[發明專利]具有抑制的寄生模式的MEMS諧振器

有效

• 申請號: 201780073620.X
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN110024285B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 維萊·卡亞卡里
• 申請（專利權）人: 株式會社村田制作所
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02;H03H9/00;H03H9/15;H03H9/24
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 唐京橋;楊林森

提供了具有改善的電氣特性和減少的寄生諧振的MEMS諧振器。MEMS諧振器包括兩個或更多個第一矩形諧振器板，其中長度大于其各自的寬度。此外，MEMS諧振器包括被定位成沿MEMS諧振器的橫向方向與第一諧振器板平行的兩個或更多個第二矩形諧振器板。第二諧振器板的長度不同于第一諧振器板的長度，以減少寄生諧振。

技術領域

本發明一般涉及MEMS諧振器，更具體地，涉及具有減少的寄生模式的MEMS諧振器。

背景技術

微機電系統(“MEMS”)諧振器是在高頻下振動并且通常用于定時基準、信號濾波、質量感測、生物感測、運動感測和其他應用的小型機電結構。MEMS諧振器被認為是石英定時裝置的常見替代物，以提供精確的時間基準或頻率基準。通常，石英諧振器具有高Q值和壓電耦合。高Q值表示與諧振器的存儲能量相關的低能量損失率，即，振蕩更慢地消失。然而，石英諧振器的一個限制是其難以設計成較小的尺寸。

通常，使用基于光刻的制造工藝和晶片級處理技術由硅制成MEMS諧振器。設計者和制造商已經發現，純硅諧振器通常表現出與石英晶體相當的非常高的Q值。然而，裸硅不是壓電的，并且純硅諧振器具有高運動阻抗，使得其在許多應用中不適合代替石英諧振器。

為了降低MEMS諧振器的運動阻抗，一些設計已經增加了諸如氮化鋁(AlN)的薄膜層的壓電材料。在圖1A和圖1B中示出了典型的壓電微機械諧振器。

具體地，圖1A示出了常規諧振器10的頂視圖，該諧振器10是矩形形狀并且在該諧振器的側面上包括兩個小的錨11A和11B以安裝諧振器。

圖1B示出了常規諧振器10的截面圖。通常，使用MEMS制造技術由硅制成諧振器10。在硅襯底12的頂部，諧振器10具有夾在兩個金屬電極14A和14B之間以提供壓電耦合的壓電薄膜16。在示例性設計中，金屬電極14A和14B通常是鉬，但也可以使用諸如鉑或鋁的其他材料。此外，壓電膜16可以是氮化鋁(AlN)或摻雜的氮化鋁，但也可以是PZT或氧化鈦。

在常規設計中，金屬電極14A和14B的厚度通常為50納米(nm)至400nm，并且壓電膜16的厚度通常為400nm至2μm。此外，硅襯底12的厚度可以在例如3μm至30μm的范圍內。盡管未示出，但是在一些常規設計中也可以存在附加的薄膜層。例如，可以使用二氧化硅薄膜層來改變諧振器的頻率的溫度系數。

為了使諧振器Q值最大化，諧振器優選地被設計成以體模式(bulk?mode)諧振，在體模式下諧振器主要在面內振動模式下變形，在面內振動模式下面外運動最小化。特別地，期望避免諧振器的面外彎曲模式，原因在于這些模式在高頻下具有低Q值。

通常，諧振器的橫向維度將決定諧振器的諧振頻率，并且在設計高Q值諧振器時也很重要。通常，具有高Q值的諧振器具有例如如圖2所示的寬度為W并且長度為L的矩形形狀。具體地，圖2示出了根據常規設計的寬度伸縮諧振器10的頂視圖。如所示的，諧振器10的振動運動(即，收縮振動和擴展振動)主要在寬度方向上。這種寬度伸縮模式是優選的，原因在于：在諧振器的短邊上的錨點11A和11B具有最小的移動，從而使錨損失最小化并使Q值最大化。

此外，例如，如在下面標識的專利文獻1中描述的，已知被定義為長度L與寬度W的比率的某些縱橫比(“AR”)(即，AR＝L/W)使安裝損失最小化并且從而使Q值最大化。具體地，最佳縱橫比根據材料特性在1.2至1.8的范圍內，并且對硅基諧振器而言，最佳縱橫比通常為大約1.5。

此外，諧振頻率與諧振器寬度成反比。因此，隨著諧振器10的寬度和長度減小，諧振頻率相應增加。然而，這種諧振器的小尺寸將導致不期望的高電阻抗。降低高頻率諧振器的電阻抗的一種方法是將縱橫比增加整數倍N，使得縱橫比為約N×1.5(其中1.5是最佳縱橫比的示例)。例如，用于縱橫比的好的選擇是1.5、3.0、4.5、6.0、7.5等，其中，使錨移動最小化的精確值通過仿真或實驗來確定。