KR101917088B1 - 주파수 및 타이밍 생성을 위한 복합 스프링 mems 공진기들 - Google Patents

주파수 및 타이밍 생성을 위한 복합 스프링 mems 공진기들 Download PDF

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Abstract

복합 스프링 MEMS 공진기는 복합 스프링 블록(55,95)을 형성하는 하나 이상의 스프링 유닛 셀들 및 상기 공진기 바디를 형성하는 하나 이상의 복합 스프링 블록들(54a)을 사용하여 구성된 공진기 바디를 포함한다. 각 복합 스프링 블록은 고품질 인자를 보장하기 위해 절점들에 고정된다(56,58). 공진기 바디는 복합 스프링 블록의 개방 단부들에 부착되고 구동/감지 전극들(66,68)에 용량적으로 결합된 질량체들(60a, 60b, 94a, 94b)을 더 포함한다. 스프링 유닛 셀들의 치수들, 복합 스프링 블록에 대한 스프링 유닛 셀들의 수, 질량체들의 크기 및 중량, 및 지지 빔들의 길이 및 폭은 원하는 공진 주파수를 실현하도록 선택된다. 다수의 공진기 유닛들은 공진기 바디(90)를 형성하도록 병렬로 연결될 수 있다. 한편, 복합 스프링 블록들의 수는 MEMS 공진기의 임피던스와 같은 원하는 전기적 특성들을 튜닝하도록 선택된다. 릴리즈 홀들(94)은 공진기 바디의 중량을 조정하도록 사용될 수 있다.

Description

주파수 및 타이밍 생성을 위한 복합 스프링 MEMS 공진기들{COMPOUND SPRING MEMS RESONATORS FOR FREQUENCY AND TIMING GENERATION}
본 출원은 2014년 10월 22일에 출원된 발명의 명칭이 "다수의 코일 스프링 공진기들(MULTIPLE COIL SPRING RESONATORS)"인 미국 가 특허 출원 제 62/067,230 호를 우선권으로 주장하며, 상기 가 특허 출원은 모든 목적들을 위해 참조로 본 명세서에 통합된다.
본 출원은 또한 2014년 10월 22일에 출원된 발명의 명칭이 "주파수 및 타이밍 생성을 위한 복합 스프링 공진기들(COMPOUND SPRING RESONATORS FOR FREQUENCY AND TIMING GENERATION)"인 미국 가 특허 출원 제 62/067,206 호를 우선권으로 주장하며, 상기 가 특허 출원은 모든 목적들을 위해 참조로 본 명세서에 통합된다.
MEMS(마이크로전기기계 시스템들) 공진기들은 정확한 주파수들로 진동하는 작은 전기기계적 구조들이다. MEMS 공진기들은 타이밍 기준들 및 주파수 기준들을 제공하기 위한 전자 회로들에 유용하다. 일반적인 응용들에서, MEMS 공진기는 전자 회로에 부착되어 발진기 회로를 형성한다. MEMS 발진기는 연속 동작중인 유지 증폭기에 의해 구동되는 MEMS 공진기를 포함한다. MEMS 공진기의 기계적 공진 진동이 감지되어 매우 정확한 주파수를 갖는 전기신호로 변환된다. 정확한 MEMS 공진 주파수는 발진기 회로를 위한 기준 주파수로 사용된다. MEMS 공진기에 부착된 전자 회로는 감지된 전기 신호를 증폭하고 MEMS 공진 주파수에 기초하여 발진기의 출력 주파수를 설정 또는 조정한다. 예를 들어, 전자 회로는 기준 주파수로서의 MEMS 공진 주파수에 기초하여 프로그램할 수 있는 출력 주파수들을 생성하는 위상-동기 루프(PLL: phase-locked loop) 또는 주파수-동기 루프를 포함할 수 있다.
MEMS 발진기들에 대한 일반적인 응용들은 실시간 클럭들(real-time clocks)을 포함한다. 실시간 클럭(RTC)은 종종 컴퓨터들, 서버들, 및 가전 기기들과 같은 전자 시스템들의 현재시간을 추적하는데 사용되는 집적 회로 형태의 컴퓨터 클럭이다. 도 1의 (a) 및 도 1의 (b)를 포함하는 도 1은 종래의 실시간 클럭 회로들을 도시한다. 도 1의 (a)를 참조하면, 종종 실시간 클럭 집적 회로로서 제공되는 실시간 클럭(1)은 발진기 회로(2)와 지원 회로(RCT 회로)(3)를 포함한다. 전통적인 실시간 클럭들은 원하는 기준 주파수를 제공하기 위해 진동 수정 결정(4)의 기계적 공진을 사용하는 수정 발진기 회로를 사용한다. 실시간 클럭 집적 회로 외부의 이산 소자인 수정 결정(4)은 32.768kHz와 같은 원하는 주파수에서 공진하도록 구동된다. 발진기 회로(2)는 수정 결정(4)의 진동을 원하는 정확한 주파수(예로서, 32.768kHz)를 갖는 전기 신호로 변환시킨다. RCT 회로(3)는 신호 증폭, 클럭 분할, 및 다른 시간 유지 기능들을 제공한다. 실시간 클럭(1)은 종종 대체 전원(5)을 포함하여, 주 전원 공급원이 꺼져 있거나 사용할 수 없게 되는 동안 실시간 클럭이 시간을 계속 유지할 수 있도록 한다. 대체 전원(5)은 리튬 이온 배터리 또는 슈퍼커패시터와 같은 배터리 전원일 수 있다.
수정 결정이 부피가 크고, 반도체 집적 회로들과 잘 통합되지 않기 때문에, MEMS 공진기들은 발진기 회로들을 구성할 때 전통적인 수정 결정에 대한 매력적인 대안이 되었다. 도 1의 (b)를 참조하면, 실시간 클럭(6)은 예로서, 쿼드 플랫 노-리드 패키지(QFN:quad flat no-leads package) 또는 랜드 그리드 어레이 패키지(LGA: land grid array package)와 같은 하지만 이제 제한되는 것은 아닌 동일한 집적 회로 패키지 내에 함께 패키징 될 수 있는 실시간 클럭 칩(7) 및 MEMS 공진기를 포함하는 실시간 클럭 집적 회로를 사용하여 형성된다. MEMS 공진기(8)는 정확한 기준 주파수를 제공한다. 실시간 클럭 칩(7)은 발진기 회로(2) 및 RTC 회로(3)를 포함하는 지원 회로의 모두를 수용한다. 따라서 MEMS 공진기가 집적되며, 실시간 클럭의 크기는 감소된다. 게다가, MEMS 공진기는 더 넓은 온도 범위에 걸친 더 많은 일관된 안정성과 충격 및 진동과 같은 환경 요인들에 대한 더 나은 저항과 같은 추가적 이점들을 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 다음 상세한 설명 및 첨부 도면들에 개시된다.
본 발명은 장치; 시스템; 및/또는 물질의 구성을, 하나의 프로세스로서 포함한, 다수의 방식들로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 이들 구현들, 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형태는 기술들로서 불리울 수 있다. 일반적으로, 개시된 프로세스들의 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들에 대한 상세한 설명은 본 발명의 원리들을 예시하는 수반되는 도면들과 함께 이하에서 제공된다. 본 발명은 이러한 실시예들과 관련되어 설명되지만, 본 발명은 임의의 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 단지 청구항들에 의해서만 제한되며 본 발명은 다수의 대안들, 수정들, 및 등가물들을 포함한다. 다수의 특정 상세들은 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 다음의 설명에서 제시된다. 이들 상세들은 예의 목적을 위해 제공되며 본 발명은 이들 특정 상세들의 일부 또는 모두 없이 청구항들에 따라 실시될 수 있다. 명료함의 목적을 위해, 본 발명에 관련된 기술 분야들에서 알려져 있는 기술적 자료는 본 발명이 불필요하게 모호해지지 않도록 상세히 설명되지 않았다.
본 발명의 실시예들에 따라서, 복합 스프링 MEMS 공진기는 복합 스프링 블록을 형성하는 하나 이상의 스프링 유닛 셀들 및 공진기 바디를 형성하는 하나 이상의 복합 스프링 블록들을 사용하여 구성된 공진기 바디를 포함한다. 각 복합 스프링 블록은 절점들(nodal points)에 고정되어 고품질(Q) 인자를 보장한다. 공진기 바디는 또한 복합 스프링 블록의 개방 단부들에 부착되고 구동/감지 전극들에 용량적으로 결합된 질량체들(masses)을 포함한다. 스프링 유닛 셀을 형성하는 빔들의 길이 및 폭, 복합 스프링 블록을 위한 스프링 유닛 셀들의 수 및 질량체들의 크기 및 중량을 포함하는 스프링 유닛 셀의 치수들은 원하는 공진 주파수를 실현하도록 선택된다. 한편, 복합 스프링 블록들의 수와 전술한 치수 및 구성 인자들은 MEMS 공진기의 인피던스와 같은 원하는 전기적 특징들을 튜닝하기 위해 선택된다.
본 발명의 다른 실시예들에 따라서, 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기는 센터 앵커(center anchor) 및 센터 앵커로부터 외부 폐쇄 링으로 나선형 패턴으로 연장되는 2개 이상의 코일 스프링들을 포함하는 공진기 바디를 포함한다. 코일 스프링들의 각 쌍은 센터 앵커의 반대 지점들에서 시작하여 나선형 패턴으로 외부 링의 반대 지점들까지 연장된다. 코일 스프링들의 수, 코일 스프링들의 길이 및 폭, 및 외부 링의 중량은 원하는 공진 주파수를 실현하도록 선택된다.
본 명세서에서, MEMS 공진기는 안정되고 정확한 공진 주파수에서 진동하는 작은 전기기계적 구조를 지칭한다. 본 발명의 실시예들에서, MEMS 공진기는 기계적 공진 진동으로 여기될 수 있는 실리콘 스프링-질량체 시스템이다. MEMS 공진기는 유지 증폭기에 의해 구동되어 출력 주파수를 생성하기 위해 연속 발진으로 진동한다. 특히, 유지 증폭기는 공진기 운동을 검출하고 공진기 운동을 원하는 진폭들로 유지하면서 공진기 내로 추가 에너지를 구동한다. 공진 진동은 감지되어 공진기의 공진 주파수를 갖는 전기신호로 변환된다. MEMS 공진기는 MEMS 발진기들 및 실시간 클럭들을 형성하는 응용을 갖는다.
본 발명의 MEMS 공진기들은 종래의 MEMS 공진기들에 비해 많은 이점들을 실현한다. 첫째, 본 발명의 MEMS 공진기들은 저주파 진동에 대해 최적화된다. 저주파 동작을 위해 구성된 종래의 MEMS 공진기들은 전형적으로 큰 공진기 바디 크기를 필요로 한다. 본 발명의 실시예들에서, 복합 스프링 및 코일 스프링 MEMS 공진기들은 저주파수 출력을 위해 공진기를 최적화하면서 공진기 바디의 물리적 크기를 최소화한다. 한편, 본 발명의 MEMS 공진기들은 발진기 또는 실시간 클럭 응용에서 중요한 파라미터인 낮은 운동 임피던스를 실현할 수 있다.
둘째, 적층형 스프링 유닛 셀들을 사용하여 형성된 복합 스프링 MEMS 공진기는 소형 영역에서 양호한 기계적 안정성을 유지하면서 낮은 강성을 실현한다. 본 발명의 복합 스프링 MEMS 공진기는 예측 가능한 온도 거동을 갖는 동작에서 안정되고 고품질 인자를 달성한다.
마지막으로, 다수의 코일 스프링 공진기는 중앙의 기판에 고정된다. 단일 센터 앵커만을 사용함으로써, 다수의 코일 스프링 공진기의 공진 주파수는 기판 또는 패키지 응력에 덜 민감하다. 따라서, 본 발명의 다수의 코일 스프링 공진기는 또한 고품질 인자로 작동시 안정성을 달성한다.
도 1은 도 1의 (a) 및 도 1의 (b)를 포함하고, 종래의 실시간 클럭 회로들을 도시한 도면.
도 2는 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)를 포함하고, 일부 실시예들에서 본 발명의 MEMS 공진기를 통합하는 실시간 클럭 회로 및 MEMS 발진기 회로를 도시한 도면.
도 3은 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 포함하고, 본 발명의 일부 실시예들에서 복합 스프링 MEMS 공진기의 투시도 및 상면도를 포함하는 도면.
도 4는 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)를 포함하고, 본 발명의 실시예들에서의 스프링 유닛 셀의 투시도 및 상면도를 포함하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예들에서 다수의 공진기 유닛들을 포함하는 복합 스프링 MEMS 공진기의 투시도.
도 6은 일부 실시예들에서 도 5의 복합 스프링 MEMS 공진기의 상면도.
도 7은 일부 실시예들에서 라인 A-A'를 따른 도 6의 복합 스프링 MEMS 공진기의 단면도.
도 8은 도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)를 포함하고, 일부 실시예들에서 도 6의 MEMS 공진기의 고조파 운동을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 대안 실시예들에서 릴리즈 홀들(release holes)을 포함하는 복합 스프링 MEMS 공진기의 투시도.
도 10은 본 발명의 실시예들에서 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 투시도.
도 11은 본 발명의 실시예들에서 구동 및 감지 전극들을 통합하는 도 10의 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 투시도.
도 12는 일부 실시예들에서 도 11의 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 상면도.
도 13은 일부 실시예들에서 라인 B-B'를 따른 도 12의 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 단면도.
도 14는 도 14의 (a) 및 도 14의 (b)를 포함하고, 일부 실시예들에서 도 10의 MEMS 공진기의 고조파 운동을 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 대안 실시예들에서 릴리즈 홀들이 없는 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 투시도.
일부 응용들에서, 본 발명의 MEMS 공진기들은 발진기 회로에 대한 주파수 소스로서 사용된다. 특히, 본 발명의 MEMS 공진기들은 실시간 클럭들이 온도 변화들에 대해 정확한 시간을 유지할 수 있게 하는 실시간 클럭 회로들에 대해 안정되고 정확한 기준 클럭을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 MEMS 공진기는 실시간 클럭 회로들에 유용한 32.768kHz 또는 32.768kHz의 배수의 출력 주파수를 제공하는 MEMS 발진기를 구성하기 위해 사용된다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)를 포함하는 도 2는, 일부 실시예들에서 본 발명의 MEMS 공진기를 통합하는 실시간 클럭 회로 및 MEMS 발진기 회로를 도시한다. 도 2의 (a)를 참조하면, 실시간 클럭 집적 회로로서 제공되는 실시간 클럭(10)은, 동일한 집적 회로에 함께 패키징되거나 동일한 반도체 기판 상에 형성되는 실시간 클럭 칩(11) 및 MEMS 공진기(12)를 포함한다. MEMS 공진기(12)는 후술되는 복합 스프링 MEMS 공진기 또는 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기로서 구현될 수 있다. MEMS 공진기(12)는 실시간 클럭 칩(11) 상에 형성된 발진기 회로(13)에 대해 정확한 기준 주파수를 제공한다. 시간-기반 응용들에서, MEMS 공진기(12)는 32.768kHz 또는 32.768kHz의 배수에서 공진하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, MEMS 공진기(12)는 524.288kHz(16x) 또는 262.144kHz(8x)에서 공진하도록 구성된다. 실시간 클럭 회로의 위상-동기 루프(PLL)는 MEMS 공진 주파수를 분할하여 원하는 32.768kHz 주파수로 하향시킨다. 이런 식으로, MEMS 공진기(12)는 더 작아져서 비용을 절감할 수 있는 동시에 실시간 클럭은 주파수 분할 동작 동안 잡음을 개선할 수 있다.
실시간 클럭 칩(11)은 신호 증폭, 클럭 분할, 및 다른 시간 유지 기능들을 제공하기 위해 실시간 클럭(10)을 위한 모든 지원 회로를 수용한다. 본 실시예에서, 실시간 클럭 칩(11)은 32.768kHz와 같이 안정된 클럭 신호를 제공하는 발진기 회로(13)를 포함한다. 특히, 32.768kHz 또는 32.768kHz의 배수인 원하는 기준 주파수를 갖는 감지된 신호를 생성하도록, 발진기 회로(13)는 MEMS 공진기(12)를 구동한다. 발진기 회로(13)는 32.768kHz의 주파수를 갖는 클럭 신호를 기준 클럭 신호로서 제공한다. 실시간 클럭 칩(11)은 또한 기준 클럭 신호에 기초하여 주파수의 범위에 걸쳐 출력 클럭 신호를 생성하는 클럭 분할기(clock divider)를 포함한다. 예를 들어, 출력 클럭 신호는 1Hz 내지 32kHz의 주파수를 가질 수 있다. 실시간 클럭 칩(11)은 또한 제어를 제공하고 다른 시간 베이스 또는 시간유지 함수 기능들을 실현하는 제어 논리 회로(15) 및 메모리(16)를 포함한다. 도 2의 (a)에 도시된 실시간 클럭(10)의 개략도는 단지 예시적인 것이며 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 실제 구현에서, 실시간 클럭(10)은 도 2의 (a)의 예시적 개략도에 도시되지 않은 다른 회로를 포함할 수 있다.
실시간 클럭(10)은 대개 대체 전원(5)을 포함하여, 실시간 클럭이 주 전원 공급원이 꺼져있거나 사용할 수 없게 되는 동안 시간을 계속 유지할 수 있게 한다. 대체 전원(5)은 리튬 이온 배터리 또는 슈퍼커패시터와 같은 배터리 전원일 수 있다.
도 2의 (b)는 일부 실시예들에서 MEMS 발진기의 예시적 구조를 도시한다. 도 2의 (b)를 참조하면, MEMS 발진기(13)는 MEMS 공진기(12)를 연속 운동으로 구동하여 기준 주파수로서 출력 주파수를 생성하도록 구성된 유지 증폭기(22)를 포함한다. 기준 주파수는 MEMS 공진기의 공진 주파수이며, 32.768kHz 또는 32.768kHz의 배수로 설정된다. MEMS 발진기(13)는 또한 MEMS 공진기(12)의 공진 진동을 감지하도록 구성된다. 감지 신호는 위상-동기 루프(PLL)(23)에 기준 주파수로서 제공된다. PLL은 기준 주파수에서 또는 기준 주파수의 함수로서 클럭 신호를 생성한다. 발진기 회로(13)는 다운스트림 실시간 클럭 회로에 의한 사용을 위해 기준 클럭 신호를 생성하기 위한 출력 드라이버(24)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 기준 클럭 신호는 32.768kHz의 주파수를 갖는다.
복합 스프링 MEMS 공진기
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 포함하는 도 3은 본 발명의 실시예들에서 복합 스프링 MEMS 공진기의 투시도 및 상면도를 포함한다. 도 3을 참조하면, 복합 스프링 MEMS 공진기(50)는 기판(도시되지 않음) 위에 매달려있고, 한 쌍의 분리 앵커들(56)을 통해 기판에 고정된 한 쌍의 연결된 스프링-질량체 시스템들(54)로 형성된 공진기 바디(52)를 포함한다. 특히, 공진기 바디(52)는 베이스-대-베이스 방식으로 연결되고 기판 위에 매달려 있는 제 1 스프링-질량체 시스템(54a)("스프링-질량체 섹션 1") 및 제 2 스프링-질량체 시스템(54b)("스프링-질량체 섹션 2")를 포함하고, 스프링-질량체 시스템들(54)이 분리 앵커들(56)을 통해 기판에 고정되는 절점들에서 그 상대 운동들 및 후속 응력들은 상쇄되게 된다.
스프링-질량체 시스템들(54)에서, 스프링-질량체 섹션들 1, 2는 각각 질량체의 개방 단부에 부착된 스프링 구조에 의해 형성된다. 본 발명의 실시예들에서, 스프링-질량체 섹션들 1, 2의 각각은 복합 스프링 구조를 형성하도록 적층된 스프링 유닛 셀들을 사용하여 형성된다. 도 3의 (b)에서, MEMS 공진기(50)는 스프링 유닛 셀들의 접힌 스프링 구조(folded spring structure)를 예시하기 위해 해치 패턴으로 스프링 유닛 셀 구조와 함께 도시된다. 복합 스프링 구조는 공진기의 원하는 강성을 얻기 위해 그리고 그에 따라 공진기의 주파수를 조정하기 위해 하나 이상의 스프링 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 스프링 유닛 셀들의 수는 MEMS 공진기에 대해 원하는 공진 주파수를 실현하도록 선택될 수 있다. 스프링-질량체 섹션들 1, 2의 복합 스프링 구조들은 베이스(절점)에 연결되어 단일 복합 스프링 블록(55)을 형성한다. 스프링-질량체 섹션 1에서, 복합 스프링 구조는 제 1 질량체(60a)에 대한 개방 단부에 부착된다. 스프링-질량체 섹션 2에서, 복합 스프링 구조는 제 2 질량체(60b)에 대한 개방 단부에 부착된다. 제 1 및 제 2 질량체(61a,b)의 크기 및 무게는 공진기의 공진 주파수를 튜닝하거나 조정하도록 선택된다. 또한, 제 1 및 제 2 질량체(60a,b)는 MEMS 공진기(50)의 입력 및 출력 전극들로서 기능하여 입력 구동 신호를 공진기 바디에 결합시키고 출력 감지 신호를 공진기 바디로부터 결합한다. 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 입력 및 출력 전극들은 용량성 결합을 통해 작동하여 스프링-질량체 시스템들(54)이 정전기적으로 구동되어 감지될 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예들에서, 스프링-질량체 시스템들(54)은 복합 스프링 구조들을 형성하도록 반복되어 연결되는 스프링 유닛 셀들(64)로 형성된다. 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)를 포함하는 도 4는 본 발명의 실시예들에서의 스프링 유닛 셀의 투시도 및 상면도를 포함한다. 도 4를 참조하면, 스프링 유닛 셀(64)은 소형인 접힌 스프링 구조를 갖는다. 본 실시예에서, 스프링 유닛 셀(64)은 직사각형의 접힌 스프링 구조를 갖는다. 스프링 유닛 셀(64)은 접힌 스프링 구조가 적층에 의해 반복되어 복합 스프링 구조를 형성할 수 있도록 설계된다. 이렇게 형성된 복합 스프링 구조는 안정된 상태를 유지하면서 스프링 질량체 시스템의 크기를 최소화한다. 적층된 스프링 유닛 셀로 형성된 복합 스프링 구조는 MEMS 공진기의 소형 영역에서 양호한 기계적 안정성을 유지하면서 낮은 강성을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, MEMS 공진기(50)의 공진 주파수는 스프링 유닛 셀의 치수들, 즉, 스프링 유닛 셀의 폭(W) 및 높이(H), 및 스프링 유닛 셀을 형성하는 빔들의 길이 및 폭에 의해 한정된다. MEMS 공진기(50)의 공진 주파수는 또한 복합 스프링 블록에 대한 스프링 유닛 셀들의 수와 질량체들의 크기 및 중량에 의해 한정된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, MEMS 공진기(50)에서, 공진기 바디(52)는 절점들에서 베이스-대-베이스 방식으로 연결된 스프링-질량체 섹션 1 및 스프링 질량체 섹션 2(54a,b)를 포함한다. 스프링-질량체 섹션들 1, 2는 분리 서스펜션 빔들(isolating suspension beams)(58)을 통해 앵커들(56)에 의해 절점들에서 기판에 고정된다. 즉, 앵커들(56)은 기판(도시되지 않음)에 연결되거나 부착되고, 스프링-질량체 섹션들 1, 2는 서스펜션 빔들(58)을 통해 절점들에서 앵커들(56)에 연결된다. 서스펜션 빔들(58)은 기판에 부착되지 않고, 기판 위쪽에 매달린다. 본 명세서에서, 절점들은 공진 진동 동안 실질적으로 움직이지 않거나 최소의 움직임만을 갖는 공진기 바디 상의 지점들을 지칭한다. 스프링-질량체 시스템들(54)을 절점들에 고정함으로써, MEMS 공진기는 고품질 인자를 달성할 수 있다. 각 분리 서스펜션 빔(58)은 절점들에서 복합 스프링 블록(55)을 앵커(56)에 연결한다. 분리 서스펜션 빔(58)은 앵커(56)로부터의 임의의 잔류 움직임 또는 환경 응력을 분리하는 기능을 하고, 그에 따라 스프링-질량체 시스템에서 진동 에너지를 유지하고 공진기의 품질 인자를 향상시킨다. 본 발명의 대안 실시예들에서, 서스펜션 빔들은 생략될 수 있고, 앵커들(56)은 절점들에서 공진기 바디에 직접 부착될 수 있다.
일부 실시예들에서, MEMS 공진기(50)는 20-30㎛의 두께를 갖는 실리콘층을 패터닝하고 에칭함으로써 형성된다. 따라서, MEMS 공진기(50)는 약 20-30㎛의 두께를 갖는다. 스프링 유닛 셀(64)은 56㎛의 폭(W)과 15㎛의 높이(H)를 가지며, 접힌 스프링 구조를 형성하는 3㎛ 폭의 빔들로 구성된다. 본 실시예에서, 스프링-질량체 섹션들 1 및 2(54a 및 54b)는 각각 3개의 스프링 유닛 셀들을 사용하여 형성된다. 질량체(60a 및 60b)는 각각 56㎛×22㎛의 치수를 갖는다. 서스펜션 빔(58)은 13㎛×30㎛의 치수를 갖는다. 앵커(56)는 30㎛×30㎛의 치수를 갖는다. 복합 스프링 공진기의 결과 공진 주파수는 약 524kHz이다.
본 발명의 실시예들에서, MEMS 공진기(50)는 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 도전성 재료를 사용하여 형성된다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 본 발명의 MEMS 공진기는 표준 CMOS 제조 공정들을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, MEMS 공진기는 실리콘-온-인슐레이터(SOI:silicon-on-insulator) 웨이퍼 상에 형성된다. 즉, MEMS 공진기는 그 안에 절연층이 형성된 기판상에 형성된 실리콘층에 형성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 그 위에 2㎛의 실리콘 산화물이 형성된 실리콘 베이스 층은 기판으로서 사용될 수 있다. 폴리실리콘층 또는 단결정 실리콘층일 수 있는 실리콘층은 기판 상에 형성되고, 실리콘층은 MEMS 공진기를 형성하도록 패터닝된다.
일부 실시예들에서, 스프링-질량체 시스템들, 서스펜션 빔들, 및 앵커들을 포함하는 공진기 바디는 기판 상에 형성된 실리콘층 상에 리소그래피로 패터닝된 공진기 구조를 가짐으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘층은 단결정 실리콘이고 20-30㎛의 두께를 갖는다. 실리콘층은 스프링, 질량체, 서스펜션 빔들, 및 앵커들을 포함하는 공진기 구조로 패터닝된다. 그 다음, 실리콘층은 예로서 불화 수소산을 사용하는 습식 에칭 공정을 사용하여 에칭되어, 앵커들을 제외하고 공진기 스프링 및 질량체 구조를 릴리즈된다. 에칭 공정 후에, 앵커들은 기판에 부착된 채로 남아있는 반면, 공진기 바디는 하부 기판으로부터 릴리즈된다. 일부 실시예들에서, 릴리즈 홀들(release holes)은 하부 기판으로부터의 공진기 바디의 에칭 및 릴리즈를 용이하게 하기 위해 질량체(60a,b)에 포함될 수 있다. 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 릴리즈 홀들은 또한 질량체의 중량이 MEMS 공진기의 공진 주파수를 튜닝하도록 조정될 수 있게 한다.
일부 실시예들에서, MEMS 공진기(50)는 정전기 변환에 기초하여 동작된다. MEMS 공진기(50)는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 기판에 연결되거나 부착되는 구동 전극 및 감지 전극을 갖는 좁고 잘 제어된 갭들을 형성한다. 예를 들어, 감지 전극(68)이 질량체(60b)에 용량적으로 결합될 수 있는 반면, 구동 전극(66)은 질량체(60a)에 용량적으로 결합될 수 있다. 구동/감지 전극과 질량체 사이의 갭은 일반적으로 약 1μm 이하 정도의 작은 에어 갭이다. 정전기 변환 작용을 통해, MEMS 공진기는 공진 진동으로 구동된다. 공진 진동은 감지되어 잘-한정되고 정확한 주파수를 갖는 전기 신호로 변환된다. 공진기 구조 및 전극들이 대칭적이고, 따라서 구동 및 감지 전극들이 상호 교환될 수 있음을 주목한다.
상술된 도 3에 도시된 실시예에서, 공진기 바디 내의 단일 복합 스프링 구조를 포함하는 MEMS 공진기가 설명된다. 상술된 바와 같이, 스프링 유닛 셀을 형성하는 빔들의 치수들 및 복합 스프링 블록 내의 스프링 유닛 셀들의 수를 포함하는 스프링 유닛 셀의 치수들은 MEMS 공진기의 공진 주파수를 튜닝하도록 선택된다. 더욱이, 복합 스프링 블록의 개방 단부들에서의 질량체의 크기 및 중량은 MEMS 공진기의 공진 주파수를 튜닝하도록 또한 선택된다. 일부 실시예들에서, 도 3의 공진기 바디는 공진기 유닛이 전기적 특성들뿐만 아니라 원하는 주파수를 갖는 MEMS 공진기를 형성하도록 반복되어 병렬로 연결될 수 있는 공진기 유닛을 나타낸다. 특히, 스프링 유닛 셀 치수들, 블럭 내의 스프링 유닛 셀들의 수, 및 질량체들의 크기 및 중량과 같은 인자들이 MEMS 공진기의 효율적인 전기적 특성들에 기여하지만, MEMS 공진기의 전기적 특성들은 다수의 공진기 유닛을 병렬로 연결함으로써 추가로 조정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에서 다수의 공진기 유닛들을 포함하는 복합 스프링 MEMS 공진기의 투시도이다. 도 6은 일부 실시예들에서 도 5의 복합 스프링 MEMS 공진기의 상면도이다. 도 6에서, MEMS 공진기는 복합 스프링 블록을 형성하는데 사용된 스프링 유닛 셀들의 접힌 스프링 구조를 예시하기 위해 해치 패턴으로 스프링 유닛 셀 구조와 함께 도시된다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 복합 스프링 MEMS 공진기(70)는 공진기 바디를 형성하도록 병렬로 연결된 3 개의 공진기 유닛들(50a, 50b, 및 50c)을 사용하여 형성된다. 각 공진기 유닛(50a 내지 50c)은 도 3을 참조하여 상술된 것과 동일한 방식으로 구성된다. 더 구체적으로, 각 공진기 유닛은 3 개의 스프링 유닛 셀들로 형성된 스프링-질량체 섹션 1 및 3 개의 스프링 유닛 셀들로 형성된 스프링-질량체 섹션 2를 포함한다. 각 공진기 유닛에 대한 복합 스프링 블록은 서스펜션 빔들 및 앵커들에 의해 절점들에 고정된다. 2 개의 인접한 공진기 유닛들에 대한 앵커는 단일 앵커로 합병될 수 있다.
복합 스프링 블록들의 개방 단부들에 있는 질량체(74a 및 74b)는 병렬 연결을 실현하기 위해 단일 연속구조 또는 인접 구조로 형성된다. 질량체(74a)는 모든 공진기 유닛들의 스프링-질량체 섹션들 1의 개방 단부에 연결된다. 질량체(74b)는 모든 공진기 유닛들의 스프링-질량체 섹션들 2의 개방 단부에 연결된다. 질량체(74a)는 좁은 에어 갭 만큼 구동 전극(66)으로부터 분리되어 구동 전극(66)과 함께 커패시터를 형성한다. 질량체(74b)는 좁은 에어 갭 만큼 감지 전극(68)으로부터 분리되어 감지 전극(68)과 함께 커패시터를 형성한다. 구동/감지 전극과 질량체 사이의 에어 갭은 작고, 일반적으로 약 1㎛ 이하 정도이다. 공진기 구조 및 전극들은 대칭적이고, 따라서 구동 및 감지 전극들이 상호 교환될 수 있음을 주목한다. 더욱이, 복합 스프링 구조 및 질량체를 포함하는 공진기 바디가 기판 위쪽에 매달리는 반면, 구동 전극(66) 및 감지 전극(68)은 기판에 연결되거나 부착된다.
이렇게 구성된 바와 같이, 복합 스프링 MEMS 공진기(70)는 낮아진 유효 임피던스를 갖는 증가된 전극 면적을 실현한다. 특히, 제 1 및 제 2 질량체들(74a,b)은 각각 구동 전극(66) 및 감지 전극(68)에 용량성 결합을 위한 큰 전극 면적을 형성한다. 특히, 다수의 병렬로 연결된 공진기 유닛들의 제 1 개방 단부에서의 질량체(74a)는 구동 전극(66)에 용량적으로 결합되어 입력 구동 신호를 수신하는 반면, 다수의 병렬로 접속 공진기 유닛들의 제 2 개방 단부에서의 질량체(74b)는 감지 전극(68)에 용량적으로 결합되어 출력 감지 신호를 제공한다. 즉, 구동 전극(66)은 좁고 잘 제어된 갭 만큼 질량체(74a)로부터 분리되어, 구동 전극(66) 및 질량체(74a)가 커패시터를 형성하도록 한다. 유사하게, 감지 전극(68)은 좁고 잘 제어된 갭 만큼 질량체(74b)로부터 분리되어, 감지 전극(66) 및 질량체(74b)가 커패시터를 형성하도록 한다. 큰 전극 면적은 다수의 공진기 유닛들의 병렬 구성에 의해 가능해진다. 더욱이, 이와 같이 공진기 유닛들을 병렬로 연결함으로써, MEMS 공진기의 저항 또는 운동 임피던스가 감소되고, 이에 의해 MEMS 공진기(70)의 전기적 특성들을 향상시킨다.
따라서, 일부 실시예들에서, 본 발명의 복합 스프링 MEMS 공진기는, MEMS 공진기의 원하는 공진 주파수를 튜닝하기 위해 복합 스프링 블록을 위한 스프링 유닛 셀의 원하는 개수를 선택하고, MEMS 공진기의 원하는 공진기에 대한 원하는 전기적 특성들을 조정하기 위해 병렬 공진기 유닛들의 원하는 개수를 선택함으로써 형성될 수 있다. 특히, MEMS 공진기의 공진 주파수는 질량체(질량체(60a,b))의 크기(또는 치수)와 중량, 및 스프링 유닛 셀들의 수와 스프링 유닛 셀을 형성하는 빔들의 치수들을 포함하는 스프링 유닛 셀의 치수들에 의해 결정되는 스프링의 강성에 의해 튜닝된다. MEMS 공진기의 임피던스는 병렬로 연결된 공진기 유닛들의 수에 의해 튜닝된다.
도 7은 일부 실시예들에서 라인 A-A'를 따른 도 6의 복합 스프링 MEMS 공진기의 단면도이다. 도 7을 참조하면, MEMS 공진기(70)는 베이스 층(76) 상에 형성된 실리콘 산화물과 같은 실리콘 베이스 층(76) 및 절연체 층(77)을 포함하는 기판 상에 형성된다. 공진기 구조는 단결정 또는 다결정 실리콘층과 같은 실리콘층(78)에 형성된다. 실리콘층(78)은 20-30㎛ 두께 일 수 있다. 실리콘층(78)은 리소그래피로 패터닝되고 이후, 예로서 불화 수소산을 사용하는 습식 에칭과 같이 에칭되어 스프링 구조를 릴리즈한다. 습식 에칭으로부터의 언더커팅(undercutting)은 앵커들을 통해 에칭하기에 충분하지 않기 때문에, 커다란 실리콘 구조인 앵커들(56)은 절연 층(77)에 부착된 상태로 유지된다.
도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)를 포함하는 도 8은 일부 실시예들에서 도 6의 MEMS 공진기의 고조파 운동을 도시한다. 도 8에 도시된 변위는 설명의 목적으로 과장된다. 실제로, MEMS 공진기의 움직임은 작아서 질량체와 구동/감지 전극들 사이의 좁은 에어 갭 내에 남아있게 된다. 예를 들어, 에어 갭이 1㎛일 때, MEMS 공진기의 스프링 구조는 1㎛ 미만의 변위를 갖는다. MEMS 공진기(70)의 동작은 도 6 및 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
본 발명의 실시예들에서, MEMS 공진기(70)는 정전기적으로 구동되어 감지된다. MEMS 공진기를 작동시키기 위해, DC 전압 및 작은 AC 신호가 구동 전극(66)에 인가된다. 그 다음, 질량체(74a)는 구동 전극(66)에 의해 에어 갭을 통해 용량적으로 구동된다. 구동 전압의 결과로, 복합 스프링 블록이 진동한다. 더 구체적으로, MEMS 공진기 내의 복합 스프링 구조는 제 1 위치(도 8의 (a))에서 시작하여 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 2 개의 단부들에서 질량체를 구동/감지 전극들(도시되지 않음)을 향해 밀어내도록 외측으로 확장(또는 신장)한다. 최대 진폭으로 신장된 복합 스프링 구조에 의해, 복합 스프링 구조는 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 제 1 위치로 되돌아간다. MEMS 공진기(70)가 구동됨에 따라 복합 스프링 구조의 고조파 운동은 공진 주파수에서 반복한다. 앵커가 복합 스프링 구조들에 부착된 절점들에서, 복합 스프링 구조는 진동 움직임 동안 움직이지 않는다.
감지 전극(68)에 관한 질량체(74b)의 변위는 두 전극들 사이에 형성된 커패시터의 커패시턴스를 변경시킨다. 시간 변화 커패시터는 질량체(74b)와 감지 전극(68) 사이에 형성된다. 커패시턴스 변화를 감지하기 위해, 공진기 구조와 감지 전극(68) 사이에 DC 전압이 인가되고, 커패시턴스 변화를 나타내는 AC 전류가 생성된다. 감지 전극에서의 AC 전류는 정확한 주파수를 갖는 감지 신호를 생성하도록 감지된다. 일부 실시예들에서, MEMS 공진기(70)는 32.768kHz 또는 32.768kHz의 배수의 공진 주파수로 튜닝된다. MEMS 공진기(70)는 실시간 클럭 회로들에서 유용한 32.768kHz의 출력 주파수를 제공하는 MEMS 발진기를 구성하는데 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 대안 실시예들에서 릴리즈 홀들(release holes)을 포함하는 복합 스프링 MEMS 공진기의 투시도이다. 도 9를 참조하면, MEMS 공진기(90)는 도 5의 MEMS 공진기(70)와 동일한 방식으로 구성되지만, 복합 스프링 블록(95)의 개방 단부들에서 질량체(94a 및 94b) 내에 릴리즈 홀들(96)이 추가된다. 릴리즈 홀들(96)은 질량체(94a, 94b)의 중량을 조정하는 데 사용되는 동시에 제조의 용이함을 용이하게 한다. 특히, 질량체(94a 및 94b)의 중량은 질량체의 구조에 릴리즈 홀들(96)의 배열을 포함시킴으로써 튜닝될 수 있다. 질량체(94a, 94b)의 중량을 조정하는 것은 공진기 바디의 중량을 조정하고, 이는 차례로 MEMS 공진기의 공진 주파수를 튜닝한다. 더욱이, 릴리즈 홀들(96)은 부식액(etchant)이 들어가 공진기 구조 아래에서 에칭하기 위한 추가의 개구들을 제공함으로써 공진기 바디를 릴리즈하는 습식 에칭 공정을 향상시키고, 그에 따라 에칭 공정을 향상시키고, 공진기 구조의 릴리즈를 보장한다. 릴리즈 홀들(96)의 개수, 크기, 및 위치는 질량체의 중량을 조정하여 공진 주파수를 튜닝하고, 제조 중에 구조의 에칭을 향상시키도록 선택될 수 있다. 도 9의 릴리즈 홀들의 구성은 단지 예시적인 것이다.
본 발명의 복합 스프링 MEMS 공진기는 종래의 MEMS 공진기들에 비해 많은 이점들을 실현한다. 첫째, 본 발명의 복합 스프링 MEMS 공진기는 종래의 MEMS 공진기들에 비해 저주파수를 위한 소형사이즈를 실현할 수 있다. 둘째, 본 발명의 복합 스프링 MEMS 공진기는 실시간 클럭들과 같은 타이밍 또는 클럭 회로를 구성하기 위해 공진기가 적용될 때 주요 파라미터인 상대적으로 낮은 운동 임피던스를 실현할 수 있다. 셋째, 본 발명의 복합 스프링 MEMS 공진기는 대칭 공진 모드 형태를 가지며 공진기 바디의 절점들에 부착된 앵커들을 갖는다. 따라서, 본 발명의 복합 스프링 MEMS 공진기는 저손실 및 고품질 인자를 달성 할 수 있다.
다수의 코일 스프링 MEMS 공진기
도 10은 본 발명의 실시예들에서 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 투시도이다. 도 10을 참조하면, 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기(100)는 하나 이상의 코일 스프링들(102) 쌍에 의해 형성된 공진기 바디 및 기판(도시되지 않음) 위에 매달려 있고 센터 앵커(106)를 통해 기판에 고정된 외부 폐쇄 링(104)을 포함한다. 코일 스프링(102)들은 센터 앵커(106)로부터 외부 폐쇄 링(104)으로 나선형 패턴으로 연장된다. 코일 스프링들(102)의 각각의 쌍은 센터 앵커(106) 상의 대향하는 지점들로부터 시작하고 나선형 패턴으로 외부 링 구조(104) 상의 대향하는 지점들까지 연장된다. 도 10 및 이하 도면들에서, MEMS 공진기의 코일 스프링들은 코일 스프링 구조를 예시하기 위해 상이한 해치 패턴으로 도시된다.
더 구체적으로, 본 실시예에서, 제 1 코일 스프링(102a)은 센터 앵커 상의 제 1 위치로부터 시작하고, 센터 앵커(106) 주위의 완전한 원을 위해 나선형 패턴으로 연장되어 제 1 위치와 정렬된 위치에서의 외부 링(104) 상에서 종결한다. 제 2 코일 스프링(102b)은 제 1 위치에 대향하는 센터 앵커 상의 제 2 위치로부터 시작한다. 제 2 코일 스프링(102b)은 센터 앵커(106) 주위의 완전한 원을 위해 나선형 패턴으로 연장되어 제 2 위치와 정렬된 위치에서의 외부 링(104) 상에서 종결한다. 본 발명의 실시예들에서, 코일 스프링(102)은 센터 앵커로부터 외부 폐쇄 링으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 나선형이 될 수 있다. 본 발명의 MEMS 공진기의 특징은 긴 코일 스프링이 매우 작은 영역에서 낮은 스프링 상수를 제공하는 공진기 바디에서 긴 코일 스프링들의 사용이다. 본 실시예에서, 코일 스프링들은 센터 앵커 주위의 완전한 원으로 나선형 패턴으로 연장된다. 다른 실시예들에서, 코일 스프링은 센터 앵커 주위의 부분 원에서 나선형이 될 수 있다. 더욱이, 다른 실시예들에서, 코일 스프링은 완전한 원보다 더 큰 센터 앵커 둘레에서 나선형이 될 수 있다.
MEMS 공진기(100)의 공진기 바디는 또한 외부 링 구조(104)에 부착되고 외부 링(104)으로부터 외측으로 연장되는 한 세트의 전극들(108)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전극들(108)은 외부 링에 수직으로 형성된다. 전극들(108)은 구동신호를 공진기 바디에 결합시키고 감지 신호들을 공진기 바디로부터 결합시키는 변환기들로서 기능한다. 본 실시예에서, 8 개의 변환기들이 도시된다. 다른 실시예들에서, 임의의 수의 하나 이상의 변환기들(108)이 포함될 수 있다. 본 실시예에서 8 개의 변환기들의 사용은 단지 예시적인 것이며 이에 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
MEMS 공진기(100)에서, 코일 스프링들(102)의 쌍의 수, 코일 스프링들(102)의 길이 및 폭, 및 외부 폐쇄 링(104)의 중량은 원하는 공진 주파수를 실현하도록 선택된다. 도 10에 도시된 실시예에서, 외부 폐쇄 링(104) 및 전극들(108)은 릴리즈 홀들(130)을 갖고 형성된다. 릴리즈 홀들(130)은 MEMS 공진기의 공진 주파수를 튜닝하기 위하여 외부 링 및 전극들의 중량을 조정하는데 사용될 수 있다. 릴리즈 홀들(130)은 또한 제조 공정 동안 하부 기판으로부터 공진기 바디의 에칭 및 릴리즈를 용이하게하도록 기능한다.
대안의 실시예에서, 외부 링(104)은 질량체를 조절하고 따라서 공진 주파수를 조정하기 위해 릴리즈 홀 이외의 구조를 통합할 수 있다. 외부 링에 대한 구조들은 MEMS 공진기의 품질 인자에 영향을 주지 않고, 공진 주파수를 조정하기 위해 전기적으로 또는 레이저로 트리밍(trim)될 수 있다.
일 실시예에서, 외부 링(104)의 중량과 코일 스프링들(102)의 쌍들의 수 및 코일 스프링들(102)의 길이와 폭은 MEMS 공진기(100)가 저주파수 공진기로서 기능할 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 일 실시예에서, MEMS 공진기(100)는 타이밍 응용 또는 실시간 클럭들에 적합한 32.768kHz 또는 32.768kHz의 배수의 공진 주파수에 대해 구성된다.
일부 실시예들에서, MEMS 공진기(100)는 20-30㎛의 두께를 갖는 실리콘층을 패터닝하고 에칭함으로써 형성된다. 따라서, MEMS 공진기(100)는 약 20-30㎛의 두께를 갖는다. 센터 앵커는 92㎛의 직경을 갖는다. 외부 링은 187㎛의 내경 및 12㎛의 폭을 갖는다. 코일 스프링은 8.5㎛의 폭과 센터 앵커의 원주보다 긴 길이를 갖고, 외부 링의 내부 원주보다 작거나 클 수 있다. 그 결과 코일 스프링 공진기의 공진 주파수는 약 64kHz이다.
본 발명의 실시예들에서, MEMS 공진기(100)는 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 도전성 재료를 사용하여 형성된다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 본 발명의 MEMS 공진기는 표준 CMOS 제조 공정들을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, MEMS 공진기는 실리콘-온-인슐레이터(SOI:silicon-on-insulator) 웨이퍼 상에 형성된다. 즉, MEMS 공진기는 그 위에 절연층이 형성된 기판상에 형성된 실리콘층에 형성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 그 위에 2㎛의 실리콘 산화물이 형성된 실리콘 베이스 층은 기판으로서 사용될 수 있다. 폴리실리콘층 또는 단결정 실리콘층일 수 있는 실리콘층은 기판 상에 형성되고, 실리콘층은 MEMS 공진기를 형성하도록 패터닝된다.
일부 실시예들에서, 공진기 바디는 기판 상에 형성된 실리콘층 상에 리소그래피로 패터닝된 공진기 구조를 가짐으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘층은 단결정 실리콘이고 20-30㎛의 두께를 갖는다. 실리콘층은 코일 스프링, 외부 링, 및 센터 앵커를 포함하는 공진기 구조로 패터닝된다. 그 다음, 예로서 불화 수소산을 사용하는 습식 에칭 공정을 사용하여, 실리콘층은 앵커들을 제외하고 공진기 코일 스프링 및 폐쇄 링 구조를 릴리즈하도록(release) 에칭된다. 에칭 공정 후에, 센터 앵커들은 기판에 부착된 채로 남아있는 반면, 공진기 바디는 하부 기판으로부터 릴리즈된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 릴리즈 홀들(130)은 공진기 바디의 에칭 및 릴리즈를 용이하게 하기 위해 외부 링(104)에 포함될 수 있다. 상술된 바와 같이, 릴리즈 홀들은 또한 질량체의 중량이 공진 주파수를 튜닝하도록 조정될 수 있게 한다.
본 발명의 실시예들에서, MEMS 공진기(100)는 정전기 변환에 기초하여 동작된다. 외부 링(104)으로부터 연장하는 전극들은 구동 및 감지 전극들에 대한 결합을 위한 변환기들을 형성한다. 일부 실시예들에서, 변환기들은 정전기 빗살 구동(electrostatic comb drive)을 위해 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 변환기들은 정전기 평행 판 구동을 위해 구성될 수 있다. 도 11은 본 발명의 실시예들에서 구동 및 감지 전극들을 통합하는 도 10의 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 투시도이다. 도 12는 일부 실시예들에서 도 11의 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 상면도이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 본 실시예에서, MEMS 공진기(100)의 변환기들(108)은 평행 판 구동을 위해 구성된다. 각 변환기(108)는 구동 전극(110) 및 감지 전극(112)의 세트에 결합된다. 본 실시예에서, MEMS 공진기(100)는 8 개의 변환기들(108)을 포함한다. 따라서, MEMS 공진기의 여기를 위해 16 개의 구동/감지 전극들(110, 112)이 제공된다.
각 쌍의 구동/감지 전극들은 각각의 변환기(108)에 용량적으로 결합된다. 각 변환기는 기판에 연결되거나 부착되는 구동 전극 및 감지 전극과의 좁고 잘 제어된 갭 만큼 분리된다. 구동/감지 전극들과 변환기 사이의 갭은 일반적으로 약 1μm 이하 정도의 작은 에어 갭이다. 정전기 변환 작용을 통해, MEMS 공진기는 공진 진동으로 구동된다. 특히, 코일 스프링들 및 외부 링은 시계 또는 반 시계 방향들로 회전한다. 공진기 바디의 변위는 1㎛의 절반보다 작은 것과 같은 에어 갭보다 작다. 공진 진동은 감지되어 잘-한정되고 정확한 주파수를 갖는 전기 신호로 변환된다. 공진기 구조 및 전극들이 대칭적이고, 따라서 구동 및 감지 전극들이 상호 교환될 수 있음을 주목한다.
본 발명의 실시예들에서, 구동 전극들(110)은 동일한 위상을 갖는 DC 전압 및 AC 신호로 구동될 수 있다. 다른 실시예들에서, 구동 전극들(110)은 다른 위상들을 갖는 DC 전압 및 AC 신호로 구동될 수 있다.
도 13은 일부 실시예들에서 라인 B-B'를 따른 도 12의 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 단면도이다. 도 13을 참조하면, MEMS 공진기(100)는 베이스 층(120) 상에 형성된 실리콘 산화물과 같은 실리콘 베이스 층(120) 및 절연체 층(122)을 포함하는 기판 상에 형성된다. 공진기 구조는 단결정 또는 다결정 실리콘층과 같은 실리콘층(125)에 형성된다. 실리콘층(125)은 20-30㎛ 두께 일 수 있다. 실리콘층(125)은 코일 스프링 구조를 릴리즈하도록 리소그래피로 패터닝되고 이후 예로서 불화 수소산을 사용하는 습식 에칭과 같이 에칭된다. 습식 에칭으로부터의 언더커팅(undercutting)이 앵커들을 통해 에칭하기에 충분하지 않기 때문에, 커다란 실리콘 구조인 센터 앵커(106)는 절연 층(122)에 부착된 상태로 유지된다. 코일 스프링(102) 및 외부 링(104)은 하부 기판으로부터 매달려있다. 구동 및 감지 전극들(110 및 112)은 기판에 연결된 상태로 유지된다.
도 14의 (a) 및 도 14의 (b)를 포함하는 도 14는 일부 실시예들에서 도 10의 MEMS 공진기의 고조파 운동을 도시한다. 도 14에 도시된 변위는 설명의 목적으로 과장된다. 실제로, MEMS 공진기의 움직임은 작아서 변환기와 구동/감지 전극들 사이의 좁은 에어 갭 내에 남아있게 된다. 예를 들어, 에어 갭이 1㎛일 때, MEMS 공진기의 코일 스프링 및 외부 링 구조는 1㎛ 미만의 변위를 갖으며, 전형적으로 0.5 마이크론 정도이다. MEMS 공진기(100)의 동작은 도 12 및 도 14를 참조하여 설명될 것이다.
본 발명의 실시예들에서, MEMS 공진기(100)는 정전기적으로 구동되고 감지된다. MEMS 공진기를 작동시키기 위해, DC 전압 및 작은 AC 신호가 구동 전극(110)에 인가된다. 그 다음, 변환기(108)는 구동 전극(110)에 의해 에어 갭을 통해 용량적으로 구동된다. 구동 전압의 결과로, 코일 스프링 및 외부 링은 시계 방향으로 회전한다. 더 구체적으로, MEMS 공진기 내의 코일 스프링 및 외부 링 구조는 제 1 위치(도 14의 (a))에서 시작하여 도 14의 (b)에 도시된 바와 같은 제 2 위치를 향해 시계 방향으로 회전한다. 코일 스프링 및 외부 링 구조가 이런 식으로 회전되면, 코일 스프링 및 외부 링 구조는 반 시계 방향으로 도 14의 (a)에 도시된 제 1 위치로 다시 회전한다. MEMS 공진기(100)가 구동됨에 따라 코일 스프링 및 외부 링 구조의 고조파 운동은 공진 주파수에서 반복한다. 코일 스프링들이 센터 앵커에 부착된 지점들에서, 코일 스프링 구조는 진동 움직임 동안 움직이지 않는다.
감지 전극(112)에 관한 변환기(108)의 변위는 두 전극들 사이에 형성된 커패시터의 커패시턴스를 변경시킨다. 시간 변화 커패시터는 변환기(108)와 감지 전극(112) 사이에 형성된다. 커패시턴스 변화를 감지하기 위해, 공진기 구조와 감지 전극(112) 사이에 DC 전압이 인가되고, 커패시턴스 변화들을 나타내는 AC 전류가 생성된다. 감지 전극에서의 AC 전류는 정확한 주파수를 갖는 감지 신호를 생성하도록 감지된다. 일부 실시예들에서, MEMS 공진기(100)는 32.768kHz 또는 32.768kHz의 배수의 공진 주파수로 튜닝된다. MEMS 공진기(100)는 실시간 클럭 회로들에서 유용한 32.768kHz의 출력 주파수를 제공하는 MEMS 발진기를 구성하는데 사용될 수 있다.
MEMS 공진기(100)가 대칭 공진기 구조를 가지며, 따라서 구동 및 감지 전극들이 상호 교환될 수 있음을 주목하는 것이 유익하다. 또한, 코일 스프링 및 외부 링 구조는 반 시계 방향에서 시계 방향으로 회전하여 반복될 수 있다. 시계 방향 및 반 시계 방향 회전의 순서는 본 발명의 실시에 중요하지 않다.
도 15는 본 발명의 대안 실시예들에서 릴리즈 홀들이 없는 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기의 투시도이다. 도 15를 참조하면, MEMS 공진기(150)는 도 10의 MEMS 공진기(100)와 동일한 방식으로 구성되지만 릴리즈 홀들은 없다. 본 발명의 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기는 도 10에 도시된 릴리즈 홀들을 사용하여 형성되어 외부 링과 변환기들의 중량을 조정할 수 있다. 그러나, 릴리즈 홀들은 선택 사항이다. 도 15에 도시된 실시예에서, 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기는 릴리즈 홀들 없이 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기는 위부 링에는 릴리즈 홀을 갖지만, 변환기들 상에는 릴리즈 홀 없이 구성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 다수의 코일 스프링 MEMS 공진기는 변환기들에 릴리즈 홀들을 갖지만 외부 링 상에는 릴리즈 홀 없이 형성될 수 있다.
전술한 실시 예들이 이해의 명확성을 위한 목적으로 일부 상세히 설명되었지만, 본 발명은 제공된 세부 사항들에 제한되지 않는다. 발명을 실시하는 많은 대안 방식들이 존재한다. 개시된 실시예들은 예시적이지만 제한적이지 않다.

Claims (20)

  1. MEMS 공진기에 있어서:
    제 1 스프링-질량체 섹션 및 제 2 스프링-질량체 섹션을 포함하는 공진기 바디로서, 각 스프링-질량체 섹션은 베이스 단부 및 개방 단부를 갖는 복합 스프링 구조 및 상기 복합 스프링 구조의 상기 개방 단부에 부착된 질량체를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 스프링-질량체 섹션들은 상기 공진기 바디의 공진 진동 동안 상기 공진기 바디의 최소 움직임의 한 쌍의 절점들(nodal points)을 형성하는 상기 베이스 단부들에 연결되고, 상기 복합 스프링 구조는 하나 이상의 스프링 유닛 셀들로 형성되고, 각 스프링 유닛 셀은 대향하는 오목한 구조들을 형성하는 한 쌍의 접힌 내부 섹션들에 연결되는 한 쌍의 단부 섹션들을 포함하는 접힌 스프링 구조를 포함하는, 상기 공진기 바디;
    기판에 연결되고 상기 절점들에서 상기 공진기 바디의 대향 측면들에 부착된 한 쌍의 앵커들;
    형성되어 상기 기판에 부착되고 상기 제 1 스프링-질량체 섹션의 질량체에 용량적으로 결합된 구동 전극; 및
    형성되어 상기 기판에 부착되고 상기 제 2 스프링-질량체 섹션의 질량체에 용량적으로 결합된 감지 전극을 포함하는, MEMS 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서:
    상기 기판 위쪽에 매달리는 한 쌍의 서스펜션 빔들을 더 포함하고, 각 앵커는 상기 서스펜션 빔들 중 하나를 통해 상기 절점에서 상기 공진기 바디에 부착되는, MEMS 공진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 전극, 및 상기 제 1 스프링-질량체 섹션의 상기 질량체는 제 1 갭 만큼 분리되고, 상기 감지 전극, 및 상기 제 2 스프링-질량체 섹션의 상기 질량체는 제 2 갭 만큼 분리되고, 상기 제 1 및 제 2 갭들의 각각은 1㎛ 이하인, MEMS 공진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기 바디는 20-30㎛의 두께를 갖는, MEMS 공진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기 바디는 단결정 실리콘층 및 다결정 실리콘층 중 선택된 재료로 형성된, MEMS 공진기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 절연 층이 형성된 실리콘 베이스 층을 포함하는, MEMS 공진기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 유닛 셀은 직사각형의 접힌 스프링 구조를 포함하는, MEMS 공진기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    각 스프링-질량체 섹션 내의 상기 복합 스프링 구조의 상기 개방 단부에 부착된 상기 질량체는 그 안에 형성된 릴리즈 홀들(release holes)을 포함하고, 상기 릴리즈 홀들은 상기 질량체의 중량을 조정하는, MEMS 공진기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 접힌 스프링 구조를 형성하는 빔들의 치수들, 상기 복합 스프링 구조 내의 스프링 유닛 셀들의 수, 및 각 스프링-질량체 섹션 내의 크기 및 중량을 포함하는 상기 스프링 유닛 셀의 치수들은 상기 MEMS 공진기의 공진 주파수를 튜닝하도록 선택되는, MEMS 공진기.
  10. MEMS(microelectromechanical systems) 공진기에 있어서:
    복수의 공진기 유닛들을 포함하는 공진기 바디로서, 각 공진기 유닛은:
    제 1 스프링-질량체 섹션 및 제 2 스프링-질량체 섹션으로서, 각 스프링-질량체 섹션은 베이스 단부 및 개방 단부를 갖는 복합 스프링 구조 및 상기 복합 스프링 구조의 상기 개방 단부에 부착된 질량체를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 스프링-질량체 섹션들은 상기 공진기 유닛의 공진 진동 동안 상기 공진기 유닛의 최소 움직임의 한 쌍의 절점들(nodal points)을 형성하는 상기 베이스 단부들에 연결되고, 상기 복합 스프링 구조는 하나 이상의 스프링 유닛 셀들로 형성되고, 각 스프링 유닛 셀은 대향하는 오목한 구조들을 형성하는 한 쌍의 접힌 내부 섹션들에 연결되는 한 쌍의 단부 섹션들을 포함하는 접힌 스프링 구조를 포함하는, 상기 제 1 스프링-질량체 섹션 및 제 2 스프링-질량체 섹션; 및
    기판에 연결되고 상기 절점들에서 상기 공진기 유닛의 대향 측면들에 부착된 한 쌍의 앵커들을 포함하고,
    상기 복수의 공진기 유닛들 중 상기 제 1 스프링-질량체 섹션들의 질량체들은 제 1 질량체를 형성하도록 연속적인 구조로 형성되고, 상기 복수의 공진기 유닛들 중 상기 제 2 스프링-질량체 섹션들의 질량체들은 제 2 질량체를 형성하도록 연속적인 구조로 형성되고, 상기 제 1 질량체 및 상기 제 2 질량체는 상기 복수의 공진기 유닛들을 병렬로 연결하도록 형성되는, 상기 공진기 바디;
    형성되어, 상기 기판에 부착되고 상기 제 1 질량체에 용량적으로 결합된 구동 전극; 및
    형성되어, 상기 기판에 부착되고 상기 제 2 질량체에 용량적으로 결합된 감지 전극을 포함하는, MEMS 공진기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    각각의 공진기 유닛은 또한:
    상기 기판 위쪽에 매달린 한 쌍의 서스펜션 빔들을 더 포함하고, 각 앵커는 상기 서스펜션 빔들 중 하나를 통해 상기 절점에서 상기 공진기 유닛에 부착된, MEMS 공진기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 구동 전극 및 상기 제 1 질량체는 제 1 갭 만큼 분리되고, 상기 감지 전극 및 상기 제 2 질량체는 제 2 갭 만큼 분리되고, 상기 제 1 및 제 2 갭들의 각각은 1㎛ 이하인, MEMS 공진기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 공진기 바디는 20-30㎛의 두께를 갖는, MEMS 공진기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 공진기 바디는 단결정 실리콘층 및 다결정 실리콘층 중 선택된 재료로 형성되는, MEMS 공진기.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 절연 층이 형성된 실리콘 베이스 층을 포함하는, MEMS 공진기.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 스프링 유닛 셀은 직사각형의 접힌 스프링 구조를 포함하는, MEMS 공진기.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 질량체 및 상기 제 2 질량체는 각각 그 안에 형성된 릴리즈 홀들을 포함하고, 상기 릴리즈 홀들은 상기 제 1 또는 제 2 질량체의 중량을 조정하는, MEMS 공진기.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 접힌 스프링 구조를 형성하는 빔들의 치수들, 상기 복합 스프링 구조 내의 스프링 유닛 셀들의 수, 및 각 스프링-질량체 섹션 내의 질량체의 크기 및 중량을 포함하는 상기 스프링 유닛 셀의 치수들은 MEMS 공진기의 공진 주파수를 튜닝하도록 선택되는, MEMS 공진기.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 공진기 바디 내의 공진기 유닛들의 수는 MEMS 공진기의 원하는 전기적 특성을 얻도록 선택되는, MEMS 공진기.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 공진기 바디 내의 상기 공진기 유닛들의 수는 상기 MEMS 공진기의 원하는 운동 임피던스를 얻도록 선택되는, MEMS 공진기.
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