[发明专利]微机械谐振器

说明书

技术领域

本发明属于微机械谐振器检测技术领域，涉及一种体模态微机械谐振器。

背景技术

时钟芯片作为电路系统中的时间基准源，在电路系统中有着重要的作用。传统的时钟芯片一般采用石英晶振作为谐振器产生信号波形。但石英晶振一般是采用切割工艺制作，使得其体积很难减小，从而阻碍了电路系统的微型化，此外石英晶振也无法和电路系统集成制作，提高了制作成本。近年来，由于微加工技术的发展，MEMS（Microelectron Mechanical System， 微电子机械系统）谐振器得到很大的发展。MEMS谐振器具有尺寸小、功耗小、成本低、与CMOS IC（Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit，互补金属氧化物半导体集成电路）工艺相兼容等优点，在无线通讯等领域的需求与日俱增，将成为晶体谐振器的替代物。

根据工作方式的不同，微机械谐振器可以分为：弯曲模态，扭转模态及体模态三种类型。与同尺寸的其它模态谐振器相比，体模态微机械谐振器具有更高的品质因素（Q）及谐振频率，因而体模态微机械谐振器是目前研究的热点。

体模态微机械谐振器的谐振振子可以是梁、方形板、圆环板或者圆形板结构。图1a至图1d是工作在体模态的几种谐振振子结构的模态示意图，其中，虚线表示谐振振子结构在工作（谐振状态）时外部轮廓的形变趋势，图1a为工作在Length Extensional (LE)模态的直拉梁谐振振子结构，图1b为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图1c为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图1d为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆环板谐振振子结构。以LE模态直拉梁谐振振子结构为例，电容驱动-压阻检测LE模态直拉梁微机械谐振器的测试电路示意图如图2a所示，其中，直拉梁谐振振子结构1’通过位于所述谐振振子结构对称轴的支撑梁2’连接至锚点3’，且一锚点3’同时通过电阻R连接至第一直流电源V_d和通过电容C连接至电流输出端i_out，另一锚点3’接地，对称分布于所述谐振振子结构1’端部的驱动电极4’，通过电阻R连接至第二直流电源V_p，且通过电容C连接至交流电源V_in，同时，所述驱动电极4’与所述谐振振子结构1’的端部形成有驱动间隙。图2b是图2a的等效电路图，所述微机械谐振器可以看做是一个与机械谐振相关的可变电阻，谐振器的电容信号动态特性可以看做是一个R_m-L_m-C_m串联网络，C_F表示寄生的反馈电容。

体模态微机械谐振器传输特性的检测方法主要有：1. 电容驱动-电容检测（T. Mattila, J. Kiihamaki, T. Lamminmaki, O. Jaakkola, P. Rantakari, A. Oja, H. Seppa, H. Kattelus, and I. Tittonen, A 12 MHz micromechanical bulk acoustic mode oscillator, Sensors and Actuators a-Physical, vol. 101, pp. 1-9, Sep. 2002.）；2. 电容驱动-压阻检测（J. T. M. Van Beek, P. G. Steeneken, and B. Giesbers, A 10MHz piezoresistive MEMS resonator with high Q, Proceedings of the 2006 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, pp. 475-480, Jun. 2006）。

由于电容间隙易于制作，并且在检测过程中能量损耗小，因而电容驱动-电容检测是一种广泛采用的检测技术。但是，微机械谐振器采用电容检测时存在以下问题：1）输出信号比较微弱，检测困难；2）由于寄生效应的影响，特别是在高频情况下，寄生电容引起的反馈信号将谐振器自身的输出信号淹没，因而无法测量出谐振器自身的输出信号。