CN220964844U - 一种mems谐振器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种MEMS谐振器，通过在连接梁和锚固件之间设置软梁结构，软梁结构包括悬空设置的软梁和外框，外框与加热器连接可以作为加热环使用，通过对外框的加热实现对整个MEMS谐振器的加热，外框也可以与锚固件连接起到对整个MEMS谐振器的支撑作用，进而减少锚固件的锚点损耗，增加Q值，且相比于常规的设置方式，本申请中的MEMS谐振器中设置与外框连接的加热器，通过加热器与外框的相互配合，并结合温度传感器对温度的检测与反馈，实现对MEMS谐振器温度的调节与控制，从而能够在节约功耗的前提下保持MEMS谐振器具有恒定的温度和稳定的频率，减小MEMS谐振器的温度漂移系数，并且使得该MEMS谐振器能够输出稳定的频率。
Description
技术领域
本实用新型涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种MEMS谐振器。
背景技术
MEMS谐振器是一种基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)技术的谐振器，其能够产生稳定的振荡信号，通常由微小的机械结构和电子控制电路组成，进而利用微纳米级别的机械结构的振动特性来产生谐振频率，机械结构通常是由硅或其他材料制成的微弹性梁、薄膜或微型质量，当对其施加电压或电流时，这些结构会以特定的频率发生振动。而基于微机电系统技术制备的MEMS谐振器具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，使得其可以广泛应用于无线通信、时钟电路、传感器和滤波器等领域，同时使得电子设备可以更加紧凑和高效，提供更好的性能和可靠性。
通常来说，使得MEMS谐振器具有稳定的频率对于MEMS谐振器的应用非常重要，具体原因如下：1、频率稳定性作为MEMS谐振器的基本性能指标之一，在时钟电路、通信系统和传感器的应用过程中，都需要有稳定的振荡信号或精确的频率来作为参考，因此如果MEMS谐振器的频率不稳定，将导致系统性能下降或功能失效；2、频率稳定性能够直接影响时钟电路、通信系统和传感器等系统的精度和可靠性；3、频率稳定性还可以影响系统的功耗和能效，频率稳定的MEMS谐振器可以提供更高的能效，从而减少能源消耗，并能够延长电池寿命。
综上所述，如何实现MEMS谐振器具有稳定性频率，从而提升MEMS谐振器的性能、精度和可靠性，同时降低使用功耗，对于MEMS谐振器在各个应用领域都显得非常重要。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种MEMS谐振器，用于解决现有技术中MEMS谐振器的频率稳定性差、温度漂移大、功耗高以及谐振器工作时能量损耗大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种MEMS谐振器，所述MEMS谐振器包括：
谐振体，所述谐振体的数量至少为两个；
连接梁，所述连接梁的两端分别与所述谐振体连接；
电极，所述电极包括驱动电极和感测电极，其中，所述驱动电极用于驱动所述谐振体产生谐振，所述感测电极用于检测所述谐振体产生的谐振频率；
软梁结构，所述软梁结构包括悬空设置的软梁和外框，其中，所述软梁的一端与所述连接梁连接，且所述软梁的另一端与所述外框连接；
锚固件，所述锚固件位于所述外框的周围并与所述外框连接，所述锚固件设置在衬底上以通过所述锚固件支撑MEMS谐振器。
可选地，所述MEMS谐振器还包括有加热器，所述加热器设置于所述锚固件与所述外框之间，并通过所述外框热传递对所述MEMS谐振器进行加热。
可选地，所述谐振体的数量可以为偶数或奇数，且所述谐振体以所述连接梁的交叉点为中心呈均匀环绕分布。
可选地，所述连接梁包括直梁结构、软弹簧结构或S型结构中的一种。
可选地，所述谐振体的形状包括圆环形、方形、三角形或其它多边形中的一种或多种。
可选地，当所述谐振体的形状为圆环形时，所述驱动电极及所述感测电极与所述谐振体成半包围形状。
可选地，所述驱动电极与所述感测电极成对设置，且所述驱动电极和所述感测电极相对设置于所述谐振体的两侧。
可选地，所述外框的形状为正方形并包围所述谐振体、所述连接梁、所述电极以及所述软梁，且所述软梁的数量为四个，以使得整个MEMS谐振器成中心对称设置。
可选地，所述软梁与所述外框之间垂直设置或所述软梁与所述外框之间的夹角成45度设置。
可选地，所述加热器的形状为S型，且所述加热器的一端与所述软梁连接，所述加热器的另一端与所述锚固件连接。
可选地，所述加热器的外围还设有温度传感器，所述温度传感器能够检测所述MEMS谐振器的温度，并将所述MEMS谐振器的温度传递至IC电路，通过所述IC电路控制所述加热器的工作状态。
可选地，所述谐振体的数量为四个，此时，所述连接梁的数量为两个，且四个所述谐振体以所述连接梁的交叉点为中心呈“十”字型排布。
可选地，所述MEMS谐振器为磷掺杂或硼掺杂，且磷掺杂或硼掺杂的掺杂浓度在1e19cm-3～2e20cm-3之间。
可选地，所述MEMS谐振器的温飘可以稳定在1ppm以内。
如上所述，本实用新型的MEMS谐振器，具有以下有益效果：相比于常规技术而言，本实用新型的MEMS谐振器在连接梁和锚固件之间设置软梁结构，软梁结构包括悬空设置的软梁和外框，外框与加热器连接可以作为加热环使用，通过对外框的加热实现对整个温控MEMS谐振器的加热，外框还可以与锚固件连接起到对整个MEMS谐振器的支撑作用，进而减少锚固件的锚点损耗，增加Q值，且相比于常规的设置方式，本申请中的MEMS谐振器中设置与外框连接的加热器，通过加热器与外框的相互配合，并结合温度传感器对温度的检测与反馈，实现对MEMS谐振器温度的调节与控制，从而能够在节约功耗的前提下保持MEMS谐振器具有恒定的温度和稳定的频率，减小MEMS谐振器的温度漂移系数，使得MEMS谐振器的温飘可以稳定在1ppm以内。
附图说明
图1显示为本实用新型的一种实施方式的MEMS谐振器的结构示意图。
图2显示为本实用新型的另一种实施方式的MEMS谐振器的结构示意图。
图3显示为本实用新型的再一种实施方式的MEMS谐振器的结构示意图。
图4显示为本实用新型的MEMS谐振器在不同浓度下的温度曲线图。
元件标号说明
101、谐振体；102、连接梁；103、驱动电极；104、感测电极；105、锚固件；106、软梁；107、外框；108、加热器；109、温度传感器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
请参阅图1至图3，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实用新型提供一种MEMS谐振器，所述MEMS谐振器包括：谐振体101，所述谐振体101的数量至少为两个；连接梁102，所述连接梁102的两端分别与所述谐振体101连接；电极，所述电极包括驱动电极103和感测电极104，其中，所述驱动电极103用于驱动所述谐振体101产生谐振，所述感测电极104用于检测所述谐振体101产生的谐振频率；软梁106结构，所述软梁106结构包括悬空设置的软梁106和外框107，其中，所述软梁106的一端与所述连接梁102连接，且所述软梁106的另一端与所述外框107连接；锚固件105，所述锚固件105位于所述外框107的外侧并与所述外框107连接，所述锚固件105设置在衬底上以通过所述锚固件105支撑MEMS谐振器。
本申请中的MEMS谐振器通过所述锚固件105固定在衬底上，本申请中提到的衬底包括但不限于硅掺杂衬底。
组成本申请MEMS谐振器的谐振体101、驱动电极103、感测电极104以及锚固件105等结构均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，其中，当选择磷掺杂或硼掺杂时，对应的磷掺杂或硼掺杂的掺杂浓度设置在1e19cm-3～2e20cm-3之间；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。
在一些实施例中，所述谐振体101的数量可以为偶数或奇数，且所述谐振体101以所述连接梁102的交叉点为中心呈均匀环绕分布。
具体的，谐振体101的数量至少为两个，且谐振体101的数量既可以呈偶数设置，也可以呈奇数设置，此外谐振体101的数量无论是奇数还是偶数个，谐振体101均以所述连接梁102的交叉点为中心呈均匀环绕分布，例如，当谐振体101的数量为两个时，谐振体101位于连接梁102的两端部，当谐振体101的数量为三个时，相邻的谐振体101之间成120度角分布。在本实施例中，如图1所示，谐振体101的数量为四个，且四个谐振体101以连接梁102的交叉点为中心呈均匀环绕分布，相邻的谐振体101之间成90度角分布，通过谐振体101的对称结构设计可以减小光刻误差导致的MEME谐振器的频率偏移和温度误差。
在一些实施例中，所述谐振体101的形状包括圆环形、方形、三角形或其它多边形中的一种或多种。
具体的，谐振体101用于产生所需频率的振动，即产生预设谐振频率的谐振。在实际应用中，谐振体101的形状包括圆环形、方形或三角形或其它多边形中的一种或多种。在本实施例中，谐振体101的形状设置为圆环形，其横截面形状如图1所示，当然在其它实施例中，其横截面形状也可以为方形、三角形或其它多边形，此外，谐振体101既可以为封闭式连接结构，还可以为非封闭式连接结构，在此不作限定。
在一些实施例中，所述连接梁102包括直梁结构、软弹簧结构或S型结构中的一种。
具体的，如图1所示，在本实施例中，所述MEMS谐振器中设置有连接梁102，连接梁102的两端分别与谐振体101连接，且通过连接梁102可以使得多个谐振体101之间进行连通，从而在各个谐振体101之间进行振动的传递。在本实施例中，谐振体101之间的连接梁102设置为直梁结构。当然，在其它实施例中，连接梁102的形状还可以是软弹簧结构或S型结构，此处不作限制。
在一些实施例中，当所述谐振体101的形状为圆环形时，所述驱动电极103及所述感测电极104与所述谐振体101成半包围形状。
具体的，如图1所示，在本实施例中，所述谐振体101的形状为圆环形，谐振体101的环宽、环内径等可以根据需要设置，在此不做限定，驱动电极103与感测电极104位于谐振体101的两侧并与谐振体101形成半包围的形状，驱动电极103与感测电极104成对设置，驱动电极103与感测电极104的数量可以与谐振体101的数量相同，也可以与谐振体101的数量不相同，在此不做限制。在本实施例中，驱动电极103与感测电极104的位置可以进行互换，只需要保证在谐振器处于工作状态时，驱动电极103与感测电极104相对设置在谐振体101的两侧即可，驱动电极103与驱动电路连接，以诱导谐振体101进行振荡或振动，其中，该谐振体101的振荡或振动具有谐振频率；感测电极104与感测电路连接，以感测、采样并检测具有该谐振频率的信号，对于本领域技术人员而言，本实施例中的驱动电极103、驱动电路、感测电极104以及感测电路，可以是目前常规工艺中众所周知的类型，在此不进行一一赘述。
在一些实施例中，所述外框107的形状为正方形并包围所述谐振体101、所述连接梁102、所述电极以及所述软梁106，且所述软梁106的数量为四个，以使得整个MEMS谐振器成中心对称设置。
具体的，如图1所示，软梁106结构包括软梁106和外框107，其中，软梁106和外框107均为悬空设置，软梁106的一端与连接梁102连接，外框107的形状为正方形从而能够包围谐振体101、连接梁102、电极以及软梁106，在本实施例中，软梁106的数量设置为四个，以使得整个MEMS谐振器成中心对称设置，其中，软梁106与外框107之间既可以是垂直设置，也可以是成45度角设置，由于软梁106的另一端与外框107连接，而外框107又与设置在衬底上的锚固件105连接，从而使得在谐振器工作时，谐振器的能量损耗能够通过锚固件105和衬底传导出去，且通过设置的软梁106可以延长传导路径，此外，通过软梁106结构和外框107的设置，使得谐振器的能量能够在软梁106结构和外框107之间进行反射，进而进一步地降低了锚点损耗，减少锚固件105的损失。
影响频率稳定的其中一个因素是温度，在实际应用中，谐振器由于其存在温度弹性系数特性使得其受温度产生的影响巨大，目前业内使用的两种主流调节方式为调节温度弹性系数趋于零和使得谐振器温度环境趋于稳定。
在本实施例中，在前述实施例提出的MEMS谐振器基础上再提出一种能够实现温控的MEMS谐振器，该MEMS谐振器与前述实施例提出的MEMS谐振的不同之处在于其还包括有加热器108，所述加热器108设置于所述锚固件105与所述外框107之间，并通过所述外框107对整个MEMS谐振器进行加热，且所述加热器108的形状为S型，且所述加热器108的一端与所述软梁106连接，所述加热器108的另一端与所述锚固件105连接。
具体的，如图2和图3所示，在MEMS谐振器还设置有加热器108，加热器108设置于锚固件105与外框107之间，加热器108的一端与软梁106连接，加热器108的另一端与锚固件105连接，锚固件105既可以设置在外框107的内侧，也可以设置在外框107的外侧，这里不作限定。加热器108的形状为S型，从而通过加热器108对外框107的加热实现对谐振器的加热，使得MEMS谐振器的温度稳定在温度漂移较小的温度范围内。当然，在其它实施例中，加热器108长度和宽度以及形状可以根据需要设置，在此不作限制。
在一些实施例中，所述加热器108的外围还设有温度传感器109，所述温度传感器109能够检测所述MEMS谐振器的温度，并将所述MEMS谐振器的温度传递至IC电路，通过所述IC电路控制所述加热器108的工作状态。
具体的，如图2和图3所示，在整个温控传感器的外围还设置有温度传感器109，温度传感器109一般设置在加热器108的附近，温度传感器109能够实时检测整个MEMS谐振器的温度，并将MEMS谐振器的温度信号传递给IC电路，通过IC电路再控制加热器108的工作状态，进而在节约整体功耗的前提下保证整个MEMS谐振器具有恒定的温度以及稳定的频率，实现想要的温度漂移系数。
在一些实施例中，所述MEMS谐振器的温度漂移系数可以稳定在1ppm以内。
具体的，在本实施例中，通过对MEMS谐振器的掺杂浓度，晶向，谐振子的宽度，长度等参数进行调节，通过改变MEMS谐振器的温度可以获得如图4(a)所示的频率随温度的变化示意图，如图4(b)所示，其显示为频率随温度变化的一阶温度系数图，由图可知，MEMS谐振器在80度左右出现了温度拐点，在温度为60～100度时MEMS谐振器的频率变化在1ppm内。因此，不同掺杂浓度下的频率温度曲线显示不同，通过改变掺杂浓度使得MEMS谐振器在60℃～100℃之间频率受温度变化范围保持，在实际设置中，我们可以通过设置加热器，使得MEMS谐振器温度稳定在60～100度温度范围，从而实现控制MEMS谐振器的温度漂移系数的变化在1ppm范围内，从而保持MEMS谐振器具有稳定的频率。综上所述，本实用新型的MEMS谐振器在连接梁和锚固件之间设置软梁结构，软梁结构包括悬空设置的软梁和外框，外框与加热器连接可以作为加热环使用，通过对外框的加热实现对整个MEMS谐振器的加热，外框也可以与锚固件连接起到对整个MEMS谐振器的支撑作用，进而减少锚固件的锚点损耗，增加Q值，且相比于常规的设置方式，本申请中的MEMS谐振器中设置与外框连接的加热器，通过加热器与外框的相互配合，并结合温度传感器对温度的检测与反馈，实现对MEMS谐振器温度的调节与控制，从而能够在节约功耗的前提下保持MEMS谐振器具有恒定的温度和稳定的频率，减小MEMS谐振器的温度漂移系数，并且使得该MEMS谐振器能够输出稳定的频率。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种MEMS谐振器，其特征在于，所述MEMS谐振器包括：
谐振体，所述谐振体的数量至少为两个；
连接梁，所述连接梁的两端分别与所述谐振体连接；
电极，所述电极包括驱动电极和感测电极，其中，所述驱动电极用于驱动所述谐振体产生谐振，所述感测电极用于检测所述谐振体产生的谐振频率；
软梁结构，所述软梁结构包括悬空设置的软梁和外框，其中，所述软梁的一端与所述连接梁连接，且所述软梁的另一端与所述外框连接；
锚固件，所述锚固件位于所述外框的周围并与所述外框连接，所述锚固件设置在衬底上以通过所述锚固件支撑MEMS谐振器。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述MEMS谐振器还包括有加热器，所述加热器设置于所述锚固件与所述外框之间，并通过所述外框热传递对所述MEMS谐振器进行加热。
3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述加热器的形状为S型，且所述加热器的一端与所述软梁连接，所述加热器的另一端与所述锚固件连接。
4.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述加热器的外围还设有温度传感器，所述温度传感器能够检测所述MEMS谐振器的温度，并将所述MEMS谐振器的温度传递至IC电路，通过所述IC电路控制所述加热器的工作状态。
5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述谐振体的数量为偶数或奇数，且所述谐振体以所述连接梁的交叉点为中心呈均匀环绕分布。
6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述谐振体的形状被配置为圆环形，所述驱动电极及所述感测电极与所述谐振体成半包围形状。
7.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述外框的形状为正方形并包围所述谐振体、所述连接梁、所述电极以及所述软梁，且所述软梁的数量为四个，以使得整个温控MEMS谐振器成中心对称设置。
8.根据权利要求7所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述软梁与所述外框之间垂直设置或所述软梁与所述外框之间的夹角成45度设置。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述谐振体的数量为四个，此时，所述连接梁的数量为两个，且四个所述谐振体以所述连接梁的交叉点为中心呈“十”字型排布。
10.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于：所述MEMS谐振器为磷掺杂或硼掺杂，且磷掺杂或硼掺杂的掺杂浓度在1e19cm-3～2e20cm-3之间。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202323060135.0U CN220964844U (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种mems谐振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202323060135.0U CN220964844U (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种mems谐振器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN220964844U true CN220964844U (zh) | 2024-05-14 |
Family
ID=91016372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202323060135.0U Active CN220964844U (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种mems谐振器 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-11-13 CN CN202323060135.0U patent/CN220964844U/zh active Active
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