[发明专利]具有高品质因数的MEMS谐振器

说明书

公开了一种具有高品质因数的对称MEMS谐振器。该MEMS谐振器包括具有顶表面和与顶表面相对的底表面的硅层。一对第一金属层设置在硅层的顶表面上方，并且对应的一对第二金属层相对于一对第一金属层对称地设置在硅层的第二表面下方。此外，第一压电层布置在一对第一金属层之间，并且第二压电层布置在一对第二金属层之间。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年5月27日提交的题为“MEMS RESONATOR WITH HIGH QUALITYFACTOR”的美国非临时专利申请第14/722,323号的权益，其全部内容通过引用明确地并入本文中。

技术领域

本发明涉及MEMS谐振器，更具体地，涉及具有高品质因数的MEMS谐振器。

背景技术

微机电系统(“MEMS”)谐振器是以高频率振动的小型机电结构，并且通常用于定时参考、信号滤波、质量感测、生物感测、运动感测及其他应用。MEMS谐振器被认为是石英定时装置的常见替代物。通常，石英谐振器具有优良的品质因数和压电耦合，但是关于石英谐振器的一个限制是很难以较小的尺寸设计它们。

通常，使用基于光刻的制造工艺和晶圆级加工技术来用硅制成MEMS谐振器。例如，如非专利文献1中所述，设计者已经发现，纯硅谐振器经常展示与石英晶体相当的非常高的品质因数。然而，裸硅不是压电的并且纯硅谐振器具有高的动态阻抗，从而使得它们在许多应用中不适合替代石英谐振器。

为了降低MEMS谐振器的动态阻抗，例如，如非专利文献2中所述，一些设计添加了压电材料，诸如氮化铝(AlN)薄膜层。在典型的压电MEMS谐振器中，可以在硅上溅镀钼的薄膜，随后是一层AlN和另外一层钼。在薄膜沉积之后，对金属层、AlN层以及硅进行蚀刻以形成谐振器形状。关于所得到的设计，上部钼层和下部钼层用作电极以激励并检测谐振器的机械振动。

图1示出了常规的微机械体声波谐振器。如所示，体声波谐振器10包括硅层11和硅层13，其中绝缘体12布置在硅层11和硅层13之间。此外，两个金属层14和16布置在硅衬底13之上，其中压电膜15布置在金属层14和金属层16之间。该设计的一个限制在于，在硅13之上添加压电膜15以及金属层14和金属层16破坏了谐振器10的对称性。换言之，硅的顶部与硅的底部是不同的。该非对称设计引起了谐振器的厚度方向上的振动，其导致能量从谐振器泄露。

图2A和图2B示出了纯硅谐振器与具有沉积在硅层的上表面上的薄膜的硅谐振器之间的振动的比较。在图2A和图2B两者中，虚线轮廓代表无振动的处于初始位置的器件，图2A示出了具有锚中心点120的纯硅谐振器110。在振动模式下，如图2A的两个图像所示，器件110扩张和收缩，但是不存在沿z方向的移动，即，锚中心点120在振动时不向上或向下移动。图2B示出了包括布置在硅衬底之上的薄膜(例如，压电层和金属层)112的谐振器设计。压电膜和金属膜具有不同于硅的弹性模量和密度。由于对称性被破坏，所以谐振器弯曲并且在z方向上将会有振动移动，即，锚中心点120在振动时将向上或向下移动。因此，在相同频率处，压电MEMS谐振器设计(诸如，图1和图2B所示的那些压电MEMS谐振器设计)通常将具有比诸如图2A所示的器件的裸硅谐振器低大约一个数量级的品质因数。压电MEMS谐振器设计的低品质因数增加了振荡器应用中的噪声并且增加了动态阻抗。

例如，如专利文献1中所述，试图克服压电MEMS谐振器的低品质因数的一个设计是通过使用较高阶谐波(overtone)设计来增大谐振器的尺寸。虽然较高阶谐波设计直接减小了动态阻抗，但是它也增大了谐振器的尺寸。此外，由于谐振器的制造成本与尺寸成比例，因此较大的谐振器尺寸不是优选的。此外，即使对于较大的谐振器，低的动态阻抗仍然不足以用于低噪声振荡器应用，并且需要更高的品质因数。