[发明专利]一种微机械谐振器

说明书

本发明公开了一种微机械谐振器。通过对微机械谐振器几何尺寸优化设计，减小微机械谐振器谐振振子与支撑梁边界处的机械振动，从而减小微机械谐振器的能量损耗；通过在谐振器结构层设计隔离框架结构，以及在谐振器的衬底硅片底部刻蚀出凹槽或凹腔结构，减小封装应力对谐振器性能的影响，提高微机械谐振器的长期稳定性。对特定材料、特定频率和特定模态的微机械谐振器，其谐振振子长度在某一特定值时，谐振振子与支撑梁边界处的机械振动最小。当改变谐振振子中的某层材料的厚度，谐振振子长度为另一优化值。

技术领域

本发明属于谐振器领域，具体涉及一种微机械谐振器及其微机械谐振器的几何结构优化设计方案。

背景技术

谐振器是用来产生谐振频率的器件。谐振器与外部振荡电路、放大电路以及滤波电路等可以构成振荡器。振荡器可以产生一个固定的频率信号。近年来，基于微电子机械系统技术（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的微机械谐振器以其体积小、重量轻、与集成电路制造工艺兼容、可靠性稳定性好等优点，已成为取代传统石英晶体振荡器的最佳选择，并已经开始实现了商业化量产。

微机械谐振器的主要的性能参数有：谐振频率、谐振频率的温度系数、品质因子（Q值）、短期稳定性以及长期稳定性等。谐振频率与谐振器的结构设计、材料属性以及振动模态息息相关；谐振频率的温度系数是指谐振器谐振频率随着温度变化而产生漂移。目前可以采用被动式或者主动式的温度补偿方式来减小或者消除谐振器谐振频率的温度系数；短期稳定性主要取决于微机械谐振器的Q值，高的Q值可以提高微机械谐振器的短期稳定性，Q值用来衡量微机械谐振器的能量损耗状况；长期稳定性用来表征微机械谐振器的机械谐振频率随时间推移而缓慢发生的相对偏移。Q值和长期稳定性是微机械谐振器实用化和商业化的其中两个最关键的核心要素。

影响微机械谐振器Q值的能量损耗机制主要有五部分：空气阻尼损耗（Q_air），热弹性损耗（Q_TED），材料损耗（Q_material），锚点损耗（Q_anchor）和电学负载损耗（Q_load），即

其中，空气阻尼损耗是指微机械谐振器振动过程中受到空气的粘滞阻尼而引起的能量损耗。空气阻尼损耗可以通过圆片级或者芯片级真空封装的方法消除。材料损耗是由于材料内部的声子-声子散射以及声子-电子相互作用引起的能量损耗，对于理想的单晶硅材料，其材料损耗可忽略不计。负载损耗是指当微机械谐振器有负载时，微机械谐振器的动态电流流过负载所引起的能量损耗。热弹性损耗是由于谐振器在振动过程中机械应力场和温度梯度场通过热膨胀系数相互耦合作用引起的。锚点损耗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，而是通过支撑梁结构传输到了支撑衬底，从而引起能量的散耗。

对于宽度伸张模态微机械谐振器，热弹性损耗和锚点损耗是两种主要的能量损耗机制。本发明通过几何尺寸优化设计方案，减小微机械谐振器谐振振子与支撑梁连接处的机械振动，削减振动能量通过支撑梁向衬底的传播，从而降低谐振器的锚点损耗；同时减小机械应力场和温度梯度场的耦合，降低谐振器的热弹性损耗，提高谐振器的Q值。