TWI225034B - Center-mass-reduced microbridge structures for ultra-high frequency MEM resonator - Google Patents

Description

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1225034 A7 _ B7_._ 五、發明説明（2 ) 圖1B顯示圖1A中的MEM諧振器的上視圖。 圖2A顯示依據本發明的第一實施例之MEM諧振器側剖面 正視圖。 圖2B顯示圖2A中的MEM諧振器的上視圖。 圖3 A顯示依據本發明的第二實施例之MEM諧振器側剖面 正視圖。 圖3B顯示圖3A中的MEM諳振器的上視圖。 圖4A顯示依據本發明的第三實施例之MEM諧振器側剖面 正視圖。 圖4B顯示圖4A中的MEM諧振器的上視圖。 圖5A顯示依據本發明的第四實施例之MEM諧振器側剖面 正視圖。 圖5B顯示圖5A中的MEM諧振器的上視圖。 圖6A顯示依據本發明的第五實施例之MEM諧振器側剖面 正視圖。 圖6B顯示圖6A中的MEM諧振器的上視圖。 圖7A-7D顯示諧振頻率中間區段寬度的效果。 發明詳細說明 特定的細節在以下的說明中提出，以便對本發明有徹底 的了解，然而，對熟諳此技藝者，本發明可在沒有這些細 節下實行，是很容易瞭解的。在其他例子中，吾人所熟知 的電路、結構及技術，為了避免混淆本發明，所以不提出 細節說明。 敘述一個+微機電（MEM)諧振器，在一項實施例中，此諧 -5 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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線 1225034 A7 _____B7_ 五、發明説明（3 ) 振器包含支援區段及水平波束，在這之間形成的微橋波束 結構。波束的中間區段存在著質量，此質量比與支援區段 鄰接的波束區段的質量小。藉由較小的波束中心區域質量 ’不須減少諧振器尺寸（例如：波束結構的長度及寬度），就 可達到較高的諧振頻率。 圖1A及1B用矩形微橋波束區段1〇2，描述了 MEM諧振器 100。此MEM諧振器包含了一個微橋波束結構，它組成固定 在製成諧振器的基板上的水平波束區段1 〇2和支援區段1 i 2 及114。谐振器1 〇〇的震動，由一個橫向間隙電容轉換器（一 個頻率的刺激）引發。分配在此例中與電極和波束間有間隙 ’並與水平波束1 〇 2鄰接的電極14 0，橫向間隙電容轉換 器因此製成。在圖解實施例中，電極1 〇4在水平波束區i 〇2 下被分配，造成與形成電極的基板106相關的電極垂直震動。 MEM諳振器本質上具有與電極和波束分別對應的兩個雙 端點7G件，除了諧振頻率外，在其中所有頻率的阻抗都很 高。譜振頻率中端點間的阻抗變得很低，在一濾波器使用 的例子中，輸入信號可以用諧振頻率通過。 請了解諧振器（例如諧振器1〇0)的預期效能，是限制諧振 頻率的能力，此頻率讓諧振器震動，以及產生機械信號。 如果震堡器作為時脈電路的一部份時，以諧振器為基礎的 震盪器以目標時脈脈衝頻率震動是很重要的。 例子中，沒有以其他頻率震動，從而拒絕其他== ’諧振器應該以目標頻率共振，以及通過輸入信號。 矩形波表MEM諧振器的共振頻率，在其他事物中，是水 -6 -

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平波束區段長度的函數，矩形波束MEM諧振器的共振頻率 (F)可能近似於以下式子：

t表示微橋波束的厚度； L表不微橋波束的長度； E表示Young’s模組的波束物質；及 P表示波束物質的密度。 在某些應用中’可能需要極高頻（VHF)或震動则乂譜振器 的超高頻（UHF)，例如：使用於無線通訊裝置上。方程式 ⑴顯示1皆振頻率與微橋》皮束長度的平方成反比。目此，縮 短波束長度L，對完成高速震盪是非常有效的。然而，為了 要完成它諧振器必須被製造成極小，例如：超高頻(例如： 大於200 MHz)。例如：具有諧振頻率1咖超高頻諸振器的 水平波束區長度，將小於3微米（_。要產生5 GHz，Μ· 諧振器的水平波束區長度，大約是〇 2微米（μιη)。 關於如何製作出這些迷你諧振器的限制，決定於當前的 平板印刷技術。例如：以目前的科技〇 2微米（換言之，微橋 波束的長度），是可達成的最小尺寸β Μ於另一項如何製作 出這些迷你諧振器的限制，S以電源處理能力的需求來決 定。諧振器的電源處理能力與微橋波速的長度是成比例的 ’在垂直震動的組態中’電源處理能力與電極位於水平波 束區下之間的重疊區域成比例的。 五、發明説明（5 因此，使諧振器更小型化，可能是需要的，因為微橋波 束長度的減短，會逆向影響MEM諧振器的電源處理能力， 例如：為了更進一步增加頻率，減短微橋波束的長度。至 少某些目前的mem諧振器，如果將波束的長度進一步減短 ’的振器將無法提供適當的電源給需要的應用。 整a在晶片上的諧振器，不需減短微橋波束的長度，就 可增加諧振器頻率。頃發現微橋波束結構中，剛度質量比 的 '曰加會增加mem諧振器的諧振頻率。頃也發現微橋波 束中間區段的質量，是造成遲鈍的主因，靠近支援區段的 質里疋促成有效彈力常數的主因。因此，藉由減少微橋 波束中間區段的質量，矩形波束MEM諧振器的剛度質量比 可有效的增加，這意味著不將微橋波束的長度減短，而減 >微橋波束中間區段的質量，可得到較高的諧振頻率。另 一選擇為或除此之外，增加有效彈力常數，也可達到較高 的諧振頻率。有可將微橋波束結構的有效彈力常數增加的 方法，是把與支援區段鄰接的波束區段變寬。 根據一項實施例的觀點來看，藉由減少微橋波束結構中 間區段的質量，或增加靠近支援區段的質量，或兩者皆用 ’都可增加諧振頻率而不損害其電源處理能力。 根據本發明的第一實施例，圖2A及2B描繪了 MEM諧振器 2〇〇。MEM諧振器200包含一基板2〇6上之一部分的微橋波束 結構，如果基板206是適合作為MEMS應用的半導體（就是矽 )基板，請了解其他基板例如玻璃（包含絕緣體上的矽）及陶 製的基板f能是適合的。元件組織（例如電極）被設置於上的 1225034 A7 _ B7 五、發明説明（6 ) 基板206的表面上，應該置有接觸點（增損器、終端）。導電 路徑也被配置於整個基板本體，以便連接到基板上的各接 點或到另一基板。基板2 0 6可進一步有一個或一個以上的元 件階層，包含互連階層在其上形成^ 在此實施例，微橋波束202被配置，使產生此波束的基板 2〇6垂直震動。這個微橋波束202的震動，被橫向間隙電容 轉換器（頻率的刺激）引發。在一項實施例，分配在此例中與 驅動電極204和波束間有間隙，並與水平波束區鄰接的驅動 電極204，橫向間隙電容轉換器因此製成。 參考圖2 A及2B，微橋波束結構包含，由在電極上被分配 的水平波束區段202整合製成的支援區段212、214。在一項 實施例中，微橋波束結構由一系列的沉澱、蝕刻成型及釋 放方法製成。微橋波束結構由多晶質矽建構而成。然而， 其他適合的物質也可被使用。舉例來說以形成波束結構而 言，波束結構的物質可在一種犧牲物質上形成，接著此物 質可被移除。 在圖解實施例中，縮窄微橋波束202的中間區段，可達成 南諸振頻率。基礎垂直震動模式下（上-下），縮窄橋的中間 區段’剛度質量比可增加。頃發現中間區段的質量，是促 成遲鈍的主因，但是靠近支援區段的跨區域，是促成有效 彈力常數的主因。因此，縮窄波束的中間區段，及/或增加 與支援區段鄰接的質量，微橋波束結構的剛度質量比會增 加。相同的，中央質量減輕的波束，比由矩形組態規格製 造的波束，其諧振頻率較高。 -9- ΐ紙張尺度適用中格(210X297公董_)— B7 五、發明説明（7 ) 如以上所討論的，在垂直震動組態下，電源處理能力與 ’水平波束區段及它下方的電極之間的重疊區域有關。於 是，靠近波束中央的的寬度減少時，在波束及電極間的重 疊區域也將減少。然而，藉由增加靠近支援區段的波束寬 度’此重疊區域的減少可被補償，以至於它的電源處理能 力不會被犧牲。 圖7A到7D顯示諧振頻率上中間區段寬度的效果。〇 25微 米（μιη)厚及一微米長的微橋波束結構的計算被執行。如圖 7A-7D的圖解，如果中間寬度（冒)從}微米（圖7D)減少到〇·25 微米（圖7Α)時，諧振頻率從le22 GHz增加到1·95 GHz。微橋 波束結構中間區段質量減少的總和，與諧振器諧振頻率的 增加的總和成比例。如此，假設有特定長度的諧振器，藉 由適當的縮窄靠近它中央的波束結構寬度，較高的諧振頻 率可達到。 如以上之討論’諧振頻率也可藉由減短諧振器的長度而 增加。然而，長度的減少會負面影響它的電源處理能力。 增加與支援區段鄰接的波束結構寬度時，藉由減少微橋波 束結構的中央質量，諧振器可以被配置成可達到較高的譜 振頻率，而不會負面影響它的電源處理能力。 根據第二實施例，圖3A及3B描繪了 MEM諧振器3〇〇。在 此圖解實施例中，微橋波束結構的中央質量，藉由在波束 302中間區段塑造一個或一個以上狹縫3丨6、3 1 8 ,會使微橋 波束結構的中央質量減輕。雖然在此圖解實施例中顯示了 兩個狹縫，不過任何狹縫的編號都可使用（例如1，2,3等）。 -10· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1225034 A7 ----— B7 五、發明説明（8 ) 此外’狹縫的形狀不限於長方形而已。在蝕刻成形過程期 間’這些狹縫可用適合的平板印刷技術，在水平波束區段 302製成。 圖4A及4B顯示另減少微橋波束4〇2中心附近質量的另一種 方式。在這個實施例中，藉由在/或在波束中心區域附近形 成一個或一個以上洞416，中央質量可被減輕。一項實施例 中，在中央的洞密度較高。 根據第四實施例圖5A及5B描繪了 MEM諧振器500。在這 個圖解的實施例中，水平波束區502水平的震動，也就是說 ，與形成它的基板呈平行。波束區段5〇2的水平震動，是由 杈向間隙電容轉換器引發。分配與電極和微橋波束間有間 隙’並與波束區502鄰接的一對電極504A及504B，電容轉 換崙因此製成。在一項實施例中，這一對電極5〇扣以18〇度 不同的位向輪流吸引波束。兩個電極引起此波束而非是這 個組態的優點，所以需要較低的電壓來引起物理震動。 在适個圖解實施例中，藉由縮窄微橋波束中間區段，可 增加微橋波束結構的剛度質量比，頃發現減少微橋波束結 構中央的質量，在水平震動諧振器中，也有助於得到較高 的諧振頻率。 如圖5B所示，電極504八及5043塑造成，在電極5〇4和微 橋波束502側邊之間有一樣的間隙。在水平震動mem譜振器 的例子中，電源處理能力與波束和電極間的間隙長度成正 比。參閱圖5B可看出，實際上藉由縮窄波束中間區段，以 及使電極輪廓相稱，使得間隙長度增加。如此，較高的諧 -11-

1225034 五、發明説明（9 ) 振頻率可以有利的達成，而不犧牲諧振器的電源處理能力 。實際上，因為電極和波束間的相關區域實際上增加，諧 振器的電源處理能力會稍微增加。 顯示在圖5A及5B的MEM諧振器500有各種應用。例如， 諧振器可使用在帶通微機械濾波器，它可在以下方式下運 作。電極輸入、號運用在輸入電極上，並且被電機換能器 (例如：產生輸入力量的電場）轉換成一股輸入力量。此電機 換能器引發水平方向水平波束區5〇2的物理震動。此物理震 動包括機械信號。如果諧振器500的震動是在帶通之内，則 機械信號可通過。如果諧振器的震動是在帶通之外，則機 械L號不了通過。碎振器上通過的機械信號，在輸出電極 上的輸出換能器上重新轉換成電能，例如··為了讓其後的 收發器階段處理。 在k個實施例方面，將電極的輪廓與微橋波束5〇2的輪廓 相配，則相同的間隙會在波束5〇2及電極5〇4八及5〇沾間形 成。使用任何相同的技術可形成相同的間隙。在波束和電 極間形成相同間隙的示範方法，在共同申請的美國申請書 中敘述，其序號為09/894,334,由馬昆等人於2〇〇1年6月27 日申請，標題為「於MEMS應用中產生_的犧牲層技術」。 根據第五實施例，圖6八及6B描繪MEM諧振器6〇卜這個 圖解實施例顯示減少水平震動組態波束區段6〇2中心質量的 另一種方式。在這個圖解實施例中，一個或一個以上狹縫 616在微橋波束602或其附近形成，以增加微橋波束結構的 nj度質量tt達到較南的諧振頻率。如參閱圖所見，這 -12-

1225034 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 個諧振器600的電源處理能力，不會被這些狹縫大幅的影響 ，因為電極604A和604B及波束602間的相關區域仍舊相同

。如以上所述，諳振器600可處理的電源總額，與電極604A 和604B間，及微橋波束602和波束厚度間的間隙長度有關。 在描緣各種會讓微橋波束結構中央質量減少的方式，以 便增加諧振波束，而不會大幅影響它的電源處理能力的規 格書中，說明及敘述這些實施例。然而，其他適合的方法 也可以運用，以便減少靠近波束結構中央的質量，而不會 減少A近支援區段的寬度。這都是在本發明的範圍及涵蓋 面内。 然而前述的實施例已經敘述及顯示，請了解和本發明有 關的諳此技藝者，可能會做一些改變及修改，例如，所建 4的及其他在本發明的範圍及精神内。因此，本發明的範 圍與在附加的申請專利範圍中提出的相同。 -13- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）

Claims (1)

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第091122150號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年7月） 六、申請專利範圍 1· 一種微電機諧振器，包括： 一基座； 一微橋波束結構，其被柄合至該基座搞合，該微橋波 束结構包含支援區段，及在支援區段之間形成的波束， 其t 一個波束中間區段的質量輕於鄰接於該支援區段的 波束區段的質量；以及 至少一電極，其被配置以鄰接該微橋波束結構，以便 引發該波束的震動。 2·如申請專利範圍第1項之諧振器，其中該中央質量減少 波束的剛度質量比（stiffness_to-mass ratio)高於以一矩形 組態製造之該中央質量減少波束的剛度質量比。 3·如申請專利範圍第1項之諧振器，其中該中央質量減少 波東的諧振頻率高於以一矩形組態製造之該中央質量減 少波束的諧振頻率。 4·如申請專利範圍第1項之諧振器，其中該波束的中間區 段比鄰接於該支援區段的該區域窄。 5·如申請專利範圍第1項之諧振器，其中該微橋波束的中 間區段包含在其上形成的至少一狹縫。 6.如申請專利範圍第1項之諧振器，其中該微橋波束的中 間區段包含在其中蝕刻的至少一的洞。 7·如申請專利範圍第1項之諧振器，其中該至少一電極置 於波束下’用於引發波束的垂直震動。 8·如申請專利範圍第1項之諧振器，其中該至少一電極包 括鄰接於波束之一對電極，其被配置以引發波束的垂直 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 1225034 A8 B8 C8

震 波束及電極以此方式安排，以在每一個電極與波 束間形成一相同的間隙。 9. 一種用於微機電諧振器之方法，包括·· 藉由增加微橋波束的剛度質量比，來增加一耦合至一 基板上至J 一支援區段之諧振微橋波束的諧振頻率。 10· ^申請專利範圍第9項之方法，其中微橋波束的剛度質 量比包括減少在微橋波束的中間區段的質量。 11.如申印專利範圍第9項之方法，其中微橋波束的剛度質 i比包括增加微橋波束的一有效彈力常數。 12·如申請專利範圍第9項之方法，其中微橋波束的剛度質 篁比包括縮窄微橋波束的中間區段。 13·如申請專利範圍第9項之方法，其中增加微橋波束的剛 度質置比包括在微橋波束中間區段中形成至少一狹縫。 14.如申請專利範圍第9項之方法，其中增加微橋波束的剛 度質量比’包括在微橋波束中間區段中，蝕刻至少一洞 15· —種微機電裝置，包括： 至少一支援結構；及 一微橋波束，其耦合至該至少一支援結構，並且可 沿著一軸線以相對於形成該支援結構之基板方式移動， 該波束包括一中間區段，該中間區段之質量極小於鄰接 於該至少一支援結構之區域的質量，以便如果該波束係 用一矩形組態製造，則可形成一具有較高剛度質量比的 中央質量減少波束。 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) k 訂 1225034 A8 B8 C8 ___D8 六、申請專利範圍 " --- 16_如申請專利範圍第15項之裝置，其中該中央質量減少波 束的諧振頻率高於以一矩形組態製造之該中央質量減少 波束。 17. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該波束與該至少一 支援結構一起整體形成。 18. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該微橋波束的該中 間區段窄於鄰接於該至少一支援結構之 該區域。 19·如申請專利範圍第15項之裝置，其中該微橋波束的該中 間區段包含在其中形成的至少一狹縫。 20·如申請專利範圍第15項之裝置，其中該微橋波束的該中 間區段包含在其中蝕刻的至少一的洞。 21. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該微橋波束被配置 ，以便以相對於該基板方式上下移動。 22. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該微橋波束被配置 ，以便以相對於該基板方式水平移動。 -3- 本紙張尺度適用中目时標準(CNS) A4規格(21() χ 297公釐)