专利名称：用于超高频微机电谐振器的中心质量减小的微桥梁结构的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及微机电(MEM)结构，更具体地，本发明涉及MEM谐振器。
背景技术：
通信系统通常要求对电磁频谱进行区分。通信收发器因此必须能够具有高频选择性，即能够选择给定的频带而同时拒绝其他所有的频带。诸如滤波器、振荡器和混频器之类的频率选择器件因此是收发器中的某些最重要的部件，并且这些器件的质量通常决定了给定收发器的整体架构。
在无线通信设备(例如，射频(RF)设备和蜂窝通信设备)中，谐振器通常被用于信号的滤波和生成的目的。现今，经常用分立的晶体来制作谐振器。这样的片外谐振器通常在板级水平上被实现，并因此妨碍了便携式收发器的最大程度的小型化。
为了使便携式收发器小型化，举例来说，已经考虑了将微机电(MEM)谐振器用于通带滤波器和参考振荡器。但是，现存的MEM谐振器可能不能为无线通信应用提供足够高的适当的谐振频率。
通过下面详细的描述、所附的权利要求和附图，本发明的特征、方面和优点将变得更加清楚，其中图1A示出了具有矩形微桥梁的MEM谐振器的横截面侧视图。
图1B示出了图1A的MEM谐振器的顶视图。
图2A示出了根据本发明第一实施例的MEM谐振器的横截面侧视图。
图2B示出了图2A的MEM谐振器的顶视图。
图3A示出了根据本发明第二实施例的MEM谐振器的横截面侧视图。
图3B示出了图3A的MEM谐振器的顶视图。
图4A示出了根据本发明第三实施例的MEM谐振器的横截面侧视图。
图4B示出了图4A的MEM谐振器的顶视图。
图5A示出了根据本发明第四实施例的MEM谐振器的横截面侧视图。
图5B示出了图SA的MEM谐振器的顶视图。
图6A示出了根据本发明第五实施例的MEM谐振器的横截面侧视图。
图6B示出了图6A的MEM谐振器的顶视图。
图7A至图7D示出了中心部分宽度对谐振频率的影响。
具体实施例方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节，以便于充分理解本发明。但是，没有这些具体细节也可以实施本发明，这对于本领域的技术人员来说是很明显的。在另外一些例子里，没有详细地示出公知的电路、结构和技术，以避免使本发明模糊。
下面描述微机电(MEM)谐振器。在一个实施例中，谐振器包括微桥梁结构，所述微桥梁结构具有支撑部分和形成在支撑部分之间的水平梁。梁中心区域的质量小于梁靠近支撑部分的区域的质量。通过使梁的中心区域具有较小的质量，可以获得更高的谐振频率，而不用减小谐振器的尺寸(例如梁结构的长度和厚度)。
图1A和图1B描绘了具有矩形微桥梁部分102的MEM谐振器100。MEM谐振器包括微桥梁结构，所述微桥梁结构包含水平梁部分102和支撑部分112和114，所述支撑部分112和114被固定到衬底上，而所述谐振器被形成在所述衬底上。由侧向间隙电容换能器(频率激励源)引起谐振器100的振动。通过将电极140邻近水平梁部分102布置，并在此情况下在电极和梁之间留下一定的间隙来形成电容换能器。在所示的实施例中，电极104被布置在水平梁部分102的下方，以使该部分相对于它被形成于其上的衬底106进行垂直振动。
MEM谐振器实质上是具有分别对应于电极和梁的两个端子的两端子器件，其中，在除了谐振频率以外的其他所有频率下，所述两个端子之间的阻抗非常高。在谐振频率下，端子之间的电阻变得非常低。在用于滤波器的示例中，在谐振频率下，输入信号可以通过。
应该了解，谐振器(诸如谐振器100)的一个所期望的性能是限制谐振频率的能力，其中，对于所述谐振频率谐振器将进行振动并产生机械信号。在振荡器用作例如时钟电路的一部分的情况下，基于谐振器的振荡器以目标时钟频率振动是很重要的。在滤波器的情况下，可能希望谐振器以目标频率谐振并使输入信号通过，而在其他频率下不发生振动并从而拒绝其他的输入信号。
具有矩形梁的MEM谐振器的谐振频率除了其他的因素之外，还是水平梁部分的长度的函数。具有矩形梁的谐振器的谐振频率(F)可以如下被近似F=1.1tL2Eρ-------(1)]]>其中，t表示微桥梁的厚度；L表示微桥梁的长度；E表示梁材料的杨氏模量；以及ρ表示梁材料的密度。
在某些应用中，例如用于无线通信设备中的甚高频(VHF)或超高频(UHF)振动的MEM谐振器可能是所期望的。式(1)示出了谐振频率反比于微桥梁长度的平方。因此，缩短梁长度L可以有效地实现高速振荡。但是，谐振器必须被制造得极小，以获得例如超高频率(例如，大于200MHz)。举例来说，具有1GHz谐振频率的超高频率谐振器水平梁部分的长度将处于小于3微米(μm)的量级。为了产生5GHz，MEM谐振器水平梁部分的长度可能处在约0.2微米(μm)的数量级。
对于这些谐振器可以被制造到多小的一个限制是由现有的光刻技术来决定的。例如，利用目前的技术，可实现的最小尺寸可能是约0.2微米(例如，微桥梁的长度)。对于这些谐振器可以被制造到多小的另一个限制是由功率处理能力(power handling capacity)要求来决定的。在垂直振动结构中，功率处理能力与水平梁部分和位于下方的电极之间的重叠面积成比例。
所以，由于微桥梁长度的减小将对MEM谐振器的功率处理能力产生不利的影响，在为了进一步增大频率的努力中，例如通过减小谐振器微桥梁的长度来进行的谐振器的不断的小型化可能不是理想的。在现有的至少一部分MEM谐振器中，如果进一步减小梁的长度，则谐振器将不能为预期的应用提供适当的功率。
对于片上谐振器，可能希望增大谐振频率而不用减小微桥梁的长度。已经发现增大微桥梁结构的刚度质量比将增大MEM谐振器的谐振频率。还发现了微桥梁中心部分的质量对惯量贡献最大，而支撑结构附近的质量对有效弹簧常数贡献最大。因此，通过减小微桥中心部分的质量，可以有效地增大矩形梁MEM谐振器的刚度质量比。这意味着通过减小中心部分的质量而不用减小微桥梁的长度，可以获得更高的谐振频率。替换地或者另外地，通过增大有效弹簧常数，也可以获得更高的谐振频率。可以增大微桥梁结构的有效弹簧常数的一个途径是使邻近支撑部分的梁的区域更宽。
根据一个实施例的一个方面，通过减小微桥梁结构中心部分的质量或通过增大支撑部分附近的质量，或者两者都进行，可以增大谐振频率而不损害其功率处理能力。
图2A和图2B描绘了根据本发明的第一实施例的MEM谐振器200。MEM谐振器200包括形成在衬底206的一部分上的微桥梁结构。举例来说，衬底206是适于作为MEMS(微机电系统)应用的基底结构的半导体(例如，硅)衬底。应当了解，诸如玻璃(包括绝缘体上硅)和陶瓷衬底之类的其他衬底也可以是合适的。衬底206可以具有布置于其表面上的触点(焊盘、接头)，其中器件结构(例如电极)可以被形成在其上。在整个衬底的主体上还可以布置导电迹线，以将衬底上的触点彼此连接起来，或将衬底上的触点连接到另一衬底上。衬底206还可以具有在其上形成的一个或多个器件层，包括互连层。
在此实施例中，微桥梁202被构造成相对于衬底206进行垂直振动，其中，所述微桥梁202形成在所述衬底206上。可以由侧向间隙电容换能器(频率激励源)来引起微桥梁202的振动。在一个实施例中，通过将驱动电极204邻近微桥梁布置，并在此情况下在驱动电极和梁之间留下间隙，来形成电容换能器。
参照图2A和图2B，微桥梁结构包括与被布置在电极上方的水平梁部分202整体地形成的支撑部分212、214。在一个实施例中，通过一系列的沉积、刻蚀图案化和清除(release)工艺过程来形成微桥梁结构。微桥梁结构可以由多晶硅构成。但是，也可以使用其他合适的材料。就形成梁结构而言，举例来说，用于梁结构的材料可以在牺牲材料上方形成，随后所述牺牲材料可以被去除。
在示出的实施例中，通过缩窄微桥梁202的中心部分，获得高谐振频率。对于基本垂直振动模式(上下振动)，通过缩窄桥的中心部分可以增大刚度质量比。已经发现了中心部分的质量对贯量贡献最大，而支撑结构附近的截面对有效弹簧常数贡献最大。因此，通过缩窄梁中心部分和/或增大支撑部分附近的质量，可以增大微桥梁结构的刚度质量比。因此，如果梁被制造成矩形结构，则中心质量减小的梁具有更高的谐振频率。
如上所讨论的，在垂直振动结构中，功率处理能力与水平梁部分和位于下方的电极之间的重叠面积有关。因此，当梁中心附近的宽度被减小时，梁和电极之间的重叠面积也将减小。但是，这种重叠面积的减小可以通过增大支撑部分附近的梁的宽度来补偿，所以没有牺牲其功率处理能力。
图7A和图7D示出了中心部分宽度对谐振频率的影响。对于厚度为0.25微米(μm)和长度为1微米的微桥梁结构进行了计算。如图7A至图7D所示，随着中心宽度(W)减小，例如从1微米(图7D)减小到0.25微米(图7A)，谐振频率从1.22GHz增大到1.95GHz。微桥梁结构中心质量的减小量与谐振器中的谐振频率增大量成比例。因此，假定谐振器具有特定长度，通过适当地缩窄梁结构在其中心附近的宽度可以获得更高的谐振频率。
如上所讨论的，通过减小谐振器的长度也可以增大谐振频率。但是，长度的减小将对其功率处理能力产生负面影响。通过减小微桥梁结构的中心质量同时增大梁结构在支撑部分附近的宽度，谐振器可以被构造以获得更高得的谐振频率而不对其功率处理能力产生负面影响。
图3A和图3B描绘了根据第二实施例的MEM谐振器300。在该示出的实施例中，通过在梁302的中心部分形成一个或多个槽316、318来减小微桥梁结构的中心质量。虽然在所示的实施例中示出了两个槽，但是可以使用任何数量的槽(例如1、2、3等)。此外，槽的形状不限于矩形。槽可以在刻蚀图案化工艺过程中通过任何适当的光刻技术形成在水平梁部分302中。
图4A和图4B示出了减小微桥梁402中心附近的质量的另一种方法。在此实施例中，通过在梁的中心部分或者梁的中心部分的附近形成一个或多个孔416来减小中心质量。在一个实施例中，在中心处孔的密集度更大。
图5A和图5B描绘了根据第四实施例的MEM谐振器500。在该示出的实施例中，水平梁部分502水平振动，即平行于衬底振动，其中水平梁部分502被形成在所述衬底上。可以由侧向间隙电容换能器引起梁部分502的水平振动。通过邻近梁的部分502布置一对电极504A和504B，其中在电极和微桥梁之间留下间隙，这样来形成电容换能器。在一个实施例中，电极对以180度的相位差轮流吸引梁。此结构的一个优点是梁由两个电极而不是由一个电极激励，所以引起机械振动所需的电压更低。
在该示出的实施例中，通过缩窄微桥梁的中心部分来增大微桥梁结构的刚度质量比。已经发现了减小微桥梁结构中心处的质量也可以有效地增大水平振动谐振器中的谐振频率。
如图5B中所示的，电极504A和504B被成形为可以在电极504和微桥梁502的横向侧边之间提供均匀的间隙。在水平振动MEM谐振器的情况下，功率处理能力与梁和电极之间的间隙长度成比例。参照图5B可以看出，通过缩窄梁的中心部分并匹配电极的外形，实际增大了间隙的长度。这样，可以有利地获得更高的谐振频率而不会牺牲谐振器的任何功率处理能力。事实上，由于电极和梁之间的相关面积实际被增加这一事实，可以稍微增大谐振器的功率处理能力。
在图5A和图5B中示出的MEM谐振器500具有各种应用。例如，该谐振器可以用于通带微机械滤波器，所述滤波器可以以下面的方式工作。电极输入信号被施加在输入电极处，并通过电子机械换能器(例如，产生输入力的电场)被转换成输入力。电子机械换能器引起水平梁部分502在水平方向上的机械振动。机械振动包含机械信号。如果谐振器500的振动处在通带中，则使机械信号通过。如果输入谐振器的振动处在滤波器的通带范围之外，则机械信号被拒绝。在谐振器处被通过的机械信号在输出换能器被重新转换为输出电极处的电能，用于通过例如随后的收发器阶段进行处理。
在此实施例的一个方面，通过使电极的外形与微桥梁502的外形匹配，在梁502和电极504A及504B之间形成均匀的间隙。可以使用任何合适的技术形成所述均匀的间隙。在一起待决的2001年6月27日由QingMa等提交的标题为“Sacrificial layer technique to make gaps in MEMSapplications”的申请号09/894,334的美国申请中，描述了形成梁和电极之间的均匀间隙的示例性方法。
图6A和图6B描绘了根据第五实施例的MEM谐振器600。所示的该实施例示出了减小具有水平振动结构的梁部分602的中心质量的另一种方法。在所示的该实施例中，在微桥梁602的中心部分或者中心部分的附近形成一个或多个槽616以增大微桥梁结构的刚度质量比，以便可以获得更高的谐振频率。参照图6B可以看出，因为电极604A和604B与梁602之间的相关面积保持不变，所以此谐振器600的功率处理能力没有受到槽的明显影响。如上所指出的，谐振器600可以操作的功率量与电极604A和604B与微桥梁602之间的间隙长度以及梁的厚度相关。
在说明书中所示出和描述的实施例描绘了各种方法，利用所述方法可以减小微桥梁结构的中心质量，以增大谐振频率而不会明显影响其功率处理能力。但是，也可以使用其他合适的方法来减小梁结构中心附近的质量，而不用减小支撑部分附近的宽度。这些都被包括在本发明的范围和意图中。
虽然已经描述和示出了前面的实施例，但是应理解，本发明所属的领域的技术人员可以想到多种变化和修改，例如被暗示的以及其他在本发明的精神和范围之内的内容。本发明的范围因此将由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种微机电谐振器，包括衬底；耦合到所述衬底的微桥梁结构，所述微桥梁结构包括支撑部分和形成在所述支撑部分之间的梁，其中，所述梁的中心区域的质量小于所述梁邻近所述支撑部分的区域的质量；和邻近所述微桥梁结构布置的至少一个电极，以引起所述梁的振动。
2.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述中心质量减小的梁具有比如果所述梁被制造成矩形结构的情形更大的刚度质量比。
3.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述中心质量减小的梁提供比如果所述梁被制造成矩形结构的情形更高的谐振频率。
4.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述梁的所述中心区域比邻近所述支撑部分的所述区域窄。
5.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述微桥梁的所述中心区域包括至少一个在其中形成的槽。
6.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述微桥梁的所述中心区域包括至少一个在其中刻蚀出的孔。
7.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述至少一个电极被布置在所述梁的下方，以引起所述梁的垂直振动。
8.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述至少一个电极包含邻近所述梁布置的一对电极，以引起所述梁的水平振动，所述梁和所述电极被布置使得在每个电极和所述梁之间形成均匀的间隙。
9.一种方法，包括通过增大微桥梁的刚度质量比，增大谐振微桥梁的谐振频率，所述微桥梁被耦合到衬底上的至少一个支撑部分上。
10.如权利要求9所述的方法，其中，增大所述微桥梁的刚度质量比包括减小所述微桥梁中心部分处的质量。
11.如权利要求9所述的方法，其中，增大所述微桥梁的刚度质量比包括增大所述微桥梁的有效弹簧常数。
12.如权利要求9所述的方法，其中，增大所述微桥梁的刚度质量比包括缩窄所述微桥梁的中心部分。
13.如权利要求9所述的方法，其中，增大所述微桥梁的刚度质量比包括在所述微桥梁的中心区域中形成至少一个槽。
14.如权利要求9所述的方法，其中，增大所述微桥梁的刚度质量比包括在所述微桥梁的中心区域中刻蚀出至少一个孔。
15.一种装置，包括至少一个支撑结构；和微桥梁，所述微桥梁被耦合到所述至少一个支撑结构上，并相对于衬底可沿一轴线移动，其中，所述支撑结构被形成在所述衬底上，所述梁包括中心区域，所述中心区域与邻近所述至少一个支撑结构的区域相比具有相对较小的质量，以形成中心质量减小的梁，所述中心质量减小的梁与如果所述梁被制造成矩形结构的情形相比具有更高的刚度质量比。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述中心质量减小的梁提供比如果所述梁被制造成矩形结构的情形更高的谐振频率。
17.如权利要求15所述的装置，其中，所述梁与所述至少一个支撑结构整体地形成。
18.如权利要求15所述的装置，其中，所述微桥梁的所述中心区域比邻近所述至少一个支撑结构的所述区域窄。
19.如权利要求15所述的装置，其中，所述微桥梁的所述中心区域包括至少一个在其中形成的槽。
20.如权利要求15所述的装置，其中，所述微桥梁的所述中心区域包括至少一个在其中刻蚀出的孔。
21.如权利要求15所述的装置，其中，所述微桥梁被构造成相对于所述衬底上下移动。
22.如权利要求15所述的装置，其中，所述微桥梁被构造成相对于所述衬底水平移动。
全文摘要
本发明描述了一种微机电(MEM)谐振器，包括衬底、耦合到所述衬底的微桥梁结构以及至少一个电极，所述电极邻近所述微桥梁结构被布置，以引起所述梁的振动。所述微桥梁结构包括支撑部分和形成在所述支撑部分之间的梁。所述梁的中心区域的质量小于邻近所述支撑部分的所述梁的区域的质量。
文档编号H03H3/00GK1613180SQ02819241
公开日2005年5月4日 申请日期2002年9月27日 优先权日2001年9月28日
发明者鹏·程, 晴·马 申请人:英特尔公司