[發明專利]壓阻MEMS諧振器

無效

• 申請號: 201010604008.0
• 申請日: 2010-12-22
• 公開（公告）號: CN102122934A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發明（設計）人: 格哈德·庫普斯;約瑟夫·托馬斯·馬丁內斯·范貝克
• 申請（專利權）人: NXP股份有限公司
• 主分類號: H03H9/24
• 分類號: H03H9/24;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及微機電系統(MEMS)。更具體地，本發明涉及壓阻(piezo-resistive)MEMS器件。

背景技術

MEMS諧振器允許將精確定時和頻率參考器件集成在硅芯片上。這使得與傳統的石英諧振器電路相比可以顯著降低成本和減小尺寸。

MEMS諧振器可以使用外延(縱向)模式或扭轉(彎曲)模式。在一些應用中偏愛外延模式(extensional?mode)，這是由于外延模式可以比大多數彎折模式存儲更多的能量并從而更不易遭受非線性。

外延模式(也稱作平面模式)振動包括材料平面上的壓縮波。即，材料的物理位移沿著與諧振器處于相同平面的方向進行，交替地拉伸或壓縮材料。在與該平面橫向交叉的方向上有很小的位移或沒有位移(彎曲或彎折)。扭轉模式振動包括結構向該結構平面外部的彎曲。

在典型的MEMS諧振器中，機械振動是由靜電力來激勵的，所述靜電力是由經由與諧振器相隔較小距離的一個或多個電極而施加的電信號來產生的。該振動引起變化的電容，可以經由單獨的輸出電極(或多個輸出電極)或者經由諧振器自身的本體來檢測到所述變化的電容。

在電容性讀出布置中，為了具有可測量的信號，在MEMS諧振器移動期間的電容變化需要足夠大。通常通過將MEMS結構制造得高(使用～10μm絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)層)且寬，來實現這一點。因此，很難在不過多地減小信號(導納)的情況下將這些器件縮放到更小的尺寸(和更高的頻率)。

克服這種缺點的一種方法是利用壓阻讀出裝置，如在J.T.M?van?Beek等人的“SCALABLE?1.1?GHZ?FUNDAMENTAL?MODE?PIEZO-RESISTIVE?SILICON?MEMS?RESONATOR”，IEDM?2007，頁411-414中公開的。該讀出方法包括使小電流通過諧振器件。器件的機械移動將引起機械拉伸，機械拉伸進而將(通過壓阻效應)改變電流路徑的電阻并記錄為電信號。

當輸入信號處于或接近器件的諧振頻率時，發生諧振，有效地以器件的增益因子Q放大了該頻率上的輸出信號。

MEMS諧振器的尺寸與諧振頻率成反向關系。當前的尺寸足夠小，從而可以使用這種技術來實現射頻(RF)諧振器。這使得MEMS技術對于下一代無線通信設備表現出有利的前景。然而，為了向傳統諧振器證明一種可行的備選方案，MEMS器件必須匹配或超出它們的性能。器件必須以可預測且穩定的模式來諧振，并且是非常高效的電能/機械能換能器。

壓阻讀出方法的缺點之一是，需要小電流通過電阻器，以便測量電阻的變化。因此，讀出方法消耗電能。

發明內容

根據本發明，提供了一種壓阻MEMS諧振器，包括：錨；諧振器本體，安裝在錨上；致動器，被安裝用于在諧振器上施加靜電力；以及壓阻讀出裝置，包括耦接至諧振器的納米線，其中，諧振器本體具有至少100μm²的面積，納米線具有至多10^-14m²的橫截面。

這種設計將低功率小型壓阻讀出方案與大尺寸諧振器相結合。產生的壓阻效應超過了對于體硅(bulk?silicon)而觀察到的壓阻效應。

在工作中，由靜電力來激勵MEMS諧振器，利用硅的壓阻特性來檢測諧振器的機械運動。本發明基于以下認識：硅納米線表現出巨壓阻效應(giant?piezo-resistive?effect)。這意味著，對于某一施加的應力，在硅納米線中電阻的變化比在體硅中電阻的變化大得多(大約大出因子30)。通過在MEMS諧振器中使用這種效應，降低了工作功率并增大了跨導。P.Schewe等人討論了這種巨壓阻效應：”Giant?Piezoresistance”，Physics?News?Update，May?2008。

已發現，當減小讀出路徑的尺寸時，跨導并不隨著配線直徑線性縮放，而是比簡單地從幾何學考慮的那種預期更快地增大。

優選地，諧振器本體具有至少200μm²的面積，更優選地，至少400μm²的面積。納米線優選地具有至多5×10^-15m²的橫截面。在一個實例中，納米線包括寬度為近似50nm的結構。