專利名稱：包含具有工作頻率的微機(jī)械諧振器的裝置及擴(kuò)展該頻率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含微機(jī)械諧振器的裝置，具體涉及包含具有操作頻率的微機(jī)械諧振器的裝置以及擴(kuò)展該操作頻率的方法。
背景技術(shù)：
貯能電路的機(jī)械振動元件例如晶體諧振器和SAW諧振器由于具有高的品質(zhì)因素Q和極好的溫度穩(wěn)定性已廣泛地應(yīng)用于無線通信子系統(tǒng)中的頻率選擇和頻率基準(zhǔn)。然而這些裝置體積大、一般要求精密的機(jī)加工，因而價格昂貴。最重要的是，這些機(jī)械元件由于是印刷電路片外邊的元件，所以必須以插件模式連接于集成電子塊，這樣便造成外差式收發(fā)信機(jī)小型化和工作性能提高的嚴(yán)重瓶頸問題。
近來年，已利用與集成電路相容的多晶硅表面微機(jī)械工藝提出其性能類似于宏結(jié)構(gòu)諧振器的微機(jī)械諧振器(在英語中可簡寫為μresonator)，這種多晶硅微諧振器在真空中其Q值超過80000，其中心頻率溫度系數(shù)在-10ppm/℃范圍(比消零法小好幾倍)內(nèi)，這種多晶硅微諧振器可以很好地用作小型化替用品，取代各種高Q值振蕩器和濾波應(yīng)用中的晶體。到今天為止已例示說明頻率從幾千赫到幾十萬千替的具有高Q值的折疊梁微諧振器(folded-beamuresonator)。然而對于通信應(yīng)用需要更高頻率的諧振器，例如在甚高頻范圍的中頻(IF)濾波器。
振動梁微機(jī)械諧振器可用多晶硅到電鍍的鎳等各種材料制作，近年來已成為在各種選擇頻率的通信行業(yè)中很有潛力的候選品。特別是，如果能得到需要的VHF(甚高頻)和UHV(超高頻)，則低損耗的IF(中頻)和RF(射頻)過濾器和高Q值振蕩器二者一定會受益于這種裝置的微小尺寸、實際的零DC功率損耗和整體性。
到現(xiàn)在為止，由于可以很簡便地使這些裝置具有很小的質(zhì)量和很大的剛性，所以已深入地研究了用于VHF范圍的固定-固定梁微機(jī)械諧振器。能夠獲得高的Q值和很大剛性對于通信級諧振器是極端重要的。因為剛性可以直接影響包含這種諧振器的電路的動態(tài)范圍。然而，在固定-固定梁設(shè)計的情況下，較大的剛性通常以增大錨定損耗為代價，因而降低了諧振器Q值。
MacDonald等的美國專利No.5 640 133公開一種基于電容的可調(diào)諧微機(jī)械諧振器。該諧振器包括固定許多電極的活動梁。該諧振器還包括許多固定電極。在操作時，通過調(diào)節(jié)加在梁電極和固定電極的偏壓便可調(diào)節(jié)諧振器的諧振頻率。
Burns等的美國專利No.5 550 516公開一種積成的諧振微梁傳感器和晶體管振蕩器。該傳感器和諧振器具有高的Q值，可利用各種電路、電極移動和微梁幾何結(jié)構(gòu)的各種形狀來改變操作的諧振頻率。
Albrecht等的美國專利No.5 399 232公開一種具有一體棱錐尖的微組構(gòu)懸臂針，該棱錐針整體形成于懸臂上，限制該臂在錐尖方向的運(yùn)動。
Griffin等的美國專利No.5 399 232公開一種Q值增大的諧振器，該諧振器利用諧振器的定位位置來提供要求的性能。為達(dá)到要求的損耗特性，這些諧振器分開一個四分之一波長距離。
Farace等的美國專利公開一種用硅晶片蝕刻的微機(jī)械電子振蕩器。該專利討論了使振蕩器能按要求特性操作的結(jié)構(gòu)和電路。
以下美國專利一般也和本發(fā)明相關(guān)，其專利號為4 081 769；4596 969；4 660 004；4 862 122；5 065 119；5 191 304；5 446 729；5 428 325；5 025 346；5 090 254；5 455 547；5 491 604；5 537083以及5 589 082。
發(fā)明公開本發(fā)明的目的是提供一種包含微機(jī)械諧振器的裝置，該諧振器具有高的品質(zhì)因數(shù)Q，形成在底襯上，其中該裝置具有目前商品收發(fā)信機(jī)的頻率范圍，本發(fā)明的目的是再提供一種增大諧振器操作頻率的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種包含微機(jī)構(gòu)諧振器的裝置，該諧振器具有高的品質(zhì)因數(shù)Q，形成在底襯上，其中該裝置保持先有諧振器基本的彎曲振動梁的設(shè)計，但關(guān)鍵地改變了其支承件，因而在本設(shè)計中實際上除掉了錨定件及其相關(guān)的損耗；已采用這種方法提供了一種自由-自由梁的微機(jī)構(gòu)諧振器，該諧振器其中心頻率從30MHz到90MHz以上，具有很大剛性，其Q值高達(dá)8400。
本發(fā)明的再一目的是提供一種包含微機(jī)構(gòu)諧振器的裝置，該諧振器具有高的品質(zhì)因數(shù)Q，形成在底襯上，其中，a)該裝置適合于用硅基平板積成電路工藝制造；b)該裝置與SAW諧振器和石英諧振器相比其尺寸減小若干數(shù)量級；c)該裝置在VHF范圍內(nèi)達(dá)到很高的Q值；d)該裝置具有高輸出設(shè)計(yield-enhancing design)；e)該裝置具有很高的溫度穩(wěn)定性。此裝置在無線收發(fā)機(jī)(例如蜂窩電線、無繩電話、GPS等)以及應(yīng)用諧振器的傳感器系統(tǒng)方面具有很大的應(yīng)用潛力。
為實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的以及其它目的，提供了一種包含微機(jī)械諧振器的裝置，該諧振器具有操作頻率，其諧振器梁形成在一個底襯上。該裝置包括錨定在底襯上的非侵入性支承構(gòu)件，以便將諧振器梁支承該底襯的上面。該支承構(gòu)件包括至少一個其尺寸相當(dāng)于諧振器操作波長實際四分之一波長的扭轉(zhuǎn)梁。該至少一個扭轉(zhuǎn)梁固定在該諧振器梁的至少一個彎曲節(jié)點上，使得該諧振器梁在橫向運(yùn)動上基本上不受到任何阻力作用。該諧振器是高Q值諧振器。
在本發(fā)明的實施例中，在底襯上形成至少一個驅(qū)動電極，以便靜電激發(fā)諧振器梁。在諧振器梁和該至少一個驅(qū)動電極之間形成至少一個電容換能器間隙。
具有高度的至少一個間隔器在諧振器梁和底襯之間延伸，并定位于至少一個彎曲節(jié)點上。該間隙的尺寸取決于諧振梁降低期間該至少一個間隔器的高度。
該諧振器最好是硅基諧振器，但也可以是鎳基或鉆石基諧振器。
另外，為達(dá)到本發(fā)明的上述目的和其它目的，提供一種高Q值的彎曲式微機(jī)械諧振器裝置。該裝置包括底襯和具有至少一個彎曲節(jié)點的諧振器梁。該裝置還包括至少一個扭轉(zhuǎn)梁和至少一個剛性錨定件，前者用于在該至少一個彎曲節(jié)點支承諧振器梁，而后者用于將該至少一個扭轉(zhuǎn)梁錨定于底襯。該裝置還包括至少一個驅(qū)動電極，使得在將電信號加到該至少一個驅(qū)動電極時使諧振器梁振動。該至少一個扭轉(zhuǎn)梁的尺寸被定為可以實現(xiàn)一種阻抗變換，這種變換基本可使振蕩的諧振器梁與該至少一個剛性錨定器隔振。
為實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的和其它目的，還提供一種增加微機(jī)械諧振器操作頻率的方法。該微機(jī)械諧振器包括具有在一底襯上形成的基本諧振模式的諧振器梁。該方法包括以下步驟迫使諧振器梁的不同部分同時向相反方法運(yùn)動，從而使諧振器梁以m次諧振模式進(jìn)行振動，該m次諧振模式(的頻率)高于基本諧振模式(的頻率)。該諧振器梁具m+1個彎曲偏轉(zhuǎn)節(jié)點。
在本方法的第一實施例中，微機(jī)械諧振器包括許多沿諧振梁間隔開的驅(qū)動電極，使得可以靜電激發(fā)該諧振器梁。迫使該梁振動的步驟包括以下步驟將同相位的信號加到一個驅(qū)動電極上，使諧振器梁的第一部分向第一方向偏轉(zhuǎn)，而將不同相位的信號加在另一驅(qū)動電極上，使諧振梁的第二部分向相反于第一方向的第二方向偏轉(zhuǎn)，迫使諧振器梁達(dá)到正確的振動形式。
微機(jī)械諧振器可以包括m+1個扭轉(zhuǎn)梁、該梁的尺寸等于實際操作頻率的四分之一波長。在各個諧振器梁的節(jié)點上固定一個扭轉(zhuǎn)梁，使諧振器梁在橫向運(yùn)動或扭轉(zhuǎn)運(yùn)動上基本上不承受任何阻力。
在方法的第二實施例中，該微機(jī)械諧振器包括形成在底襯上的驅(qū)動電極，以便靜電激發(fā)諧振器梁。迫使該梁振動的步驟包括將信號加在驅(qū)動電極上的步驟。該諧振器梁和驅(qū)動電極之間形電容換能器間隙。該微機(jī)械諧振器還包括具有高度的m+1個間隔器，該間隔器位于m+l節(jié)點上，在諧振器梁和底襯之間延伸。該m+1個間隔器在將信號加到驅(qū)動電極期間迫使諧振器梁達(dá)到正確的振動模型。
在第二實施例中，微機(jī)械諧振器通常包括也形成在底襯上的用于檢測輸出電流的檢測電極。
在方法的第二實施例中，微機(jī)械諧振器還包括數(shù)目小m+1的扭轉(zhuǎn)梁。例如，微機(jī)械諧振器可以包括一根扭轉(zhuǎn)梁。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明實施本發(fā)明的最佳模式，從這些說明中可以明顯看到本發(fā)明的上述目的以及其它的目的、特征和優(yōu)點。
附圖簡要說明

圖1是本發(fā)明的具有非侵入支承構(gòu)件的自由-自由梁諧振器的示意透視圖，示出通常的偏壓電路、激發(fā)電極以及在積成片外邊的輸出檢測電路；圖2a是諧振器作成后沿圖1的2-2線截取的截面圖；圖2b是類似于圖2a的截面圖，但示出加上適當(dāng)DC偏壓值Vp之后的狀態(tài)；圖3是側(cè)視圖，示出處于靜態(tài)的具有一對節(jié)點的自由-自由梁，并用虛線表示以其基諧振動模式進(jìn)行的振動；圖4a是示意透視圖，示出側(cè)向錨定的四分之一波長的諧振器梁；圖4b是等效于圖4所示梁的聲網(wǎng)絡(luò)(acoustic network)示意圖，示出出口B接地時在出口A為零阻抗；圖5a是諧振器扭轉(zhuǎn)梁在制造期間沿圖1的5-5線截取的截面圖；圖5b類似于圖5a，還是在制造過程中的截面圖；圖6是曲線圖，示出本發(fā)明92.25MHz自由-自由梁諧振器的測量波譜。
圖7a是類似于圖3的附圖，其中梁具有三個節(jié)點，并用虛線示出以其二次諧振模式進(jìn)行的振動；圖7b是類似于圖3和7a的附圖，圖中梁具有四個節(jié)點，并用虛線示出其三次諧振模式的振動；圖8是諧振器的截面圖，示出用于激發(fā)諧振器的二次諧振模式的差動信號法(differential Signaling method)；圖9是二次諧振模式諧振器的頂部透視圖，該諧振器具有定位在各個節(jié)點的支承梁和一對電極；圖10是截面圖，示出諧振器和用于檢測諧振器梁二次諧振模式振動的檢測電路。
圖11是橫截面圖，示出諧振器以及檢測電路，該電路利用微凹部下降法檢測二次諧振模式的振動。
實施本發(fā)明的最佳模式下面參照附圖，圖1是示意透視圖，示出具有自由-自由梁和彎曲振動形式的微機(jī)械裝置或諧振器，總的用10表示。然而應(yīng)當(dāng)明白，在大多數(shù)實際應(yīng)用中不應(yīng)用1X緩沖器。
如圖1所示，裝置10包括自由-自由微機(jī)械彎曲梁，該梁總的用12表示，在其彎曲節(jié)點14由四個扭轉(zhuǎn)梁16支承，各個扭轉(zhuǎn)梁由剛性接觸錨定件18錨定在總的用19表示的底襯上，如圖5a～5b清楚示出的。底襯19最好包括如下所述的許多層。然而應(yīng)當(dāng)明白，可以用具有單一剛性錨定件的單一扭轉(zhuǎn)梁而不超出本發(fā)明。在這種情況下，該單一扭轉(zhuǎn)梁將在單一彎曲節(jié)點處支承彎曲梁。
驅(qū)動電極配置在自由-自由梁12的下面，以便通過加上的交流電壓Vi進(jìn)行靜電激發(fā)，并可以從加直流偏壓(通過Vp)的諧振器構(gòu)件22上直接檢測輸出電流。該裝置10的扭轉(zhuǎn)支承梁16具有關(guān)鍵性的四分之一波長長度，從而可實現(xiàn)使自由-自由梁12與剛性錨定器18隔開的阻力變換。自由-自由梁12受其支承件或梁16的阻力最好為零，因此可以進(jìn)行有效地操作，好像是懸浮的而沒有任何支承。結(jié)果，顯著地抑制了在先前固定-固定梁諧振器中見到的錨定損耗機(jī)制，從而顯著增加裝置的Q值。然而應(yīng)當(dāng)明白，可以應(yīng)用多個驅(qū)動電極來進(jìn)行推換激發(fā)。在這種情況下，還可應(yīng)用檢測電極、頻率調(diào)諧電極和檢測輸出的電極。
為額外增加輸出和Q值，和先有的固定-固定梁高頻裝置中的作法(這種作法很困難)不一樣，在此裝置中的換能電容器間隔的間距完全不由薄的保護(hù)氧化層決定。相反，電容器間隙24現(xiàn)在由通過定時蝕刻形成的間隔器或微凹部26來決定。如圖24所示，微凹部26的高度是使得當(dāng)充分大的DC偏壓Vp加在裝置電極20和諧振器梁之間時，該整個構(gòu)件便下降，靠在微凹部26上，該微凹部位于彎曲節(jié)點14上，因此基本上不影響諧振器的操作。間隔器26可以形成在諧振器梁12，或形成在底襯19上。
應(yīng)用微凹部確定電容器間隙間距24的優(yōu)點有兩點(1)可以應(yīng)用厚得多的保護(hù)氧化層間隔器，以減輕先有問題，因為在超薄保護(hù)層中有針孔而且不均勻；(2)較厚的保護(hù)氧化層比先有的較薄氧化層更容易除去，因此減小了要求的HF酸釋放蝕刻時間(如圖5b所示)以及減輕了在間隙24中保存蝕刻付產(chǎn)品的機(jī)會(其時它們可能影響振器操作和Q值)。然而應(yīng)當(dāng)明白，可以應(yīng)用單一的間隔器或微凹部以及大于兩個的間隔器。如下面更詳細(xì)說明的，一般對在高次諧振模式操作的裝置應(yīng)使用多個間隔器或微凹部。
自由-自由微諧振器設(shè)計本發(fā)明的自由-自由微機(jī)械諧振器10的正確設(shè)計不僅必然選擇產(chǎn)生預(yù)定頻率的幾何結(jié)構(gòu)，而且還需選擇這樣的幾何結(jié)構(gòu)，使得該幾何結(jié)構(gòu)能確保支承件隔振，確保微凹部下降和受牽引的穩(wěn)定性，以及抑制與更復(fù)雜支承網(wǎng)路相關(guān)的寄生振動模式。下面說明這些方面的各個方面。
諧振器梁設(shè)計對于大多數(shù)實際設(shè)計，諧振器梁寬度Wr取決于換能器和長寬比的設(shè)計數(shù)據(jù)，而其厚度主要由工藝條件決定。因此出于缺乏，長度Lr幾乎成為確定總諧振頻率的主要變量。對于很大的Lr/Wr比和Lr/h比，自由-自由梁的基諧振動頻率滿足流行的Euler-Bernoulli方程，即f0=12παkrimri=12παkmimri(1-⟨kekm⟩)1/2---(1)]]>式中kri和mri分別是在微諧振器梁12中點的有效剛度和質(zhì)量；α是考慮到梁構(gòu)形和錨定件18有限彈性的擬合參數(shù)，kmi是仍在梁12中點的微諧振器的機(jī)械剛度，但是在Vp＝0V特殊情況的機(jī)械剛性，此剛度由下式表示kmi=[1.03EρhLr2]2mri;----(2)]]>而<ke/kn>是一個參數(shù)，表示在電極寬度上積分的總的機(jī)械剛度和逆電容(electric stiffness)之比，該比滿足以下關(guān)系⟨kekm⟩=∫12(L1+wc)12(L1+Wc)vp2∈0Wrd3km(y1)dy1----(3)]]>式中ε0是真空電容率，d是微凹部下降后的電極-諧振器間隙間距。所有其它幾何變量示檢圖1，因此現(xiàn)在已明確地示出機(jī)械剛性km的位置依從關(guān)系。方程(1)是方便的精確形式的關(guān)系式，對于低頻設(shè)計可以很好地工作、其中梁的長度遠(yuǎn)大于其相應(yīng)的寬度和厚度。對于梁長度開始接近其寬度和厚度的高端VHF設(shè)計，Euler-Bernculli方程不再是準(zhǔn)確的，因為它忽視了剪切位移和轉(zhuǎn)動慣量。為得到高端VHF微機(jī)械諧振器的準(zhǔn)確的梁長度，由Timoshenko提出的方法更為合適，它涉及方程組的聯(lián)立解ddy(El,dψdy)+κAG(dzdyΨ)-Jrd2Ψdt2=0----(4)]]>md2zdt2-ddy[κAG(dzdyΨ)]-p(y,t)=0---(5)]]>其中Ir=Wrh312,G=E2(1+v),andJr=hWr(h2+Wr2)12,----(6)]]>而Ir是慣量矩，E是結(jié)構(gòu)材料的楊氏模量，v是泊松比，k是結(jié)構(gòu)因數(shù)(對于長方形橫截面k為2/3)，A、m和p(y，t)分別是梁的橫截面積、單位長度質(zhì)量和單位長度負(fù)載，φ是彎曲斜率，圖1示出軸的方向。
支承構(gòu)件設(shè)計如上所示，本自由-自由微機(jī)械諧振器裝置10由四個扭轉(zhuǎn)梁16支承，該扭轉(zhuǎn)梁固定于圖3所示的基諧振動模式的節(jié)點14上，該節(jié)點通過振動模式方程的計算確定Zmode(y)＝coshβy+cosβy-ζ[sinhβy+sinβy]，(7)其中ξ=coshβLr-cosβLrsinhβLr-sinβLrandβ4=ρAEIrω02,----(8)]]>而ω0是弧度諧振頻率，p是結(jié)構(gòu)材料的密度，對于基諧振動模式，βLr為4.73。
因為梁固定在節(jié)點14上，所以支承彈簧或梁(在理論上)在諧振器振動期間沒有受到任何平移移動，因此可以顯著降低由平移移動引起的支承損耗例如由固定-固定梁諧振器承受的損耗。另外，已判明，工作有關(guān)VHF頻率的支承扭轉(zhuǎn)梁16其作用實際上像聲傳輸線一樣，因此可以鍵性地選擇支承件尺寸，使它們實際上對自由-自由梁12不形成任何阻力，這樣也可以忽略不計扭轉(zhuǎn)損耗機(jī)制。具體是，選擇扭轉(zhuǎn)支承梁16的尺寸，使它們等于諧振器操作頻率的有效四分之一波長，這樣便可使支承梁16一側(cè)的牢固錨定條件變換到連接于諧振器梁12的另一側(cè)支承梁16的自由端條件。結(jié)果，諧振梁12看起來完全不受支承，好像懸浮在底襯19上操作，沒有錨定件和其有關(guān)的損耗機(jī)制。
采用扭轉(zhuǎn)梁16的等效聲學(xué)π網(wǎng)絡(luò)模型或許可以更容易看出上述變換。具體是，當(dāng)給定支承梁16的尺寸等于諧振操作頻率的有效四分之一波長時，其等效的聲學(xué)π網(wǎng)絡(luò)便取圖4b所示的形式，其中串聯(lián)和并聯(lián)臂的阻抗由相等而相反的剛度kb和-kb形成。假如在圖4a的B側(cè)錨定梁16對應(yīng)于圖4b的B口短路，則可以明顯看出，由于圖4b電路中保留的kb和-kb相消、在A口看到的阻抗將為零。
通過適當(dāng)?shù)穆晫W(xué)網(wǎng)絡(luò)分析，可以發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)梁的尺寸在滿足下式時等于操作頻率的四分之一波長Ls=14f0GγρJs,---(9)]]>其中下標(biāo)表示支承梁，而Js=hWs(h2+Ws212),]]>r是扭轉(zhuǎn)常數(shù)。
換能器設(shè)計向微機(jī)械諧振器10輸入電極或驅(qū)動電極20內(nèi)看見到的串聯(lián)動態(tài)電阻Rz(連同其它阻抗元件一道)的值在濾波器應(yīng)用和諧振器應(yīng)用兩種應(yīng)用中是最重要的。如同先有電容換能固定-固定梁微機(jī)械諧振器一樣，直接影響電極-諧振器疊加電容的參數(shù)例如We、Wr和d在直流偏壓Vp加到諧振器10時直接影響向輸入電極20內(nèi)看見到的阻抗。通過適當(dāng)阻抗分析，可得到控制這種電容轉(zhuǎn)能的自由-自由梁微機(jī)械諧振器的Rz的表達(dá)式Rz=VjIz[∫L1L2∫L1L2ω0QVp2(∈0Wr)2Zmode(y)d4km(y1)Zmode(y1)dy1dy]-1,----(10)]]>其中，對于定中電極20 L1＝0.5(Lr-We)和L2＝0.5(Lr+We)。
如上所述，在正常操作時，自由-自由梁諧振器10由于直流偏壓Vp加在諧振器10而被向下牽引到其支承微凹部26上。僅當(dāng)微凹部26是“向下”時，電極-諧振器間隙間距d才能小到足以提供適合大多數(shù)應(yīng)用的電機(jī)械結(jié)合。因此在設(shè)計裝置的輸入電極20時，不僅需要仔細(xì)考慮向電極20內(nèi)看見到的輸入阻抗，而且還需考慮將微凹部下降所需的Vp。該Vp電壓應(yīng)當(dāng)大到足以將諧振器梁12向下牽引到其微凹部26上，并小到足以避免在微凹部下降后向下牽引自由-自由梁12到電極20上。該DC偏壓Vp必須滿足以下關(guān)系Vc＞Vp＞Vd，(11)式中Vd是微凹部下降電壓，Vc是向下牽引諧振器電壓。
當(dāng)將諧振器10向下牽引到其微凹部26上時，因為支承梁16通常比自由-自由諧振器梁12柔順得多，所以諧振器梁12本身只發(fā)生極小的彎曲。這樣，阻止向下牽引的恢復(fù)力在整個電極20上是均勻的。微凹部下降電壓的表達(dá)式為Vd=827ksdini3∈0WrWe,whereks=EWs(hLs)3----(12)]]>式中ks支承梁16的剛度、dm是梁12下降到其微凹部26(即圖2b)之前的初始間隙(即圖2a)。
一當(dāng)微凹部26下降，通過諧振器梁12本身的彎曲便可得到諧振器梁12向電極20的進(jìn)一步運(yùn)動。電極20現(xiàn)在承受阻止向下牽引的分布剛度，必須在電極區(qū)域上積分該剛度，以便準(zhǔn)確預(yù)測突變的向下牽引諧振器的電壓。確定Vc的方法相當(dāng)于使方程(3)等于1，并對變量Vp求解。
該裝置的制造已采用上述方法設(shè)計若干自由-自由梁諧振器、該諧振器的頻率在30～90MHz，具有可變的初始間隙和微凹部深度。然后根據(jù)示于圖5a和5b的工藝流程采用五次掩模多晶硅表面微加工工藝進(jìn)行制造。表1根據(jù)圖1所示的參數(shù)和輪廓尺寸概要列出70MHz諧振器的設(shè)計數(shù)據(jù)。
制作順序是先形成隔振層30和32，方法是在<100>輕摻雜P型起始硅晶片34上分別連續(xù)生長和沉積2μm的熱氧化層和2000厚的LPCVD(低壓化學(xué)氣相沉積)Si3N4。隨后，在585℃下沉積3000的LPCVD多晶硅，并通過注入法摻磷，然后形成接地平面22和互連件的花樣。接著，沉積LPCVD犧牲氧化層38、沉積到由方程(12)確定的厚度。此后，應(yīng)用連續(xù)掩模操作形成微凹部和錨定件開口40(見圖5a)。為保證準(zhǔn)確的深度，用CF4準(zhǔn)確地控制反應(yīng)離子的腐蝕。另一方面，在緩沖的氫氟酸溶液(BHF)中簡單地蝕刻錨定件18。
表1Euler和Timoshenko的設(shè)計比較

隨后用LPCVD在585℃下沉積結(jié)構(gòu)多晶硅，并用離子注入法引入摻雜劑磷。然后用LPCVD在900℃下沉積2000厚的氧化物掩膜，并在1000℃溫度下使晶片退火1h，以釋放應(yīng)力和分散摻雜劑。然后分別用SF6/O2基和Cl2基的RIE蝕刻法形成氧化物掩膜花樣和結(jié)構(gòu)層花樣，接著在48.8％(重量)的HF溶液中進(jìn)行5min蝕刻使構(gòu)件12和16脫開。這種脫開蝕刻時間顯著小于先有固定-固定梁諧振器需要的時間(～1h)，這種長的蝕刻時間不利于微凹部活動的間隙間隔的形成，所以要求的犧牲氧化物層厚度在幾百埃的數(shù)量級。
在結(jié)構(gòu)脫開之后，蒸發(fā)鋁，通過發(fā)射在多晶硅互聯(lián)件形成花樣，以減小串聯(lián)電阻。
實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)明顯暗示，對于VHF頻率的具有高剛性的固定-固定梁諧振器其錨定損耗是主要的損耗機(jī)制，而應(yīng)用具有非侵入性支承件16的自由-自由梁諧振器10則可以大大減小這種損耗機(jī)制。
實驗數(shù)據(jù)還表明，固定-固定梁諧振器的Q值隨頻率從50～70MHz的增加而降低，而自由-自由梁諧振器其Q值在此范圍內(nèi)頗為恒定。
第一結(jié)論聯(lián)合應(yīng)用固定于節(jié)點14的四分之一波長扭轉(zhuǎn)梁16和電動的確定微凹部的電極-諧振器間隙24便可使本文公開的自由-自由梁微機(jī)械諧振器設(shè)計巧妙地除去錨定損耗和現(xiàn)時妨害固定-固定梁諧振器的工藝問題，進(jìn)行這種聯(lián)合可以將高Q值的微電-機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到VHF中間的區(qū)域，舍去足夠的Q值可擴(kuò)大到更高頻率。在很多蜂窩通信和無繩通信子系統(tǒng)中用的最流行中頻(IF)的頻率范圍內(nèi)，這種微機(jī)構(gòu)諧振設(shè)計所達(dá)到的Q值超過8000，同時可以保持必需的高剛性，以維持在振蕩器和濾波應(yīng)用兩種應(yīng)用中合適的動態(tài)范圍。
本文所說的VHF頻率決不代表微機(jī)械諧振器工藝的最高范圍。特別是，如果在整個設(shè)計的頻率范圍內(nèi)本設(shè)計的觀測的Q值似乎維持其高值，則Q值隨頻率的增加基本上或完全不下降。
下面說明增加上述自由-自由梁微機(jī)械諧振器設(shè)計的頻率的方法。具體是，為實現(xiàn)頻率的增加可以應(yīng)用兩種方法來激發(fā)更高次的諧振運(yùn)動。這些方法不限于自由-自由梁設(shè)計。事實上，它們可應(yīng)用于其它各種諧振器設(shè)計。
如上所述，自由-自由梁微機(jī)構(gòu)諧振器可以工作在如圖3所示的基諧振動模式。
對于工作在基諧振動模式的自由-自由梁諧振器增加頻率是很難的，因為這需要顯著減小幾何尺寸。然而通過激發(fā)諧振器梁的如圖7a和7b所示的更高次的諧振模式可以顯著增加頻率而不減小幾何尺寸。
在圖7a和7b中分別示出激發(fā)二次和三次諧振模式的原理圖?？梢郧宄闯觯瑢Ω鞣Nm次諧振模式有m+1個彎曲偏轉(zhuǎn)節(jié)點。表2示出對于固定幾何幾寸的一種諧振模式和高一次諧振模式的頻率增加系數(shù)。表中還示出100MHz基諧振動裝置的頻率增加。
表2作為諧振階次函數(shù)的頻率增加

激發(fā)這種高次諧振的一種方法是應(yīng)用差動信號法。如圖8所示，將同相信號加在引起梁向一個方向偏轉(zhuǎn)的電極50上，同時按照確定的振動模式將不同相的信號加在使梁向相反方向偏轉(zhuǎn)的電極51上。雖然圖8僅示出二次諧振激發(fā)的方法，但此法很容易推廣到高于基諧振動的振動模式。
為確保激發(fā)正確的振動模式，如圖9所示，在各個節(jié)點上配置至少一個四分之一波長支承梁54。該四分之一波長支承梁54被設(shè)計成對其彎曲梁56提供零扭轉(zhuǎn)振動阻力。然而支承梁54具有顯著的彎曲振動阻力。因此梁56不能偏轉(zhuǎn)形成任何其它振動模式。圖9是頂視示意圖，示出具有這種結(jié)構(gòu)的總的用編號58表示的二諧振裝置。
差動信號法的一個缺點是難于檢測偶次諧振的振動、其原理示于圖10。因為兩個電極均用于驅(qū)使梁56形成正確的振動形式，所以最方便的是從梁56的一側(cè)檢測信號，如圖10所示，其中電容C耦合梁56一側(cè)的信號，而電感L隔振偏壓Vp。然而對于偶次諧振形式設(shè)有信號射出梁56。這是由于這些諧振的振動形式的特性所致，這種振動形由于antimetric形狀而可以有效地消去梁56上的任何信號。但這一點對于具有對稱振動形式的奇數(shù)次諧振是不成立的。因此差動信號技術(shù)很適于這些振動。
可應(yīng)用另一種方法來克服上述問題。具體是，對于給定振動形式在梁的各個節(jié)點上形成小的微凹部或間隔器60。當(dāng)加上偏壓Vp時，梁62將壓靠在這些微凹部上，該微凹部形成“軟節(jié)點”，迫使梁62形成正確的振動形式。其原理基本上與在去它上彈固有泛音相同。這種方法稱為“微凹部下降法”，該法用圖11的裝置64例示出來。
對于各種諧振形式可以容易地進(jìn)行振動的檢測，因為不再需要兩個電極66和68來形成正確的振動形式。此時微凹部60可驅(qū)使梁62形成要求的振動形式，不需施加信號來形成振動形式。如圖11所示，可用一個電極68來驅(qū)動裝置64，而用另一電極66進(jìn)行檢測。
微凹下降法(dimple-down)還允許應(yīng)用更少的四分之一波長支承梁(未示出)，因為振動形式只由微凹部60單獨強(qiáng)制形成。事實上對裝置64可以應(yīng)用少至一個的支承梁。
由于有限的制造公差，四分之一波長梁可能呈現(xiàn)有限的能量損失，這減小了諧振器品質(zhì)因數(shù)。因此盡量減小這種損耗機(jī)制是最重要的。應(yīng)用上述微凹部下降法和單一支承梁(與多支承梁相對)可以盡量減這種耗損機(jī)制，因此提供了比上述差動信號法更好的操作性能。
第二結(jié)論已提供兩種技術(shù)或方法來增加頻率，方法是使自由-自由梁微機(jī)械諧振器以及其它諧振器工作在更高次的諧振形式。差動信號法最適合于奇數(shù)次諧振，而微凹部下降法可適用于任何振動形式。但是根據(jù)操作性能，微凹部下降法是最好的、因為這種方法只需要較少的四分之一波長梁、因而可盡量減小能耗。
雖然已例示和說明本發(fā)明實施例，但這不意味著這些實施例示出和說明了本發(fā)明的所有形式。相反，用在本說明中的詞是描述性的詞，并無限制性，應(yīng)當(dāng)明白，可以進(jìn)行各種改變而不超出本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種包含微機(jī)械諧振器的裝置，該諧振器具有操作頻率和在底襯上形成的諧振器梁，改進(jìn)包括非侵入式支承構(gòu)件錨定在底襯上，以便將諧振器梁支承在底襯的上面，該支承構(gòu)件包括至少一個扭轉(zhuǎn)梁，該梁的尺寸等于諧振器操作頻率的有效四分之一波長，其特征在于，在諧振器梁的至少一個彎曲節(jié)點上固定至少一個扭轉(zhuǎn)梁，使得該諧振梁在橫向運(yùn)動上基本上沒有阻力；而且該諧振器是高Q值諧振器。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括至少一個形成在底襯上的驅(qū)動電極，以便靜電激發(fā)諧振器梁，其特征在于，在諧振器梁和至少一個驅(qū)動電極之間限定電容換能器間隙。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括至少一個間隔器，該間隔器具有高度，在諧振器梁和底襯之間延伸，并定位于至少一個彎曲節(jié)點上，其特征在于，在向下牽引諧振器梁期間，間隙的尺寸取決于該至少一個間隔器的高度。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該諧振器是硅基諧振器。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該諧振器是鉆石基諧振器。
6.一種高Q值的彎曲振動的微機(jī)構(gòu)諧振器裝置，包括底襯；具有至少一個彎曲節(jié)點的諧振器梁；至少一個扭轉(zhuǎn)梁，用于在該至少一個彎曲節(jié)點支承該諧振器梁；至少一個剛性錨定件，用于將該至少一個扭轉(zhuǎn)梁錨定在底襯上；至少一個驅(qū)動電極，在該至少一個驅(qū)動電極上加上電信號時該電極可使諧振器梁發(fā)生振蕩，該至少一個扭轉(zhuǎn)梁的尺寸被定為可以實現(xiàn)無阻力變換，這種變換基本上使振蕩的諧振器梁與該至少一個剛性錨定件隔振。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括至少一個間隔器，該間隔器具有高度，在諧振器梁和底襯之間延伸，其特征在于諧振器梁和至少一個驅(qū)動電極形成電容換能器間隙；在向下牽引諧振器梁時，該間隙的尺寸取決于該至少一個間隔器的高度。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，諧振器是硅基諧振器。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，該裝置是鉆石基諧振器裝置。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括形成在底襯上的用于檢測輸出電流的檢測電極。
11.一種增加微機(jī)構(gòu)諧振器操作頻率的方法，該諧振器包括具有基諧振動模式的形成在底襯上的諧振器，該方法包括在同時驅(qū)動諧振器梁的不同部分向相反方向運(yùn)動，使得諧振器梁可以以比基諧振動高的m次諧振模式振動，其特征在于，該諧振器梁具有m+1個彎曲偏轉(zhuǎn)節(jié)點。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，微機(jī)械諧振器包括許多沿諧振器梁間隔開的驅(qū)動電極，以便靜電激發(fā)諧振器梁；驅(qū)使振蕩的步驟包括以下步驟將同相信號加在其中一個驅(qū)動電極上，使諧振器梁的第一部分向第一方向偏轉(zhuǎn)，而將不同相的信號加在其中另一電極上，使諧振器梁的第二部分向相反于第一方向的第二方向偏轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使諧振器梁形成正確的振動形式。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于微機(jī)械諧振器包括m+1個扭轉(zhuǎn)梁，該扭轉(zhuǎn)梁的尺寸等于操作頻率的有效四分之一波長；在諧振器梁的各個節(jié)點上固定一個扭轉(zhuǎn)梁，使得諧振器梁在橫向運(yùn)動或扭轉(zhuǎn)運(yùn)動上基本上沒有阻力。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于微機(jī)械諧振器包括形成在底襯上的驅(qū)動電極，以便靜電激發(fā)諧振器梁；驅(qū)使振蕩的步驟包括將信號加在驅(qū)動電極上的步驟，諧振器梁和驅(qū)動電極之間形成電容換能器間隙；微機(jī)械諧振器還包括m+1間隔器，該間隔器具有高度，在諧振器梁和底襯之間延伸，并配置在m+1個節(jié)點上；該m+1個間隔器在將信號加到驅(qū)動電極上時可驅(qū)使諧振器梁形成正確的振動形式。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，微機(jī)械諧振器包括形成在底襯上的用于檢測輸出電流的檢測電極。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于微機(jī)械諧振器包括低于m+1個扭轉(zhuǎn)梁，該扭轉(zhuǎn)梁的尺寸等于諧振器操作頻率的有效四分之一波長；扭轉(zhuǎn)梁固定在諧振器梁的節(jié)點上，使得諧振器梁在橫向運(yùn)動或扭轉(zhuǎn)運(yùn)動上基本上沒有阻力。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，微機(jī)構(gòu)諧振器包括單一扭轉(zhuǎn)梁。
全文摘要
用多晶硅表面微加工工藝制造一種彎曲振動的微機(jī)構(gòu)諧振器,該諧振器采用非侵入的支持構(gòu)件在30～90MHz的VHF頻率取得高達(dá)8400的Q值。本發(fā)明還公開一種增加諧振器以及其它類似微機(jī)構(gòu)諧振器操作頻率的方法。方法的一個實施例稱作差動信號法。方法的另一實施例稱作微凹部下降法。支承構(gòu)件包括形為梁的一個或多個扭轉(zhuǎn)式支承簧(16),這種梁由于四分之一波長阻力變換而可有效地使諧振器梁與其錨定件18隔振,可盡可能減小錨定損耗,并可使諧振器達(dá)到高的Q值,而且在VHF頻率范圍內(nèi)具有高度剛性。諧振器還包括一個或多個形成在彎曲諧振梁(12)或底襯上的形為微凹部的間隔器(26)。在操作時,微凹部(26)確定諧振器的電容換能器間隙。當(dāng)在驅(qū)動電極(20)和諧振梁(12)之間加上大的直流偏壓時,該微凹部(26)在彎曲諧振器梁(12)和驅(qū)動電極(20)之間形成預(yù)定的最小距離。
文檔編號H03H9/46GK1345480SQ00805024
公開日2002年4月17日 申請日期2000年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月14日
發(fā)明者C·T·C·恩古蕓, M·麥科克代爾, K·王 申請人:密執(zhí)安大學(xué)評議會