TWI519066B - 微機電共振器及其訊號處理方法以及製造方法 - Google Patents

微機電共振器及其訊號處理方法以及製造方法 Download PDF

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Description

微機電共振器及其訊號處理方法以及製造方法
本發明是有關於一種共振器及其訊號處理方法以及製造方法，且特別是應用在無線射頻領域的微機電共振器及其訊號處理方法以及製造方法。
微機電系統(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)是一種利用微米或奈米之加工技術並結合微電子電路的工業技術。由於微機電系統相對於宏觀機電裝置而言，其具有微型化、精確度高、成本低、可大量製造之優點，且可應用在多種領域中，包含生物、醫療、化學、光學、熱學、電學、半導體等，故有逐漸取代現有技術之趨勢。其微機電系統之應用領域與效能取決於製造材料及製造技術與其結構。
由於在無線通信領域裡，MEMS技術所製造的共振器(resonator)、振盪器(oscillator)、時脈產生器(clock generator)、濾波器(filter)以及混頻器(mixer)比以往傳統電晶體電路具有高品質因子(quality factor)、損耗功率低、可變化性高之特性，且可結合現有的IC(Integrated Circuit)製程工藝，與傳統機械製造技術相比，其性價比大幅提高，另外藉由涵蓋可編程功能，其整合更多樣性，故射頻領域中之MEMS技術蓬勃發展。
以往為了獲取高品質因子的表現，無法縮小被動元件的尺寸並將其和電晶體電路整合在一起，使其整個射頻系 統的架構為分離式，離散的元件增加了電路板的使用面積，而導致擴大成本且無法應用在可攜式產品中，例如石英振盪器(Quartz Crystal)、表面聲波(Surface Acoustic Wave,SAW)等元件。
共振器依其發電原理可分為四種：靜電型(electrostatic)、電磁感應型(electromagnetic)、磁致伸縮型(magnetostrictive)及壓電型(piezoelectric)。US7023065案中Ayazi et al.便揭露了一種靜電型的MEMS共振器及其製作方法，其靜電型也就是電容型的共振器，為單晶矽製作的平面固定端樑(in plane clamped-clamped beam)，藉由輸入電子訊號使驅動電極感應出一靜電力，此靜電力使其共振器產生振盪行為，因驅動電極與固定端樑或感測電極與固定端樑之空隙產生變化，振盪行為便藉由此空隙變化再轉換為電子訊號由感測電極來感測。
CN201010604008案公開了一種壓阻型的MEMS共振器及其製造方法。將共振器本體安裝於一錨上，另有致動器用於在共振器上施加靜電力，以及壓阻讀出裝置與耦接至共振器的奈米線，其中共振器本體具有至少100μm2的面積，奈米線具有至多10-14m2的橫截面。由於將低功率小型壓阻讀出與大尺寸共振器相結合，其產生的巨壓阻效應(giant piezoresistive)遠超過了觀察矽而得到的壓阻效應，能使其傳導訊號加強。
US7750759案則揭露了一種多模式(multi-mode)的MEMS共振器，包含靜電型及壓電型。此案利用同一種共振器結構型式，但藉由選擇不同的材料來達到置換靜電型或壓電型的使用目的。
因此，本發明之目的是在提供一種微機電共振器，其可提供高品質因子及提高訊號積通比(signal to feedthrough)，且可降低成本以及減少被動元件使用面積。
本發明之一態樣是在提供一種微機電共振器，其包括基板、振動體、壓阻單元及起振單元。其中振動體係定位於基板上。而壓阻單元設置於振動體上，壓阻單元包含有第一輸出端及第二輸出端，輸出第一輸出訊號以及輸出第二輸出訊號，且第一輸出訊號與第二輸出訊號具有相異的相位。起振單元，係設置於基板上。
依據本發明一實施例，其中第一輸出訊號與第二輸出訊號其相位差為150度到210度。
依據本發明另一實施例，其中第一輸出訊號與第二輸出訊號其相位差為180度。
依據本發明再一實施例，其中起振單元包含第一電極及第二電極，其中第一電極定位於基板上，而第二電極設於振動體上，且第二電極相對第一電極具有一空隙，所以起振單元可為一電容。其中振動體上的壓阻單元與第二電極係被振動體隔離，振動體包覆壓阻單元與第二電極。
根據本發明另一實施例，其中起振單元包含一第一電極及一第二電極，其中第一電極及第二電極定位於基板上。上述之微機電共振器，其中第二電極相對應第一電極位於振動體兩側。其中起振單元可為一電容。
依據本發明又一實施例，上述振動體之振動模態可以撓曲方式振動、面剪力方式振動、厚度剪力方式振動或伸曲方式振動。
依據本發明另一實施例，上述振動體上的壓阻單元與第二電極係被振動體隔離。
依據本發明又一實施例，上述振動體包覆壓阻單元與第二電極。
依據本發明再一實施例，上述壓阻單元之第一輸出端與第二輸出端之間具有一迴紋針結構。
依據本發明另一實施例，上述壓阻單元為一壓阻材料，可為多晶矽、單晶矽、非晶矽、碳化矽(SiC)、鍺化矽(SiGe)等。
依據本發明又一實施例，上述振動體為一樑狀且其具有兩自由端，其係指將錨設於結構共振時最小位移之節點處，減少能量耗損。
依據本發明再一實施例，上述第二電極接地。
本發明之另一態樣是在提供一種內含壓阻單元的微機電共振器之訊號處理方法，其包含一共振步驟及一輸出步驟。共振步驟將上述之微電機共振器內的振動體起振。而輸出步驟為，振動體起振後令壓阻單元振盪，經由壓阻單元之第一輸出端與第二輸出端分別輸出第一輸出訊號及第 二輸出訊號。
依據本發明一實施例，其中更包含一調變步驟，以相異相位的第一輸出訊號與第二輸出訊號輸入一系統整合運算出一調變訊號。
依據本發明另一實施例，其中更包含一比較步驟，將第一輸出訊號及第二輸出訊號，向外輸出至一系統，以系統比較運算調變訊號及起振單元所產生之一第三訊號。
本發明之又一態樣是在提供一種製造方法用以製造上述之微機電共振器，此微機電共振器之製造方法包含以下步驟。首先在一基板內依序包覆壓阻單元、第二電極及第一電極。使基板內蝕刻懸浮振動體，且振動體包覆壓阻單元及第二電極。令壓阻單元具有第一輸出端及第二輸出端，且第一輸出端輸出之第一輸出訊號與第二輸出端輸出之第二輸出訊號具有相異相位。
根據本發明再一態樣是在提供一種製造方法用以製造上述之微機電共振器，微機電共振器之製造方法包含以下步驟。首先在基板內依序包覆壓阻單元、第二電極及第一電極。使基板內蝕刻懸浮振動體，且振動體包覆壓阻單元。令壓阻單元向外延伸形成第一輸出端及第二輸出端，且第一輸出端輸出之第一輸出訊號與第二輸出端輸出之第二輸出訊號具有相異相位。
藉由此發明所提供的微機電共振器，跟以往使用單電容元件或單壓阻元件構成的共振器相比，可降低其被強饋通訊號所遮蔽的運動訊號(motional signal)，且特別由壓阻元件的兩端處分別取得相異相位的第一輸出訊號及第二輸 出訊號，經比對運算後得到更為單頻且無雜訊之訊號，對比以往傳統機械製造技術更微小化的結構，具高附加價值，不僅節省空間也節省了材料。
請參照第1、第2及第3圖，其繪示依照本發明一實施例的一種微機電共振器之透視圖、俯視圖及剖面圖，其中起振單元為一電容，其微機電共振器包括基板300、振動體104、壓阻單元102及電容100。其中振動體104係定位於基板300上。而壓阻單元102設置於振動體104上，壓阻單元102包含有第一輸出端105及第二輸出端106，輸出第一輸出訊號X以及輸出第二輸出訊號Y，且第一輸出訊號X與第二輸出訊號Y具有相異的相位，其相位差為150度到210度，而本實施例為180度。電容100，其包含第一電極103及第二電極101，其中第一電極103定位於基板300上，而第二電極101設於振動體104上，且第二電極101相對第一電極103具有一空隙107。其中VD為第一直流偏壓，VP為第二直流偏壓，vi為一交流訊號。
上述之微機電共振器可藉由傳統的COMS製程技術，如以酸性溶液作濕蝕刻、反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)、XeF2之矽等向蝕刻(Si Isotropic Etching)來完成此微機電共振器。其中基板300可為矽塊材。電容100之第一電極103與第二電極101為一金屬，常用的金屬種類可為金、銅、銀、鉑、鎳、鎢或鋁等。壓阻單元102為一壓阻材料，可為多晶矽、非晶矽、單晶矽、碳化係或鍺 化矽。振動體104為一介電材質，可為氧化矽。
上述振動體104為樑狀且其具有兩自由端，其振動體104以撓曲方式振動(第4A及第4B圖)並包覆壓阻單元102與第二電極101，所以圖上、看不出壓阻單元102與第二電極101，且壓阻單元102與第二電極101被振動體104所隔離。而壓阻單元102之第一輸出端105與第二輸出端106之間具有一迴紋針結構108。
第4A圖及第4B圖係繪示應用本發明一實施例的微機電共振器振動示意圖及本發明一實施例的微機電共振器振動平視圖，由於此微機電共振器之振動體104為自由端樑狀，並採撓曲方式振動，比較先前技術由錨來固定之共振器，其振動體104之錨點經過設計，使錨點位於振動體104共振時位移最小之節點處，藉此可降低訊號的內部損失。
請參照第5、6圖，其繪示依照本發明另一實施例的微機電共振器剖面圖及其微機電共振器示意圖。其微機電共振器包括基板300、振動體104、壓阻單元102及一第一電極103及一第二電極101。其中振動體104係定位於基板300上。而壓阻單元102設置於振動體104上，壓阻單元102包含有第一輸出端105及第二輸出端106，輸出兩相異相位訊號，其相位差為150度到210度，而本實施例為180度。可由圖中看出其中第二電極101相對應第一電極103位於振動體104兩側，振動體104裡面的壓阻單元102之第一輸出端105與第二輸出端106之間具有一迴紋針結構108。這樣的結構使第一電極103、第二電極101與振動體104形成一電容，使振動體104因而產生振盪。
請參照第7圖，其繪示依照本發明又一實施例的微機電共振器示意圖，此微機電共振器元件與上述實施例相同，但壓阻單元102振盪為利用厚度剪力的方式振動或可以伸曲方式振動的一體振動模式。
請參照第8圖，其繪示依照本發明第1圖至第7圖之微機電共振器之訊號處理方法。處理方法包含一共振步驟及一輸出步驟、一調變步驟及一比較步驟。
輸入一電子訊號至此微機電共振器，電容100因而感應出一靜電力，而使上述之微電機共振器內的振動體104起振，此為共振步驟。
而輸出步驟為，振動體104起振後因而使的振動體104內部之壓阻單元102振盪，外加的直流訊號經由壓阻單元102的振盪調變後，經由壓阻單元102之第一輸出端105與第二輸出端106分別輸出第一輸出訊號X及第二輸出訊號Y，此第一輸出訊號X與第二輸出訊號Y具有不同的相位，其中相位差為180度到210度。上述調變步驟是以相異相位的第一輸出訊號X與第二輸出訊號Y輸入一外接系統，此系統為一軟件加上一硬體或一韌體加上一硬體，以此系統整合第一輸出訊號X及第二輸出訊號Y，運算出一調變訊號。
上述比較步驟則將第一輸出訊號X及第二輸出訊號Y經調變後之調變訊號及電容100所產生之第三訊號，輸入一系統運算且藉系統以比較出優化訊號。
本發明之又一實施方式是在提供一種微機電共振器之製造方法，其用以製造上述第1圖之微機電共振器，此製 造方法包含以下步驟。首先在一基板300內藉由傳統標準的CMOS製程方法，沉積壓阻單元102，形成兩金屬電極層即第一電極103與第二電極101，使的基板300上依序包覆壓阻單元102、第二電極101及第一電極103。接下來以XeF2等方向性的蝕刻基板300使得基板300內懸浮振動體104，此時壓阻單元102與第二電極101被二氧化矽層隔離，且二氧化矽更包覆整個壓阻單元102與第二電極101，使得振動體104包覆壓阻單元102及第二電極101。令壓阻單元102向外延伸形成第一輸出端105及第二輸出端106，且第一輸出端105輸出之第一輸出訊號X與第二輸出端106輸出之第二輸出訊號Y具有相異相位。
此微機電共振器利用一個電容100驅動和壓阻單元102感應配合共振器，藉由傳統CMOS製程共振器之振動體104內部嵌入第二電極101與壓阻單元102，使其電容100及壓阻單元102並無耦合，達到電子絕緣的效果，輸入交流電提供電容100驅動振動體104振動，而另一直流電則提供振動體104內的壓阻單元102隨振動產生訊號變化，並由壓阻單元102的第一輸出端105及第二輸出端106獲取第一輸出訊號X與第二輸出訊號Y。
本發明之又一實施方式是在提供一種微機電共振器之製造方法，其用以製造上述第5圖之微機電共振器，此微機電共振器之製造方法包含以下步驟。首先在基板300內依序包覆壓阻單元102、第二電極101及第一電極103。使基板300內蝕刻懸浮振動體104，且振動體104包覆壓阻單元102。令壓阻單元102向外延伸形成第一輸出端105 及第二輸出端106，且第一輸出端105輸出之第一輸出訊號X與第二輸出端106輸出之第二輸出訊號Y具有相異相位。
本發明使用開發的設備包含製造互補式金屬氧化層半導體代工的標準技術，無光罩矽蝕刻技術，可以大幅減少產品尺寸及封裝成本，實現具有高品質因子和高訊號饋通比之共振器，最重要的是，本發明首次提出以差動式的壓阻量測表現出色的訊號處理方式。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電容
101‧‧‧第二電極
102‧‧‧壓阻單元
103‧‧‧第一電極
104‧‧‧振動體
105‧‧‧第一輸出端
106‧‧‧第二輸出端
107‧‧‧空隙
108‧‧‧迴紋針結構
300‧‧‧基板
X‧‧‧第一輸出訊號
Y‧‧‧第二輸出訊號
VD‧‧‧第一直流偏壓
VP‧‧‧第二直流偏壓
vi‧‧‧交流訊號
第1圖係繪示應用本發明一實施例的微機電共振器示意圖。
第2圖係繪示應用本發明一實施例的微機電共振器俯視圖。
第3圖係繪示應用本發明一實施例的微機電共振器剖面圖。
第4A圖係繪示應用本發明一實施例的微機電共振器振動示意圖。
第4B圖係係繪示應用本發明一實施例的微機電共振器振動平視圖。
第5圖係繪示應用本發明另一實施例的微機電共振器 剖面圖。
第6圖係繪示應用本發明另一實施例的微機電共振器示意圖。
第7圖係繪示應用本發明又一實施例的微機電共振器示意圖。
第8圖係繪示應用本發明的微機電共振器之訊號處理方法步驟圖。
100‧‧‧電容
101‧‧‧第二電極
102‧‧‧壓阻單元
103‧‧‧第一電極
104‧‧‧振動體
105‧‧‧第一輸出端
106‧‧‧第二輸出端
107‧‧‧空隙
108‧‧‧迴紋針結構
300‧‧‧基板
X‧‧‧第一輸出訊號
Y‧‧‧第二輸出訊號
VD‧‧‧第一直流偏壓
VP‧‧‧第二直流偏壓
vi‧‧‧交流訊號

Claims (28)

  1. 一種微機電共振器，其包括：一基板；一振動體，係定位於該基板上；一壓阻單元，其係設於該振動體內，該壓阻單元包含：一第一輸出端，輸出一第一輸出訊號；一第二輸出端，輸出一第二輸出訊號，且該第一輸出訊號與該第二輸出訊號具相異相位；及一迴紋針結構，位於該第一輸出端與該第二輸出端之間；以及一起振單元，係設於該基板上。
  2. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該第一輸出訊號與該第二輸出訊號其相位差為150度到210度。
  3. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該第一輸出訊號與該第二輸出訊號其相位差為180度。
  4. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該起振單元包含一第一電極及一第二電極，其中該第一電極定位於該基板上，該第二電極係設於該振動體上。
  5. 如請求項4所述之微機電共振器，其中該第二電 極相對該第一電極具有一空隙。
  6. 如請求項4所述之微機電共振器，其中該起振單元可為一電容。
  7. 如請求項4所述之微機電共振器，其中該振動體包覆該壓阻單元與該第二電極。
  8. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該起振單元包含一第一電極及一第二電極，其中該第一電極及該第二電極定位於該基板上。
  9. 如請求項8所述之微機電共振器，其中該第二電極相對應該第一電極位於該振動體兩側。
  10. 如請求項8所述之微機電共振器，其中該起振單元可為一電容。
  11. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該振動體以撓曲方式振動。
  12. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該振動體以面剪力方式振動。
  13. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該振動體以厚度剪力方式振動。
  14. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該振動體以伸曲方式振動。
  15. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該振動體上的該壓阻單元與該第二電極係被該振動體隔離。
  16. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該壓阻單元為一壓阻材料。
  17. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該壓阻單元為一多晶矽。
  18. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該壓阻單元為一單晶矽。
  19. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該壓阻單元為一非晶矽。
  20. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該壓阻單元為一鍺化矽。
  21. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該壓阻單元為一碳化矽。
  22. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該振動體可為一樑狀。
  23. 如請求項1所述之微機電共振器，其中該振動體具有兩自由端。
  24. 一種如請求項1所述的微機電共振器之訊號處理方法，其包含以下步驟：一共振步驟，將上述之微電機共振器內的一振動體起振；一輸出步驟，該振動體起振後令該壓阻單元振盪，經由該壓阻單元之一第一輸出端與一第二輸出端分別輸出一第一輸出訊號及一第二輸出訊號。
  25. 如請求項24之內含壓阻單元的微機電共振器之訊號處理方法，其更包含一調變步驟，以相異相位的該第一輸出訊號與該第二輸出訊號輸入一系統整合運算出一調變訊號。
  26. 如請求項24之內含壓阻單元的微機電共振器之訊號處理方法，其更包含一比較步驟，將該第一輸出訊號 及該第二輸出訊號，向外輸出至一系統，以該系統比較運算該調變訊號及該電容所產生之一第三訊號。
  27. 一種製造方法用以製造請求項7之微機電共振器，其包含以下步驟：首先在該基板內依序包覆該壓阻單元、該第二電極及該第一電極；使該基板內蝕刻懸浮該振動體，且該振動體包覆該壓阻單元及該第二電極；令該壓阻單元向外延伸形成該第一輸出端及該第二輸出端，且該第一輸出端輸出之該第一輸出訊號與該第二輸出端輸出之該第二輸出訊號具有相異相位。
  28. 一種製造方法用以製造請求項10之微機電共振器，其包含以下步驟：首先在該基板內依序包覆該壓阻單元、該第二電極及該第一電極；使該基板內蝕刻懸浮該振動體，且該振動體包覆該壓阻單元；令該壓阻單元向外延伸形成該第一輸出端及該第二輸出端，且該第一輸出端輸出之該第一輸出訊號與該第二輸出端輸出之該第二輸出訊號具有相異相位。
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