具有高的品质因数Q，形成在底衬上，其中该装置保持先有谐振器基本的弯曲振动梁的设计，但关键地改变了其支承件，因而在本设计中实际上除掉了锚定件及其相关的损耗；已采用这种方法提供了一种自由-自由梁的微机构谐振器，该谐振器其中心频率从30MHz到90MHz以上，具有很大刚性，其Q值高达8400。
本发明的再一目的是提供一种包含微机构谐振器的装置，该谐振器具有高的品质因数Q，形成在底衬上，其中，a)该装置适合于用硅基平板积成电路工艺制造；b)该装置与SAW谐振器和石英谐振器相比其尺寸减小若干数量级；c)该装置在VHF范围内达到很高的Q值；d)该装置具有高输出设计(yield-enhancing design)；e)该装置具有很高的温度稳定性。此装置在无线收发机(例如蜂窝电线、无绳电话、GPS等)以及应用谐振器的传感器系统方面具有很大的应用潜力。
为实现本发明的上述目的以及其它目的，提供了一种包含微机械谐振器的装置，该谐振器具有操作频率，其谐振器梁形成在一个底衬上。该装置包括锚定在底衬上的非侵入性支承构件，以便将谐振器梁支承该底衬的上面。该支承构件包括至少一个其尺寸相当于谐振器操作波长实际四分之一波长的扭转梁。该至少一个扭转梁固定在该谐振器梁的至少一个弯曲节点上，使得该谐振器梁在横向运动上基本上不受到任何阻力作用。该谐振器是高Q值谐振器。
在本发明的实施例中，在底衬上形成至少一个驱动电极，以便静电激发谐振器梁。在谐振器梁和该至少一个驱动电极之间形成至少一个电容换能器间隙。
具有高度的至少一个间隔器在谐振器梁和底衬之间延伸，并定位于至少一个弯曲节点上。该间隙的尺寸取决于谐振梁降低期间该至少一个间隔器的高度。
该谐振器最好是硅基谐振器，但也可以是镍基或钻石基谐振器。
另外，为达到本发明的上述目的和其它目的，提供一种高Q值的弯曲式微机械谐振器装置。该装置包括底衬和具有至少一个弯曲节点的谐振器梁。该装置还包括至少一个扭转梁和至少一个刚性锚定件，前者用于在该至少一个弯曲节点支承谐振器梁，而后者用于将该至少一个扭转梁锚定于底衬。该装置还包括至少一个驱动电极，使得在将电信号加到该至少一个驱动电极时使谐振器梁振动。该至少一个扭转梁的尺寸被定为可以实现一种阻抗变换，这种变换基本可使振荡的谐振器梁与该至少一个刚性锚定器隔振。
为实现本发明的上述目的和其它目的，还提供一种增加微机械谐振器操作频率的方法。该微机械谐振器包括具有在一底衬上形成的基本谐振模式的谐振器梁。该方法包括以下步骤：迫使谐振器梁的不同部分同时向相反方法运动，从而使谐振器梁以m次谐振模式进行振动，该m次谐振模式(的频率)高于基本谐振模式(的频率)。该谐振器梁具m+1个弯曲偏转节点。
在本方法的第一实施例中，微机械谐振器包括许多沿谐振梁间隔开的驱动电极，使得可以静电激发该谐振器梁。迫使该梁振动的步骤包括以下步骤：将同相位的信号加到一个驱动电极上，使谐振器梁的第一部分向第一方向偏转，而将不同相位的信号加在另一驱动电极上，使谐振梁的第二部分向相反于第一方向的第二方向偏转，迫使谐振器梁达到正确的振动形式。
微机械谐振器可以包括m+1个扭转梁、该梁的尺寸等于实际操作频率的四分之一波长。在各个谐振器梁的节点上固定一个扭转梁，使谐振器梁在横向运动或扭转运动上基本上不承受任何阻力。
在方法的第二实施例中，该微机械谐振器包括形成在底衬上的驱动电极，以便静电激发谐振器梁。迫使该梁振动的步骤包括将信号加在驱动电极上的步骤。该谐振器梁和驱动电极之间形电容换能器间隙。该微机械谐振器还包括具有高度的m+1个间隔器，该间隔器位于m+l节点上，在谐振器梁和底衬之间延伸。该m+1个间隔器在将信号加到驱动电极期间迫使谐振器梁达到正确的振动模型。
在第二实施例中，微机械谐振器通常包括也形成在底衬上的用于检测输出电流的检测电极。
在方法的第二实施例中，微机械谐振器还包括数目小m+1的扭转梁。例如，微机械谐振器可以包括一根扭转梁。
下面结合附图详细说明实施本发明的最佳模式，从这些说明中可以明显看到本发明的上述目的以及其它的目的、特征和优点。
附图简要说明
图1是本发明的具有非侵入支承构件的自由-自由梁谐振器的示意透视图，示出通常的偏压电路、激发电极以及在积成片外边的输出检测电路；
图2a是谐振器作成后沿图1的2-2线截取的截面图；
图2b是类似于图2a的截面图，但示出加上适当DC偏压值Vp之后的状态；
图3是侧视图，示出处于静态的具有一对节点的自由-自由梁，并用虚线表示以其基谐振动模式进行的振动；
图4a是示意透视图，示出侧向锚定的四分之一波长的谐振器梁；
图4b是等效于图4所示梁的声网络(acoustic network)示意图，示出出口B接地时在出口A为零阻抗；
图5a是谐振器扭转梁在制造期间沿图1的5-5线截取的截面图；
图5b类似于图5a，还是在制造过程中的截面图；
图6是曲线图，示出本发明92.25MHz自由-自由梁谐振器的测量波谱。
图7a是类似于图3的附图，其中梁具有三个节点，并用虚线示出以其二次谐振模式进行的振动；
图7b是类似于图3和7a的附图，图中梁具有四个节点，并用虚线示出其三次谐振模式的振动；
图8是谐振器的截面图，示出用于激发谐振器的二次谐振模式的差动信号法(differential Signaling method)；
图9是二次谐振模式谐振器的顶部透视图，该谐振器具有定位在各个节点的支承梁和一对电极；
图10是截面图，示出谐振器和用于检测谐振器梁二次谐振模式振动的检测电路。
图11是横截面图，示出谐振器以及检测电路，该电路利用微凹部下降法检测二次谐振模式的振动。
实施本发明的最佳模式
下面参照附图，图1是示意透视图，示出具有自由-自由梁和弯曲振动形式的微机械装置或谐振器，总的用10表示。然而应当明白，在大多数实际应用中不应用1X缓冲器。
如图1所示，装置10包括自由-自由微机械弯曲梁，该梁总的用12表示，在其弯曲节点14由四个扭转梁16支承，各个扭转梁由刚性接触锚定件18锚定在总的用19表示的底衬上，如图5a～5b清楚示出的。底衬19最好包括如下所述的许多层。然而应当明白，可以用具有单一刚性锚定件的单一扭转梁而不超出本发明。在这种情况下，该单一扭转梁将在单一弯曲节点处支承弯曲梁。
驱动电极配置在自由-自由梁12的下面，以便通过加上的交流电压Vi进行静电激发，并可以从加直流偏压(通过Vp)的谐振器构件22上直接检测输出电流。该装置10的扭转支承梁16具有关键性的四分之一波长长度，从而可实现使自由-自由梁12与刚性锚定器18隔开的阻力变换。自由-自由梁12受其支承件或梁16的阻力最好为零，因此可以进行有效地操作，好像是悬浮的而没有任何支承。结果，显著地抑制了在先前固定-固定梁谐振器中见到的锚定损耗机制，从而显著增加装置的Q值。然而应当明白，可以应用多个驱动电极来进行推换激发。在这种情况下，还可应用检测电极、频率调谐电极和检测输出的电极。
为额外增加输出和Q值，和先有的固定-固定梁高频装置中的作法(这种作法很困难)不一样，在此装置中的换能电容器间隔的间距完全不由薄的保护氧化层决定。相反，电容器间隙24现在由通过定时蚀刻形成的间隔器或微凹部26来决定。如图24所示，微凹部26的高度是使得当充分大的DC偏压Vp加在装置电极20和谐振器梁之间时，该整个构件便下降，靠在微凹部26上，该微凹部位于弯曲节点14上，因此基本上不影响谐振器的操作。间隔器26可以形成在谐振器梁12，或形成在底衬19上。
应用微凹部确定电容器间隙间距24的优点有两点：(1)可以应用厚得多的保护氧化层间隔器，以减轻先有问题，因为在超薄保护层中有针孔而且不均匀；(2)较厚的保护氧化层比先有的较薄氧化层更容易除去，因此减小了要求的HF酸释放蚀刻时间(如图5b所示)以及减轻了在间隙24中保存蚀刻付产品的机会(其时它们可能影响振器操作和Q值)。然而应当明白，可以应用单一的间隔器或微凹部以及大于两个的间隔器。如下面更详细说明的，一般对在高次谐振模式操作的装置应使用多个间隔器或微凹部。
自由-自由微谐振器设计
本发明的自由-自由微机械谐振器10的正确设计不仅必然选择产生预定频率的几何结构，而且还需选择这样的几何结构，使得该几何结构能确保支承件隔振，确保微凹部下降和受牵引的稳定性，以及抑制与更复杂支承网路相关的寄生振动模式。下面说明这些方面的各个方面。
谐振器梁设计
对于大多数实际设计，谐振器梁宽度Wr取决于换能器和长宽比的设计数据，而其厚度主要由工艺条件决定。因此出于缺乏，长度Lr几乎成为确定总谐振频率的主要变量。对于很大的Lr/Wr比和Lr/h比，自由-自由梁的基谐振动频率满足流行的Euler-Bernoulli方程，即 f 0 = 1 2 &pi; &alpha; k ri m ri = 1 2 &pi; &alpha; k mi m ri ( 1 - &lang; k e k m &rang; ) 1 / 2 - - - ( 1 ) 式中kri和mri分别是在微谐振器梁12中点的有效刚度和质量；α是考虑到梁构形和锚定件18有限弹性的拟合参数，kmi是仍在梁12中点的微谐振器的机械刚度，但是在Vp＝0V特殊情况的机械刚性，此刚度由下式表示： k mi = &lsqb; 1.03 E &rho; h L r 2 &rsqb; 2 m ri ; - - - - ( 2 ) 而<ke/kn>是一个参数，表示在电极宽度上积分的总的机械刚度和逆电容(electric stiffness)之比，该比满足以下关系： &lang; k e k m &rang; = &Integral; 1 2 ( L 1 + w c ) 1 2 ( L 1 + W c ) v p 2 &Element; 0 W r d 3 k m ( y 1 ) d y 1 - - - - ( 3 ) 式中ε0是真空电容率，d是微凹部下降后的电极-谐振器间隙间距。所有其它几何变量示检图1，因此现在已明确地示出机械刚性km的位置依从关系。方程(1)是方便的精确形式的关系式，对于低频设计可以很好地工作、其中梁的长度远大于其相应的宽度和厚度。对于梁长度开始接近其宽度和厚度的高端VHF设计，Euler-Bernculli方程不再是准确的，因为它忽视了剪切位移和转动惯量。为得到高端VHF微机械谐振器的准确的梁长度，由Timoshenko提出的方法更为合适，它涉及方程组的联立解： d dy ( El , d&psi; dy ) + &kappa;AG ( dz dy &Psi; ) - J r d 2 &Psi; dt 2 = 0 - - - - ( 4 ) m d 2 z dt 2 - d dy &lsqb; &kappa;AG ( dz dy &Psi; ) &rsqb; - p ( y , t ) = 0 - - - ( 5 ) 其中： I r = W r h 3 12 , G = E 2 ( 1 + v ) , and J r = h W r ( h 2 + W r 2 ) 12 , - - - - ( 6 ) 而Ir是惯量矩，E是结构材料的杨氏模量，v是泊松比，k是结构因数(对于长方形横截面k为2/3)，A、m和p(y，t)分别是梁的横截面积、单位长度质量和单位长度负载，φ是弯曲斜率，图1示出轴的方向。
支承构件设计
如上所示，本自由-自由微机械谐振器装置10由四个扭转梁16支承，该扭转梁固定于图3所示的基谐振动模式的节点14上，该节点通过振动模式方程的计算确定：Zmode(y)＝coshβy+cosβy-ζ[sinhβy+sinβy]，    (7)其中： &xi; = cosh &beta; L r - cos &beta; L r sinh &beta; L r - sin &beta; L r and &beta; 4 = &rho;A E I r &omega; 0 2 , - - - - ( 8 ) 而ω0是弧度谐振频率，p是结构材料的密度，对于基谐振动模式，βLr为4.73。
因为梁固定在节点14上，所以支承弹簧或梁(在理论上)在谐振器振动期间没有受到任何平移移动，因此可以显著降低由平移移动引起的支承损耗例如由固定-固定梁谐振器承受的损耗。另外，已判明，工作有关VHF频率的支承扭转梁16其作用实际上像声传输线一样，因此可以键性地选择支承件尺寸，使它们实际上对自由-自由梁12不形成任何阻力，这样也可以忽略不计扭转损耗机制。具体是，选择扭转支承梁16的尺寸，使它们等于谐振器操作频率的有效四分之一波长，这样便可使支承梁16一侧的牢固锚定条件变换到连接于谐振器梁12的另一侧支承梁16的自由端条件。结果，谐振梁12看起来完全不受支承，好像悬浮在底衬19上操作，没有锚定件和其有关的损耗机制。
采用扭转梁16的等效声学π网络模型或许可以更容易看出上述变换。具体是，当给定支承梁16的尺寸等于谐振操作频率的有效四分之一波长时，其等效的声学π网络便取图4b所示的形式，其中串联和并联臂的阻抗由相等而相反的刚度kb和-kb形成。假如在图4a的B侧锚定梁16对应于图4b的B口短路，则可以明显看出，由于图4b电路中保留的kb和-kb相消、在A口看到的阻抗将为零。
通过适当的声学网络分析，可以发现扭转梁的尺寸在满足下式时等于操作频率的四分之一波长： L s = 1 4 f 0 G&gamma; &rho; J s , - - - ( 9 ) 其中下标表示支承梁，而 J s = h W s ( h 2 + W s 2 12 ) , r是扭转常数。
换能器设计
向微机械谐振器10输入电极或驱动电极20内看见到的串联动态电阻Rz(连同其它阻抗元件一道)的值在滤波器应用和谐振器应用两种应用中是最重要的。如同先有电容换能固定-固定梁微机械谐振器一样，直接影响电极-谐振器叠加电容的参数例如We、Wr和d在直流偏压Vp加到谐振器10时直接影响向输入电极20内看见到的阻抗。通过适当阻抗分析，可得到控制这种电容转能的自由-自由梁微机械谐振器的Rz的表达式： R z = V j I z &lsqb; &Integral; L 1 L 2 &Integral; L 1 L 2 &omega; 0 Q V p 2 ( &Element; 0 W r ) 2 Z mode ( y ) d 4 k m ( y 1 ) Z mode ( y 1 ) dy 1 dy &rsqb; - 1 , - - - - ( 10 ) 其中，对于定中电极20 L1＝0.5(Lr-We)和L2＝0.5(Lr+We)。
如上所述，在正常操作时，自由-自由梁谐振器10由于直流偏压Vp加在谐振器10而被向下牵引到其支承微凹部26上。仅当微凹部26是“向下”时，电极-谐振器间隙间距d才能小到足以提供适合大多数应用的电机械结合。因此在设计装置的输入电极20时，不仅需要仔细考虑向电极20内看见到的输入阻抗，而且还需考虑将微凹部下降所需的Vp。该Vp电压应当大到足以将谐振器梁12向下牵引到其微凹部26上，并小到足以避免在微凹部下降后向下牵引自由-自由梁12到电极20上。该DC偏压Vp必须满足以下关系：
Vc＞Vp＞Vd，    (11)式中Vd是微凹部下降电压，Vc是向下牵引谐振器电压。
当将谐振器10向下牵引到其微凹部26上时，因为支承梁16通常比自由-自由谐振器梁12柔顺得多，所以谐振器梁12本身只发生极小的弯曲。这样，阻止向下牵引的恢复力在整个电极20上是均匀的。微凹部下降电压的表达式为： V d = 8 27 k s d ini 3 &Element; 0 W r W e , where k s = EW s ( h L s ) 3 - - - - ( 12 ) 式中ks支承梁16的刚度、dm是梁12下降到其微凹部26(即图2b)之前的初始间隙(即图2a)。
一当微凹部26下降，通过谐振器梁12本身的弯曲便可得到谐振器梁12向电极20的进一步运动。电极20现在承受阻止向下牵引的分布刚度，必须在电极区域上积分该刚度，以便准确预测突变的向下牵引谐振器的电压。确定Vc的方法相当于使方程(3)等于1，并对变量Vp求解。
该装置的制造
已采用上述方法设计若干自由-自由梁谐振器、该谐振器的频率在30～90MHz，具有可变的初始间隙和微凹部深度。然后根据示于图5a和5b的工艺流程采用五次掩模多晶硅表面微加工工艺进行制造。表1根据图1所示的参数和轮廓尺寸概要列出70MHz谐振器的设计数据。
制作顺序是先形成隔振层30和32，方法是在<100>轻掺杂P型起始硅晶片34上分别连续生长和沉积2μm的热氧化层和2000厚的LPCVD(低压化学气相沉积)Si3N4。随后，在585℃下沉积3000的LPCVD多晶硅，并通过注入法掺磷，然后形成接地平面22和互连件的花样。接着，沉积LPCVD牺牲氧化层38、沉积到由方程(12)确定的厚度。此后，应用连续掩模操作形成微凹部和锚定件开口40(见图5a)。为保证准确的深度，用CF4准确地控制反应离子的腐蚀。另一方面，在缓冲的氢氟酸溶液(BHF)中简单地蚀刻锚定件18。
表1Euler和Timoshenko的设计比较
    参数   Euler梁 Timoshenko梁   单位
    设计频率，fo     70     70     MHz
  测量频率，  fo     66.62     70.94     MHz
  谐振梁长度，Lr     15.4     14.9     μm
  谐振梁宽度，Wr     6     6     μm
  支承梁长度，Ls     13.4     13.3     μm
  支承梁宽度，Ws     1     1     μm
  谐振器刚度，kri     55,638     53,901     N/m
  谐振器质量，mri   2.88×10-13   2.79×10-13     kg
    初始间隙，dini     1,500     1,500     
    微凹部高度，d     1,000     1,000     
    微凹部下降电压，Vd     98     98     V
    突变牵引电压，Vc     255.9     268.9     V
    杨氏模量，E     150     150     GPa
    泊松比，ν     0.29     0.29     --
随后用LPCVD在585℃下沉积结构多晶硅，并用离子注入法引入掺杂剂磷。然后用LPCVD在900℃下沉积2000厚的氧化物掩膜，并在1000℃温度下使晶片退火1h，以释放应力和分散掺杂剂。然后分别用SF6/O2基和Cl2基的RIE蚀刻法形成氧化物掩膜花样和结构层花样，接着在48.8％(重量)的HF溶液中进行5min蚀刻使构件12和16脱开。这种脱开蚀刻时间显著小于先有固定-固定梁谐振器需要的时间(～1h)，这种长的蚀刻时间不利于微凹部活动的间隙间隔的形成，所以要求的牺牲氧化物层厚度在几百埃的数量级。
在结构脱开之后，蒸发铝，通过发射在多晶硅互联件形成花样，以减小串联电阻。
实验数据
实验数据明显暗示，对于VHF频率的具有高刚性的固定-固定梁谐振器其锚定损耗是主要的损耗机制，而应用具有非侵入性支承件16的自由-自由梁谐振器10则可以大大减小这种损耗机制。
实验数据还表明，固定-固定梁谐振器的Q值随频率从50～70MHz的增加而降低，而自由-自由梁谐振器其Q值在此范围内颇为恒定。
第一结论
联合应用固定于节点14的四分之一波长扭转梁16和电动的确定微凹部的电极-谐振器间隙24便可使本文公开的自由-自由梁微机械谐振器设计巧妙地除去锚定损耗和现时妨害固定-固定梁谐振器的工艺问题，进行这种联合可以将高Q值的微电-机系统的应用范围扩大到VHF中间的区域，舍去足够的Q值可扩大到更高频率。在很多蜂窝通信和无绳通信子系统中用的最流行中频(IF)的频率范围内，这种微机构谐振设计所达到的Q值超过8000，同时可以保持必需的高刚性，以维持在振荡器和滤波应用两种应用中合适的动态范围。
本文所说的VHF频率决不代表微机械谐振器工艺的最高范围。特别是，如果在整个设计的频率范围内本设计的观测的Q值似乎维持其高值，则Q值随频率的增加基本上或完全不下降。
下面说明增加上述自由-自由梁微机械谐振器设计的频率的方法。具体是，为实现频率的增加可以应用两种方法来激发更高次的谐振运动。这些方法不限于自由-自由梁设计。事实上，它们可应用于其它各种谐振器设计。
如上所述，自由-自由梁微机构谐振器可以工作在如图3所示的基谐振动模式。
对于工作在基谐振动模式的自由-自由梁谐振器增加频率是很难的，因为这需要显著减小几何尺寸。然而通过激发谐振器梁的如图7a和7b所示的更高次的谐振模式可以显著增加频率而不减小几何尺寸。
在图7a和7b中分别示出激发二次和三次谐振模式的原理图。可以清楚看出，对各种m次谐振模式有m+1个弯曲偏转节点。表2示出对于固定几何几寸的一种谐振模式和高一次谐振模式的频率增加系数。表中还示出100MHz基谐振动装置的频率增加。
表2作为谐振阶次函数的频率增加
  Mode   Nodal Points     fn/f1   f1(MHz)
    1     2     1.000     100
    2     3     4.730     473
    3     4     7.853     785
    4     5     10.996     1100
    5     6     14.137     1414
激发这种高次谐振的一种方法是应用差动信号法。如图8所示，将同相信号加在引起梁向一个方向偏转的电极50上，同时按照确定的振动模式将不同相的信号加在使梁向相反方向偏转的电极51上。虽然图8仅示出二次谐振激发的方法，但此法很容易推广到高于基谐振动的振动模式。
为确保激发正确的振动模式，如图9所示，在各个节点上配置至少一个四分之一波长支承梁54。该四分之一波长支承梁54被设计成对其弯曲梁56提供零扭转振动阻力。然而支承梁54具有显著的弯曲振动阻力。因此梁56不能偏转形成任何其它振动模式。图9是顶视示意图，示出具有这种结构的总的用编号58表示的二谐振装置。
差动信号法的一个缺点是难于检测偶次谐振的振动、其原理示于图10。因为两个电极均用于驱使梁56形成正确的振动形式，所以最方便的是从梁56的一侧检测信号，如图10所示，其中电容C耦合梁56一侧的信号，而电感L隔振偏压Vp。然而对于偶次谐振形式设有信号射出梁56。这是由于这些谐振的振动形式的特性所致，这种振动形由于antimetric形状而可以有效地消去梁56上的任何信号。但这一点对于具有对称振动形式的奇数次谐振是不成立的。因此差动信号技术很适于这些振动。
可应用另一种方法来克服上述问题。具体是，对于给定振动形式在梁的各个节点上形成小的微凹部或间隔器60。当加上偏压Vp时，梁62将压靠在这些微凹部上，该微凹部形成“软节点”，迫使梁62形成正确的振动形式。其原理基本上与在去它上弹固有泛音相同。这种方法称为“微凹部下降法”，该法用图11的装置64例示出来。
对于各种谐振形式可以容易地进行振动的检测，因为不再需要两个电极66和68来形成正确的振动形式。此时微凹部60可驱使梁62形成要求的振动形式，不需施加信号来形成振动形式。如图11所示，可用一个电极68来驱动装置64，而用另一电极66进行检测。
微凹下降法(dimple-down)还允许应用更少的四分之一波长支承梁(未示出)，因为振动形式只由微凹部60单独强制形成。事实上对装置64可以应用少至一个的支承梁。
由于有限的制造公差，四分之一波长梁可能呈现有限的能量损失，这减小了谐振器品质因数。因此尽量减小这种损耗机制是最重要的。应用上述微凹部下降法和单一支承梁(与多支承梁相对)可以尽量减这种耗损机制，因此提供了比上述差动信号法更好的操作性能。
第二结论
已提供两种技术或方法来增加频率，方法是使自由-自由梁微机械谐振器以及其它谐振器工作在更高次的谐振形式。差动信号法最适合于奇数次谐振，而微凹部下降法可适用于任何振动形式。但是根据操作性能，微凹部下降法是最好的、因为这种方法只需要较少的四分之一波长梁、因而可尽量减小能耗。
虽然已例示和说明本发明实施例，但这不意味着这些实施例示出和说明了本发明的所有形式。相反，用在本说明中的词是描述性的词，并无限制性，应当明白，可以进行各种改变而不超出本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种包含微机械谐振器的装置，该谐振器具有操作频率和在底衬上形成的谐振器梁，改进包括：
非侵入式支承构件锚定在底衬上，以便将谐振器梁支承在底衬的上面，该支承构件包括至少一个扭转梁，该梁的尺寸等于谐振器操作频率的有效四分之一波长，其特征在于，在谐振器梁的至少一个弯曲节点上固定至少一个扭转梁，使得该谐振梁在横向运动上基本上没有阻力；而且该谐振器是高Q值谐振器。
2.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个形成在底衬上的驱动电极，以便静电激发谐振器梁，其特征在于，在谐振器梁和至少一个驱动电极之间限定电容换能器间隙。
3.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个间隔器，该间隔器具有高度，在谐振器梁和底衬之间延伸，并定位于至少一个弯曲节点上，其特征在于，在向下牵引谐振器梁期间，间隙的尺寸取决于该至少一个间隔器的高度。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该谐振器是硅基谐振器。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该谐振器是钻石基谐振器。
6.一种高Q值的弯曲振动的微机构谐振器装置，包括：
底衬；
具有至少一个弯曲节点的谐振器梁；
至少一个扭转梁，用于在该至少一个弯曲节点支承该谐振器梁；
至少一个刚性锚定件，用于将该至少一个扭转梁锚定在底衬上；
至少一个驱动电极，在该至少一个驱动电极上加上电信号时该电极可使谐振器梁发生振荡，该至少一个扭转梁的尺寸被定为可以实现无阻力变换，这种变换基本上使振荡的谐振器梁与该至少一个刚性锚定件隔振。
7.如权利要求6所述的装置，还包括至少一个间隔器，该间隔器具有高度，在谐振器梁和底衬之间延伸，其特征在于：谐振器梁和至少一个驱动电极形成电容换能器间隙；在向下牵引谐振器梁时，该间隙的尺寸取决于该至少一个间隔器的高度。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，谐振器是硅基谐振器。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置是钻石基谐振器装置。
10.如权利要求6所述的装置，还包括形成在底衬上的用于检测输出电流的检测电极。
11.一种增加微机构谐振器操作频率的方法，该谐振器包括具有基谐振动模式的形成在底衬上的谐振器，该方法包括：
在同时驱动谐振器梁的不同部分向相反方向运动，使得谐振器梁可以以比基谐振动高的m次谐振模式振动，其特征在于，该谐振器梁具有m+1个弯曲偏转节点。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，微机械谐振器包括许多沿谐振器梁间隔开的驱动电极，以便静电激发谐振器梁；驱使振荡的步骤包括以下步骤：将同相信号加在其中一个驱动电极上，使谐振器梁的第一部分向第一方向偏转，而将不同相的信号加在其中另一电极上，使谐振器梁的第二部分向相反于第一方向的第二方向偏转，从而驱使谐振器梁形成正确的振动形式。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于：微机械谐振器包括m+1个扭转梁，该扭转梁的尺寸等于操作频率的有效四分之一波长；在谐振器梁的各个节点上固定一个扭转梁，使得谐振器梁在横向运动或扭转运动上基本上没有阻力。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：微机械谐振器包括形成在底衬上的驱动电极，以便静电激发谐振器梁；驱使振荡的步骤包括将信号加在驱动电极上的步骤，谐振器梁和驱动电极之间形成电容换能器间隙；微机械谐振器还包括m+1间隔器，该间隔器具有高度，在谐振器梁和底衬之间延伸，并配置在m+1个节点上；该m+1个间隔器在将信号加到驱动电极上时可驱使谐振器梁形成正确的振动形式。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，微机械谐振器包括形成在底衬上的用于检测输出电流的检测电极。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于：微机械谐振器包括低于m+1个扭转梁，该扭转梁的尺寸等于谐振器操作频率的有效四分之一波长；扭转梁固定在谐振器梁的节点上，使得谐振器梁在横向运动或扭转运动上基本上没有阻力。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，微机构谐振器包括单一扭转梁。
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