TWI581471B - 用於頻率及時序產生之複合彈簧微機電系統諧振器 - Google Patents

用於頻率及時序產生之複合彈簧微機電系統諧振器 Download PDF

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Description

用於頻率及時序產生之複合彈簧微機電系統諧振器 其他申請案之交叉參考
本申請案主張2014年10月22日申請之標題為「多線圈彈簧諧振器(MULTIPLE COIL SPRING RESONATORS)」之美國臨時專利申請案第62/067,230號之優先權，該案針對所有目的以引用的方式併入本文中。
本申請案亦主張2014年10月22日申請之標題為「用於頻率及時序產生之複合彈簧諧振器(COMPOUND SPRING RESONATORS FOR FREQUENCY AND TIMING GENERATION)」之美國臨時專利申請案第62/067,206號之優先權，該案針對所有目的以引用的方式併入本文中。
MEMS(微機電系統)諧振器為依精確頻率振動之小機電結構。MEMS諧振器可在電子電路中用於提供時序參考及頻率參考。在典型應用中，一MEMS諧振器附接至一電子電路以形成一振盪器電路。一MEMS振盪器包含由一持續放大器在連續運動中驅動之一MEMS諧振器。MEMS諧振器之機械諧振振動經感測並轉換成具有一極精確頻率之一電信號。精確MEMS諧振頻率用作振盪器電路之參考頻率。附接至MEMS諧振器之電子電路放大經感測之電信號且基於MEMS諧振頻率設定或調整振盪器之輸出頻率。例如，電子電路可包含基於MEMS 諧振頻率作為參考頻率而產生可程式化輸出頻率之一鎖相迴路(PLL)或一鎖頻迴路。
MEMS振盪器之共同應用包含即時時鐘。一即時時鐘(RTC)為常依一積體電路之形式之一電腦時鐘，該電腦時鐘用來追蹤電子系統(諸如電腦、伺服器及消費類電子器件)中之當前時間。包含圖1(a)及圖1(b)之圖1繪示習知即時時鐘電路。參考圖1(a)，常提供為一即時時鐘積體電路之一即時時鐘1包含一振盪器電路2及支援電路(RTC電路)3。傳統即時時鐘使用一晶體振盪器電路，該晶體振盪器電路使用一振動石英晶體4之機械諧振來提供所要參考頻率。石英晶體4(即時時鐘積體電路外之一離散組件)經驅動以依一所要頻率(諸如32.768kHz)諧振。振盪器電路2將石英晶體4之振動轉為具有所要精確頻率(例如，32.768kHz)之一電信號。RTC電路3提供信號放大、時鐘除法及其他計時功能。即時時鐘1常包含一替代電源5，使得即時時鐘可在主電源斷電或變為不可用時繼續計時。替代電源5可為一電池電源，諸如一鋰離子電池或一超級電容器。
由於石英晶體係體積大的且無法與半導體積體電路良好地整合在一起，故在建構振盪器電路時，MEMS振盪器已變為傳統石英晶體之一有吸引力的替代物。參考圖1(b)，使用一即時時鐘積體電路形成一即時時鐘6，該即時時鐘積體電路包含可共同封裝於相同積體電路封裝(諸如但不限於一四方扁平無引線封裝(QFN)或一低高度柵格陣列封裝(LGA))內之一即時時鐘晶片7及一mems諧振器8。MEMS諧振器8提供精確參考頻率。即時時鐘晶片7容置所有支援電路，包含振盪器電路2及RTC電路3。在MEMS諧振器如此整合之情況下，即時時鐘之大小減小。此外，MEMS諧振器提供額外優點，諸如一較寬溫度範圍內之較一致穩定性及對環境因素(諸如震動及振動)之較佳抵抗力。
1‧‧‧即時時鐘
2‧‧‧振盪器電路
3‧‧‧支援電路/即時時鐘(RTC)電路
4‧‧‧振動石英晶體
5‧‧‧替代電源
6‧‧‧即時時鐘
7‧‧‧即時時鐘晶片
8‧‧‧微機電系統(MEMS)諧振器
10‧‧‧即時時鐘
11‧‧‧即時時鐘晶片
12‧‧‧微機電系統(MEMS)諧振器
13‧‧‧振盪器電路/微機電系統(MEMS)振盪器
14‧‧‧時鐘除法器
15‧‧‧控制邏輯電路
16‧‧‧記憶體
22‧‧‧持續放大器
23‧‧‧鎖相迴路(PLL)
24‧‧‧輸出驅動器
50‧‧‧複合彈簧微機電系統(MEMS)諧振器
50a‧‧‧諧振器單元
50b‧‧‧諧振器單元
50c‧‧‧諧振器單元
52‧‧‧諧振器本體
54‧‧‧彈簧質量件系統
54a‧‧‧第一彈簧質量件系統/彈簧質量件區段1
54b‧‧‧第一彈簧質量件系統/彈簧質量件區段2
55‧‧‧複合彈簧區塊
56‧‧‧隔離錨
58‧‧‧隔離懸置樑
60a‧‧‧第一質量件
60b‧‧‧第二質量件
64‧‧‧彈簧單位單元
66‧‧‧驅動電極
68‧‧‧感測電極
70‧‧‧複合彈簧微機電系統(MEMS)諧振器
74a‧‧‧第一質量件
74b‧‧‧第二質量件
76‧‧‧矽基底層
77‧‧‧絕緣體層/絕緣層
78‧‧‧矽層
90‧‧‧微機電系統(MEMS)諧振器
94a‧‧‧質量件
94b‧‧‧質量件
95‧‧‧複合彈簧區塊
96‧‧‧釋放孔
100‧‧‧多線圈彈簧微機電系統(MEMS)諧振器
102‧‧‧線圈彈簧
102a‧‧‧第一線圈彈簧
102b‧‧‧第二線圈彈簧
104‧‧‧外閉環/外環結構/外環
106‧‧‧中心錨
108‧‧‧電極/傳感器
110‧‧‧驅動電極
112‧‧‧感測電極
120‧‧‧矽基底層
122‧‧‧絕緣體層/絕緣層
125‧‧‧矽層
130‧‧‧釋放孔
150‧‧‧微機電系統(MEMS)諧振器
H‧‧‧高度
W‧‧‧寬度
在下文詳細描述及隨附圖式中揭示本發明之各項實施例。
包含圖1(a)及圖1(b)之圖1繪示習知即時時鐘電路。
包含圖2(a)及圖2(b)之圖2繪示在一些實施例中併入本發明之MEMS振盪器之一即時時鐘電路及一MEMS振盪器電路。
包含圖3(a)及圖3(b)之圖3包含本發明之實施例中之一複合彈簧MEMS諧振器之一透視圖及一俯視圖。
包含圖4(a)及圖4(b)之圖4包含本發明之實施例中之一彈簧單位單元之一透視圖及一俯視圖。
圖5為本發明之實施例中之包含多個諧振器單元之一複合彈簧MEMS諧振器之一透視圖。
圖6為一些實施例中之圖5之複合彈簧MEMS諧振器之一俯視圖。
圖7為一些實施例中之沿一線A-A’之圖6之複合彈簧MEMS諧振器之一截面圖。
包含圖8(a)至圖8(c)之圖8繪示一些實例中之圖6之MEMS諧振器之諧波運動。
圖9為本發明之替代實施例中之包含釋放孔之一複合彈簧MEMS諧振器之一透視圖。
圖10為本發明之實施例中之一多線圈彈簧MEMS諧振器之一透視圖。
圖11為本發明之實施例中之併入驅動電極及感測電極之圖10之多線圈彈簧MEMS諧振器之一透視圖。
圖12為一些實施例中之圖11之多線圈彈簧MEMS諧振器之一俯視圖。
圖13為一些實施例中之沿一線B-B’之圖12之多線圈彈簧MEMS諧振器之一截面圖。
包含圖14(a)至圖14(b)之圖14繪示一些實例中之圖10之MEMS諧 振器之諧波運動。
圖15為本發明之替代實施例中之無釋放孔之一多線圈彈簧MEMS諧振器之一透視圖。
本發明可依眾多方式予以實施，包含實施為一製程；一裝置；一系統；及/或一物質組合物。在本說明書中，此等實施方案或本發明可採取之任何其他形式可稱為技術。大體言之，在本發明之範疇內，所揭示製程之步驟之次序可變化。
下文連同繪示本發明之原理之附圖提供本發明之一或多項實施例之一詳細描述。本發明結合此等實施例予以描述，但本發明不限於任何實施例。本發明之範疇僅受申請專利範圍限制且本發明涵蓋眾多替代物、修改及等效物。在下文描述中陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一透徹瞭解。此等細節出於實例之目的而提供且可在無此等特定細節之一些或所有之情況下實行本發明。為簡明起見，未詳細描述有關本發明之技術領域中已知之技術材料以免本發明不必要地變模糊。
根據本發明之實施例，一複合彈簧MEMS諧振器包含一諧振器本體，該諧振器本體係使用形成一複合彈簧區塊之一或多個彈簧單位單元及形成諧振器本體之一或多個複合彈簧區塊而建構。各複合彈簧區塊錨固於節點處以確保一高品質(Q)因子。諧振器本體進一步包含附接至複合彈簧區塊之開放端且電容耦合至驅動/感測電極之質量件(mass)。彈簧單位單元之尺寸(包含形成彈簧單位單元之樑之長度及寬度、一複合彈簧區塊之彈簧單位單元之數目以及質量件之大小及重量)經選擇以實現一所要諧振頻率。同時，複合彈簧區塊之數目以及前述尺寸及組態因子經選擇以調諧MEMS諧振器之所要電特性，諸如阻抗。
根據本發明之其他實施例，一多線圈彈簧MEMS諧振器包含一中心錨及一諧振器本體，該諧振器本體包含依一螺旋型樣從中心錨延伸至一外閉環之兩個或更多個線圈彈簧。各對線圈彈簧源自中心錨上之相對點且依螺旋型樣延伸至外環上之相對點。線圈彈簧之數目、線圈彈簧之長度及寬度以及外環之重量經選擇以實現所要諧振頻率。
在本描述中，一MEMS諧振器指代依一穩定且精確的諧振頻率振動之一小機電結構。在本發明之實施例中，MEMS諧振器為可經激發進入機械諧振振動之一矽彈簧質量件系統。一MEMS諧振器係由一持續放大器驅動以在連續振盪中振動以產生一輸出頻率。特定言之，持續放大器偵測諧振器運動且將額外能量驅動至諧振器中，同時將諧振器運動維持於所要振幅。諧振振動經感測並轉換成具有諧振器之諧振頻率之一電信號。MEMS諧振器應用於形成MEMS振盪器及即時時鐘。
本發明之MEMS諧振器實現勝過習知MEMS諧振器之諸多優點。首先，本發明之MEMS諧振器針對低頻振動最佳化。經組態用於低頻操作之習知MEMS諧振器通常需要一大諧振器本體大小。在本發明之實施例中，複合彈簧及線圈彈簧MEMS諧振器最小化諧振器本體之實體大小，同時針對低頻輸出最佳化諧振器。同時，本發明之MEMS諧振器能夠實現低運動阻抗，該低運動阻抗係振盪器或即時時鐘應用中之一關鍵參數。
其次，使用堆疊式彈簧單位單元形成之複合彈簧MEMS諧振器實現低硬度，同時在一精巧區域中維持良好機械穩定性。本發明之複合彈簧MEMS諧振器在操作中係穩定的，具有可預測溫度行為且實現一高品質因子。
最後，多線圈彈簧諧振器錨固至基板之中心。藉由僅使用單個中心錨，多線圈彈簧諧振器之諧振頻率對基板或封裝應力較不敏感。 因此，本發明之多線圈彈簧諧振器亦依一高品質因子在操作中實現穩定性。
在一些應用中，本發明之MEMS諧振器用作一振盪器電路之一頻率源。特定言之，本發明之MEMS諧振器可用來對即時時鐘電路提供一穩定且準確的參考時鐘，以使得即時時鐘能夠隨溫度變動維持準確時間。在一個實例中，本發明之MEMS諧振器用來建構一MEMS振盪器，該MEMS振盪器提供可用於即時時鐘電路中之32.768kHz或32.768kHz之倍數之一輸出頻率。包含圖2(a)及圖2(b)之圖2繪示在一些實施例中併入本發明之MEMS諧振器之一即時時鐘電路及一MEMS振盪器電路。參考圖2(a)，提供為一即時時鐘積體電路之一即時時鐘10包含共同封裝於相同積體電路中或形成於相同半導體基板上之一即時時鐘晶片11及一MEMS諧振器12。MEMS諧振器12可實施為下文所述之複合彈簧MEMS諧振器或多線圈彈簧MEMS諧振器。MEMS諧振器12對形成於即時時鐘晶片11上之振盪器電路13提供一精確參考頻率。對於時基應用，MEMS諧振器12經建構以依32.768kHz或32.768kHz之一定倍數諧振。例如，在一些實施例中，MEMS諧振器12經建構以依524.288kHz(16倍)或262.144kHz(8倍)諧振。即時時鐘電路之鎖相迴路(PLL)使MEMS諧振器頻率分割(divide down)至所要32.768kHz頻率。依此方式，可使MEMS諧振器12更小以降低成本，同時即時時鐘可改良除法操作期間之雜訊。
即時時鐘晶片11容置即時時鐘10之所有支援電路以提供信號放大、時鐘除法及其他計時功能。在本實例中，即時時鐘晶片11包含諸如依32.768kHz提供一穩定時鐘信號之振盪器電路13。特定言之，振盪器電路13驅動MEMS諧振器12以產生具有32.768kHz或32.768kHz之倍數之所要參考頻率之一經感測信號。振盪器電路13提供具有32.768kHz之頻率之一時鐘信號作為參考時鐘信號。即時時鐘晶片11 進一步包含用來基於參考時鐘信號產生一頻率範圍內之一輸出時鐘信號之一時鐘除法器14。例如，輸出時鐘信號可具有1Hz至32kHz之一頻率。即時時鐘晶片11進一步包含用來提供控制且實現其他時基或計時功能之控制邏輯電路15及一記憶體16。圖2(a)中所展示之即時時鐘10之示意圖僅係闡釋性且並非意欲為限制性。在實際實施方案中，即時時鐘10可包含圖2(a)之例示性示意圖中未展示之其他電路。
即時時鐘10常包含一替代電源5，因此即時時鐘可在主電源斷電或變為不可用時繼續計時。替代電源5可為一電池電源，諸如一鋰離子電池或一超級電容器。
圖2(b)繪示一些實施例中之一MEMS振盪器之一例示性構造。參考圖2(b)，MEMS振盪器13包含一持續放大器22，該持續放大器22經組態以在連續運動中驅動MEMS諧振器12以產生一輸出頻率作為參考頻率。參考頻率係設定為32.768kHz或32.768kHz之倍數之MEMS諧振器之諧振頻率。MEMS振盪器13進一步經組態以感測MEMS諧振器12之諧振振動。感測信號被提供至一鎖相迴路(PLL)23作為參考頻率。PLL依參考頻率產生一時鐘信號或產生依據參考頻率而變化之一時鐘信號。振盪器電路13可包含用來產生參考時鐘信號以供下游即時時鐘電路使用之一輸出驅動器24。在本實例中，參考時鐘信號具有32.768kHz之一頻率。
複合彈簧MEMS諧振器
包含圖3(a)及圖3(b)之圖3包含本發明之實施例中之一複合彈簧MEMS諧振器之一透視圖及一俯視圖。參考圖3，一複合彈簧MEMS諧振器50包含一諧振器本體52，該諧振器本體52形成為懸置於一基板(未展示)上方且透過一對隔離錨56錨固至基板之一對連接的彈簧質量件系統54。特定言之，諧振器本體52包含一第一彈簧質量件系統54a(「彈簧質量件區段1」)及一第二彈簧質量件系統54b(「彈簧質量件 區段2」)，其等基底至基底連接且懸置於基板上方，使得其等的相對運動及後續應力在節點處消除，在該等節點處彈簧質量件系統54透過隔離錨56錨固至基板。
在彈簧質量件系統54中，彈簧質量件區段1、2之各者係由在開放端處附接至一質量件之一彈簧結構形成。在本發明之實施例中，彈簧質量件區段1、2之各者係使用經堆疊以形成一複合彈簧結構之彈簧單位單元而形成。在圖3(b)中，MEMS諧振器50被展示為具有依一影線型樣之彈簧單位單元結構，以繪示彈簧單位單元之摺疊式彈簧結構。複合彈簧結構可包含用來獲得諧振器之一所要硬度且因此調整諧振器之頻率之一或多個彈簧單位單元。更具體言之，彈簧單位單元之數目可經選擇以實現MEMS諧振器之所要諧振頻率。彈簧質量件區段1、2之複合彈簧結構連接於基底(節點)處以形成單個複合彈簧區塊55。在彈簧質量件區段1中，複合彈簧結構在開放端處附接至一第一質量件60a。在彈簧質量件區段2中，複合彈簧結構在開放端處附接至一第二質量件60b。第一質量件60a及第二質量件60b之大小及重量經選擇以調諧或調整諧振器之諧振頻率。此外，第一質量件60a及第二質量件60b用作MEMS諧振器50之輸入電極及輸出電極以來/回於諧振器本體耦合輸入驅動信號及輸出感測信號。輸入電極及輸出電極透過電容耦合進行操作以使得彈簧質量件系統54能夠被靜電驅動及感測，如下文將更詳細說明。
在本發明之實施例中，彈簧質量件系統54係由經重複且經連接以形成複合彈簧結構之彈簧單位單元64形成。包含圖4(a)及圖4(b)之圖4包含本發明之實施例中之一彈簧單位單元之一透視圖及一俯視圖。參考圖4，一彈簧單位單元64具有一精巧摺疊式彈簧結構。在本實例中，彈簧單位單元64具有一矩形摺疊式彈簧結構。彈簧單位單元64經設計以使得摺疊式彈簧結構能夠藉由堆疊而重複以形成一複合彈 簧結構。如此形成之複合彈簧結構最小化彈簧質量件系統之大小，同時保持穩定。由堆疊式彈簧單位單元形成之複合彈簧結構能夠提供低硬度，同時在MEMS諧振器中之一精巧區域中維持良好機械穩定性。
在本發明之實施例中，由彈簧單位單元之尺寸(即，彈簧單位單元之寬度(W)及高度(H)以及形成彈簧單位單元之樑之長度及寬度)界定MEMS諧振器50之諧振頻率。由一複合彈簧區塊之彈簧單位單元之數目以及質量件之大小及重量進一步界定MEMS諧振器50之諧振頻率。
參考圖3及圖4，在MEMS諧振器50中，諧振器本體52包含在節點處基底至基底連接之彈簧質量件區段1及彈簧質量件區段2(54a、54b)。彈簧質量件區段1、2在節點處藉由錨56穿過隔離懸置樑58錨固至基板。即，錨56連接或附接至一基板(未展示)且彈簧質量件區段1、2在節點處穿過懸置樑58連接至錨56。懸置樑58未附接至基板而是懸置於基板上方。在本描述中，節點指代在諧振器本體上實質上不移動或在諧振振動期間僅具有最小移動之點。藉由將彈簧質量件系統54錨固於節點處，MEMS諧振器可實現一高品質因子。各隔離懸置樑58在節點處將複合彈簧區塊55連接至錨56。隔離懸置樑58用來使任何剩餘運動或環境應力與錨56隔離，藉此將諧振能量保持於彈簧質量件系統中且改良諧振器之品質因子。在本發明之替代實施例中，懸置樑可被省略且錨56可在節點處直接附接至諧振器本體。
在一些實施例中，MEMS諧振器50藉由圖案化及蝕刻具有20μm至30μm之一厚度之一矽層而形成。因此，MEMS諧振器50具有近似20μm至30μm之一厚度。彈簧單位單元64具有56μm之一厚度(W)及15μm之一高度(H)且由形成摺疊式彈簧結構之3μm寬樑組成。在本實例中，彈簧質量件區段1及2(54a及54b)各使用三個彈簧單位單元而形成。質量件60a及60b各具有56μm×22μm之一尺寸。懸置樑58具有13 μm×30μm之一尺寸。錨56具有30μm×30μm之一尺寸。複合彈簧諧振器之所得諧振頻率為近似524kHz。
在本發明之實施例中，MEMS諧振器50係使用導電材料(諸如多晶或單晶矽)而形成。此外，在一些實施例中，本發明之MEMS諧振器可使用標準CMOS製程而形成。在一些實施例中，MEMS諧振器形成於一絕緣體上矽(SOI)晶圓上。即，MEMS諧振器形成於一矽層中，該矽層形成於上面形成有一絕緣層之一基板上。例如，在一項實施例中，上面形成有2μm之氧化矽之一矽基底層可用作基板。可作為一多晶矽層或單晶矽層之矽層形成於基板上且矽層經圖案化以形成MEMS諧振器。
在一些實施例中，諧振器本體(包含彈簧質量件系統、懸置樑及錨)可藉由使諧振器結構微影圖案化於形成於基板上之矽層上而形成。在一些實施例中，矽層為一單晶矽層且具有20μm至30μm之一厚度。運用諧振器結構(包含彈簧、質量件、懸置樑及錨)圖案化矽層。接著，諸如使用一濕蝕刻製程(其使用氫氟酸)蝕刻矽層以釋放諧振器彈簧及質量件結構(但錨除外)。在蝕刻製程之後，從底層基板釋放諧振器本體，同時錨保持附接至基板。在一些實施例中，釋放孔可包含於質量件60a、60b中以促進諧振器本體之蝕刻及從底層基板釋放諧振器本體。釋放孔亦使得質量件之重量能夠被調整以調諧MEMS諧振器之諧振頻率，如下文將更詳細說明。
在一些實施例中，MEMS諧振器50基於靜電轉導操作。MEMS諧振器50用一驅動電極及一感測電極形成窄且精確控制的間隙，其中驅動/感測電極連接或附接至基板，如圖3(b)中所展示。例如，一驅動電極66可電容耦合至質量件60a，而一感測電極68可電容耦合至質量件60b。驅動/感測電極與質量件之間的間隙通常為約1μm或更小之一小空隙。透過靜電轉導作用，MEMS諧振器被驅動成諧振振動。諧振振 動經感測並轉換成具有一明確界定且精確的頻率之一電信號。應注意，諧振器結構及電極係對稱的且因此驅動電極及感測電極可互換。
在上文所述之圖3中所展示之實施例中，描述在諧振器本體中包含單個複合彈簧結構之一MEMS諧振器。如上文所述，彈簧單位單元之尺寸(包含形成彈簧單位單元之樑之尺寸及複合彈簧區塊中之彈簧單位單元之數目)經選擇以調諧MEMS諧振器之諧振頻率。此外，複合彈簧區塊之開放端處之質量件之大小及重量亦經選擇以調諧MEMS諧振器之諧振頻率。在一些實施例中，圖3之諧振器本體表示一諧振器單元，其中諧振器單元可經重複且並聯連接以形成具有所要頻率以及電特性之一MEMS諧振器。特定言之，雖然諸如彈簧單位單元尺寸、一區塊中之彈簧單位單元之數目以及質量件之大小及重量之因素有助於MEMS諧振器之有效電特性，但可藉由並聯連接多個諧振器單元來進一步調整MEMS諧振器之電特性。
圖5為本發明之實施例中之包含多個諧振器單元之一複合彈簧MEMS諧振器之一透視圖。圖6為一些實施例中之圖5之複合彈簧MEMS諧振器之一俯視圖。在圖6中，MEMS諧振器被展示為具有依一影線型樣之彈簧單位單元結構，以繪示用來形成複合彈簧區塊之彈簧單位單元之摺疊式彈簧結構。參考圖5及圖6，一複合彈簧MEMS諧振器70係使用並聯連接以形成諧振器本體之三個諧振器單元50a、50b及50c而形成。依相同於上文參考圖3所述之方式之方式建構各諧振器單元50a至50c。更具體言之，各諧振器單元包含由三個彈簧單位單元形成之一彈簧質量件區段1及由三個彈簧單位單元形成之一彈簧質量件區段2。各諧振器單元之複合彈簧區塊藉由懸置樑及錨而錨固於節點處。兩個相鄰諧振器單元之錨可合併成單個錨。
複合彈簧區塊之開放端處之質量件74a及74b形成為單個連續或相連結構以實現並聯連接。質量件74a連接至所有諧振器單元之彈簧質 量件區段1之開放端。質量件74b連接至所有諧振器單元之彈簧質量件區段2之開放端。質量件74a與驅動電極66分離達一窄空隙以與驅動電極66形成一電容器。質量件74b與感測電極68分離達一窄空隙以與感測電極68形成一電容器。驅動/感測電極與質量件之間的空隙係小的，通常為約1μm或更小。應注意，諧振器結構及電極係對稱的且因此驅動電極及感測電極可互換。此外，驅動電極66及感測電極68連接或附接至基板，而諧振器本體(包含複合彈簧結構及質量件)懸置於基板上方。
當如此組態時，複合彈簧MEMS諧振器70實現具有降低的有效阻抗之增大的電極區域。特定言之，第一質量件74a及第二質量件74b形成一大電極區域以分別電容耦合至驅動電極66及感測電極68。特定言之，多個並聯連接諧振器單元之第一開放端處之質量件74a電容耦合至驅動電極66以接收輸入驅動信號，而多個並聯連接諧振器單元之第二開放端處之質量件74b電容耦合至感測電極68以提供輸出感測信號。即，驅動電極66與質量件74a分離達一窄且精確控制的間隙，使得驅動電極66與質量件74a形成一電容器。類似地，感測電極68與質量件74b分離達一窄且精確控制的間隙，使得感測電極68與質量件74b形成一電容器。藉由多個諧振器單元之並聯組態，使一大電極區域變為可能。此外，藉由使諧振器單元如此並聯連接，MEMS諧振器之阻力或運動阻抗減小，藉此改良MEMS諧振器70之電特性。
據此，在一些實施例中，本發明之複合彈簧MEMS諧振器可藉由以下步驟而形成：選擇複合彈簧區塊之彈簧單位單元之所要數目以調諧MEMS諧振器之所要諧振頻率；及選擇並聯諧振器單元之所要數目以調整MEMS諧振器之所要電特性。特定言之，藉由由彈簧單位單元之數目及彈簧單位單元之尺寸(包含形成彈簧單位單元之樑之尺寸)判定之質量件(質量件60a、60b)之大小(或尺寸)及重量以及彈簧之硬度 而調諧MEMS諧振器之諧振頻率。藉由並聯連接的諧振器單元之數目調諧MEMS諧振器之阻抗。
圖7為一些實施例中之沿一線A-A’之圖6之複合彈簧MEMS諧振器之一截面圖。參考圖7，MEMS諧振器70形成於一基板(包含一矽基底層76及形成於基底層76上之一絕緣體層77(諸如氧化矽))上。諧振器結構形成於一矽層78中，諸如一單晶或多晶矽層。矽層78可為20μm至30μm厚。矽層78經微影圖案化且接著經蝕刻(諸如使用氫氟酸之一濕蝕刻)來釋放彈簧結構。錨56(作為一大的矽結構)保持附接至絕緣層77，此係因為來自濕蝕刻之下切不足以蝕穿錨。
包含圖8(a)至圖8(c)之圖8繪示一些實例中之圖6之MEMS諧振器之諧波運動。出於闡釋目的，誇大圖8中所展示之位移。在實際實踐中，MEMS諧振器之移動係小的且保持於質量件與驅動/感測電極之間的窄空隙內。例如，在空隙為1μm時，MEMS諧振器之彈簧結構具有小於1μm之一位移。將參考圖6及圖8描述MEMS諧振器70之操作。
在本發明之實施例中，靜電地驅動及感測MEMS諧振器70。為了致動MEMS諧振器，將一DC電壓及一小AC信號施加至驅動電極66。接著，藉由驅動電極66電容驅動質量件74a穿過空隙。由於驅動電壓，故複合彈簧區塊振動。更具體言之，MEMS諧振器中之複合彈簧結構始於一第一位置(圖8(a))且向外展開(或伸展)以在兩端處朝向驅動/感測電極(未展示)推動質量件，如圖8(b)中所展示。在複合彈簧結構伸展至最大振幅之情況下，複合彈簧結構返回至第一位置，如圖8(c)中所展示。隨著MEMS諧振器70被驅動，複合彈簧結構之諧波運動依諧振頻率重複。在其中錨附接至複合彈簧結構之節點處，在振動移動期間複合彈簧結構不移動。
質量件74b相對於感測電極68之位移改變形成於兩個電極之間的電容器之電容。一時變電容器形成於質量件74b與感測電極68之間。 為了感測電容變更，將一DC電壓施加至諧振器結構與感測電極68之間，且產生指示電容變更之一AC電流。感測電極處之AC電流經感測以產生具有一精確頻率之感測信號。在一些實施例中，MEMS諧振器70調諧至32.768kHz或32.768kHz之一定倍數之一諧振頻率。MEMS諧振器70可用來建構一MEMS振盪器，該MEMS振盪器提供可用於即時時鐘電路中之32.768kHz之一輸出頻率。
圖9為本發明之替代實施例中之包含釋放孔之一複合彈簧MEMS諧振器之一透視圖。參考圖9，依相同於圖5之MEMS諧振器70但在複合彈簧區塊95之開放端處在質量件94a及94b中添加釋放孔96之方式建構一MEMS諧振器90。釋放孔96用來調整質量件94a、94b之重量，同時亦促進製造之便利。特定言之，可藉由在質量件結構中包含釋放孔96之一配置來調諧質量件94a、94b之重量。調整質量件94a、94b之重量調整諧振器本體之重量，其繼而調諧MEMS諧振器之諧振頻率。此外，釋放孔96藉由提供額外開口供蝕刻劑進入以在諧振結構下方蝕刻以釋放諧振器本體，藉此增強蝕刻製程且確保諧振器結構之釋放而增強濕蝕刻製程。釋放孔96之數目、大小及位置可經選擇以調整質量件重量以調諧諧振頻率且增強製造期間結構之蝕刻。圖9中之釋放孔之配置僅係闡釋性的。
本發明之複合彈簧MEMS諧振器實現勝過習知MEMS諧振器之諸多優點。第一，相較於習知MEMS諧振器，本發明之複合彈簧MEMS諧振器針對低頻實現一精巧大小。第二，本發明之複合彈簧MEMS諧振器可實現相對較低運動阻抗，其係當諧振器應用於建構時序或時鐘電路(諸如即時時鐘)時之一關鍵參數。第三，本發明之複合彈簧MEMS諧振器具有對稱諧振模式形狀且具有附接至諧振本體之節點之錨。據此，本發明之複合彈簧MEMS諧振器可實現低損耗及高品質因子。
多線圈彈簧MEMS諧振器
圖10為本發明之實施例中之一多線圈彈簧MEMS諧振器之一透視圖。參考圖10，一多線圈彈簧MEMS諧振器100包含一諧振器本體，該諧振器本體由一或多對線圈彈簧102及一外閉環104形成，該外閉環104懸置於一基板(未展示)上方且透過一中心錨106錨固至基板。線圈彈簧102依一螺旋型樣從中心錨106延伸至外閉環104。各對線圈彈簧102源自中心錨106上之相對點且依一螺旋型樣延伸至外環結構104上之相對點。在圖10及後續圖式中，依一不同影線型樣展示MEMS諧振器之線圈彈簧，以繪示線圈彈簧結構。
更具體言之，在本實施例中，一第一線圈彈簧102a源自中心錨上之一第一位置且依一螺旋型樣繞中心錨106延伸達一全圓，以在與第一位置對準之一位置處終止於外環104上。第二彈簧彈簧102b源自中心錨上之與第一位置相對之一第二位置。第二彈簧彈簧102b依一螺旋型樣繞中心錨106延伸達一全圓，以在與第二位置對準之一位置處終止於在外環104上。在本發明之實施例中，線圈彈簧102可在一順時針方向或逆時針方向上從中心錨螺旋至外閉環。本發明之MEMS諧振器之一特徵為在諧振器本體中使用長線圈彈簧，其中長線圈彈簧在一極小區域中提供低彈簧常數。在本實施例中，線圈彈簧依一螺旋型樣繞中心錨延伸為一全圓。在其他實施例中，線圈彈簧可繞中心錨螺旋為一部分圓。此外，在其他實施例中，線圈彈簧可繞中心錨螺旋達大於一全圓。
MEMS諧振器100之諧振器本體進一步包含一組電極108，該組電極108附接至外環結構104且從外環104向外延伸。在一些實施例中，電極108垂直於外環而形成。電極108用作傳感器以往返於諧振器本體驅動信號及感測信號。在本實施例中，展示八個傳感器108。在其他實施例中，可併入任何數目之一或多個傳感器108。在本實施例中， 八個傳感器之使用僅係闡釋性的且並非意欲為限制性。
在MEMS諧振器100中，線圈彈簧102之對數、線圈彈簧102之長度及寬度以及外閉環104之重量經選擇以實現所要諧振頻率。在圖10中所展示之實施例中，外閉環104及電極108形成有釋放孔130。釋放孔130可用來調整外環及電極之重量以便調諧MEMS諧振器之諧振頻率。釋放孔130亦用來在製程期間促進諧振器本體之蝕刻及從底層基板釋放諧振器本體。
在替代實施例中，外環104可併入除釋放孔外之結構以調整質量件且因此調整諧振頻率。外部環上之結構可電氣地或藉由雷射修整，以在不影響MEMS諧振器之品質因子的情況下調整諧振器頻率。
在一項實施例中，外環104之重量以及線圈彈簧102之對數以及長度及寬度經選擇使得MEMS諧振器100用作一低頻諧振器。例如，在一項實施例中，針對適於時序應用或即時時鐘之32.768kHz或32.768kHz之一定倍數之一諧振頻率組態MEMS諧振器100。
在一些實施例中，MEMS諧振器100係藉由圖案化及蝕刻具有20μm至30μm之一厚度之一矽層而形成。因此，MEMS諧振器100具有近似20μm至30μm之一厚度。中心錨具有92μm之一直徑。外環具有187μm之一內徑及12μm之一寬度。線圈彈簧具有8.5μm之一寬度及大於中心錨之圓周且可小於或大於外環之內圓周之一長度。線圈彈簧諧振器之所得諧振頻率為近似64kHz。
在本發明之實施例中，MEMS諧振器100係使用一導電材料(諸如多晶或單晶矽)而形成。此外，在一些實施例中，本發明之MEMS諧振器可使用標準CMOS製程而形成。在一些實施例中，MEMS諧振器形成於一絕緣體上矽(SOI)晶圓上。即，MEMS諧振器形成於一矽層中，該矽層形成於上面形成有一絕緣層之一基板上。例如，在一項實施例中，上面形成有2μm之氧化矽之一矽基底層可用作基板。可作為 一多晶矽層或單晶矽層之矽層形成於基板上且矽層經圖案化以形成MEMS諧振器。
在一些實施例中，諧振器本體可藉由使諧振器結構微影圖案化於形成於基板上之矽層上而形成。在一些實施例中，矽層為一單晶矽層且具有20μm至30μm之一厚度。矽層圖案化有諧振器結構，包含線圈彈簧、外環及中心錨。接著，諸如使用一濕蝕刻製程(其使用氫氟酸)蝕刻矽層以釋放諧振器線圈彈簧及閉環結構(錨除外)。在蝕刻製程之後，從底層基板釋放諧振器本體，而中心錨保持附接至基板。如圖10中所展示，釋放孔130可包含於外環104中以促進諧振器本體之蝕刻及釋放。釋放孔亦使得質量件之重量能夠被調整以調諧諧振頻率，如上文所說明。
在本發明之實施例中，MEMS諧振器100基於靜電轉導操作。從外環104延伸之電極108形成傳感器用於耦合至驅動電極及感測電極。在一些實施例中，傳感器可經組態用於靜電梳齒驅動。在其他實施例中，傳感器可經組態用於並聯板驅動。圖11為本發明之實施例中之併入驅動電極及感測電極之圖10之多線圈彈簧MEMS諧振器之一透視圖。圖12為一些實施例中之圖11之多線圈彈簧MEMS諧振器之一俯視圖。參考圖11及圖12，在本實施例中，MEMS諧振器100之傳感器108經組態用於並聯板驅動。各傳感器108耦合至一組驅動電極110及感測電極112。在本實例中，MEMS諧振器100包含八個傳感器108。因此，一組16個驅動/感測電極110、112經提供用於MEMS諧振器之激發。
各對驅動/感測電極電容耦合至一各自傳感器108。各傳感器與驅動電極及感測電極分離達一窄且精確控制的間隙，其中驅動/感測電極連接或附接至基板。驅動/感測電極與傳感器之間的間隙通常為約1μm或更小之一小空隙。透過靜電轉導作用，MEMS諧振器被驅動成諧 振振動。特定言之，線圈彈簧及外環依順時針及逆時針方向旋轉。諧振器本體之位移小於空隙，諸如小於1μm的一半。諧振振動經感測並轉換成具有一準確界定且精確的頻率之一電信號。應注意，諧振器結構及電極係對稱的且因此驅動電極及感測電極可互換。
在本發明之實施例中，可運用具有相同相位之一DC電壓及一AC信號驅動驅動電極110。在其他實施例中，可運用不同相位中之一DC電壓及一AC信號驅動驅動電極110。
圖13為一些實施例中之沿一線B-B’之圖12之多線圈彈簧MEMS諧振器之一截面圖。參考圖13，MEMS諧振器100形成於一基板上，該基板包含一矽基底層120及形成於基底層120上之一絕緣體層122，諸如氧化矽。諧振器結構形成於一矽層125中，諸如一單晶或多晶矽層。矽層125可為20μm至30μm厚。矽層125經微影蝕刻且接著蝕刻(諸如使用氫氟酸之一濕蝕刻)以釋放線圈彈簧結構。中心錨106(其作為一大的矽結構)保持附接至絕緣層122，此係因為來自濕蝕刻之下切不足以蝕穿錨。線圈102及外環104從底層基板懸置。驅動電極110及感測電極112保持連接至基板。
包含圖14(a)至圖14(b)之圖14繪示一些實例中之圖10之MEMS諧振器之諧波運動。出於闡釋目的，誇大圖14中所展示之位移。在實際實踐中，MEMS諧振器之移動係小的且保持於傳感器與驅動/感測電極之間的窄空隙內。例如，在空隙為1μm時，MEMS諧振器之線圈彈簧及外環結構具有小於1μm之一位移且通常為約半微米。將參考圖12及圖14描述MEMS諧振器100之操作。
在本發明之實施例中，MEMS諧振器100被靜電驅動及感測。為了致動MEMS諧振器，將一DC電壓及一小AC信號施加至驅動電極110。接著，藉由驅動電極110電容驅動傳感器108穿過空隙。由於驅動電壓，故線圈彈簧及外環在一順時針方向上旋轉。更具體言之， MEMS諧振器中之線圈彈簧及外環結構始於一第一位置(圖14(a))且在一順時針方向上旋轉至一第二位置，如圖14(b)中所展示。在線圈彈簧及外環結構如此旋轉之情況下，線圈彈簧及外環結構在一逆時針方向上旋轉回至第一位置，如圖14(a)中所展示。隨著MEMS諧振器100被驅動，線圈彈簧及外環結構之諧波運動依諧振頻率重複。在其中線圈彈簧附接至中心錨之點處，在振動移動期間線圈彈簧結構不移動。
傳感器108相對於感測電極112之位移改變形成於兩個電極之間的電容器之電容。一時變電容器形成於傳感器108與感測電極112之間。為了感測電容變更，將一DC電壓施加至諧振器結構與感測電極112之間，且產生指示電容變更之一AC電流。感測電極處之AC電流經感測以產生具有一精確頻率之感測信號。在一些實施例中，MEMS諧振器100調諧至32.768kHz或32.768kHz之一定倍數之一諧振頻率。MEMS諧振器100可用來建構一MEMS振盪器，該MEMS振盪器提供可用於即時時鐘電路中之32.768kHz之一輸出頻率。
有益的是，應注意MEMS諧振器100具有一對稱諧振器結構且因此驅動電極及感測電極可互換。此外，線圈彈簧及外環結構可從逆時針方向旋轉至順時針方向且接著重複。順時針旋轉及逆時針旋轉之次序對本發明之實踐而言並非關鍵。
圖15為本發明之替代實施例中之無釋放孔之一多線圈彈簧MEMS諧振器之一透視圖。參考圖15，依相同於圖10之MEMS諧振器100但無任何釋放孔之方式建構一MEMS諧振器150。本發明之多線圈彈簧MEMS諧振器可使用如圖10中所展示之釋放孔而形成以調整外環及傳感器之重量。然而，釋放孔係選用的。在圖15中所展示之實施例中，可形成無釋放孔之多線圈彈簧MEMS諧振器。在其他實施例中，可形成在外環中具有釋放孔但在傳感器上無釋放孔之多線圈彈簧MEMS諧振器。在另外其他實施例中，可形成在傳感器中具有釋放孔但在外環 上無釋放孔之多線圈彈簧MEMS諧振器。
儘管已出於清楚理解之目的而相當詳細地描述前述實施例，但本發明不限於所提供之細節。存在實施本發明之許多替代方式。所揭示之實施例係闡釋性且非限制性的。
50‧‧‧複合彈簧微機電系統(MEMS)諧振器
52‧‧‧諧振器本體
56‧‧‧隔離錨
58‧‧‧隔離懸置樑
60a‧‧‧第一質量件
60b‧‧‧第二質量件

Claims (20)

  1. 一種微機電系統(MEMS)諧振器，其包括：一諧振器本體(resonator body)，其包括一第一彈簧質量件(spring-mass)區段及一第二彈簧質量件區段，各彈簧質量件區段包括具有一基底端(base end)及一開放端(open end)之一複合彈簧結構以及附接至該複合彈簧結構之該開放端之一質量件，該第一彈簧質量件區段及該第二彈簧質量件區段連接於該等基底端處，該等基底端在該諧振器本體之諧振振動期間形成該諧振器本體最小移動之一對節點(nodal points)，其中該複合彈簧結構由一或多個彈簧單位單元形成且各彈簧單位單元包括一摺疊式彈簧結構，該摺疊式彈簧結構包括連接至形成相對凹結構(opposing concave structure)之一對摺疊式內部區段之一對端區段；一對錨，其等連接至一基板且在該等節點處附接至該諧振器本體之相對側；一驅動電極，其經形成以附接至該基板且電容耦合至該第一彈簧質量件區段之該質量件；及一感測電極，其經形成以附接至該基板且電容耦合至該第二彈簧質量件區段之該質量件。
  2. 如請求項1之MEMS諧振器，其進一步包括：一對懸置樑，其等懸置於該基板上方，各錨透過該等懸置樑之一者在該節點處附接至該諧振器本體。
  3. 如請求項1之MEMS諧振器，其中該驅動電極及該第一彈簧質量件區段之該質量件分離達一第一間隙且該感測電極及該第二彈簧質量件區段之該質量件分離達一第二間隙，該第一間隙及該 第二間隙之各者等於或小於1μm。
  4. 如請求項1之MEMS諧振器，其中該諧振器本體具有20μm至30μm之一厚度。
  5. 如請求項1之MEMS諧振器，其中該諧振器本體由選自一單晶矽層及一多晶矽層之一材料形成。
  6. 如請求項1之MEMS諧振器，其中該基板包括上面形成有一絕緣層之一矽基底層。
  7. 如請求項1之MEMS諧振器，其中該彈簧單位單元包括一矩形摺疊式彈簧結構。
  8. 如請求項1之MEMS諧振器，其中在各彈簧質量件區段中附接至該複合彈簧結構之該開放端之該質量件包括形成於其中之釋放孔，該等釋放孔調整該質量件之重量。
  9. 如請求項1之MEMS諧振器，其中該彈簧單位單元之尺寸，包含形成該摺疊式彈簧結構之樑之尺寸、該複合彈簧結構中之彈簧單位單元之一數目以及各彈簧質量件區段中之該質量件之一大小及一重量，經選擇以調諧該MEMS諧振器之一諧振頻率。
  10. 一種微機電系統(MEMS)諧振器，其包括：一諧振器本體，其包括一或多個諧振器單元，各諧振器單元包括：一第一彈簧質量件區段及一第二彈簧質量件區段，各彈簧質量件區段包括具有一基底端及一開放端之一複合彈簧結構以及附接至該複合彈簧結構之該開放端之一質量件，該第一彈簧質量件區段及該第二彈簧質量件區段連接於該等基底端處，該等基底端在該諧振器單元之諧振振動期間形成該諧振器單元最小移動之一對節點，其中該複合彈簧結構由一或多個彈簧單位單元形成且各彈簧單位單元包括一摺疊式彈簧結 構，該摺疊式彈簧結構包括連接至形成相對凹結構之一對摺疊式內部區段之一對端區段；及一對錨，其等連接至一基板且在該等節點處附接至該諧振器單元之相對側，其中該一或多個諧振器單元之該等第一彈簧質量件區段之該等質量件形成為一連續結構以形成一第一質量件，且該一或多個諧振器單元之該等第二彈簧質量件區段之該等質量件形成為一連續結構以形成一第二質量件，該第一質量件及該第二質量件經形成以並聯連接該等諧振器單元；一驅動電極，其經形成以附接至該基板且電容耦合至該第一質量件；及一感測電極，其經形成以附接至該基板且電容耦合至該第二質量件。
  11. 如請求項10之MEMS諧振器，其中各諧振器單元進一步包括：一對懸置樑，其等懸置於該基板上方，各錨透過該等懸置樑之一者在該節點處附接至該諧振器單元。
  12. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該驅動電極及該第一質量件分離達一第一間隙且該感測電極及該第二質量件分離達一第二間隙，該第一間隙及該第二間隙之各者等於或小於1μm。
  13. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該諧振器本體具有20μm至30μm之一厚度。
  14. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該諧振器本體由選自一單晶矽層及一多晶矽層之一材料形成。
  15. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該基板包括上面形成有一絕緣層之一矽基底層。
  16. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該彈簧單位單元包括一矩形摺 疊式彈簧結構。
  17. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該第一質量件及該第二質量件各包括形成於其中之釋放孔，該等釋放孔調整該第一質量件或該第二質量件之重量。
  18. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該彈簧單位單元之尺寸，包含形成該摺疊式彈簧結構之樑之尺寸、該複合彈簧結構中之彈簧單位單元之一數目以及各彈簧質量件區段中之該質量件之一大小及一重量，經選擇以調諧該MEMS諧振器之一諧振頻率。
  19. 如請求項10之MEMS諧振器，其中該諧振器本體中之諧振器單元之一數目經選擇以獲得該MEMS諧振器之一所要電特性。
  20. 如請求項19之MEMS諧振器，其中該諧振器本體中之諧振器單元之該數目經選擇以獲得該MEMS諧振器之一所要運動阻抗。
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