專利名稱：框狀mems壓阻諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電框諧振器。
背景技術(shù)：
很多研究組織正在集中研究MEMS諧振器，近來已經(jīng)發(fā)布了一些先期產(chǎn)品。這種類型的器件提供高Q因子、小尺寸、高集成度和潛在的低成本。這些器件有望代替高精度振蕩器中的大體積石英晶體，并且也可以用作RF濾波器。振蕩器廣泛用于計(jì)時(shí)和頻率基準(zhǔn)應(yīng)用，例如移動(dòng)電話的RF模塊、包含藍(lán)牙模塊的設(shè)備以及其他數(shù)字通信設(shè)備。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是一種非常小的技術(shù)，并且在納米尺度合并為納機(jī)電系統(tǒng) (NEMS)和納米技術(shù)。MEMS也稱作微機(jī)械(日本)或者微系統(tǒng)技術(shù)-MST(歐洲)。MEMS與分子納米技術(shù)或分子電子學(xué)的假想觀點(diǎn)截然不同。MEMS由尺寸在1-100 μ m(即0. 0001至 0. Imm)之間的部件構(gòu)成，并且MEMS器件的尺寸通常在從20μπι至毫米的范圍內(nèi)。它們通常包括處理數(shù)據(jù)的中央單元、微處理器以及若干與外部相互作用的部件如微傳感器。在這種尺寸范圍，經(jīng)典物理的標(biāo)準(zhǔn)模型并不總是成立。由于MEMS的大表面積與體積比，諸如靜電和潤(rùn)濕之類的表面效應(yīng)相比諸如慣性或熱質(zhì)量之類的體積效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)地位。
存在若干方式來激勵(lì)和讀出諧振器的機(jī)械振動(dòng)。在大多數(shù)MEMS諧振器中，通過靜電致動(dòng)來進(jìn)行激勵(lì)，并且通過電容或壓阻方法來進(jìn)行讀出。在一些情況下，通過壓電或熱膨脹來進(jìn)行致動(dòng)。
例如在 US20060114541A1 "Transducer and electronic device”、W02007036820 A3 "OSCILLATOR BASED ON PIEZORESISTIVE RESONATORS” 以及 J. Τ. M van Beek 等人于 2007 年 IEDM，Int. Electron Devices Mtg.的 ID81339050 "Cantilever piezoresistive silicon resonator，， 中的"Scalable 1. IGHz fundamental mode piezo-resistive silicon MEMS resonator”中描述了壓阻讀出原理。
多種專利文獻(xiàn)公開了 MEMS諧振器。
在US7205867和US6985051中描述了框狀MEMS諧振器，并且在這些文獻(xiàn)中示出了諸如方形、多邊形和環(huán)形的不同實(shí)施例。US7205867提到了使用壓阻元件作為電極。
在US20070046398中示出了 MEMS諧振器，其中諧振器的形狀為在相對(duì)側(cè)具有兩個(gè)錨定點(diǎn)(anchor)并且在彼此相對(duì)側(cè)具有4個(gè)電極的實(shí)心圓。
US7323952和US20070070821示出了內(nèi)表面和外表面為環(huán)形形狀的MEMS諧振器。 在US7323952中特別提到了可以將壓阻元件用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的諧振器。
上述公開主要關(guān)注機(jī)械結(jié)構(gòu)例如形狀、錨定點(diǎn)等以及諧振器的模式形狀。驅(qū)動(dòng)原理是靜電性的，且感測(cè)原理是電容性的。
在下文中將描述兩種主要的現(xiàn)有技術(shù)壓阻諧振器類型。
1)壓阻兩端自由梁(free-free beam)諧振器 圖1中示出了兩端自由梁諧振器的布局(在上述第一和第三參考文件中也有描述)。該諧振器包括由Si制成的兩端自由梁結(jié)構(gòu)，其在兩端沒有固定，而是在中點(diǎn)錨定。梁在中部具有狹縫以導(dǎo)引感測(cè)電流。為了致動(dòng)該器件，在兩個(gè)自由端處設(shè)置兩個(gè)電極。電極與振動(dòng)結(jié)構(gòu)通過兩個(gè)換能間隙相分離。在操作期間，將AC和DC電壓的組合施加至電極以驅(qū)動(dòng)該結(jié)構(gòu)諧振。該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式是縱向體模式(圖中用雙向箭頭表示)。為了感測(cè)振動(dòng)(信號(hào)讀出)，對(duì)整個(gè)Si結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜(η型或P型)，并且在操作期間經(jīng)由錨定點(diǎn)來發(fā)送感測(cè)電流通過梁(參見圖中的箭頭)。由于壓阻效應(yīng)，梁的電阻隨著在梁振動(dòng)時(shí)引入到梁中的應(yīng)變而變化。這種讀出原理已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明，可以給出比傳統(tǒng)電容讀出原理高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的信號(hào)。
2)壓阻狗骨頭(dog-bone)諧振器 這是壓阻兩端自由梁諧振器的變體。由于該器件的跨導(dǎo)(即信號(hào))隨著電極面積 (即電極的高度乘以長(zhǎng)度)而改變大小，將兩端自由梁設(shè)計(jì)修改為所謂的狗骨頭設(shè)計(jì)。狗骨頭設(shè)計(jì)包括通過兩條臂相連的兩個(gè)較大的頭部。錨定點(diǎn)仍然位于中間。在臂的中部也存在狹縫，以便將讀出電流導(dǎo)引至這兩條臂。該器件中電極的面積(現(xiàn)在是頭部的高度乘以寬度)比兩端自由梁設(shè)計(jì)大很多倍。
以上諧振器的主要優(yōu)點(diǎn)在于非常大的壓阻信號(hào)、對(duì)于高頻的可擴(kuò)展性(尤其是兩端自由梁設(shè)計(jì))、對(duì)于間隙寬度的低靈敏度、對(duì)于結(jié)構(gòu)高度不敏感以及高品質(zhì)因子。然而，在這些器件的試驗(yàn)期間遇到了問題，即在相對(duì)較大的振動(dòng)幅度下，它們除了按照預(yù)期的平面內(nèi)模式形狀振動(dòng)之外，易于按照某些平面外模式形狀振動(dòng)。圖3示出了在相對(duì)較高幅度下工作的狗骨頭諧振器的鳥翼狀平面外模式形狀的視覺觀察圖。寄生平面外模式形狀的出現(xiàn)導(dǎo)致多種負(fù)面結(jié)果 -能量在這些模式之間共享，這意味著較少的能量存儲(chǔ)在預(yù)期的平面內(nèi)模式中。因此，減小了器件的效率。
-在較大的振動(dòng)幅度下，信號(hào)不是穩(wěn)定的，并且在信號(hào)中存在所謂的拍頻圖案(參見圖4的示例)。這些現(xiàn)象是由于平面內(nèi)和平面外振動(dòng)模式之間的復(fù)雜耦合導(dǎo)致的。甚至在出現(xiàn)分支的較低致動(dòng)力處現(xiàn)信號(hào)中也可能出不穩(wěn)定。
結(jié)果，減小了器件的可使用線性范圍。將這種可使用的線性范圍定義為如下最大致動(dòng)力在該最大致動(dòng)力以下仍然可以獲得線性和穩(wěn)定的信號(hào)。
諸如壓阻自由梁/桿/狗骨頭諧振器之類的上述諧振器在相對(duì)大的振動(dòng)幅度下易于按照平面外模式形狀振動(dòng)。這導(dǎo)致多種不利的效果，例如效率降低、不穩(wěn)定和非線性。
本發(fā)明旨在解決與現(xiàn)有技術(shù)諧振器相關(guān)聯(lián)的上述一個(gè)或多個(gè)問題，而不會(huì)危害其他所需的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種MEMS壓阻諧振器，優(yōu)選地是硅諧振器，其中所述諧振器具有框的形式，優(yōu)選地是圓形形式或多邊形形式，例如正方形、矩形、六邊形、八邊形、十邊形，包括兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)以及用于激勵(lì)所述諧振器的一個(gè)或更多電極，其中諧振器材料的電阻率在至少一個(gè)第一位置處相對(duì)較高和/或其中諧振器材料的電阻率在至少一個(gè)第二位置處相對(duì)較低，本發(fā)明涉及一種操作所述MEMS諧振器的方法，涉及使所述MEMS諧振器中的能量損耗最小化的方法，以及涉及包括所述諧振器的設(shè)備。
該器件的優(yōu)勢(shì)是大讀出信號(hào)、大電極面積、魯棒性、抑制平面外振動(dòng)和更大的可使用線性范圍。讀出信號(hào)是電容性讀出的10倍，典型地超過電容性讀出的100倍，例如高于 500倍。電極面積實(shí)際上沒有限制，尤其是當(dāng)將電極放置在諧振器的外緣和內(nèi)緣處時(shí)。魯棒性(例如按照剛度來說)非常大，并且允許諧振器非常高的幅度。應(yīng)該注意的是本發(fā)明的諧振器例如按照橢圓模式形狀工作。與例如狗骨頭配置相比，大大地抑制了平面外振動(dòng)。 與例如狗骨頭配置相比，可使用線性范圍至少是5倍，例如狗骨頭配置在直至約25V的Vdc 下具有線性行為，而本發(fā)明的配置在直至約130V或更高的Vdc下具有線性行為。
在徹底的研究之后，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有技術(shù)器件中平面外振動(dòng)的出現(xiàn)主要是由于大多數(shù)設(shè)計(jì)包括只通過兩個(gè)較小的錨定點(diǎn)來懸置的較大或較長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)，以及由于錨定點(diǎn)沒有繞結(jié)構(gòu)均勻地分布。
在本發(fā)明中，提供了改進(jìn)的壓阻諧振器，所述改進(jìn)的壓阻諧振器使用在振動(dòng)結(jié)構(gòu)上均勻分布的位置處的兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明這些諧振器具有非常穩(wěn)定的信號(hào)以及較大的可使用工作范圍，同時(shí)仍然保持讀出信號(hào)(跨導(dǎo))和Q因子較高。應(yīng)該注意的是與上述公開的一些相反，所述諧振器可以是壓阻的。
因此，與上述現(xiàn)有技術(shù)器件相比，本發(fā)明的框狀諧振器按照撓曲(flexural)模式工作，而不是現(xiàn)有技術(shù)的體模式。本發(fā)明的諧振器通常具有定位于均勻分布位置處的更多錨定點(diǎn)，并且因此更加魯棒，給出更加穩(wěn)定的信號(hào)并且具有更大的線性范圍。
另外，本發(fā)明的諧振器提供以下優(yōu)點(diǎn) -由于壓阻讀出，輸出信號(hào)大。
-可選地，電極面積較大。
抑制了平面外模式，因此導(dǎo)致更加魯棒的諧振器，給出更穩(wěn)定的信號(hào)和更大的工作范圍。
因此，本發(fā)明的器件是替代電子振蕩器中傳統(tǒng)石英晶體的備選，電子振蕩器目前用于諸如GSM設(shè)備、藍(lán)牙和很多其他RF電路之類的時(shí)間參考應(yīng)用。本發(fā)明的器件也可以用于使用機(jī)械諧振作為檢測(cè)方法的任意類型諧振傳感器，例如應(yīng)變傳感器、生物傳感器等等。
在第一方面，本發(fā)明涉及一種MEMS壓阻諧振器，優(yōu)選地是硅諧振器，其中所述諧振器具有框的形式，優(yōu)選地是圓形形式或多邊形形式，例如正方形、矩形、六邊形、八邊形、 十邊形，包括兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)以及用于激勵(lì)所述諧振器的一個(gè)或更多電極，其中諧振器材料的電阻率在至少一個(gè)第一位置處相對(duì)較高和/或其中諧振器材料的電阻率在至少一個(gè)第二位置處相對(duì)較低。
術(shù)語MEMS原理上也可以指的是NEMS。
在優(yōu)選實(shí)施例中，諧振器是硅或硅鍺諧振器，或者更一般地是易于結(jié)合到諸如 CMOS工藝之類的制造工藝中的材料。
諧振器包括兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)，錨定點(diǎn)優(yōu)選地用作波節(jié)點(diǎn)或者準(zhǔn)波波節(jié)點(diǎn)，并且通過錨定點(diǎn)將諧振器附到諸如襯底之類的外圍結(jié)構(gòu)。這些波節(jié)點(diǎn)在操作期間經(jīng)歷很少的移動(dòng)或者不移動(dòng)，也就是在諧振器結(jié)構(gòu)的振蕩期間基本上是靜止的。因?yàn)樾枰l(fā)送電流通過所述框，總是要求兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)。從機(jī)械的觀點(diǎn)考慮，如果在波節(jié)點(diǎn)處存在一個(gè)錨定點(diǎn)，框(或者環(huán))將振動(dòng)，但是這種設(shè)計(jì)只有在通過電容變化檢測(cè)信號(hào)時(shí)才是可能的。
諧振器還包括電極。如果存在一個(gè)電極，假設(shè)該電極位于波腹點(diǎn)，即所需模式形狀的駐波的“腹部”，此處振動(dòng)幅度最大，則器件將正確地工作。當(dāng)然，為了增加器件的換能效率α (將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的效率)，優(yōu)選地增加電極長(zhǎng)度c，如等式(3a)所示。具有更多個(gè)數(shù)的電極也意味著增加C。優(yōu)選地，本發(fā)明的器件包括兩個(gè)或更多電極。電極典型地由導(dǎo)體構(gòu)成。電極可以放置在框內(nèi)部或外部，或者其組合。應(yīng)該注意的是電極優(yōu)選地不會(huì)形成MEMS結(jié)構(gòu)的一部分，并且因此是分離結(jié)構(gòu)，通過例如空氣隙、不同材料等與MEMS相分離。電極與MEMS本體電隔離。
第一和第二電極可以互連。
諧振器材料的電阻率在特定的位置處相對(duì)較高和/或相對(duì)較低。術(shù)語“電阻率”指的是材料的電阻率(也稱作比電阻)，并且按照通常意義使用。因此，當(dāng)例如指的是(相對(duì)純的)硅時(shí)，電阻率(Ω-m)在20°C時(shí)是6. 40 X IO20 下面是硅的摻雜濃度和電阻率的一些示例 起始材料低摻雜Si晶片，典型地濃度為10w/Cm3，lO-lOOohm. cm的電阻率。然后， 在制造工藝期間，可以進(jìn)一步地將Si摻雜(例如局部摻雜)至更低的電阻率，例如 濃度(/cm3)電阻率 ohm. cm 7.8 XIO160.1 4.5 XIO180. 01 于是，相對(duì)較高的電阻率指的是接近100 Ω -cm的值，例如大于50 Ω -cm,優(yōu)選地大于10 Ω -cm,而相對(duì)較低的電阻率指的是低于1. 0 Ω -cm的值，例如小于0. 5 Ω -cm,優(yōu)選地小于0.1 Ω-cm。高電阻率區(qū)域例如是非摻雜區(qū)，低電阻率區(qū)域例如是壓阻區(qū)。優(yōu)選地仍然可以存在第三區(qū)域，所述第三區(qū)域具有用于電連接的非常低的電阻率。這些區(qū)域典型地具有以下特征 -非摻雜Si，高電阻率從14-22ohm-cm，越高越好(甚至可以提供&lOOOhm-cm的高歐姆晶片)。
-低摻雜，低電阻率(用作壓阻區(qū))0.lohm-cm。
-高摻雜，非常低的電阻率(用作連接)0.Olohm-cm。
清楚的是以上級(jí)別實(shí)際上不必完全如上所述?？梢圆煌剡M(jìn)行摻雜，只要在三個(gè)摻雜級(jí)別之間存在足夠大的差別，例如兩倍的差別。
所提出的Si MEMS諧振器具有環(huán)形或諸如正方形框之類的對(duì)稱多邊形框形狀。 應(yīng)該注意的是在本發(fā)明的范圍內(nèi)，框形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以是多邊形或者圓形。這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的典型尺寸是直徑為1-500 μ m,優(yōu)選地5-200 μ m,更優(yōu)選地10-100 μ m,例如50 μ m， 寬度為0. 1-100 μ m，優(yōu)選地1-50 μ m，更優(yōu)選地2-20 μ m，例如10 μ m，其中L(參見下文) 是0. 2-200 μ m，優(yōu)選地1-100 μ m，更優(yōu)選地2-50 μ m，例如30 μ m，其中c (參見下文)是 0. 1-200μπι，優(yōu)選地0. 5-100μπι，更優(yōu)選地1-50μπι，例如20μπι，其中e(參見下文)是 0. 05-100 μ m，優(yōu)選地0. 25-50 μ m，更優(yōu)選地0. 5-25 μ m，例如5 μ m。環(huán)形結(jié)構(gòu)的厚度典型地是 0. 05-100 μ m,優(yōu)選地 0. 25-50 μ m,更優(yōu)選地 0. 5-25 μ m,例如 1-10 μ m,例如 1. 5-5 μ m。
諧振器典型地根據(jù)尺寸在lMHz-lOGHz的范圍內(nèi)操作，例如分別用于以前、當(dāng)前和未來無線應(yīng)用的典型頻率。
該結(jié)構(gòu)除了其他模式形狀之外具有其中結(jié)構(gòu)的段交替朝內(nèi)和朝外彎曲的平面內(nèi)模式形狀，而該結(jié)構(gòu)的寬度基本上保持不變。錨定點(diǎn)定位于模式形狀的準(zhǔn)波節(jié)點(diǎn)處，即位于段之間的邊界處。多個(gè)電極位于結(jié)構(gòu)的外緣和/或內(nèi)緣的適當(dāng)位置處，以便將結(jié)構(gòu)激勵(lì)為所需模式形狀的機(jī)械諧振。在該結(jié)構(gòu)上的一個(gè)或更多位置處，對(duì)Si材料進(jìn)行局部摻雜(η 型或P型)以實(shí)現(xiàn)壓阻效應(yīng)。壓阻區(qū)連接在一起，并且通過高摻雜區(qū)或者涂覆有金屬層的區(qū)域經(jīng)由錨定點(diǎn)連接至外部。進(jìn)行連接，使得在振動(dòng)期間，可以將不同壓阻區(qū)處的壓阻信號(hào)進(jìn)行疊加，所述壓阻信號(hào)是電阻隨摻雜Si材料中應(yīng)變的變化。在操作期間，經(jīng)由錨定點(diǎn)發(fā)送電流通過不同壓阻區(qū)以收集壓阻信號(hào)。該信號(hào)與振動(dòng)期間結(jié)構(gòu)的形變成比例。在電極上施加AC和DC電壓的組合來激勵(lì)振動(dòng)。
與諸如酒杯模式之類的現(xiàn)有技術(shù)體模式不同，本發(fā)明的諧振器提供了一種撓曲振動(dòng)模式。
典型地，電流通過兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)進(jìn)出。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的MEMS壓阻諧振器包括四個(gè)錨定點(diǎn)，錨定點(diǎn)優(yōu)選地對(duì)稱定位。
在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的MEMS壓阻諧振器具有局部N和/或P摻雜的諧振器材料。
典型的注入種類是P、As、B、BF2和h的一種或多種，相應(yīng)能量范圍例如為 5-60keV、10-300keV、l-60keV、l-20keV 和 30_600keV，相應(yīng)劑量為 1. IO13-L IO15, 1. IO12-L IO16,1. IO13-L IO16,1. IO13-L IO16 和 1. IO13-L IO1W0 術(shù)語“低摻雜”意味著1. IO13-L IO14CnT2的典型濃度。術(shù)語“高摻雜”意味著 1. IO14-L IO16cnT2 的典型濃度。
這種局部摻雜區(qū)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)壓阻讀出。這種摻雜的缺點(diǎn)是其包含至少一個(gè)額外掩模步驟。
在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的MEMS壓阻諧振器通過錨定點(diǎn)劃分為η個(gè)對(duì)稱元件，其中η是偶數(shù)整數(shù)，優(yōu)選地η是2、4、6、8或10，最優(yōu)選地η是4。因此，可以定義η個(gè)部分。每一個(gè)部分可以包括電極，或者交替的部分可以包括電極，或者只存在兩個(gè)電極，或者這些情況的組合。電極可以位于諧振器框的內(nèi)部或外部，或者其組合。
可以將每一個(gè)部分定義為具有外圓周長(zhǎng)度L，可以將每一個(gè)電極定義為具有內(nèi)圓周長(zhǎng)度c，并且可以將每一個(gè)摻雜部分定義為具有平均圓周長(zhǎng)度e和寬度S。下面解釋如何優(yōu)化相對(duì)長(zhǎng)度L、c、e和寬度S。這種優(yōu)化的長(zhǎng)度和寬度提供根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的MEMS壓阻諧振器在錨定點(diǎn)附近具有局部相對(duì)較低的諧振器材料電阻率，和/或其中在錨定點(diǎn)之間的第一區(qū)域中，諧振器材料的電阻率相對(duì)較高，和/或其中在錨定點(diǎn)之間的第二區(qū)域中，諧振器材料是壓阻的，例如低摻雜η或 P型材料，或者反之亦然。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種通過施加AC和DC激勵(lì)電壓的組合來操作根據(jù)本發(fā)明的MEMS壓阻諧振器的方法。使用偏置T型電路，包括AC輸入和DC輸入，這兩個(gè)輸入均與輸入電極相連和耦合。優(yōu)選地，輸出電極與放大器相連，其中放大器與偏置T型電路相連。當(dāng)在振蕩電路中使用時(shí)，開路回路(即與諧振器串聯(lián)連接的放大器)的總相位應(yīng)該約為0°，優(yōu)選地基本上等于0°。另外，包括電極、偏置T型電路、放大器和本發(fā)明MEMS的電路的總放大因子β大于等于1。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的方法涉及一種操作用于按照撓曲模式形狀或者更準(zhǔn)確地說按照橢圓模式形狀振動(dòng)的諧振器。
在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的方法在操作期間涉及在給定時(shí)刻諧振器的段交替地收縮和伸長(zhǎng)。
在第三方面，本發(fā)明涉及一種通過操作根據(jù)本發(fā)明的諧振器來最小化振動(dòng)能量損耗的方法。
在第四方面，本發(fā)明涉及一種包括根據(jù)本發(fā)明的MEMS壓阻諧振器的設(shè)備，例如 GSM設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、RF電路之類的時(shí)間參考應(yīng)用，例如應(yīng)變傳感器、生物傳感器之類的諧振傳感器，以及使用機(jī)械諧振的傳感器。
在第五方面，本發(fā)明涉及一種通過使Q因子、s (壓阻區(qū)的寬度)、L (一段的長(zhǎng)度) 和βο最大化并且使g(換能間隙寬度)和W(諧振器環(huán)的寬度)最小化，來使MEMS壓阻諧振器中的換能效率K最大化的方法。
本發(fā)明進(jìn)一步通過附圖和示例來闡述，這些附圖和示例并非意欲限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解可以組合各種實(shí)施例。


圖1 壓阻兩端自由梁諧振器(現(xiàn)有技術(shù))的原理。
圖2 壓阻狗骨頭諧振器(現(xiàn)有技術(shù))的原理。
圖3 狗骨頭諧振器的激光振動(dòng)計(jì)測(cè)量，示出了除了預(yù)期的平面內(nèi)振動(dòng)模式之外的大平面外振動(dòng)模式。
圖4 狗骨頭諧振器的頻率響應(yīng)曲線，示出了信號(hào)中的不穩(wěn)定性和拍頻圖案。
圖5 最優(yōu)選實(shí)施例即矩形備選方案。
圖6 示出了平面內(nèi)橢圓模式形狀的有限元仿真。
圖7 用于描述環(huán)的段的變形的簡(jiǎn)化模型。
圖8 無量綱參數(shù)β ^與歸約的電極長(zhǎng)度Ctl和壓阻區(qū)長(zhǎng)度％的關(guān)系。
圖9a 根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的環(huán)形諧振器的顯微鏡圖像。
圖9b 在固定的3mA感測(cè)電流和換能間隙兩端的各種DC偏置電壓下測(cè)量的跨導(dǎo) ^11與頻率的關(guān)系。
圖9c 圖9b的跨導(dǎo)曲線的最大值gm_max與乘積Vg*Id的關(guān)系。
圖10 具有惠斯通橋配置的環(huán)形諧振器。
圖11:四電極配置。
圖12 位于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的電極。
圖12a 位于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的電極。
圖13 雙錨定點(diǎn)配置。
圖14 錨定點(diǎn)可以指向內(nèi)部。
圖15 具有正方形框形狀的諧振結(jié)構(gòu)。
圖16 平面外模式形狀。
圖17 使用平面外振動(dòng)模式和淺摻雜的環(huán)形諧振器。上圖示出了頂視圖，下圖示出了沿AA’和BB’線得到的截面圖。
圖18a 具有6個(gè)準(zhǔn)波節(jié)點(diǎn)/段的模式形狀的結(jié)構(gòu)。
圖18b 具有8個(gè)準(zhǔn)波節(jié)點(diǎn)/段的模式形狀的結(jié)構(gòu)。
圖18c 具有10個(gè)準(zhǔn)波節(jié)點(diǎn)/段的模式形狀的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 在最優(yōu)選的實(shí)施例中，所提出的諧振器由在四個(gè)對(duì)稱點(diǎn)處錨定的環(huán)構(gòu)成，參見圖 fe。存在兩個(gè)電極，這兩個(gè)電極在兩個(gè)相對(duì)的段處靠近外緣放置。
在第二最優(yōu)選實(shí)施例中，所提出的諧振器由在四個(gè)對(duì)稱點(diǎn)處錨定的矩形、優(yōu)選地正方形構(gòu)成，參見圖恥。
在第三最優(yōu)選實(shí)施例中，所提出的諧振器由在兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)處錨定的矩形構(gòu)成，參見圖5c。
如果將AC和DC激勵(lì)電壓的組合施加于電極，則環(huán)將按照橢圓模式形狀振動(dòng)，參見圖6，其中環(huán)處于錨定點(diǎn)之間的段交替地朝內(nèi)或朝外彎曲。錨定點(diǎn)位于該結(jié)構(gòu)只略微轉(zhuǎn)動(dòng)而不顯著位移的模式形狀的波節(jié)(node)處。利用這種設(shè)置，使得通過錨定點(diǎn)的振動(dòng)能量損耗最小化。
圖6的上部和下部圖片分別示出了沿X和Y方向的應(yīng)變圖。部分(625)涉及膨脹， 而部分(626)涉及收縮?？梢匀菀椎卣J(rèn)識(shí)到，在環(huán)的每一段處，外緣和內(nèi)緣具有相反的應(yīng)變符號(hào)，并且應(yīng)變符號(hào)從一段到下一段交替變化。例如，上段的外緣收縮，而該段的內(nèi)緣伸長(zhǎng)。 同時(shí)，右段(即相鄰的段)的外緣伸長(zhǎng)，而其內(nèi)緣收縮，以此類推。
為了收集由于在該結(jié)構(gòu)中引入的應(yīng)變而導(dǎo)致的壓阻信號(hào)，將四個(gè)區(qū)域局部地?fù)诫s以合適的摻雜濃度(通常是相對(duì)低的濃度)，參見圖5。在該環(huán)中，優(yōu)選地將這些區(qū)域低摻雜，因?yàn)樗鼈兊碾娮杪蕛?yōu)選地小于短路連接區(qū)(位于壓阻區(qū)之間的區(qū)域)。下文中稱作壓阻區(qū)的這些區(qū)域應(yīng)該表現(xiàn)出良好的壓阻效應(yīng)。壓阻區(qū)位于環(huán)的每一段中，并且交替地位于內(nèi)緣和外緣，此處應(yīng)變的幅度最大。壓阻區(qū)的設(shè)置應(yīng)該是使得在振動(dòng)期間，它們經(jīng)歷相同符號(hào)的應(yīng)變。在壓阻區(qū)之間的區(qū)域摻雜以高濃度，以使得材料是低歐姆的。這些低歐姆區(qū)也延伸至錨定點(diǎn)，并且從錨定點(diǎn)延伸至外部。低歐姆區(qū)用作壓阻區(qū)之間以及從這些區(qū)域到外部的電連接。因此，這些低歐姆區(qū)對(duì)于壓阻信號(hào)沒有顯著的貢獻(xiàn)。環(huán)形區(qū)域的其余部分應(yīng)該是未摻雜的，因此具有非常高的電阻。在操作期間，通過兩個(gè)相對(duì)的錨定點(diǎn)發(fā)送感測(cè)電流， 并且感測(cè)電流通過另外兩個(gè)相對(duì)的錨定點(diǎn)流出。在這種配置中，四個(gè)壓阻區(qū)并聯(lián)連接，并且所有電阻中信號(hào)變化的符號(hào)相同，從而可以將信號(hào)進(jìn)行疊加?？梢詫⒖倝鹤栊盘?hào)變化用作諧振器的輸出信號(hào)，這與在本發(fā)明的背景技術(shù)部分中描述的現(xiàn)有技術(shù)相同。
器件的模型和優(yōu)化 因?yàn)榄h(huán)具有四個(gè)相同的段，并且段的振動(dòng)是對(duì)稱的，這意味著它們以相同的幅度彎曲；只有連續(xù)段區(qū)域的相位是相反的，我們可以對(duì)環(huán)的一個(gè)段進(jìn)行建模，并且使用該模型來描述其他段。
可以將環(huán)的一個(gè)段的變形建模為簡(jiǎn)單支撐的直梁，參見圖7。
在圖7中，段的長(zhǎng)度、電極的長(zhǎng)度和壓阻區(qū)的長(zhǎng)度分別表示為L(zhǎng)、c和e ;s是沿χ方向從梁中心到壓阻區(qū)中心的距離，W是梁寬度。
在振動(dòng)期間，梁(或者實(shí)際上是環(huán)的段)沿X方向位移，在梁中引起彎曲應(yīng)變，并且因此導(dǎo)致沿y方向的應(yīng)變e。這種應(yīng)變是造成壓阻信號(hào)的原因。在壓阻區(qū)內(nèi)導(dǎo)致的沿y 方向的平均應(yīng)變f可以描述為面對(duì)電極的梁部分的平均χ位移瓦和梁的幾何尺寸的函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種MEMS壓阻諧振器，優(yōu)選地是硅諧振器，其中所述諧振器具有框的形式，優(yōu)選地是圓形形式或多邊形形式，例如正方形、矩形、六邊形、八邊形、十邊形，包括兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)以及用于激勵(lì)所述諧振器的一個(gè)或更多電極，其中諧振器材料的電阻率在至少一個(gè)第一位置處相對(duì)較高，和/或諧振器材料的電阻率在至少一個(gè)第二位置處相對(duì)較低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS壓阻諧振器，包括對(duì)稱定位的錨定點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的MEMS壓阻諧振器，其中所述諧振器材料是局部N型和/ 或P型摻雜的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的MEMS壓阻諧振器，所述諧振器被錨定點(diǎn)劃分為 η個(gè)對(duì)稱元件，其中η是偶數(shù)整數(shù)，優(yōu)選地η是2、4、6、8或10，最優(yōu)選地η是4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的MEMS壓阻諧振器，其中，在錨定點(diǎn)周圍，諧振器材料的電阻率局部相對(duì)較低；和/或在錨定點(diǎn)之間的第一區(qū)域中，諧振器材料的電阻率相對(duì)較高；和/或在錨定點(diǎn)之間的第二區(qū)域中，諧振器材料是壓阻性的，例如摻雜有η或ρ型材料，或者反之亦然。
6.一種操作根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的MEMS壓阻諧振器的方法，包括施加 AC和DC激勵(lì)電壓的組合；發(fā)送輸入電流通過所述框；感測(cè)所述框內(nèi)的電阻變化，以及優(yōu)選地將所述變化通過放大器耦合回輸入電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述諧振器操作用于按照撓曲模式形狀振動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中在操作期間的給定時(shí)刻，所述諧振器的段交替收縮和伸長(zhǎng)。
9.一種通過根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)的方法來操作諧振器以最小化振動(dòng)能量損耗的方法。
10.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的MEMS壓阻諧振器的設(shè)備，例如時(shí)間參考應(yīng)用如GSM設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、RF電路，例如諧振傳感器如應(yīng)變傳感器、生物傳感器，以及使用機(jī)械諧振的傳感器。
11.一種使MEMS壓阻諧振器中的換能效率α最大化的方法，包括通過使Q因子、s (壓阻區(qū)的寬度)、L(一段的長(zhǎng)度)和β ^最大化并且使g(換能間隙寬度)和W(諧振器框的寬 度)最小化，來最大化換能效率α。
全文摘要
描述了一種新型的Si MEMS壓阻諧振器。所述諧振器具有框形，例如環(huán)形框或多邊形框，具有兩個(gè)或更多錨定點(diǎn)。使用位于諧振結(jié)構(gòu)的外緣或內(nèi)緣的電極，來將該結(jié)構(gòu)靜電激勵(lì)為具有所需模式形狀的諧振。將該結(jié)構(gòu)上的一個(gè)或多個(gè)局部摻雜區(qū)用于信號(hào)的壓阻讀出。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)是環(huán)，所述環(huán)具有四個(gè)錨定點(diǎn)、兩個(gè)電極以及在該結(jié)構(gòu)的不同段處的四個(gè)壓阻區(qū)。壓阻區(qū)交替地位于該結(jié)構(gòu)的外緣和內(nèi)緣，使得可以收集來自不同區(qū)域的相同符號(hào)的壓阻信號(hào)。該器件的優(yōu)勢(shì)在于大讀出信號(hào)、大電極面積、魯棒性、抑制平面外振動(dòng)以及更大的可使用線性范圍。
文檔編號(hào)H03H9/02GK102187573SQ200980140746
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者金·范樂, 約瑟夫·T·M·范貝克 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司