[发明专利]具有至少一种谐振腔模式形状的MEMS谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS谐振器及其制造方法。

背景技术

为了代替在振荡器(或滤波器)中使用的大体积的石英晶体，在文献中报道了各种MEMS谐振器几何结构和制造工艺。半导体工艺中的集成允许极大地降低尺寸和成本。

MEMS谐振器由多晶硅或单晶硅制成。与多晶硅相比，由于单晶硅的低的内部摩擦以及由此而来的较高的机械品质因子、低的内部应力和对各种工艺参数的独立性，单晶硅是更有吸引力的材料。然而，单晶硅的显微机械加工不仅需要诸如绝缘体上的硅(SOI)之类的特殊硅晶片(这增加了成本，并且限制了进一步集成)，或者需要使用诸如HARPSS或BOSCH工艺之类的特殊工艺，这也限制了与MOS或无源工艺的兼容性，因此，导致了谐振器厚度的限制。使用不同概念制造MEMS谐振器：细束、盘或膜(通常，厚度小于6微米)的弯曲模式，和相对较厚的束、板或盘(通常，厚度小于18微米)的体声模式。弯曲模式谐振器的主要的缺点是低的功率处理，这是由于在10MHz以上的频率下其低质量导致的。当谐振器通过HARPSS或BOSCH工艺制造时尤其如此，因为它一旦侧向限定，向下切割(under-cutting)宽的机械结构成为问题。就功率处理来说，基于延伸模式的盘是有希望的。US6,856,217B 1公开了一种微机械谐振器装置，所述谐振器装置基于经向或侧向振动的盘结构，并且能够在远大于100MHz的频率处振动。盘的中心为节点，所以当盘谐振器在其中心受到支撑时，到衬底的锚耗散减至最小，允许这种设计在高频处保持高Q值。此外，这种设计在高频处保持高的硬度，因此最大化了动态程围。此外，该盘谐振器的侧壁表面面积通常比先前的弯曲模式谐振器设计中可得到的更大。当在给定的频率下使用电容(或静电)转换时，允许该盘设计以获得比其对应部分小的串联动态电阻。这种谐振器 获得的频率和动态范围使得其适用于各种通信系统中的高Q值RF滤波和振荡器应用。其尺寸也使得它特别适用于便携式、无线应用，其中如果大量使用，这种谐振器能极大地降低功耗、增加鲁棒性、并且延伸高性能无钱收发机的应用范围。US6,856,217B1没有公开单晶硅MEMS谐振器。

现有的MEMS谐振器的一个缺点是当在廉价的体衬底制造时，该MEMS谐振器不适用于10-50MHz范围内的频率。为获得在10-50MHz范围内的频率，需要非常大的盘谐振器面积。于是，不能再使用类似HARPSS或BOSCH的用于制造MEMS谐振器的工艺。下述公开物公开了HARPSS工艺：Siavash Pourkamali，et.al.“High-Q Single Crystal Silicon HARPSS CapacitiveBeam Resonators With Self-Aligned Sub-100-nm Transduction Gaps”，Journal ofMicroelectromechanical Systems，Vol.12，No.4，Aug.2003，p.487-496。

本发明的一个目的是提供一种改进的MEMS谐振器和制造这种MEMS谐振器的改进方法。

发明内容

本发明通过独立权利要求限定，从属权利要求限定有益的实施例。

本发明提供一种具有至少一种谐振器模式形状的MEMS谐振器，其包括具有表面(12)的衬底(2)和谐振器结构(1)，谐振器结构(1)为衬底(2)的一部分，并且谐振器结构(1)由第一闭合沟槽(3)和第二闭合沟槽(3)限定，第一沟槽(3)位于所述第二沟槽(3)内，以便在所述衬底(2)内形成管状结构(1)，并且仅沿与表面(12)平行的方向从所述衬底(2)释放所述谐振器结构(1)。

实现本发明的目的在于谐振器结构为衬底的一部分，并且本发明的又一特征在于谐振器由第一闭合沟槽和第二闭合沟槽限定，第一沟槽位于第二沟槽内，以便在衬底内形成管状结构，并且仅沿与表面平行的方向从所述衬底释放谐振器结构。根据本发明的MEMS谐振器通过两个闭合沟槽形成，因此提供在非常廉价的衬底内制造的非常简单的结构。在谐振器结构下不再如绝缘体上硅中的情况那样需要任何牺牲层，这意味着能在体衬底中制造MEMS谐振器。需要的仅是形成两个闭合沟槽，一个沟槽在另一沟槽内，这导致管状结构。另外，管状结构导致比盘结构低的硬度，这导致减小了用于给定频率的尺寸。