[发明专利]MEMS谐振器

说明书

技术领域

本发明实施例涉及振荡器技术领域，尤其涉及一种MEMS谐振器。

背景技术

时钟和振荡器是电子系统（诸如实时时钟、手机中的射频模块、包含蓝牙模块的设备、USB模块以及其他数字和电信设备）的核心部件。电子系统中的定时基准一般采用石英振荡器，但石英振荡器为片外组元，不易于集成，不仅增加了集成成本，而且阻碍了系统的小型化。基于微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）谐振器的振荡器是近年来迅猛发展的一种振荡器，其中，MEMS谐振器体积小、高Q（品质因数）值、功耗低、其制造工艺与集成电路（Integrated circuit，IC）技术兼容，可实现与IC的统一芯片集成，构成MEMS振荡器，利于整个系统小型化，有广阔的应用前景。

现有的MEMS谐振器一般采用圆盘谐振器，主要由以下部分组成：输入、输出电极、偏置电压电极、振动盘、锚结构、衬底和控制电路，其中输入、输出电极和振动盘之间的距离以及电容面积直接决定着MEMS谐振器的动态电阻，从而直接影响MEMS谐振器的功耗，其中，动态电阻R_x由下式决定：

式中，ω₀为放射状等高线模态谐振角频率，m_re为振动盘质量，Q表示谐振器的谐振频率，V_p为振动盘的偏置电压，d₀为输入、输出电极与振动盘之间的间距，φ₁、φ₂分别表示输入电极、输出电极覆盖的振动盘弧度，ε₀表示空气的相对介电常数，R表示振动盘的半径，t表示振动盘的厚度。由此可知，通过减小输入、输出电极与振动盘之间的间距d₀以及增大输入、输出电极与振动盘之间的电容面积是两种减小MEMS谐振器的动态电阻R_x的方式。

在MEMS谐振器工艺中，使用常见的光刻、刻蚀等方法得到的最窄间距d₀为100nm左右，动态电阻R_x在2.6kΩ左右，或采用原子层沉积系统通过在电极与振动盘之间沉积电介质，将间距d₀缩短到几十纳米，从而减小动态电阻R_x；但是，改进工艺较复杂、原子层沉积系统的设备售价昂贵使得MEMS谐振器的制作成本高。

相比，增大输入、输出电极与振动盘之间的电容面积成为减小MEMS谐振器的动态电阻R_x的有效方式，从而使MEMS谐振器实现低功耗。然而目前的圆盘谐振器都是读出侧壁电容，受限于厚度和半径，使得动态电阻难以有效减小。

发明内容

本发明提供一种MEMS谐振器，以减小MEMS谐振器的动态电阻，降低功耗。

本发明提供一种MEMS谐振器，包括：

衬底；

振动盘，所述振动盘的表面积大于侧面积；

至少一对输入电极，形成在所述衬底上并位于所述振动盘的相对侧，用于为所述振动盘提供交流信号；

输出电极，设置于所述振动盘上，所述输出电极和所述振动盘之间具有电容介质，其中所述输出电极响应于所述交流信号所导致的所述电容介质的电容变化而输出频率信号；

输入偏置电压电极，与所述振动盘的下表面平行设置，用于为所述振动盘提供直流偏置电压信号；

锚结构，用于将振动盘支撑于输入偏置电压电极上并将直流偏置电压信号传送到振动盘。

其中，所述振动盘可以为圆盘或方盘。

其中，所述振动盘为单层结构，由激励层组成；或

为双层结构，包括，非激励层和激励层；或

为三层结构，包括，第一非激励层、第二非激励层和设置于所述第一非激励层和第二非激励层之间的激励层；

其中，所述输入电极提供的交流信号施加于所述激励层。

其中，当所述振动盘为双层结构或三层结构时，相邻两层材料的杨氏模量不同。

其中，当所述输入电极为多对时，所述输入电极在所述振动盘的侧面呈周向均匀分布。

其中，所述输入电极中间设置有开口，所述输出电极从所述开口处伸出；或

至少一对输入电极用于支撑所述输出电极。

其中，所述锚结构为位于所述振动盘中心的单个圆柱锚，或位于所述振动盘边沿波节处的数个锚点，或位于所述振动盘边沿波节处的数个支撑梁。

其中，所述电容介质为真空或空气。