一种高稳定性的MEMS谐振器的制作方法

一种高稳定性的mems谐振器
技术领域
1.本实用新型属于谐振器技术领域，涉及一种高稳定性的mems谐振器件。


背景技术：

2.mems(micro-electro-mechanical systems)是微机电系统的缩写，mems芯片制造利用微电子加工技术，制造出各种微型机械结构敏感芯片，再与专用集成电路集成，组成微型化、智能化的传感器、执行器、光学器件等mems器件及组件。mems谐振器是以精确频率振动的小机电结构，具有高线性度、高品质因数q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是未来无线通信系统的理想选择之一。
3.单晶硅具有低损耗、优异的机械/化学稳定性等优良的力学性能，是一种优良的机械谐振器材料，已广泛被应用于mems振荡器和滤波器的设计中。然而单晶硅是一种高度各向异性的材料，图1显示了最常见的(100)平面内单晶硅的杨氏模量和泊松系数的变化曲线，可以看出在不同方向单晶硅抵抗形变的能力也不同。目前mems谐振器设计中常用的形状为规则的圆形或方形，而由于受到单晶硅各向异性的影响，主谐振模式必然伴随着相近的退化模态，如图2所示，图2中(a)为环形硅谐振环的酒杯(剪切)模型，图2中(b)为环形硅谐振环的退化模态(与主模轴成45度角)。从图2中可以观察到退化模态的频率通常会非常接近主谐频率，从而对由mems谐振器组成的振荡器的性能产生不良影响；除此之外，弹性波在传播时也存在各项异向性，因此波在传播过程中衰减明显。另外，在mems谐振器的设计中，锚结构和支撑结构的设计对于减小谐振器能量损失也至关重要。


技术实现要素：

4.针对传统规则形状设计的mems谐振器由于弹性波传播各项异向导致的衰减以及谐振材料各向异性的影响，导致应力分布不均、谐振器出现不希望的模态，从而影响振荡器性能的问题，以及mems谐振器中对于锚结构和支撑结构的设计要求，本实用新型提出一种高稳定性的mems谐振器，通过改进mems谐振器中振动主体的形状，使得mems谐振器在谐振模式时应力分布均匀，消除临近共振频率的退化与寄生振动模态，提高mems谐振器的稳定性和可靠性；通过对mems谐振器中锚结构和支撑结构的设计，使得谐振器能量损失尽可能地减少。
5.本实用新型的技术方案为：
6.根据本实用新型的实施例，本实用新型提供一种高稳定性的mems谐振器，包括振动主体、基座、锚结构和支撑结构，所述锚结构固定在所述基座上并通过所述支撑结构与所述振动主体连接，使得所述振动主体悬空；
7.所述振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓限定的环状结构；所述第一形状的中心点到所述第一形状的外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例；所述锚结构设置在第一形状的中心点，所述支撑结构对称设置在所述锚结构和所述振动主体之间。
8.进一步地，所述第二形状的中心点到所述第二形状的内轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例。
9.进一步地，所述弹性波传播速度为声速。
10.相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
11.一方面，本实用新型根据弹性波传播速度来设计振动主体的内外轮廓形状，通过令振动主体的形状与振动主体材料在平面内的弹性波传播速度的传播轮廓相一致，使得振动主体上应力分布均匀，mems谐振器产生纯体积谐振模态，并使附近的其他辅助模态消失，提高了mems谐振器的稳定性和可靠性，提高了mems谐振器的品质因数值；并且一些实施例中通过设置振动主体的内外轮廓分别适应不同振动方向的弹性波传播速度的传播轮廓，提高了mems谐振器对不同振动方式的适应性。
12.另一方面，本实用新型采用集中锚和对称设置的支撑结构，将振动和包装应力的影响降至最低，从而尽量减少能量损失，并对振型施加较小的畸变，提高了mems谐振器的稳定性。
附图说明
13.图1为单晶硅的杨氏模量和泊松系数的变化曲线图。
14.图2为现有的采用规则形状设计的mems谐振器的不同模拟谐振模式示意图。
15.图3为单晶硅(100)平面内的三个弹性声波速度轮廓图。
16.图4为实施例四中所设计的mems谐振器的振动主体的均匀环状结构示意图。
17.图5为实施例四中的mems谐振器结构的不同模拟谐振模式示意图。
18.图6为实施例五中所设计的mems谐振器的振动主体的第一种不均匀环状结构示意图。
19.图7为实施例五中所设计的mems谐振器的振动主体的第二种不均匀环状结构示意图。
20.图8为实施例五中所设计的mems谐振器的振动主体的第三种不均匀环状结构示意图。
21.图9为实施例六中提出的mems谐振器整体的第一种二维结构示意图。
22.图10为实施例六中提出的mems谐振器整体的第二种二维结构示意图。
23.图11为实施例六中提出的mems谐振器整体的第三种二维结构示意图。
24.图12为实施例六中提出的mems谐振器整体的第四种二维结构示意图。
25.图13为实施例六中提出的mems谐振器整体的一种三维结构示意图。
26.上述附图中：1、振动主体；2、电极；3、电极；4、锚结构；5、支撑结构；6、基座。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.本实用新型提供一种mems谐振器，具体包括以下实施例：
29.实施例一
30.mems谐振器的工作原理是振动主体受到激励信号的作用，在其固有频率上产生振动，振动过程实际上是机械能和电能来回转换的过程。本实用新型提出的一种mems谐振器，考虑到振动主体材料的各向异性来设计振动主体的形状，使得mems谐振器在谐振模式时应力分布均匀，消除临近共振频率的退化与寄生振动模态。
31.各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。mems谐振器的谐振主体在振动时，弹性波传播时存在各项异向性，谐振材料也存在各向异性，弹性波在振动主体内的传播速度不同，本实用新型提出mems谐振器中，振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓所限定的环状结构，其中令第一形状的中心点到第一形状的外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在振动主体材料中的大小成相同的比例，即假设a方向上中心点到边缘点的距离sa与a方向上弹性波传播速度va成比例，b方向上中心点到边缘点的距离sb与b方向上的弹性波传播速度vb也成比例，且sa∶va＝sb∶vb，从而使得外轮廓与弹性波传播速度的传播轮廓相似，即外轮廓与弹性波传播速度的传播轮廓相比具有大致相同的形状，仅尺寸有所不同。通过这样的设置，使得振动主体在受到激励信号作用产生振动时，振动主体的外轮廓承受相同的应力，振动主体和与振动主体外轮廓相对设置的电极之间的距离变化也一致。
32.mems谐振器中，振动主体必须被支撑并固定在基座上，谐振主体通常是通过锚结构和支撑结构悬挂于基座上，如图13所示，通常将锚结构4固定在基座6上，锚结构4通过支撑结构5与振动主体1连接，从而使得振动主体1悬空。
33.锚点损耗是mems谐振器能量损耗的一种重要机制，锚点损耗是指微机械谐振器的机械振动能量在微机械谐振器边界处没有被完全反射回来，而是通过支撑锚点结构传输到了支撑衬底，从而引起能量的散耗。为了使得谐振器到衬底的能量损失最小化，理想情况下首选集中锚，并选择对称设置的支撑结构5。如图9-13所示，将锚结构4设置在第一形状的中心点，这样能够将振动和包装应力的影响降至最低；此外支撑结构5对称设置在锚结构4和振动主体1之间，以尽量减少能量损失，并对振型施加较小的畸变，对称的方式包括轴对称、中心对称或旋转对称等。
34.实施例二
35.电极除了设置在振动主体外轮廓一侧，还可以设置在振动主体内轮廓一侧。本实施例在实施例一的基础上，将振动主体内轮廓的第二形状也进行了限定，令第二形状的中心点到第二形状的内轮廓上各边缘点的距离也与对应方向上弹性波传播速度在振动主体材料中的大小成相同的比例，从而使得内轮廓也与弹性波传播速度的传播轮廓大致相同。这样振动主体在受到激励信号作用产生振动时，振动主体的内轮廓也承受相同的应力，振动主体和与振动主体内轮廓相对设置的电极之间的距离变化也一致。
36.输入电极和输出电极与振动主体之间的距离直接决定mems谐振器的动态电阻，从而直接影响mems谐振器的功耗，通过减小输入电极和输出电极与振动主体之间的间距是减小mems谐振器的动态电阻的一种方式。但由于振动主体材料的各向异性，传统的mems谐振器振动主体上不能保持均匀的应力，若将振动主体与电极间隙设置过小，应力大的地方容易出现电极与振动主体的吸合现象，导致谐振器失去作用。而本实用新型根据弹性波传播
速度来设计振动主体的内外轮廓形状，使得振动主体上应力分布均匀，因此可以将输入电极和输出电极与振动主体之间的间距设置得尽可能小，使得激励力和输出电流和/或电压尽可能大，降低mems谐振器的功耗。并且由于电极和振动主体形成的电容与电极和振动主体之间的间隙非线性相关，本实用新型提出的振动主体环状结构的形状设计能够降低激励出不希望的谐振模式的可能性，使得共振模态纯净。
37.实施例三
38.弹性波是由扰动或外力作用引起的应力和应变在弹性介质中传递的形式，常见的弹性波有水波、声波、地震波等，为了便于计算，本实施例以弹性波为声波为例进行说明。
39.在本实施例中，令振动主体外轮廓的第一形状和/或振动主体内轮廓的第二形状的中心点到外轮廓和/或内轮廓上各边缘点的距离与对应方向上声速在振动主体材料中的大小成相同的比例，即令第一形状和/或第二形状与振动主体材料在平面内的声速传播轮廓大致相同。声波是一种弹性波，求解特征波数是导出弹性平面波的基础，而弹性波慢度是特征波数与角速度的比，因此可以通过求解弹性波慢度来导出平面波，获得声波速度轮廓。
40.振动主体材料可以是单晶硅、多晶硅或其他各向异性的压电材料，单晶硅(scs)是一种常用的mems谐振器材料，下面就以单晶硅为例进行说明。如图3所示是单晶硅(100)平面内的三个弹性声波速度轮廓，包括一个纵波和两个剪切横波，在各项异性的材料中，质点振动方向有三个互相垂直的偏振方向，其中偏振方向较为接近传播方向的波称为准纵波，两个偏振方向较为接近垂直于传播方向的偏振波称为准横波；这三种波的速度各不相同，准纵波的速度最快，两个准横波中速度较快的一个称为准快横波，速度较慢的一个称为准慢横波。
41.本实施例依据声波速度轮廓来设计振动主体环状结构内外轮廓的形状，可以根据声波的准纵波轮廓设计，也可以根据声波的准快横波波速或准慢横波波速来设计。
42.实施例四
43.在实施例三的基础上，本实施例根据声波的准纵波轮廓设计振动主体环状结构内外轮廓的形状。如图4所示是环状结构的振动主体1的平面形状，令振动主体1外轮廓的第一形状的中心点到第一形状的外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上单晶硅中声波的准纵波波速的大小成比例，令振动主体1内轮廓的第二形状的中心点到第二形状的内轮廓上各边缘点的距离也与对应方向上单晶硅中声波的准纵波波速的大小成比例。这样振动主体1的平面形状是一个均匀的环形，且环形轮廓与单晶硅平面声波的准纵波波速传播轮廓大致相同，是一个近圆的类似正方形的结构，如图4所示。
44.下面对该结构进行仿真，谐振器的径向尺寸可以设置为指定谐振频率的半波长，即将振动主体各方向上的径向长度设置为对应方向上弹性波在振动主体材料中的半个周期，其中所述周期属于业内对于弹性波波长的一般称谓，指的是弹性波的一个波长；径向尺寸指的是直径或半径方向的长度。本实施例中令振动主体1类似正方形的平面形状尺寸为555um x 555um，带宽为50um，令振动主体1的高度为25um，对该mems谐振器的不同谐振模式进行仿真，得到图5所示的mems谐振器结构的不同谐振模式示意图，图5中(a)为基本剪切谐振模式，谐振频率fr＝531.3khz；图5中(b)为第二谐振模式，谐振频率fr＝744.6khz；图5中(c)为第三谐振模式，谐振频率fr＝2.16mhz。经仿真测试后发现，本实用新型通过对谐振器的振动主体结构进行设计，令振动主体的形状(即二维谐振器的形状)与振动主体材料在平
面内的声速传播轮廓相一致，当二维谐振器的形状与其对应的声波剖面相同时，会产生纯体积谐振模态，并使附近的其他辅助模得以消失；这种设计消除了临近共振频率的退化与寄生振动模态，其中的差分驱动电容器将确保其他模式不会被激发；并且可以在谐振模式图即图5中观察到均匀分布其中的应力，由此可证明该mems谐振器的稳定性和可靠性也较强。经仿真测试表示该mems谐振器的温度稳定性在-5ppm～+5ppm；品质因数(q值)可达到60000；同时拥有《1μa的较小的电流消耗；并且该种设计的抗震能力也较强，能给芯片提供良好的性能基础。
45.实施例五
46.实施例四给出振动主体1内轮廓和外轮廓形状相同，使得振动主体1构成均匀环形的方案，本实施例在实施例三的基础上提出将振动主体1的内轮廓和外轮廓设置为不同形状的方案，构成不均匀环形的方案。如图6所示，本实施例根据声波的准纵波轮廓设计振动主体1的外轮廓形状，根据声波的准快横波轮廓设计振动主体1的内轮廓形状，使得振动主体1的外轮廓是一个近圆的类似正方形形状，振动主体1的内轮廓是一个类似圆形的形状。如图7所示，还可以根据声波的准快横波轮廓设计振动主体1的外轮廓形状，根据声波的准纵波轮廓设计振动主体1的内轮廓形状。除此之外，如图8所示，还可以将振动主体1的内外轮廓都设计为与声波的准纵波轮廓形状一致但方向不同。
47.通过设置振动主体1的内外轮廓分别适应不同振动方向的声速传播轮廓，能够适应振动主体1的不同振动方式，提高mems谐振器的稳定性和可靠性。
48.实施例六
49.mems谐振器除了谐振主体1，还包括输入电极和输出电极，振动主体1悬挂于基座上并处于输入电极和输出电极之间，通过振动主体1的边缘与输入电极和输出电极形成电容来进行能量转换，当给输入电极施加交流电压，给振动主体1施加直流偏置电压时，振动主体1会径向伸缩从而产生振动，振动主体1和输入输出电极间的距离就会发生变化，从而电容随着振动主体1的振动而发生变化，使得输出电极上产生一个变化的电流，其大小与电容的变化和振动主体1的振幅有关。
50.如图9至图12所示，可以在振动主体1的外轮廓一侧设置电极2，也可以在振动主体1的内轮廓一侧设置电极3，电极2和电极3可以是输入电极或者输出电极。
51.电极2和电极3与振动主体1内外轮廓的边缘形成激励间隙，令在振动主体1内外轮廓边缘的每一点处垂直方向上的激励间隙宽度相等，如图9至图12所示。
52.本实用新型通过对振动主体1的形状进行设计，使得即使振动主体材料存在各向异性，但振动主体1的上的应力分布也是均匀的，保证了谐振时振动主体1边缘位移的均匀性，这样电极2和电极3与振动主体1之间始终保持着均匀的间隙，电极2和电极3与振动主体1形成的电容器变化也是均匀的。
53.本实施例中设置电极与振动主体内外轮廓各点之间的间隙一致，由于应力分布均匀，使得电极与振动主体之间的间距能够被设置得尽可能小，从而降低电流消耗，降低mems谐振器的功耗。
54.实施例七
55.mems谐振器中，谐振主体1通过锚结构和支撑结构悬挂于基座上，支撑结构4可以由支撑梁和弹性支撑部件组成，通过支撑梁将锚结构4与振动主体1连接，弹性支撑部件设
置在支撑梁中间，优化振动主体1的机械振动性能。支撑梁的形状包括直线形或弧形，支撑梁的弯曲形状可以减小刚度和振幅。
56.一般来说，锚结构4可通过支撑结构5与振动主体1连接，也可直接与振动主体1连接，但本实用新型提出环形结构的振动主体1，中心是空的，而为了减少能量损失，本实用新型采用集中锚的方案，将锚结构4设置在振动主体的中心，并通过支撑结构5与振动主体1连接。支撑结构5必须是对称设置的，以尽量减少能量损失，并对振型施加较小的畸变。如图9、图10和图12所示，支撑结构5将锚结构4分别与振动主体环状结构上对称的四个点连接。除此之外，支撑结构5也可以将锚结构4分别与振动主体环状结构上对称的两个点连接，如图11所示，另外还可以适用其他对称设置方式，在此不做限定。
57.最后需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
58.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。