CN218633882U - 一种mems谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微机电系统技术领域，公开了一种MEMS谐振器，其通过在等截面悬臂梁的自由端开设孔、表面设置凸起部及其结合，使得悬臂梁的面积减小或者悬臂梁的外轮廓周长增加，来提升悬臂梁几何结构的线面比，进而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差的敏感度，最终使得悬臂梁频率对工艺偏差不敏感，减小频率偏差，提升悬臂梁式谐振器可制造性。

Description

一种MEMS谐振器

技术领域

本实用新型涉及微机电系统技术领域，尤其是一种MEMS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、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

微机电系统(MEMS)器件目前正被开发用于各种各样的应用。这种器件的一个示例是MEMS谐振器，其可以用在电子设备的定时电路中。MEMS谐振器系统通常包括多个电极以驱动MEMS谐振器。当偏压施加到驱动电极时，电荷积聚在电极上，这在电极和积聚在MEMS谐振器上的相反电荷之间产生静电力。通过向驱动电极施加时变电压信号，通常与DC电压组合，可以产生时变静电力，其导致MEMS谐振器振荡。

目前，对于低频MEMS谐振器(100kHz<f<10MHz)而言，其主要采用采用弯曲模态结构，弯曲模态可以在梁或膜结构中激发。对于梁结构，分为面内弯曲(沿宽度方向)和面外弯曲(沿厚度方向)，具体振动模式由边界条件决定，如附图1至附图4所示，悬臂梁、两端固支梁、两端自由梁以及音叉式梁示意图。

谐振频率可以用如下公式(1)表示：

其中，α_n为n阶模态系数，由边界条件确定，例如图1中悬臂梁的一阶和二阶模态系数为1.015和6.361；

E为梁材料的杨氏模量；ρ为材料的密度；

w为梁的宽度，即对应模态下，梁的模态位移方向上的几何尺寸；

L为梁的长度。

目前，MEMS谐振器主要通过刻蚀的减材方式加工制作出结构，如附图5所示的悬臂梁1谐振器，刻蚀槽间隙g由于工艺偏差的原因，会导致刻蚀槽间隙g偏离设计尺寸，从而影响悬臂L和w的尺寸。

如公式(1)表述，梁的谐振频率在几何上主要由梁的宽度w和长度L决定，而且通常L远大于w。由于存在加工工艺偏差，将会导致实际获得的悬臂梁的结构尺寸w和L偏离设计尺寸，从而导致悬臂梁谐振器谐振频率偏离设计频率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种MEMS谐振器，其能够降低由于工艺影响所造成的频率偏差。

本实用新型是这样实现的：一种MEMS谐振器，其包括等截面的悬臂梁，所述悬臂梁沿第一方向延伸；该悬臂梁的一端为固定端，所述悬臂梁的另一端为自由端，所述自由端连同所述悬臂梁能够相对于所述固定端沿垂直于所述第一方向的第二方向摆动，所述悬臂梁靠近所述自由端处设置有能够降低工艺偏差所引起之频率偏差的微调整结构。

优选的，所述微调整结构被配置为开设在所述悬臂梁上的至少一个孔，所述孔靠近所述自由端设置并沿第三方向深入所述悬臂梁，其中，所述第三方向与所述第一方向和第二方向垂直。

优选的，所述孔配置为多个，多个所述孔呈阵列排布。

优选的，所述悬臂梁包括等截面条形的身部以及等截面矩形的头部，所述身部与所述头部同轴相连；所述身部背离所述头部的一端为固定端，所述头部背离所述身部的一端为自由端，所述头部的四周宽于所述身部，所述孔设置于所述头部处。

优选的，所述微调整结构被配置为悬臂梁靠近所述自由端之表面处设置的凸起部。

优选的，所述微调整结构还包括开设在所述悬臂梁上的至少一个孔，所述孔靠近所述自由端设置并沿第三方向深入所述悬臂梁，其中，所述第三方向与所述第一方向和第二方向垂直。

优选的，所述悬臂梁包括等截面条形的身部以及等截面矩形的头部，所述身部与所述头部同轴相连；所述身部背离所述头部的一端为固定端，所述头部背离所述身部的一端为自由端，所述头部的四周宽于所述身部，所述凸起部设置于所述头部处。

优选的，所述微调整结构还包括于所述头部处开设的沿第三方向深入延伸的至少一个孔，其中，所述第三方向与第一方向和第二方向垂直。

优选的，所述凸起部被配置为由多个齿组成的齿形面。

优选的，所述悬臂梁被配置为多个，多个所述悬臂梁的固定端借由耦合梁耦合。

与现有技术相比，本实用新型通过在等截面悬臂梁的自由端开设孔、表面设置凸起部及其结合，使得悬臂梁的面积减小或者悬臂梁的外轮廓周长增加，来提升悬臂梁几何结构的线面比，进而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差的敏感度，最终使得悬臂梁频率对工艺偏差不敏感，减小频率偏差，提升悬臂梁式谐振器可制造性。

附图说明

图1是悬臂梁示意图；

图2是两端固支梁示意图；

图3是两端自由梁示意图；

图4是音叉式梁示意图；

图5是刻蚀后悬臂梁的俯视图；

图6是悬臂梁谐振器俯视图；

图7是本实用新型实施例一提供的MEMS谐振器一种形状下俯视图；

图8是本实用新型实施例一提供的MEMS谐振器另一形状下俯视图；

图9是本实用新型实施例二提供的MEMS谐振器俯视图；

图10是本实用新型实施例三提供的MEMS谐振器一种形状下俯视图；

图11是本实用新型实施例三提供的MEMS谐振器另一种形状下局部俯视图；

图12是本实用新型实施例四提供的MEMS谐振器俯视图；

图13是本实用新型实施例五提供的MEMS谐振器俯视图；

图14是本实用新型实施例六提供的MEMS谐振器俯视图；

图15是本实用新型实施例七提供的MEMS谐振器俯视图；

图16是现有技术(等截面悬臂梁)MEMS谐振器的仿真图；

图17是本实用新型实施例一提供的MEMS谐振器的仿真图；

图18是本实用新型实施例二提供的MEMS谐振器的仿真图；

图19是本实用新型实施例三提供的MEMS谐振器的仿真图；

图20是本实用新型实施例四提供的MEMS谐振器的仿真图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参阅附图5，设计频率为524kHz的悬臂梁谐振器，通过改变工艺偏差来测试对频率的影响。其影响结果如表1所示，当工艺偏差为0.1um，即刻蚀槽宽度g降低0.1um，导致L增长0.1um，w增宽0.2um，而且频率变化主要是因为w变化导致。

表1：工艺偏差对频率的影响

为了进一步研究悬臂梁谐振器1谐振频率对结构尺寸的敏感度，通过等效刚度和等效质量的方式即公式(2)推导谐振频率：

参阅图6所示，在悬臂梁谐振器1自由端施加一个大小为F的集中载荷，当存在一个工艺偏差Δ，则：

挠度方程：-EIω(x)"＝-M(x)＝-F(L+Δ-x)

边界条件：ω(0)′＝0，ω(0)＝0

当X＝L

悬臂梁的等效刚度：

悬臂梁的动能为：

其中，h为悬臂梁的厚度。

即等效质量为

从上述现有的相关公式推导过程，不难看出，悬臂梁谐振器1的频率对工艺偏差Δ极为敏感，其原因主要在于等效刚度K_eff与工艺偏差Δ成三次方关系，等效质量M_eff与工艺偏差Δ成线性关系，即等效刚度K_eff对工艺偏差Δ更为敏感。

本实用新型主要从提升等效质量对工艺偏差Δ的敏感度出发，使得最终频率对工艺偏差Δ不敏感。

根据等效质量求解过程，由于悬臂梁自由端振动幅值较大，自由端质量对整体等效质量贡献更大；即在自由端提升质量对工艺偏差Δ的敏感度，从而整体提高等效质量对工艺偏差Δ的敏感度；而工艺偏差Δ对质量的影响，和刻蚀间隙的周长s(悬臂梁的外轮廓周长)成正比即：M_Δ～＝α2Δshρ其中，α为等效质量系数。

设计等效质量为M_all～＝βAhρ，其中，A为悬臂梁面积，β为等效质量系数。

因为工艺偏差Δ导致等效质量变化率

即为悬臂梁的结构的线面比。

在靠近悬臂梁自由端，提升悬臂梁上的刻蚀槽长度，即在靠近悬臂梁自由端，提升悬臂梁几何结构的线面比，从而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差Δ的敏感度，使得悬臂梁频率对工艺偏差Δ不敏感，即df/dΔ＝0，提升悬臂梁式的谐振器可制造性，基于此设计了下述各实施例中的MEMS谐振器。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。

实施例一：

参阅图7和图8所示，一种MEMS谐振器，其包括等截面的悬臂梁100，该悬臂梁100沿第一方向X延伸。该第一方向X构成了悬臂梁100的长度方向。悬臂梁100的一端为固定端101，另一端为自由端102，其中，自由端102连同悬臂梁100能够相对于固定端101沿垂直于第一方向X的第二方向Y摆动，第二方向Y为悬臂梁100的宽度方向。

悬臂梁100靠近自由端102处开设有沿第三方向Z深入延伸的孔100a，其中，第三方向Z与第一方向X和第二方向Y垂直，第三方向Z为悬臂梁100的厚度方向。也就是说，第一方向X、第二方向Y、第三方向Z构成了空间直角坐标系。

孔100a被配置为通孔或盲孔，其中，通孔意味着孔100a沿第三方向Z贯穿悬臂梁100；盲孔意味着孔100a沿第三方向Z未贯穿悬臂梁100。

孔100a的形状可以被配置为圆形、长圆形、椭圆形、条形、正方形等形状，也可以是前述各种形状的结合。

孔100a可以是一个，也可以是多个。当孔100a为多个时，孔100a呈阵列排布，例如，如图7和图8所示，多个孔100a沿悬臂梁100的长度延伸方向程多行多列的阵列排布。

通过开设孔100a，有助于减小悬臂梁100的面积A，其中，A＝L*W-S_孔，S_孔为孔100a的面积，如此，悬臂梁100的面积A的面积减小，

的线面比增大，从而提升了悬臂梁几何结构的线面比，进而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差Δ的敏感度，使得悬臂梁频率对工艺偏差Δ不敏感，即df/dΔ＝0，提升悬臂梁式的谐振器可制造性。

实施例二：

如图9所示，在上述实施例一的结构基础之上，对悬臂梁100的结构进行改进，悬臂梁100包括了等截面条形的身部110以及等截面矩形的头部120，身部110与头部120同轴相连，也就是说，身部110与头部120为同一中心轴线。

身部110背离头部120的一端为所述固定端101，头部120背离身部110的一端为自由端102，头部120的四周宽于身部110，如此，悬臂梁100的外轮廓周长s增加。

孔100a在开设头部120处，如此，减小了悬臂梁100的面积A，其中，A＝L*W-S_孔，S_孔为孔100a的面积，悬臂梁100的面积A的面积减小，加之，悬臂梁100的外轮廓周长s增加。

的线面比进一步增大，从而提升了悬臂梁几何结构的线面比，进而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差Δ的敏感度，使得悬臂梁频率对工艺偏差Δ不敏感，即df/dΔ＝0，提升悬臂梁式的谐振器可制造性。

实施例三：

参阅图10和图11所示，一种MEMS谐振器，其包括等截面的悬臂梁100，该悬臂梁100沿第一方向X延伸。悬臂梁100的一端为固定端101，另一端为自由端102，其中，自由端102连同悬臂梁100能够相对于固定端101沿垂直于第一方向X的第二方向Y摆动。

悬臂梁100靠近自由端102表面形成有凸起部102b，如此，能够增加悬臂梁100的外轮廓周长s增加。

的线面比增大，从而提升了悬臂梁几何结构的线面比，进而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差Δ的敏感度，使得悬臂梁频率对工艺偏差Δ不敏感，即df/dΔ＝0，提升悬臂梁式的谐振器可制造性。

在本实施例中，凸起部102b被配置为由多个齿组成的齿形面，优选地，齿形面于悬臂梁100宽度(W)方向的两侧对称设置。如图10所示，齿形面中的齿呈三角形，优选呈等腰三角形，任一侧齿形面中各个齿邻接设置。可以理解的，各个齿等间隔设置，也就是相邻的齿之间间隔相等。

再如图11所示，齿形面中的齿呈矩形、等腰梯形、半圆形中的任一种，任一侧齿形面中各个齿等间隔设置。当齿形面中的齿呈等腰梯形或半圆形时，任一侧齿形面中各个齿也可邻接设置。

另外，凸起部102b可为悬臂梁100靠近自由端102的至少部分表面隆起形成，从而可增加悬臂梁100的外轮廓周长s，以增大

的线面比。

实施例四：

如图12所示，在上述实施例一的结构基础之上，于悬臂梁100靠近自由端102表面形成有凸起部102b，在本实施例中，凸起部102b被配置为由多个齿组成的齿形面，优选地，齿形面于悬臂梁100宽度(W)方向的两侧对称设置。如图12所示，齿形面中的齿呈三角形，优选呈等腰三角形，任一侧齿形面中各个齿邻接设置。可以理解的，各个齿等间隔设置，也就是相邻的齿之间间隔相等。

再如图11所示，齿形面中的齿呈矩形、等腰梯形、半圆形中的任一种，任一侧齿形面中各个齿等间隔设置。当齿形面中的齿呈等腰梯形或半圆形时，任一侧齿形面中各个齿也可邻接设置。

另外，凸起部102b为悬臂梁100靠近自由端102的至少部分表面隆起形成，从而可增加悬臂梁100的外轮廓周长s，以增大

的线面比。

孔100a在悬臂梁100靠近自由端102处，如此，减小了悬臂梁100的面积A，其中，A＝L*W-S_孔，S_孔为孔100a的面积，悬臂梁100的面积A的面积减小，加之，凸起部102b使得悬臂梁100的外轮廓周长s增加。

的线面比进一步增大，从而提升了悬臂梁几何结构的线面比，进而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差Δ的敏感度，使得悬臂梁频率对工艺偏差Δ不敏感，即df/dΔ＝0，提升悬臂梁式的谐振器可制造性。

实施例五：

如图13所示，在上述实施例二的结构基础之上，于头部120的表面形成有凸起部102b，在本实施例中，凸起部102b被配置为由多个齿组成的齿形面，优选地，齿形面于悬臂梁100宽度(W)方向的两侧对称设置。如图13所示，齿形面中的齿呈三角形，优选呈等腰三角形，任一侧齿形面中各个齿邻接设置。可以理解的，各个齿等间隔设置，也就是相邻的齿之间间隔相等。

再如图11所示，齿形面中的齿呈矩形、等腰梯形、半圆形中的任一种，任一侧齿形面中各个齿等间隔设置。当齿形面中的齿呈等腰梯形或半圆形时，任一侧齿形面中各个齿也可邻接设置。

另外，凸起部102b为头部120的至少部分表面隆起形成，从而可增加悬臂梁100的外轮廓周长s，以增大

的线面比。

孔100a在开设头部120处，如此，减小了悬臂梁100的面积A，其中，A＝L*W-S_孔，S_孔为孔100a的面积，悬臂梁100的面积A的面积减小，加之，凸起部102b使得悬臂梁100的外轮廓周长s增加。

的线面比进一步增大，从而提升了悬臂梁几何结构的线面比，进而提升悬臂梁等效质量对工艺偏差Δ的敏感度，使得悬臂梁频率对工艺偏差Δ不敏感，即df/dΔ＝0，提升悬臂梁式的谐振器可制造性。

上述实施例一至五中，MEMS谐振器为一个悬臂梁100构成。

实施例六：

如图14所示，MEMS谐振器由两个悬臂梁100组成，两个悬臂梁100通过耦合梁200耦合，两悬臂梁100的固定端101和耦合梁200固定，两悬臂梁100处于同一直线。耦合梁200通过锚点300固定到下面的衬底(图中未示)。操作时，悬臂梁100的自由端102绕悬臂梁100的固定端摆动。

实施例七：

MEMS谐振器还可以由四个或更多悬臂梁100耦合在一起。如图15所示，由四个悬臂梁100耦合而成的MEMS谐振器。四个悬臂梁100的固定端101分别与耦合梁200固定，并且，四个悬臂梁100相对于耦合梁200对称设置，位于耦合梁200一侧的两个悬臂梁100平行间隔对置。MEMS谐振器的整体呈“H”形状。操作时，悬臂梁100的自由端102绕悬臂梁100的固定端摆动。

本申请的MEMS谐振器可以使用公知的技术且由公知的材料制造。例如，MEMS谐振器可以由公知的半导体制成，例如硅、锗、硅锗或砷化镓。实际上，MEMS谐振器可以由例如元素周期表第IV列中的材料组成，例如硅、锗、碳；还有这些的组合，例如硅锗或碳化硅；也可以是III-V化合物，例如磷化镓、磷化铝镓或其它III-V组合；III、IV、V或VI材料的组合，例如氮化硅、氧化硅、碳化铝、氮化铝和/或氧化铝；还有金属硅化物、锗化物和碳化物，例如硅化镍、硅化钴、碳化钨或硅化铂锗；还有掺杂变体，包括磷、砷、锑、硼或铝掺杂的硅或锗、碳或组合，如硅锗；还有具有各种晶体结构的这些材料，包括单晶、多晶、纳米晶或无定形；还具有晶体结构的组合，例如具有单晶和多晶结构的区域(无论是掺杂的还是未掺杂的)。

此外，根据本申请的MEMS谐振器可以使用公知的光刻、蚀刻、沉积和/或掺杂技术形成在绝缘体上半导体(SOI)衬底中或上。为了简洁起见，本文在此不再赘述。然而，用于形成或制造本申请的MEMS谐振器结构的所有技术，无论是现在已知的还是以后开发的，都旨在落入本申请的范围内，例如，使用标准或过大尺寸(“厚”)晶片(未示出)的公知的形成、光刻、蚀刻和/或沉积技术和/或接合技术，即将两个标准晶片接合在一起，其中下部/底部晶片包括设置在其上的牺牲层(例如，氧化硅)，并且上部/顶部晶片此后被减薄(向下或向后研磨)并抛光以在其中或其上接收机械结构。

下表2为现有技术(等截面悬臂梁)及实施例一至四的仿真计算结果。

仿真计算以524kHz目标，将现有技术的等截面矩悬臂梁与实施例一至四的悬臂梁结构进行对比，主要通过导入工艺偏差后，MEMS谐振器频率的变化量来衡量该结构的可制造型优劣。

其中，MEMS谐振器的材料为单晶硅材料，E＝170e9 Pa，密度为2329kg/m^3。

通过表2并结合图16至图20中的仿真图，显而易见，现有技术的等截面矩悬臂梁及实施例一至四中频率偏移分别为1.1％、0.1％、0.2％、0.3％、-0.5％，改进后的方案，悬臂梁因工艺偏移导致的频率偏移明显降低，即悬臂梁谐振器的可制造性增强。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS谐振器，其特征在于，包括等截面的悬臂梁，所述悬臂梁沿第一方向延伸；该悬臂梁的一端为固定端，所述悬臂梁的另一端为自由端，所述自由端连同所述悬臂梁能够相对于所述固定端沿垂直于所述第一方向的第二方向摆动，所述悬臂梁靠近所述自由端处设置有能够降低工艺偏差所引起之频率偏差的微调整结构。

2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述微调整结构被配置为开设在所述悬臂梁上的至少一个孔，所述孔靠近所述自由端设置并沿第三方向深入所述悬臂梁，其中，所述第三方向与所述第一方向和第二方向垂直。

3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述孔配置为多个，多个所述孔呈阵列排布。

4.根据权利要求2或3所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述悬臂梁包括等截面条形的身部以及等截面矩形的头部，所述身部与所述头部同轴相连；所述身部背离所述头部的一端为固定端，所述头部背离所述身部的一端为自由端，所述头部的四周宽于所述身部，所述孔设置于所述头部处。

5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述微调整结构被配置为悬臂梁靠近所述自由端之表面处设置的凸起部。

6.根据权利要求5所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述微调整结构还包括开设在所述悬臂梁上的至少一个孔，所述孔靠近所述自由端设置并沿第三方向深入所述悬臂梁，其中，所述第三方向与所述第一方向和第二方向垂直。

7.根据权利要求5所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述悬臂梁包括等截面条形的身部以及等截面矩形的头部，所述身部与所述头部同轴相连；所述身部背离所述头部的一端为固定端，所述头部背离所述身部的一端为自由端，所述头部的四周宽于所述身部，所述凸起部设置于所述头部处。

8.根据权利要求7所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述微调整结构还包括于所述头部处开设的沿第三方向深入延伸的至少一个孔，其中，所述第三方向与第一方向和第二方向垂直。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述凸起部被配置为由多个齿组成的齿形面。

10.根据权利要求1、2、5中任一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述悬臂梁被配置为多个，多个所述悬臂梁的固定端借由耦合梁耦合。

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