TW512551B - A structure of tuning fork resonator and a driving method thereof - Google Patents

Description

512551 五、發明說明（i) [發明之應用領域】 本發明係關於一種共振子結構及其驅動方法，特別是 關於一種應用於高頻通信之壓電驅動微機械式立 Α ^早 之結構及其驅動方法。 ^又 【發明背景】 目前震盈器（oscillator)在工業界被廣泛使用，預估 每年約需數百億個。主要的震盪器有電路式的感容震盪哭 (LC oscUlatoiO 以及晶體震靈器（crystal 等。其中语感容震盛器由於其仰賴電路當 感的穩定度，亦即，電容值與電感值的穩定户电谷=及= 旦發生電容或電感的不穩定時，即會產:又’於是，一 種狀況常常發生在溫度變化大以及電路 1的問題，這 為主的晶體震盪器則具有精確且溫度 ^寺。而以石英 率響應的穩定度相當優異。不過，由於曰土 $優點’其頻 特性並無法舆積體電路（I C )製程相容，曰曰體晨盪器的材料 晶體震盪器多採取外接的方式（〇ff— 1以，一般來說， 而運用晶體震盪器的問題在於其體2 p與電路相連接。 容等因素而影響其效能。所以，在^ ^大，且易因寄生電 :二j必需要發展出能夠更加微小、；：小化趨勢當 %達到高頻特性的震盪器。 、度佳、能夠整合 所制女；以上的需求，目前發展出了以μ 的微機械式震盪器，其中，有=機電（MEMS)方式 作 a /工、。垂直式共振子的製作方式搡跑Y式以及垂直式兩 不過，由此種製作方式所製作出4摩樑的方式製 ____ μ的震還器，由於共

第5頁 五、發明說明（2) :辰子底部被固定住，因此能 程上以及量測上的極限，亦 目：已達到製 水平式的共振子 二：T再縮小下去。另外， 值較大，1中，〇信\ ^玄里扣耗上的表現較佳，亦即，Q 過，水平；：Λ 功率7損耗功率之比(―）；不 動。此外目ί:通常由於尺寸較大無法達到高頻的振 並使用靜電式=微機電技術發展主流以梳狀結構為主， 無法再行縮小，頻率上也無法達到高=。’同樣地，體積上 因為；ί戶二;以；機：方式所製作出來的震盘器，雖然 -般i溫度特性及穩定性表現皆#，不過， :問題。如何解決這些問題，成為微機2;”態範圍 盪器的研究目標。 钱械方式所製出之震 【發明之目的及概述】 鑒於以上習知技術的問題，本發 :動微機械式音又共振子之結構，能鱼二：種高頻壓電 、-合，並藉由運用單晶材料以達到 丄電路(1C)製程 的高Q值與高穩定度。 上鉍石英材料相同 本發明之另一目的，除了提供一種古 械式音又共振子之結構藉由結構縮小=壓電驅動微機 之目的，另用兩平行壓電薄膜來產生 j共振頻率上升 震盪的效果。 例向力’以產生水平 本發明之另一目的在於，運用音又沾 降低能量損耗，並結合真空接合封裳技單晶材料來 乂減少外在環境 512551 五、發明說明（3) 造成的能量損耗。 1 ^音叉結構被廣泛使用來製造石英共振子，因為他能提 供同Q值，但是石英本身為壓電材料及其電極必須環繞其 懸臂樑，、如果想要以微機電方式製作必須面臨一般使用之 底^热，電性且不易製作環繞式電極，如採用靜電驅動/ 電谷或>£阻式感測皆不易做小，本發明可解決上述問題。 依據本發明所揭露的技術，本發明更提供一種音叉共 之結包含：—平行力平衡音叉結構層，以單晶材 槿屏構成；及一平行式薄膜驅動器’沉積於平行力平衡結 一 ^上’包括了相互平行之第一驅動層與第二驅動層，第 上驅，層則平行對應於第一驅動層分別位於音叉的二根臂 第一驅動層舆第二驅動層能各別產生伸張與收縮，用 ”、、區，該平行力平衡結構層以產生水平振動。 第一驅動層與該第二驅動層都包含了：一底電極，直 積Hi該平行力平衡結構層上；一壓電驅動薄膜層，沉 =a ^電極上；一上電極，沉積在壓電薄膜層上；只要据 第:弟一驅動層與第二驅動層不同的電壓，第一驅動層與 張；ί Ϊ層：ί:::的電壓值各別產生收縮與伸張或伸 振動。鈿9又/、振子即會被驅動，作往複的反向的平行 成，ί t二土述驅動薄膜層可以壓電㈣或者#電材料紫 j。而上電極與底電極則可以…金、黃金等···材::二 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明

第7頁 五、發明說明（4) ---------- 顯易懂，下文姓斑 > L >、 f牛數個較佳實施例，並配合所附圖式，作 评細說明如下： Mi" 【發明之詳細說明】 囷」’曰叉結構100示意圖所示，從圖中可發 11叉結構10 〇係包含音叉的兩個懸臂樑，或者，可設計 二/、他力平衡結構，以提供力平衡而使能量損耗降低；音 =、、了，可運用 S〇i(silic〇n 〇n insulat〇r)晶片，並利用 豆f微細加工之方式製作。製作過程的晶體材料，則可運 用單曰曰材料如單晶矽等。如此，透過力平衡結構使能量損 ，降=，並運用單晶材料來提高Q值；音叉的共振頻率（f) 叉到音又尺度大小的影響，因此，利用微機電（MEMS)技術 縮小本發明的音又結構丨〇〇的尺寸，即可以達到高頻的頻 率響應。 ' 然而’如何讓上述的音叉結構1 0 0驅動，成為本發明 的重點。首先’因為目前的積體電路製程所製造出的產品 均為一平面結構，如何讓本發明的音叉結構能以水平的方 向來振動，成為本發明首要必須解決的問題。最後，則是 如何偵測音叉結構所產生的振動。 以上的問題，可透過本發明的設計加以解決，亦即， 在音叉的兩個懸臂樑的上方分別設計薄膜驅動器，請參考 「第2圖」。如「第2圖」所示，本發明採用兩平行薄膜驅 動器，其包含第一驅動層210/220與第二驅動層230/240， 其中，第一驅動層210/220與第二驅動層230/240均由底電 極201、驅動薄膜2 02與上電極203所組成。本例中，驅動

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薄膜202採田+同、_ 運用範圍，驅動Y’可為m或2110 °在較高頻率的 圍則可運用〇2可運用壓電材料，較嶋 構，但原理:才料，熱電驅動結構不同於上述壓電結 極性不同而w ^相同。以壓電材料為例，驅動層會因電壓 或者伸带而太鈿或伸張，拉動音叉的兩個懸臂樑產生收縮 許 ^ 生振動；而振動的方向則可藉由本發明之設 :7平的振動；同時，可透過驅動薄膜的形變頻率 而產生電壓的變化頻率。 文领手 $外’上電極2 0 3與底電極2 0 1的材料則可以選自鋁、 白金等材料。 ^ θ % 、再，進步說明音叉如何開始振動，以下舉驅動薄膜 2>0 2，為電材料為例。如「第2圖」所示，薄膜驅動器的設 "十係，曰又的兩個懸臂樑上各設計二個平行的驅動薄膜結 構如第一驅動層2 1 0/22 0與第二驅動層2 30/240，此兩驅動 結構均包含底電極2〇1、驅動薄膜2〇2與上電極2〇3。只要 於第一驅動層210/220與第二驅動層230/240加上不同的電 壓時’也就是說，分別於第一驅動層2丨〇 / 2 2 〇的上電極2 〇 3 與底電極2 01加上一個電壓，而於第二驅動層23〇/24〇的上 電極2 0 3與底電極2 〇 1加上不同極性的電壓；亦即，第一驅 動層210/220上的第一電壓與第二驅動層230/240上的第二 電壓’兩者的電壓不同且極性相反，而位於其中的驅動薄 膜202即會因第一驅動層210/220與第二驅動層230/240兩 端電壓與極性的差異而造成一個收縮而另一個伸張。例 如，當第一驅動層210/220收縮而第二驅動層230/240伸張

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五、發明說明（6) 時，則音又結構的兩個懸臂樑為向内縮；而第一驅動層 2 1 0 / 2 2 0伸張而第二驅動層2 3 0 / 2 4 0收縮時，則音又結構的 兩個懸臂樑為向外擴。如此，音叉結構1 00的兩個懸臂標 即會因第一驅動層210/220與第二驅動層230/240的對稱奸 構，而成為同時向外伸張或者向内收縮。因此，控制第二 驅動層2 1 0/220與第二驅動層230/2 40的電壓大小，即可控 制一開始音叉結構1 〇 〇的收縮與伸張的尺度，亦即，位移 一旦音叉結構1 〇 〇產生了向内收縮或向外伸張的情形 後，只要持續供給第一驅動層2 1 0/ 220與第二驅動層 230/240特定頻率之交流電壓，讓第—驅動層2ι〇/2θ2〇與第 二驅動層230/240產生不斷地向内收縮與向外伸張的動 音又結構100即可產生水平式振動。此特定頻率之頻 1值，須依據本發明之音差結構的共振頻率來給定。同 ^，此振動所產生的頻率值亦可透過另—端感測声 ::作)所感應到的應力轉變為電壓變化的週期，曰加以直 接偵測。 此外，需善加利用整個音叉結構丨〇 〇 t ’設計時必須考慮驅動及感應部分，其必須：貝 /、他不必要的高頻振動述結這門：= 容易許多。在製程上，：,來 古瓖缚膜驅動器製作上 裝，讓音叉結構的環境成”空接合(bonding)封 所帶來之損耗。 兄成為真工’如此即可減少空氣阻尼

第10頁 512551 五、發明說明（7) 具體的實施狀況請參考「第3圖」與下面的「第1 表」，本發明之音叉結構大小及其共振模態圖，其說明了 經過實際模擬，在共振頻率為每秒1 0百萬次（MHz )時，所 需的音叉結構大小與其共振模態。此時音叉長寬皆可達1 0 微米（mm )以上，不需複雜先進之製程技術。 L1 12 13 W3 W1 W2 Η W4 頻率(KHz 模態# 大 35 20 3 5 10 10 3 1.5 10538 8 第1表 其中，L表懸臂樑的長度 W表懸臂樑的寬度 Η表懸臂樑的厚度 「第4Α〜4Β圖」說明了本發明之音叉共振子之模擬結 果，藉由「第2圖」之第一與第二不同極性電壓，可以看 出音叉結構所做出的左右不同方向的平行位移。 在實作上，除了兩臂式的懸臂樑的設計，亦可以三臂 式的懸臂樑的方式來設計。也就是，只要運用對稱的平行 力平衡結構即可達到本發明所要求的目的。 【發明之功效】 依據本發明所揭露的技術，利用本發明所提供之高頻 壓電驅動微機械式音叉共振子之結構，即可達到高頻震 盪、穩定性高、Q值高且與一般的積體電路製程相容之優

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512551 圖式簡單說明 第1圖為音叉結構示意圖； 第2圖為本發明之音叉共振子具體實施例之結構示意 圖， 第3圖為本發明之音叉結構大小及其共振模態圖；及 第4A〜4B圖為本發明之音叉共振子之模擬結果。 【圖示符號說明】

100 本發明之音叉結構 201 底電極 202 驅動薄膜 203 上電極 210 第一驅動層 220 第一驅動層 230 第二驅動層 240 第二驅動層

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Claims (1)

1. 512551 六、申請專利批圍 用以 】·一種音叉共振子之結構，係運用微機⑽闕製程之體 型微細：：方式並運用真空接合封裝技術製成，包含·· 一平=力，衡結構層，其以一單晶材料所構成，·及 一平仃式薄膜驅動器，沉積於該平行力平衡結構層 上，其包括相互平行之第一驅動層舆第二驅動層，該第 一驅動層舆該第二驅動層係各別產生伸張與收縮 驅動該平行力平衡結構層以產生水平振動。

   2·如專利申請範圍第1項所述之音叉共振子之結構， 晶材料係為單晶矽。 3.如專利申請範圍第1項所述之音叉共振子之結構， 行力平行結構層係為兩臂式之懸臂樑結構。 4 ·如專利申請範圍第1項所述之音叉共振子之結構，热π 一驅動層與該第二驅動廣均包含一底電極’係直接沉積 於該平行力平衡結構層上；一驅動薄膜層，係沉積於該 底電極上；一上電極 第一驅動層與該第二驅動 一驅動層與該第二驅動層即 係沉積於該壓電薄膜層上；當該 層所受之電壓極性不同，該第 各別產生收縮與伸張或伸張 與收縮。 5·如專利申請範圍第4項所述之音叉共振子之結構，該驅 動薄膜層之材料係為/麇電材料。 6 ·如專利申請範圍第4項所述之音叉共振子之結構，該壓 電材料係選自ΡΖΤ與Ζη〇。 •如專利申請範圍第4項所述之音叉共振子之結構，該上 電極與該底電極之材料係選自鋁與白至。

   — 512551 六、申請專利範圍 8. —種音叉共振子之驅動方法，包含： 提供一音叉共振子，其具有一由單晶材料所構成之 平行力平衡結構層與沉積於該平行力平衡結構層上之一 平行式薄膜驅動器，該平行式薄膜驅動器包括相互平行 之第一驅動層與第二驅動層；及 提供該第一驅動層一第一電壓與該第二驅動層一第 二電壓，該第一驅動層與該第二驅動層即依該第一電壓 與該第二電壓作收縮與伸張或伸張與收縮，以驅動該音 叉共振子。

   9. 如專利申請範圍第8項所述之音叉共振子之驅動方法， 該第一電壓與該第二電壓係為極性相反。 1 0.如專利申請範圍第8項所述之音叉共振子之驅動方法， 當該第一驅動層收縮而該第二驅動層伸張，該音叉共振 子之該平行力平衡結構係向内縮。 11.如專利申請範圍第8項所述之音叉共振子之驅動方法， 當該第一驅動層伸張而該第二驅動層收縮，該音叉共 振子之該平行力平衡結構係向外擴。

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