一种高稳定性的MEMS谐振器制造技术

本实用新型专利技术提出的高稳定性的MEMS谐振器中，振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓限定的环状结构，根据弹性波传播速度的传播轮廓来设计振动主体的内外轮廓形状，通过令第一形状中心点到外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在振动主体材料中的大小成相同的比例，使得MEMS谐振器产生纯体积谐振模态，从而提高了MEMS谐振器的稳定性和可靠性。实施例中还给出令振动主体的内外轮廓形状都与振动主体材料在平面内的弹性波传播速度的传播轮廓相一致，并且内外轮廓形状可不一致的方案，提高了MEMS谐振器对不同振动方式的适应性。另外通过将锚结构设置在振动主体中心，支撑结构对称设置在锚结构和振动主体之间，减少了能量损失。减少了能量损失。减少了能量损失。

【技术实现步骤摘要】
一种高稳定性的MEMS谐振器


[0001]本技术属于谐振器
，涉及一种高稳定性的MEMS谐振器件。

技术介绍

[0002]MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造利用微电子加工技术，制造出各种微型机械结构敏感芯片，再与专用集成电路集成，组成微型化、智能化的传感器、执行器、光学器件等MEMS器件及组件。MEMS谐振器是以精确频率振动的小机电结构，具有高线性度、高品质因数Q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是未来无线通信系统的理想选择之一。
[0003]单晶硅具有低损耗、优异的机械/化学稳定性等优良的力学性能，是一种优良的机械谐振器材料，已广泛被应用于MEMS振荡器和滤波器的设计中。然而单晶硅是一种高度各向异性的材料，图1显示了最常见的(100)平面内单晶硅的杨氏模量和泊松系数的变化曲线，可以看出在不同方向单晶硅抵抗形变的能力也不同。目前MEMS谐振器设计中常用的形状为规则的圆形或方形，而由于受到单晶硅各向异性的影响，主谐振模式必然伴随着相近的退化模态，如图2所示，图2中(a)为环形硅谐振环的酒杯(剪切)模型，图2中(b)为环形硅谐振环的退化模态(与主模轴成45度角)。从图2中可以观察到退化模态的频率通常会非常接近主谐频率，从而对由MEMS谐振器组成的振荡器的性能产生不良影响；除此之外，弹性波在传播时也存在各项异向性，因此波在传播过程中衰减明显。另外，在MEMS谐振器的设计中，锚结构和支撑结构的设计对于减小谐振器能量损失也至关重要。

技术实现思路

[0004]针对传统规则形状设计的MEMS谐振器由于弹性波传播各项异向导致的衰减以及谐振材料各向异性的影响，导致应力分布不均、谐振器出现不希望的模态，从而影响振荡器性能的问题，以及MEMS谐振器中对于锚结构和支撑结构的设计要求，本技术提出一种高稳定性的MEMS谐振器，通过改进MEMS谐振器中振动主体的形状，使得MEMS谐振器在谐振模式时应力分布均匀，消除临近共振频率的退化与寄生振动模态，提高MEMS谐振器的稳定性和可靠性；通过对MEMS谐振器中锚结构和支撑结构的设计，使得谐振器能量损失尽可能地减少。
[0005]本技术的技术方案为：
[0006]根据本技术的实施例，本技术提供一种高稳定性的MEMS谐振器，包括振动主体、基座、锚结构和支撑结构，所述锚结构固定在所述基座上并通过所述支撑结构与所述振动主体连接，使得所述振动主体悬空；
[0007]所述振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓限定的环状结构；所述第一形状的中心点到所述第一形状的外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例；所述锚结构设置在第一形状的中心点，所述支撑结构对称设置在所述锚结构和所述振动主体之间。
[0008]进一步地，所述第二形状的中心点到所述第二形状的内轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例。
[0009]进一步地，所述弹性波传播速度为声速。
[0010]相比于现有技术，本技术具有如下有益效果：
[0011]一方面，本技术根据弹性波传播速度来设计振动主体的内外轮廓形状，通过令振动主体的形状与振动主体材料在平面内的弹性波传播速度的传播轮廓相一致，使得振动主体上应力分布均匀，MEMS谐振器产生纯体积谐振模态，并使附近的其他辅助模态消失，提高了MEMS谐振器的稳定性和可靠性，提高了MEMS谐振器的品质因数值；并且一些实施例中通过设置振动主体的内外轮廓分别适应不同振动方向的弹性波传播速度的传播轮廓，提高了MEMS谐振器对不同振动方式的适应性。
[0012]另一方面，本技术采用集中锚和对称设置的支撑结构，将振动和包装应力的影响降至最低，从而尽量减少能量损失，并对振型施加较小的畸变，提高了MEMS谐振器的稳定性。
附图说明
[0013]图1为单晶硅的杨氏模量和泊松系数的变化曲线图。
[0014]图2为现有的采用规则形状设计的MEMS谐振器的不同模拟谐振模式示意图。
[0015]图3为单晶硅(100)平面内的三个弹性声波速度轮廓图。
[0016]图4为实施例四中所设计的MEMS谐振器的振动主体的均匀环状结构示意图。
[0017]图5为实施例四中的MEMS谐振器结构的不同模拟谐振模式示意图。
[0018]图6为实施例五中所设计的MEMS谐振器的振动主体的第一种不均匀环状结构示意图。
[0019]图7为实施例五中所设计的MEMS谐振器的振动主体的第二种不均匀环状结构示意图。
[0020]图8为实施例五中所设计的MEMS谐振器的振动主体的第三种不均匀环状结构示意图。
[0021]图9为实施例六中提出的MEMS谐振器整体的第一种二维结构示意图。
[0022]图10为实施例六中提出的MEMS谐振器整体的第二种二维结构示意图。
[0023]图11为实施例六中提出的MEMS谐振器整体的第三种二维结构示意图。
[0024]图12为实施例六中提出的MEMS谐振器整体的第四种二维结构示意图。
[0025]图13为实施例六中提出的MEMS谐振器整体的一种三维结构示意图。
[0026]上述附图中：1、振动主体；2、电极；3、电极；4、锚结构；5、支撑结构；6、基座。
具体实施方式
[0027]为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0028]本技术提供一种MEMS谐振器，具体包括以下实施例：
[0029]实施例一
[0030]MEMS谐振器的工作原理是振动主体受到激励信号的作用，在其固有频率上产生振动，振动过程实际上是机械能和电能来回转换的过程。本技术提出的一种MEMS谐振器，考虑到振动主体材料的各向异性来设计振动主体的形状，使得MEMS谐振器在谐振模式时应力分布均匀，消除临近共振频率的退化与寄生振动模态。
[0031]各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。MEMS谐振器的谐振主体在振动时，弹性波传播时存在各项异向性，谐振材料也存在各向异性，弹性波在振动主体内的传播速度不同，本技术提出MEMS谐振器中，振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓所限定的环状结构，其中令第一形状的中心点到第一形状的外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在振动主体材料中的大小成相同的比例，即假设A方向上中心点到边缘点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高稳定性的MEMS谐振器，包括振动主体、基座、锚结构和支撑结构，所述锚结构固定在所述基座上并通过所述支撑结构与所述振动主体连接，使得所述振动主体悬空；其特征在于，所述振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓限定的环状结构；所述第一形状的中心点到所述第一形状的外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例；所述锚结构设置在第一形状的中心点，所述支撑结构对称设置在所述锚结构和所述振动主体之间。2.根据权利要求1所述的高稳定性的MEMS谐振器，其特征在于，所述第二形状的中心点到所述第二形状的内轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例。3.根据权利要求1或2所述的高稳定性的MEMS谐振器，其特征在于，所述弹性波传播速度为声速。4.根据权利要求3所述的高稳定性的MEMS谐振器，其特征在于，所述声速为声波的准纵波波速。...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓侃，
申请(专利权)人：邓侃，
类型：新型
国别省市：