[发明专利]改进MEMS谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)。更具体地，本发明涉及MEMS谐振器器件。

背景技术

MEMS谐振器使得能够在硅芯片上集成准确定时和频率参考器件。这例如与常规石英振荡器电路相比实现了主要成本和尺寸降低。用来制作MEMS谐振器的两种现有设计为方扩张(square-extensional)和盘谐振器。在这些谐振器中最感兴趣的谐振模式是扩张(extensional)或纵向模式。这些模式是有利的，因为它们能够存储比大多数弯曲(flexural)模式多的能量，并因此不那么容易受到非线性的影响。

扩张模式——也被称作平面模式——振动由材料平面内的压缩波(compression wave)构成。即，材料的物理位移沿着位于与谐振器相同平面内的方向来进行，交替地拉伸和压缩材料。与平面横切的方向上的位移(即，弯曲或挠曲)很小或者没有。一般而言难以对扩张谐振模式进行表征，然而主要的特性在于，大多数的应变能在谐振器尺寸沿其轴延伸或压缩(这通常改变其截面的面积)时存储。这与弯曲模式谐振器不同，在弯曲模式谐振器中，大多数能量以剪切(shearing)或弯曲形变的方式存储。

扩张模式能够由形成驻波的(准)纵声波的叠加来近似。例如，在方扩张谐振器中，驻波的波长λ按照L＝(n+1/2)λ与方形结构的边长L相关，其中n是整数。扩张谐振器的谐振频率ω通常与声速除以波长λ成比例。

 ω∝v_acoustic/λ(公式1)

然而，当声速各向异性时，准确的计算是困难的并且可能需要数值近似。

在典型的MEMS谐振器中，机械振动由通过在距离谐振器一小段距离处的一个或多个电极施加的电信号而导致的静电力来激发。振动导致电容改变，这可以通过单独的输出电极或者通过谐振器本身的本体来检测。这也可以通过压电传感或光学装置来检测。当输入信号处于器件的谐振频率或者处于谐振频率附近时，发生谐振，以器件的增益因子Q来有效放大该频率处的输出信号。

谐振的具体模式以及振动频率由构成谐振器的材料的特性以及器件的几何尺寸来确定。一般而言，根据上述公式(公式1)可知，尺寸越小频率越高(因为频率与波长成反比)。

更具体地，压缩(声)波的动力学受到诸如材料的密度和弹性模量之类的参数的影响。弹性模量在向物体或材料施加力时物体或材料对弹性形变(与塑性或永久形变不同)的抵抗力的测量。弹性模量被定义为应力与应变之比。因此，物质的弹性模量越大，使其拉伸或压缩必须施加的力就按给定因子成比例增大。因此，较高的弹性模量意味着对于给定的施加应力(力)，物质比较低弹性模量的物质形变相对较小。

如上所述，MEMS谐振器的尺寸与谐振频率成反比。当前的尺寸小到足以利用该技术来实现射频(RF)谐振器。这使得MEMS技术有望用于下一代无线通信设备。但是，为了提供常规谐振器的可行替代，MEMS器件必须匹配或超越其性能。器件必须以可预测和稳定的模式谐振，并且是电能/机械能的高度有效换能器。

发明内容

根据本发明，提供了一种微机电谐振器，包括具有各向异性的方向性弹性特性的材料，其中谐振器的形状使得从谐振器的质心到谐振器的外围边缘上第一点的第一方向上的第一距离大于从质心到边缘上不同的第二点的第二方向上的第二距离，对于每一第一方向和每一第二方向，材料在第一方向上的弹性模量小于在第二方向上的弹性模量。

已经发现各向异性材料比各向同性材料具有更好的机械特性。具体地，各向异性晶体结构具有较低的内在能耗并因此具有较高的Q因子。发明人已经认识到，具有标准几何形状的已知各向异性材料MEMS谐振器在谐振模式下其形状受到失真，这对于其性能而言是有害的。通过设计谐振器使其每一方向上的维度与弹性模量成反比，减小了谐振时器件的形状失真。

优选地，根据方向性特性来修改形状，以提供预定扩张谐振模式的谐振；谐振模式产生谐振器的弹性形变，该弹性形变使谐振器的外围边缘发生位移；绕着边缘在沿周长的每一点处，在每一点处垂直于边缘的方向上，位移实质上均匀。