[发明专利]具有抑制的寄生模式的MEMS谐振器

说明书

提供了具有改善的电气特性和减少的寄生谐振的MEMS谐振器。MEMS谐振器包括两个或更多个第一矩形谐振器板，其中长度大于其各自的宽度。此外，MEMS谐振器包括被定位成沿MEMS谐振器的横向方向与第一谐振器板平行的两个或更多个第二矩形谐振器板。第二谐振器板的长度不同于第一谐振器板的长度，以减少寄生谐振。

技术领域

本发明一般涉及MEMS谐振器，更具体地，涉及具有减少的寄生模式的MEMS谐振器。

背景技术

微机电系统(“MEMS”)谐振器是在高频下振动并且通常用于定时基准、信号滤波、质量感测、生物感测、运动感测和其他应用的小型机电结构。MEMS谐振器被认为是石英定时装置的常见替代物，以提供精确的时间基准或频率基准。通常，石英谐振器具有高Q值和压电耦合。高Q值表示与谐振器的存储能量相关的低能量损失率，即，振荡更慢地消失。然而，石英谐振器的一个限制是其难以设计成较小的尺寸。

通常，使用基于光刻的制造工艺和晶片级处理技术由硅制成MEMS谐振器。设计者和制造商已经发现，纯硅谐振器通常表现出与石英晶体相当的非常高的Q值。然而，裸硅不是压电的，并且纯硅谐振器具有高运动阻抗，使得其在许多应用中不适合代替石英谐振器。

为了降低MEMS谐振器的运动阻抗，一些设计已经增加了诸如氮化铝(AlN)的薄膜层的压电材料。在图1A和图1B中示出了典型的压电微机械谐振器。

具体地，图1A示出了常规谐振器10的顶视图，该谐振器10是矩形形状并且在该谐振器的侧面上包括两个小的锚11A和11B以安装谐振器。

图1B示出了常规谐振器10的截面图。通常，使用MEMS制造技术由硅制成谐振器10。在硅衬底12的顶部，谐振器10具有夹在两个金属电极14A和14B之间以提供压电耦合的压电薄膜16。在示例性设计中，金属电极14A和14B通常是钼，但也可以使用诸如铂或铝的其他材料。此外，压电膜16可以是氮化铝(AlN)或掺杂的氮化铝，但也可以是PZT或氧化钛。

在常规设计中，金属电极14A和14B的厚度通常为50纳米(nm)至400nm，并且压电膜16的厚度通常为400nm至2μm。此外，硅衬底12的厚度可以在例如3μm至30μm的范围内。尽管未示出，但是在一些常规设计中也可以存在附加的薄膜层。例如，可以使用二氧化硅薄膜层来改变谐振器的频率的温度系数。

为了使谐振器Q值最大化，谐振器优选地被设计成以体模式(bulk mode)谐振，在体模式下谐振器主要在面内振动模式下变形，在面内振动模式下面外运动最小化。特别地，期望避免谐振器的面外弯曲模式，原因在于这些模式在高频下具有低Q值。

通常，谐振器的横向维度将决定谐振器的谐振频率，并且在设计高Q值谐振器时也很重要。通常，具有高Q值的谐振器具有例如如图2所示的宽度为W并且长度为L的矩形形状。具体地，图2示出了根据常规设计的宽度伸缩谐振器10的顶视图。如所示的，谐振器10的振动运动(即，收缩振动和扩展振动)主要在宽度方向上。这种宽度伸缩模式是优选的，原因在于：在谐振器的短边上的锚点11A和11B具有最小的移动，从而使锚损失最小化并使Q值最大化。

此外，例如，如在下面标识的专利文献1中描述的，已知被定义为长度L与宽度W的比率的某些纵横比(“AR”)(即，AR＝L/W)使安装损失最小化并且从而使Q值最大化。具体地，最佳纵横比根据材料特性在1.2至1.8的范围内，并且对硅基谐振器而言，最佳纵横比通常为大约1.5。

此外，谐振频率与谐振器宽度成反比。因此，随着谐振器10的宽度和长度减小，谐振频率相应增加。然而，这种谐振器的小尺寸将导致不期望的高电阻抗。降低高频率谐振器的电阻抗的一种方法是将纵横比增加整数倍N，使得纵横比为约N×1.5(其中1.5是最佳纵横比的示例)。例如，用于纵横比的好的选择是1.5、3.0、4.5、6.0、7.5等，其中，使锚移动最小化的精确值通过仿真或实验来确定。