[实用新型]一种高稳定性的MEMS谐振器

说明书

本实用新型提出的高稳定性的MEMS谐振器中，振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓限定的环状结构，根据弹性波传播速度的传播轮廓来设计振动主体的内外轮廓形状，通过令第一形状中心点到外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在振动主体材料中的大小成相同的比例，使得MEMS谐振器产生纯体积谐振模态，从而提高了MEMS谐振器的稳定性和可靠性。实施例中还给出令振动主体的内外轮廓形状都与振动主体材料在平面内的弹性波传播速度的传播轮廓相一致，并且内外轮廓形状可不一致的方案，提高了MEMS谐振器对不同振动方式的适应性。另外通过将锚结构设置在振动主体中心，支撑结构对称设置在锚结构和振动主体之间，减少了能量损失。

技术领域

本实用新型属于谐振器技术领域，涉及一种高稳定性的MEMS谐振器件。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造利用微电子加工技术，制造出各种微型机械结构敏感芯片，再与专用集成电路集成，组成微型化、智能化的传感器、执行器、光学器件等MEMS器件及组件。MEMS谐振器是以精确频率振动的小机电结构，具有高线性度、高品质因数Q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是未来无线通信系统的理想选择之一。

单晶硅具有低损耗、优异的机械/化学稳定性等优良的力学性能，是一种优良的机械谐振器材料，已广泛被应用于MEMS振荡器和滤波器的设计中。然而单晶硅是一种高度各向异性的材料，图1显示了最常见的(100)平面内单晶硅的杨氏模量和泊松系数的变化曲线，可以看出在不同方向单晶硅抵抗形变的能力也不同。目前MEMS谐振器设计中常用的形状为规则的圆形或方形，而由于受到单晶硅各向异性的影响，主谐振模式必然伴随着相近的退化模态，如图2所示，图2中(a)为环形硅谐振环的酒杯(剪切)模型，图2中(b)为环形硅谐振环的退化模态(与主模轴成45度角)。从图2中可以观察到退化模态的频率通常会非常接近主谐频率，从而对由MEMS谐振器组成的振荡器的性能产生不良影响；除此之外，弹性波在传播时也存在各项异向性，因此波在传播过程中衰减明显。另外，在MEMS谐振器的设计中，锚结构和支撑结构的设计对于减小谐振器能量损失也至关重要。

实用新型内容

针对传统规则形状设计的MEMS谐振器由于弹性波传播各项异向导致的衰减以及谐振材料各向异性的影响，导致应力分布不均、谐振器出现不希望的模态，从而影响振荡器性能的问题，以及MEMS谐振器中对于锚结构和支撑结构的设计要求，本实用新型提出一种高稳定性的MEMS谐振器，通过改进MEMS谐振器中振动主体的形状，使得MEMS谐振器在谐振模式时应力分布均匀，消除临近共振频率的退化与寄生振动模态，提高MEMS谐振器的稳定性和可靠性；通过对MEMS谐振器中锚结构和支撑结构的设计，使得谐振器能量损失尽可能地减少。

本实用新型的技术方案为：

根据本实用新型的实施例，本实用新型提供一种高稳定性的MEMS谐振器，包括振动主体、基座、锚结构和支撑结构，所述锚结构固定在所述基座上并通过所述支撑结构与所述振动主体连接，使得所述振动主体悬空；

所述振动主体是由第一形状的外轮廓和第二形状的内轮廓限定的环状结构；所述第一形状的中心点到所述第一形状的外轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例；所述锚结构设置在第一形状的中心点，所述支撑结构对称设置在所述锚结构和所述振动主体之间。

进一步地，所述第二形状的中心点到所述第二形状的内轮廓上各边缘点的距离与对应方向上弹性波传播速度在所述振动主体材料中的大小成相同的比例。

进一步地，所述弹性波传播速度为声速。

相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：