MEMS谐振器的制作方法

本发明涉及微机电系统(mems)谐振器。

背景技术：

1、本部分说明了有用的背景信息，但不承认本文所述的任何技术代表现有技术。

2、要使mems谐振器达到低等效串联电阻(esr)可能具有挑战性，尤其是对于大小较小的谐振器。对于体声波谐振器，谐振频率与其某些横向尺寸成反比，这些横向尺寸可被定义为频率定义尺寸。对于长度拉伸(le)谐振器，梁长度是频率定义尺寸。为了达到高谐振频率，频率定义尺寸会缩小。然而，由于频率要求，le谐振器的长度变小的同时，其宽度应延长以达到足够低的等效串联电阻。

3、同时需要在一个尺寸上缩小并在另一个尺寸上扩大会带来某些设计挑战。

技术实现思路

1、本发明的某些实施例的目的在于提供一种具有低等效串联电阻(esr)的mems谐振器，或者至少提供现有技术的替代方案。某些实施例的另一目的是增加裸片上谐振器元件布局的设计自由度。某些实施例的另一目的是提供一种谐振频率在温度范围内变化较小的低esr谐振器。

2、根据本发明的第一示例方面，提供了一种mems(微机电系统)谐振器组件，包括：

3、支撑结构，

4、悬置在支撑结构上的谐振器元件，以及

5、用于将谐振器元件激发到谐振模态的致动器

6、其中

7、谐振器元件以谐振频率f0振动并且包括至少一个体声波谐振器，并且其中

8、esr*a*f0在12ωmm2mhz至83ωmm2mhz的范围内，其中esr是mems谐振器组件的等效串联电阻，a是谐振器元件的面积。

9、在某些实施例中，所述体声波谐振器是长度拉伸模态谐振器(“le谐振器”)、互连的长度拉伸谐振器的组件、宽度拉伸谐振器、方形拉伸谐振器或lame谐振器。

10、在某些实施例中，esr*a*f0等于或大于16ωmm2mhz，或等于或大于25ωmm2mhz。

11、在某些实施例中，谐振器元件的面积a在形成有谐振器元件的裸片或晶圆的平面中在0.001mm2至1mm2的范围内。

12、在某些实施例中，运动电容与分流电容之比小于0.005。

13、在某些实施例中，优点指标大于10。

14、在某些实施例中，所述体声波谐振器是平面内谐振器。

15、在某些实施例中，致动器是压电致动器或静电致动器。

16、在某些实施例中，谐振器元件的质量的50％以上由单晶硅组成。

17、在某些实施例中，所述体声波谐振器的主振动方向基本平行于谐振器元件内的单晶硅层的<100>结晶方向，并且所述单晶硅层的平均磷掺杂剂浓度大于2×1019cm-3。

18、在某些实施例中，谐振器元件包括压电aln、sc掺杂aln、zno、linbo3或litao3层。

19、在某些实施例中，谐振器元件包括压电材料层，其厚度范围为0.5μm至4μm，诸如1μm至2μm。

20、在某些实施例中，谐振器元件内的单晶硅的平均磷掺杂浓度大于2×1019cm-3，并且压电层的厚度与单晶硅层的厚度之比或与谐振器元件内两个单晶硅层的各自厚度之和之比大于0.07。

21、在某些实施例中，谐振频率f0在7mhz至160mhz的范围内，诸如在15mhz至110mhz的范围内。

22、在某些实施例中，在-30℃至85℃的温度范围内，谐振频率f0与温度曲线中存在两个转折点。

23、在某些实施例中，其中，相对于温度为25℃时的所述谐振频率，在-30℃至85℃的温度范围内谐振频率f0的变化在±30百万分率内，诸如在±15百万分率内。

24、在某些实施例中，谐振器元件内的氧化硅层的数目为零或一。

25、在某些实施例中，腔体将谐振器元件与支撑结构隔开。

26、在某些实施例中，谐振器元件包括：两个体声波谐振器，它们均以相同的相位或相对于彼此180度的相移以谐振频率f0振动；以及机械连接所述两个体声波谐振器的材料部分。

27、在某些实施例中，两个体声波谐振器之间的距离为50μm或更小，诸如20μm或更小。

28、在某些实施例中，机械连接体声波谐振器的材料部分是(基本上)刚性的互耦合元件。

29、在某些实施例中，机械连接两个体声波谐振器中的第一体声波谐振器和两个体声波谐振器中的第二体声波谐振器的所述材料部分是弯曲模态谐振器。

30、在某些实施例中，两个体声波谐振器中的第一体声波谐振器和两个体声波谐振器中的第二体声波谐振器被系到相同的支撑结构，该支撑结构沿着位于第一和第二体声波谐振器中间的线被形成在谐振器元件的平面内。

31、在某些实施例中，谐振频率f0基本上等于第一体声波谐振器的基频或第n泛音频率和第二体声波谐振器的基频或第n泛音频率。

32、在某些实施例中，第一体声波谐振器和第二体声波谐振器在振动方向上谐振，并且弯曲谐振器是梁谐振器，其最长尺寸定位为垂直于所述振动方向。

33、在某些实施例中，弯曲模态谐振器的第n泛音频率基本等于谐振频率f0。

34、在某些实施例中，弯曲谐振器是平面内弯曲梁谐振器。

35、在某些实施例中，弯曲谐振器在第一和第二体声波谐振器的波腹点处机械连接到第一体声波谐振器和第二体声波谐振器。

36、在某些实施例中，弯曲谐振器在弯曲谐振器的第一侧的一个或多个连接点处机械连接到第一体声波谐振器，并在弯曲谐振器的相对的第二侧的一个或多个连接点处机械连接到第二体声波谐振器。

37、在某些实施例中，弯曲谐振器在弯曲谐振器的一侧的一个或多个连接点处机械连接到第一体声波谐振器，并在弯曲谐振器的同一侧的一个或多个连接点处机械连接到第二体声波谐振器。

38、在某些实施例中，弯曲模态谐振器的谐振模态形状具有两种类型的波腹点，其中第一类型的(多个)波腹点沿振动轴具有正位移，并且它们中的至少一个波腹点是用于机械连接到两个体声波谐振器中的第一体声波谐振器的连接点，并且第二类型的(多个)波腹点沿所述振动轴具有负位移，并且它们中的至少一个波腹点是用于机械连接到两个体声波谐振器中的第二体声波谐振器的连接点。

39、在某些实施例中，第一体声波谐振器在第一振动方向上谐振，并且第二体声波谐振器在垂直于第一振动方向的第二振动方向上谐振。

40、在某些实施例中，弯曲模态谐振器包括具有矩形框架形式的材料部分。

41、在某些实施例中，在(两个体声波谐振器中的)第一和第二体声波谐振器之间的弯曲模态谐振器经由弯曲模态谐振器的波腹点机械连接第一和第二体声波谐振器。

42、在某些实施例中，第一和第二体声波谐振器包括互连的谐振器梁，其中相邻的谐振器梁通过至少一个机械连接(或耦合)元件连接。

43、在某些实施例中，第一和第二体声波谐振器的谐振梁和弯曲模态谐振器的细长谐振器元件(或梁)沿谐振器元件内的单晶硅层的相应<100>结晶方向排列，或与所述相应<100>方向偏离最多15度。

44、在某些实施例中，mems谐振器组件包括：两个体声波谐振器，其具有互连的谐振器梁，被配置为在平面内长度拉伸(le)谐振模态下谐振；以及至少一个弯曲模态谐振器，其经由位于弯曲模态谐振器的一些波腹点上的连接器元件机械连接到体声波谐振器，并且其中两个体声波谐振器同相谐振。

45、在某些实施例中，mems谐振器组件包括两个体声波谐振器，每个体声波谐振器由一个或多个长度拉伸梁组成，这些梁沿其长度尺寸并排平行布置，并沿其宽度耦合(从而形成互连的长度拉伸谐振器组件)。

46、在某些实施例中，两个或多个体声波谐振器沿其长度尺寸并排平行布置，使得在同相振动期间，每个体声波谐振器的两个远端边缘周期性地朝向或远离彼此。

47、在某些实施例中，平面内弯曲模态谐振器位于每对拉伸模态谐振器之间，其长度方向垂直于拉伸模态谐振器的振动方向。

48、在某些实施例中，假设自由边界条件，(多个)弯曲模态谐振器具有与拉伸模态谐振器基本相同的谐振频率。该频率可以是其基本谐振频率或第n泛音。在某些实施例中，平面内弯曲振动的特征在于n+1个波节点和n+2个波腹点。在某些实施例中，通过设计适当的梁长度和宽度来实现(多个)弯曲模态谐振器和拉伸模态谐振器之间的频率匹配。

49、在某些实施例中，弯曲模态谐振器通过放置在弯曲模态谐振器两侧的至少一个连接点上的连接器元件机械耦合到拉伸模态谐振器。

50、在某些实施例中，所述弯曲模态谐振器的连接点位于弯曲模态谐振器的波腹点处和(连接的)体声波谐振器的波腹点处。

51、在某些实施例中，一个拉伸模态谐振器与其相邻的拉伸模态谐振器之间的距离等于弯曲模态谐振器的宽度加上连接器元件长度的两倍。

52、在某些实施例中，拉伸模态谐振器包括谐振材料部分，谐振材料部分(基本上)沿谐振器元件内的单晶硅层的<100>结晶方向(诸如[100])对齐。此外，在某些实施例中，弯曲耦合元件(弯曲模态谐振器)基本上沿另一<100>结晶方向(诸如[010])对齐。

53、前面已经介绍了不同的非约束性示例方面和实施例。上述实施例和本说明书后面将描述的实施例用于解释可在本发明的实现中使用的选定方面或步骤。应该理解，对应的实施例也适用于其他示例方面。可以形成实施例的任何适当组合。