[发明专利]MEMS谐振器阵列结构及其操作和使用方法

说明书

背景技术

本发明涉及微机电或纳米机电谐振器阵列结构，以及设计、操作、控制和/或使用这种体系的方法；更加具体地说，一方面，涉及以机械方式耦合以提供具有一个或多个频率的一个或多个输出信号的多个微机电或纳米机电谐振器(例如，多个谐振器，其中至少有一个包括一个或多个加强波节点，这些加强波节点能够支持基底的锚定，以便使封装应力和/或通过基底锚定的能量损失造成的影响最小)。

一般认为，高Q微机电谐振器是集成单片频率基准和滤波器富有前途的选择。就这一点而言，高Q微机电谐振器能够提供高频输出，适合于要求结构紧凑和/或有苛刻空间限制的许多高频应用。但是，随着谐振器变得越来越小，封装应力，通过基底锚朝基底的能量损失，信号强度的下降，和/或谐振过程中的不稳定性或重心移动，都会给谐振器的频率稳定性和“Q”带来不利影响。

众所周知，谐振器有几种结构。例如，一组常规谐振器体系采用闭合或开放音叉。例如，参考图1，闭合或双端固支音叉谐振器10包括梁或叉12a和12b。这些梁12a和12b通过锚16a和16b锚定到基底14上。用固定电极18a和18b激励梁12a和12b来施加力，引起这些梁谐振(在平面内)。

音叉谐振器10的特性和响应是众所周知的。但是，由于封装应力给谐振梁12a和12b带来应变，因此具有这种谐振器体系的谐振器10的机械频率常常容易发生改变。另外，象图1所示的那种常规谐振器体系会存在或呈现出通过锚向基底的能量损失。

描述了特定的体系和技术，以便解决通过锚朝向基底的能量损失制约Q的损失机制以及特定应力导致频率变化这些问题。在一个实施例中，可以将谐振器的梁“悬”在底面和感测电极以上，因此，梁的振动模式不在平面内。(见例如美国专利6,249,073)。尽管这种体系能够减少通过锚的能量损失，但是具有不在平面内的振动模式(即横模)的谐振器会在驱动/感测电极和基底之间呈现出较大的寄生电容。(在特定的设计中)这种电容会导致输出信号具有较高的背景噪声。

人们已经提出了改善谐振器Q因子的其它技术，这些技术包括设计振动梁之间的间隔，使这些梁相对于与它们的振动频率对应的波长间隔很小(见例如美国专利6,624,726中的单端或单端固支谐振器)。驱动振动梁，让它们有一半的振动周期互相异相(也就是说它们的运动互成镜像)。尽管提高谐振器Q值的这些体系和技术能够抑止声能泄漏，但是这种体系仍然存在封装应力，通过基底锚朝基底的能量损失，以及单端或单端固支谐振器振动梁的运动过程中谐振器重心的“移动”。

此外，还描述了其它谐振器体系来解决通过锚的能量损失问题，例如“碟”形谐振器设计(见例如美国专利申请公布2004/020792)。确实，有人提出一种相同的以机械方式耦合的碟形谐振器阵列，用它来减少运动阻力，同时提高线性度(见例如美国专利6,628,177和Demirci等等的“Mechanically Corner-Coupled Square MicroresonatorArray for Reduced Series Motional Resistance”，Transducers 2003，第955～958页)。

需要一种谐振器阵列体系、配置或结构，它能够克服常规体系、配置或结构的一个、一些或全部缺点。就这一点而言，需要一种得到改进的微机电和/或纳米机电谐振器阵列，这种阵列具有改进了的封装应力特性，减少了通过基底锚朝向基底的能量损失和/或使这种能量损失最少，和/或具有改进了的或者最优的振荡期间重心稳定性。通过这种方式，能够提高输出信号的信噪比，提高谐振器输出频率的稳定性和/或线性度，和/或谐振器的“Q”因子较高。

此外，还需要一种改进了的微机电谐振器阵列体系、配置或结构，它具有较小的运动阻力，良好的线性度，能够实现全差分信号，和/或对输入信号和/或输出信号具有很强的抗干扰能力。此外，还需要一种改进了的方法来设计、操作、控制和/或使用这种谐振器阵列，克服一个、一些或全部常规谐振器阵列体系、配置或结构的缺点。

发明内容

在这里描述和说明了许多发明，以及这些发明的许多方面和实施例。本“发明内容”部分讨论这里描述和给出的一些发明。这一部分没有穷尽本发明的范围。记住这一点以后，在第一个原理方面，本发明是MEMS阵列结构，包括通过一个或多个谐振器耦合段耦合的多个MEMS谐振器。在一个实施例中，每个MEMS谐振器都包括多个拉长梁段(例如四个拉长直梁段)，每一个拉长梁段都包括第一和第二端；以及多个弯曲段(例如四个弯曲段)，每个弯曲段都包括第一和第二端，其中梁段的每一端都与所述弯曲段之一的有关的端连接，从而形成一个几何形状(例如圆角正方形)。