MEMS谐振器

技术领域

本申请实施例涉及微机电技术领域，具体涉及一种MEMS谐振器。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

目前MEMS器件被开发用于各种各样的应用。比如MEMS谐振器，其可以用于电子设备的定时电路中。MEMS谐振器系统通常包括多个电极以驱动MEMS谐振器。在实际应用过程中，可以通过向驱动电极施加时变电压信号与直流电流(DirectCurrent，DC)电压组合，产生时变静电力，使得MEMS谐振器振荡。

然而，目前的MEMS谐振器无法适应宽范围的DC电压波动和封装应力的影响，导致MEMS谐振器系统的谐振频率变化幅度较大，难以维持MEMS谐振器的输出频率稳定性。

发明内容

本申请实施例提供了一种MEMS谐振器，可以提高MEMS谐振器的输出频率稳定性。

本申请实施例提供了一种MEMS谐振器，包括：

振臂组件，所述振臂组件包括振臂和感应部，两个所述感应部分别设置于所述振臂的两侧，所述感应部背向所述振臂的一侧具有由多个间隔设置的第一齿组成的锯齿状表面；

驱动电极，所述驱动电极与一个所述感应部相对设置，所述驱动电极朝向所述感应部的一侧具有由多个间隔设置的第二齿组成的锯齿状表面，所述第二齿与所述第一齿交错设置，所述第一齿的齿面与所述第二齿的齿面之间具有第一间隙。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，还包括：

感测电极，所述感测电极与另一个所述感应部相对设置，所述感测电极朝向所述感应部的一侧具有由多个间隔设置的第三齿组成的锯齿状表面，所述第三齿与所述第一齿交错设置，所述第一齿的齿面与所述第三齿的齿面之间具有第二间隙。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述振臂组件还包括：

支撑柱，其与所述振臂固定相连的。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述支撑柱被配置为两个，所述振臂的两端分别设有一所述支撑柱，所述振臂的每个端部分别与一所述支撑柱的端部固定连接；所述驱动电极及与之相对设置的感应部位于两所述支撑柱之间。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述振臂组件还包括：

连接梁，其与所述振臂相对设置并位于两所述支撑柱之间；所述连接梁的每个端部分别与一所述支撑柱的端部固定连接。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述振臂组件还包括：

耦合件，被两所述支撑柱及连接梁包围并与所述连接梁固定连接；

其中，所述驱动电极及与之相对设置的感应部被所述耦合件包围。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述耦合件与所述支撑柱、所述连接梁以及所述振臂之间均具有第三间隙。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述耦合件与所述感应部、所述驱动电极之间均具有间隙。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述驱动电极朝向所述支撑柱的侧边与所述耦合件之间具有第四间隙。

在本申请实施例提供的MEMS谐振器中，所述第一齿、所述第二齿和所述第三齿的形状相同，尺寸相等。

综上所述，本申请实施例提供的MEMS谐振器包括振臂组件和驱动电极，其中，所述振臂组件包括振臂和感应部，两个所述感应部分别设置于所述振臂的两侧，所述感应部背向所述振臂的一侧具有由多个间隔设置的第一齿组成的锯齿状表面；所述驱动电极与一个所述感应部相对设置，所述驱动电极朝向所述感应部的一侧具有由多个间隔设置的第二齿组成的锯齿状表面，所述第二齿与所述第一齿交错设置，所述第一齿的齿面与所述第二齿的齿面之间具有第一间隙。在本方案中，当向驱动电极施加时变信号时，可以使得振臂在该振臂指向驱动电极的方向或驱动电极指向振臂的方向水平移动，当振臂朝向驱动电极移动时，相比于非齿状构件，交错设置的第一齿和第二齿的相对面积增加，可以有效的降低MEMS谐振器由于DC电压波动和因封装应力而产生的静电负刚度和/或机械刚度的变化，使得MEMS谐振器对施加的DC电压波动、感应部与驱动电极之间的距离的敏感性都降低，让MEMS谐振器能够承受因封装应力导致的间隙宽度的更多变化，适应宽范围的DC电压波动，减小MEMS谐振器系统的谐振频率变化幅度，提高MEMS谐振器的输出频率稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的MEMS谐振器的结构示意图。

图2是本申请实施例提供的MEMS谐振器的另一结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本申请所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

目前MEMS器件被开发用于各种各样的应用。比如MEMS谐振器，其可以用于电子设备的定时电路中。MEMS谐振器系统通常包括多个电极以驱动MEMS谐振器。在实际应用过程中，可以通过向驱动电极施加时变电压信号与直流电流(DirectCurrent，DC)电压组合，产生时变静电力，使得MEMS谐振器振荡。

然而，目前的MEMS谐振器无法适应宽范围的DC电压波动和封装应力的影响，导致MEMS谐振器系统的谐振频率变化幅度较大，难以维持MEMS谐振器的输出频率稳定性。

基于此，本申请实施例提供了一种MEMS谐振器。以下将通过具体实施例对本申请所示的技术方案进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优先顺序的限定。

请参阅图1，图1是本申请提供的MEMS谐振器的结构示意图。该MEMS谐振器可以用于产生定时信号，其具体可以包括振臂组件10和驱动电极20。

其中，振臂组件10包括振臂11和感应部12，两个感应部12分别设置于振臂11的两侧，且感应部12连接于振臂11的中点处，感应部12背向振臂11的一侧具有由多个间隔设置的第一齿组成的锯齿状表面。

需要说明的是，在本申请实施例中，该振臂11和感应部12一体成型。两个感应部12关于振臂11对称设置。

其中，驱动电极20与一个感应部12相对设置，驱动电极20朝向感应部12的一侧具有由多个间隔设置的第二齿组成的锯齿状表面，第二齿与第一齿交错设置，第一齿的齿面与第二齿的齿面之间具有第一间隙。

在一些实施例中，如图2所示，该MEMS谐振器还包括感测电极30，感测电极30与另一个感应部12相对设置，感测电极30朝向感应部12的一侧具有由多个间隔设置的第三齿组成的锯齿状表面，第三齿与第一齿交错设置，第一齿的齿面与第三齿的齿面之间具有第二间隙。

响应于振臂11的运动，感测电极30与感应部12之间的平均电容以基本恒定的频率变化。因此，该感测电极30可以用于测量电容，然后可以使用所得信号来生成定时信号。

可以理解的是，该振臂组件10、驱动电极20和感测电极30均设置于基板上。

需要说明的是，第一间隙指的是相邻的第一齿的齿面和第二齿的齿面之间的间隙。第二间隙指的是相邻的第一齿的齿面和第三齿的齿面之间的间隙。

在本申请实施例中，第一间隙和第二间隙可以为400nm～700nm。优选的，第一间隙和第二间隙为500nm。在实际应用过程中，第一间隙和第二间隙可能由于光刻或蚀刻工艺的变化而变化，相比非锯齿状的表面，锯齿状电极结构有利地降低了对这些变化的敏感性，进而在一定程度上降低了对工艺的要求。

需要说明的是，第一齿、第二齿和第三齿的形状相同，尺寸相等。其中，相邻的第一齿之间的第一齿距相等。相邻的第二齿之间的第二齿距相等。相邻的第三齿之间的第三齿距相等。在一些实施例中，第一齿距、第二齿距和第三齿距相等。

在本申请实施例中，振臂组件10还包括连接部13。该连接部13包括支撑柱131、连接梁132和耦合件133。

其中，连接梁132与振臂11相对设置，振臂11的两端分别与两个支撑柱131的一端连接，连接梁132的两端分别与两个支撑柱131的另一端连接，支撑柱131、连接梁132和振臂11包围耦合件133，部分耦合件133与连接梁132连接。

在一些实施例中，耦合件133设置有以耦合件133与连接梁132连接处对称的2个锚固部1331。需要说明的是，锚固部1331具体位置以在耦合件133空旷、中部、利于加工为主。锚固部1331用于将振臂组件10锚固在基板上，使得振臂组件10悬空。

在一实施例中，驱动电极20、感测电极30和锚固部1331上均设置有电连接点40，各个电连接点40可以通过与其对应的硅通孔与外界电信号连接。

在一些实施例中，可以在与支撑柱131连接的振臂11的两端设置U型孔111。可以理解的是，该U型孔111的深度方向为振臂11指向基板的方向。该U型孔111的长度延伸方向为指向支撑柱131的方向。U型孔111可以是盲孔，也可以是通孔。该U型孔111可有效降低热弹性阻尼。

需要说明的是，耦合件133与支撑柱131、连接梁132以及振臂11之间均具有第三间隙。耦合件133包围感应部12和驱动电极20。耦合件133与感应部12、驱动电极20之间均具有间隙。

其中，该第三间隙可以为1um。

在本申请实施例中，驱动电极20朝向支撑柱131的侧边与耦合件133之间具有第四间隙21。第四间隙21的宽度沿驱动电极20指向感应部12的方向逐渐减小。

在一些实施例中，该第四间隙21最宽的部分宽度为3um；最窄的部分宽度为1um。渐变式的第四间隙21可以很好的改善刻蚀工艺和刻蚀效果，提高MEMS谐振器的性能。

需要说明的是，该第四间隙21的设置方式主要是基于刻蚀速度和寄生电容的考虑。因为采用静电驱动的MEMS谐振器，驱动电容区域需要采用较小的间隙来降低动态阻抗，提升信号强度，但同时对非驱动电容区域，需要大间隙来降低寄生电容大小。这样就导致谐振器刻蚀过程的同时面对两种不同的刻蚀间隙；一般大间隙开始速度高于小间隙，如果大间隙和小间隙之间没有过渡，容易导致小间隙无法刻蚀开或大间隙严重过刻蚀。

在一些实施例中，该耦合件133与驱动电极20之间的除第四间隙21的第五间隙可以相等。比如，可以将该第五间隙设置为较大的3um，较大的间隙可以降低MEMS谐振器的寄生电容。

在另一实施例中，可以将该锚固部1331下方硅通孔对应的部分耦合件133的侧边与驱动电极20之间的间距设为第六间隙22。也即，该耦合件133与驱动电极20之间的间隙包括第四间隙21、第五间隙和第六间隙22。

需要说明的是，第六间隙22相对于第五间隙有一定收窄，该第六间隙22可以为1um。由于大间隙的刻蚀速度比小间隙刻蚀速度快，在此处采用小间隙，可以改善采用大间隙容易因刻蚀工艺的特性对硅通孔过刻的情况。

在具体实施过程中，当通过以预设频率向驱动电极20施加时变信号，例如，在振臂11与驱动电极20之间施加DC和/或AC电压时，可以使得振臂11在该振臂11相对于驱动电极20的水平方向上往复振动(该振臂11指向驱动电极20的方向或驱动电极20指向振臂11的方向水平移动)，当振臂11朝向驱动电极20移动时，相比于非齿状构件，交错设置的第一齿和第二齿的相对面积增加，可以有效的降低MEMS谐振器由于DC电压波动和因封装应力而产生的静电负刚度和/或机械刚度的变化，使得MEMS谐振器对施加的DC电压波动、感应部12与驱动电极20之间的距离敏感性降低，让MEMS谐振器能够承受因封装应力导致的间隙宽度的更多变化，适应宽范围的DC电压波动，减小MEMS谐振器系统的谐振频率变化幅度，提高MEMS谐振器的输出频率稳定性。

可以理解的是，感应部12与驱动电极20之间的距离敏感性降低可以有效降低MEMS谐振器的静电弹簧常数对时变电压和固定DC电压的波动的敏感性。

因此，如果DC信号波动，MEMS谐振器的谐振频率不太可能发生偏移。另外，降低的灵敏度还允许实现更简单的控制系统来控制DC电压，可以节省电力并在系统中为其他组件提供更多空间。

需要说明的是，在本申请实施例中，两个感应部12分别设置于振臂11的两侧，振臂11的振动幅度(振动平移)从两端至中间越来越大，在感应部12与振臂11的连接处，振动幅度(振动平移)达到最大值，因此感应部12的振动幅度(振动平移)也是最大的。这样设计可以为感应件提供更大的振动幅度，交错设置的第一齿和第二齿的相对面积变化更明显，产生电容变化更明显。

综上所述，本申请实施例提供的MEMS谐振器包括振臂组件10和驱动电极20，其中，振臂组件10包括振臂11和感应部12，两个感应部12分别设置于振臂11的两侧，感应部12背向振臂11的一侧具有由多个间隔设置的第一齿组成的锯齿状表面；驱动电极20与一个感应部12相对设置，驱动电极20朝向感应部12的一侧具有由多个间隔设置的第二齿组成的锯齿状表面，第二齿与第一齿交错设置，第一齿与第二齿之间具有第一间隙。在本方案中，当向驱动电极20施加时变信号时，可以使得振臂11在该振臂11相对于驱动电极20的水平方向上往复振动，相比于非齿状构件，交错设置的第一齿和第二齿的相对面积增加，可以有效的降低MEMS谐振器由于DC电压波动和因封装应力而产生的静电负刚度和/或机械刚度的变化，使得MEMS谐振器对施加的DC电压波动、感应部12与驱动电极20之间的距离敏感性降低，让MEMS谐振器能够承受因封装应力导致的间隙宽度的更多变化，适应宽范围的DC电压波动，减小MEMS谐振器系统的谐振频率变化幅度，提高MEMS谐振器的输出频率稳定性。

需要说明的是，本申请实施例中的MEMS谐振器可以使用公知的技术由公知的材料制造。例如，MEMS谐振器可以由公知的半导体材料制成，例如硅、锗、硅锗或砷化镓。实际上，MEMS谐振器可以由例如元素周期表第IV列中的材料组成，例如硅、锗、碳；还有这些的组合，例如硅锗或碳化硅；也可以是III-V化合物，例如磷化镓、磷化铝镓或其它III-V组合；III、IV、V或VI材料的组合，例如氮化硅、氧化硅、碳化铝、氮化铝和/或氧化铝；还有金属硅化物、锗化物和碳化物，例如硅化镍、硅化钴、碳化钨或硅化铂锗；还有掺杂变体，包括磷、砷、锑、硼或铝掺杂的硅或锗、碳或组合，如硅锗；还有具有各种晶体结构的这些材料，包括单晶、多晶、纳米晶或无定形；还具有晶体结构的组合，例如具有单晶和多晶结构的区域(无论是掺杂的还是未掺杂的)。

此外，该MEMS谐振器可以使用公知的光刻、蚀刻、沉积和/或掺杂技术形成在基板上。为了简洁起见，本文不讨论这样的制造技术。然而，用于形成或制造MEMS谐振器结构的所有技术，无论是现在已知的还是以后开发的，都旨在落入范围内(例如，使用标准或过大尺寸(“厚”)晶片(未示出)的公知的形成、光刻、蚀刻和/或沉积技术和/或接合技术(即，将两个标准晶片接合在一起，其中下部/底部晶片包括设置在其上的牺牲层(例如，氧化硅)，并且上部/顶部晶片此后被减薄(向下或向后研磨)并抛光以在其中或其上接收机械结构)。

以上对本申请所提供的MEMS谐振器进行了详细介绍，本申请中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。