具有改进的电气特征的微机电谐振器的制作方法

本公开涉及被称为mems谐振器(“微机电结构”)的微机电谐振器，其具有改进的电气特征，特别是关于频率稳定性和外部干扰抑制。

背景技术

例如，mems谐振器可以有利地用于实时时钟(rtc)应用，其在下面的描述中在不失一般性的情况下被提及。

以已知的方式，rtc设备通常用作便携式和其它电子设备(诸如移动电话、摄像机或静物照相机、汽车设备、家用电器、数据采集终端、智能卡读卡器等)中的时钟，用于即使在有关的电子设备被关闭时，也可以(以年、月、日、小时、分和秒)对实时流逝进行计数。

为此目的，rtc设备通常包括具有适当的谐振结构(也简称为“谐振器”)的振荡器电路，该谐振结构能够生成例如等于32.768khz或其倍数的操作(或谐振)频率。处理电路耦合至振荡器电路，以用于基于该操作频率对时间流逝进行计数，并且适当的电源向设备供应电力。

尽管石英技术几十年来一直在频率生成领域(包括实时时钟应用)占据主导地位，但是硅基mems谐振器已经在最近被提出并且其正在变得越来越成功。

由于通过标准集成电路制造工艺生产mems谐振器的可能性以及以低成本在半导体材料的单个芯片中(以asic，即专用集成电路的形式)集成机械结构和对应的电子电路两者的可能性，因此使用mems谐振器的优点主要包括实质上抑制尺寸并且大大降低成本。mems谐振器通常更耐冲击和机械应力，并且与常规的基于石英的设计相比具有更低的功耗。

mems谐振器包括由微加工技术制成的微机械结构，这些微机械结构由于以适当的dc(连续)电偏置和ac(交变)致动信号的形式的外部激励而被引起以其自然谐振频率振动。这些微机械结构通常包括通过适当的机械紧固元件附接至基底的至少一个移动物体，该物体通过施加的偏置和致动信号而进行谐振。移动物体与耦合至其的固定电极结构一起形成电容器，并且移动物体的谐振振动引起该电容器的电容的变化，该变化被转换为期望的操作频率下的输出信号。

图1示意性地示出了被称为deft(双端音叉)类型的已知的mems谐振器结构，该已知的mems谐振器结构总体上由1所表示；该mems谐振器1例如在以下文献中被描述：“temperature-stabilizedsiliconresonatorforfrequencyreferences”，matthewa.hopcroft，博士论文，2007年9月，斯坦福大学。

mems谐振器1包括谐振移动结构2，谐振移动结构2的的主延伸部在由彼此正交的第一水平轴线x和第二水平轴线y形成的水平平面xy中，以及谐振移动结构2具有沿着正交于上述水平平面xy的垂直轴线z的可忽略的延伸部或者在任何情况下的小得多的延伸部。

在示例中，谐振移动结构2由沿着第二水平轴线y具有纵向主延伸部的彼此平行的第一臂(或“梁”)2a和第二臂(或“梁”)2b组成。

谐振移动结构2被定位成悬置在基底3上方并且平行于基底3的上表面。

第一臂2a和第二臂2b在它们的第一端处通过第一横向接合元件4a接合，并且在它们的第二端处通过第二横向接合元件4b接合，第一横向接合元件4a具有沿着第一水平轴线x的延伸部，该延伸部小于第一臂2a和第二臂2b的纵向延伸部，第二横向接合元件4b也具有沿着第一水平轴线x的延伸部。每个臂2a、2b因此形成在两端处被紧固的“夹紧-夹紧”系统。

谐振移动结构2在其本身内部形成窗口5，窗口5在水平平面xy内具有基本上矩形的形状。

谐振移动结构2通过单个附接件6附接至基底3，单个附接件6例如由沿着垂直轴线z延伸直到基底3的柱或柱状元件组成。特别地，第一横向接合元件4a通过连接元件7连接至上述附接件6。附接件6相对于谐振移动结构2居中地被定位并且被定位在窗口5外部。

mems谐振器1还包括在谐振移动结构2和窗口5外部的第一外电极8a和第二外电极8b，第一外电极8a和第二外电极8b被定位成相应地面对并且平行于谐振移动结构2的第一臂2a和第二臂2b(电极具有致动和检测功能的一种功能)；并且内电极9被定位在窗口5的内部，并且进而在谐振移动结构2的内部被定位成面对并且平行于谐振移动结构2的第一臂2a和第二臂2b(该电极具有致动和检测功能的一种功能，其不同于外电极8a、8b所具有的一种功能)。

第一外电极8a和第二外电极8b以及内电极9被附接至mems谐振器1的基底3，例如通过相应的附接件以固定的方式耦合至基底3的上表面，相应的附接件的每个例如被成形为半导体材料的柱状或柱、例如在水平平面xy中相对于它们的延伸部被定位在中心位置。

在使用中，在外电极8a、8b与谐振移动结构2之间(或者在内电极9与相同的谐振移动结构2之间)施加适当的致动电压通过沿着第一水平轴线x在相反的方向上屈曲对应的第一臂2a和第二臂2b以谐振频率引起变形移动(致动因此激励移动结构2的臂2a、2b的反相振动模式)。

朝向和远离检测电极(内电极9或外电极8a、8b，根据它们的功能)的随后移动引起电容性耦合的变化以及也在谐振频率处的相关联的电信号的生成，该电信号然后可以通过与mems谐振器1相关联的电子电路以适当的方式来检测和处理。

有利地，反相振荡条件的检测使得可以抵消由于作用在微机电结构上的干扰而导致的外部加速度的影响。

然而，本申请人已经发现，上述mems谐振器1在其电气性能方面并未被完全优化。

具体地，如图2中示意性地所示，图1的mems谐振器1具有较低的外部应力抑制，例如由于温度或湿度的变化导致的外部应力，这会引起mems谐振器1的基底3的变形或弯曲。

本申请人已经发现，这种特性是由于这样的事实，即固定或定子电极(也就是上述第一外电极8a和第二外电极8b以及内电极9)在距谐振移动结构2(其臂2a、2b形成mems谐振器1的移动或转子电极)的附接件6相当大的距离处被附接。

因此，基底3的变形，例如对应的上表面的弯曲(参见上述图2)可以引起在上述固定电极与移动电极之间静止的面对距离d(称为“间隙”)的可能相当大的变化，并且已知的是，谐振频率的值也取决于固定电极和移动电极之间的上述间隙的值。

本申请人还发现，图1的mems谐振器1具有未优化的品质因子q，由于朝向基底3存在能量耗散，导致了更高的电力消耗。

特别地，在谐振移动结构2的两个臂2a、2b直接耦合至的单个附接件6处，由谐振移动生成的弹性波存在朝向基底3的耗散。

因此，迄今为止提出的用于生产硅mems谐振器的解决方案未被证明完全令人满意。

技术实现要素：

本公开的实施例提供了具有改进的机械和电气特征的mems谐振器，特别是关于谐振频率的稳定性和对应的功耗。

附图说明

为了使得本公开更易于理解，现在将参考附图纯粹通过非限制性示例来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是已知类型的mems谐振器的俯视的示意图；

图2是在存在对应基底的变形的情况下的图1的mems谐振器的一部分的横截面的示意图；

图3是根据本解决方案的第一实施例的mems谐振器的俯视的示意图；

图4a是经受变形的图3的mems谐振器的一部分的立体视图；

图4b是图4a的mems谐振器的一部分的俯视图；

图5是图4b的mems谐振器的一部分的放大图，其中示出了作用力的方向；

图6a是根据本解决方案的另一实施例的mems谐振器的俯视的示意图；

图6b是图6a的mems谐振器的可能实现的俯视图；

图7a是根据本解决方案的另一实施例的mems谐振器的相互交叉电极的一部分的俯视的示意图；

图7b是图7a的mems谐振器的一部分的放大图；

图8是根据本解决方案的实施例的包含mems谐振器的电子设备的框图；以及

图9和10是根据本解决方案的变型实施例的mems谐振器的示意性俯视图。

具体实施方式

如图3所示，根据本解决方案的实施例，mems谐振器10包括谐振移动结构12，谐振移动结构12的主延伸部在由彼此正交的第一水平轴线x和第二水平轴线y形成的水平平面xy中，以及谐振移动结构12具有沿着正交于上述水平平面xy的垂直轴线z的较小延伸部。

在示例中，谐振移动结构12由第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b组成，彼此平行的第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b沿着第二水平轴线y具有纵向主延伸部。

谐振移动结构12被定位成悬置在mems谐振器10的基底13上方并且平行于基底13的上表面。

第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b在它们的第一端部处通过第一横向接合元件14a接合，并且在它们的第二端部处通过第二横向接合元件14b接合，第一横向接合元件14a具有沿着第一水平轴线x的延伸部，第二横向接合元件14b也具有沿着第一水平轴线x的延伸部。

谐振移动结构2由此在其自身内部形成在水平平面xy中具有基本上矩形形状的窗口15。特别地，结构的形状因子使得与第一水平轴线x相比，该窗口15沿着第二水平轴线y显著地被延长。挠曲臂12a、12b的长度例如是横向接合元件14a、14b的长度的三倍或四倍。

谐振移动结构12通过悬置结构16被悬置在基底13上方，悬置结构16包括居中地定位在窗口15中的悬置臂17，悬置臂17在本示例中沿着第二水平轴线y平行于第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b从第一横向接合元件14a的中心部分延伸到第二横向接合元件14b的对应的中心部分。

上述悬置臂17的中心部分的几何中心o对应于水平平面xy中的mems谐振器10的结构的几何中心。

悬置结构16还包括附接装置18，附接装置18由多个(大于或等于一个)附接件组成，附接件被布置在窗口15中并且与基底13成一体，悬置臂17一体地连接至这些附接件。悬置结构16还可以包括相应数目的连接元件19，连接元件19也被布置在窗口15中并且能够将悬置臂17一体地连接至附接装置18的附接件。

在上述图3所示的实施例中，上述附接装置18包括第一附接件18a、第二附接件18b、第三附接件18c和第四附接件18d，这些附接件例如由沿着垂直轴线z延伸以到达基底13的相应的柱或柱状元件组成。

在图3所示的实施例中，悬置结构16还包括第一t形连接元件19a和第二t形连接元件19b，每个具有柄部部分和头部部分，柄部部分沿着第一水平轴线x延伸、连接至悬置臂17的中心部分，头部部分沿着第二水平轴线y横向地延伸到柄部部分并且在相对的头端部处连接至相应的一对附接件的头部部分。

特别地，第一连接元件19a的头部部分连接至形成第一对附接件的第一附接件18a和第三附接件18c，并且第二连接元件19b的头部部分连接至形成附接装置18的第二对附接件的第二附接件18b和第四附接件18d。

第一连接元件19a和第二连接元件19b的上述柄部部分沿着水平平面xy中的mems谐振器10的第一对称轴线a平行于第一水平轴线x延伸，第一对称轴线a穿过几何中心o，并且第一连接元件19a和第二连接元件19b的上述头部部分平行于第二水平轴线y、平行于mems谐振器10的第二对称轴线b并且在距该第二对称轴线b相同距离处延伸，第二对称轴线b穿过几何中心o并且沿着第二水平轴线y行进。

因此，附件18a至18d被布置在上述第一对称轴线a和上述第二对称轴线b的相反侧上并且在距上述第一对称轴线a和上述第二对称轴线b相同距离处，同时在所示实施例中还关于几何中心o对称。

mems谐振器10还包括第一电极结构20，第一电极结构20在水平平面xy中电容性地耦合至谐振移动结构12，在所示实施例中，第一电极结构20包括第一外电极20a和第二外电极20b，第一外电极20a和第二外电极20b在谐振移动结构12和窗口15外部被布置成相应地面对并且平行于第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b。第二电极结构21也在水平平面xy中电容性地耦合至谐振移动结构12，在所示实施例中，第二电极结构21包括第一内电极21a和第二内电极21b，第一内电极21a和第二内电极21b在谐振移动结构12内部的窗口15内部被布置成相应地面对并且平行于第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b。

第一电极结构20实现电极致动和检测功能的一种功能。例如，第一外电极20a和第二外电极20b具有致动电极功能，并且第二电极结构21实现电极致动和检测功能的另一种功能。在示例中，第一内电极21a和第二内电极21b具有检测电极功能。

上述第一内电极21a和第二内电极21b在窗口15内部被定位在相应的第一挠曲臂12a或第二挠曲臂12b与第一对附接件18a、18c和第二对附接件18b、18d的相应的一对附接件之间。

第一外电极20a和第二外电极20b以及第一内电极21a和第二内电极21b被附接至mems谐振器10的基底13，例如通过相应的附接元件一体地耦合至基底13的上表面，相应的附接元件的每个例如被成形为柱状或柱、例如在水平平面xy中相对于它们的延伸部被定位在中心位置。

在图3中，上述外电极20a、20b和内电极21a、21b的附接元件相应地由20a'、20b'和21a'、21b'表示。这些附接元件的延伸部纯粹以示例的方式示出，并且尤其可以沿着第二水平轴线y更小。应当指出的是，这些附接元件沿着第一水平轴线x被定位成接近附接装置18、在距附接布置18一定距离处，该距离可以根据mems谐振器10的生产方法(通常为光刻工艺)适当地最小化。

有利的是，由于分离定子(固定)电极和转子(移动)电极的附接点的较小距离，定子电极和转子电极之间存在由外部干扰效应所引起的非常小的相对变形(诸如，由于例如焊接操作引起的温度变化、湿度变化、或弯曲或其它种类的变形)，从而导致mems谐振器10的更好的频率稳定性。

特别地，可以证明，在所述结构中，在存在上述外部干扰效应的情况下，谐振频率的值的变化仅有二阶效应。

在使用中，并且还如图4a和4b中所示，通过对应的第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b沿着第一水平轴线x(如箭头所示)在相反的方向上屈曲，在外电极20a、20b(或内电极21a、21b)与谐振移动结构12之间施加适当的偏置电压以谐振频率引起变形的反相的移动。特别地，挠曲臂12a、12b的变形在它们的中心部分处最大并且在由横向接合元件14a、14b接合的端部部分处最小。

第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b朝向和远离内电极21a、21b(或外电极20a、20b)的随后移动引起电容性耦合的变化以及也在谐振频率处的相关联的电信号的生成，该电信号然后可以通过与mems谐振器10相关联的电子电路(本文中未示出)以适当的方式来检测和处理。

在第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b的谐振移动期间，悬置结构16以及特别是对应的悬置臂17保持基本上不动并且与基底13成一体。

如图5详细所示，由于由悬置结构16提供的相对于基底13的对称紧固条件，沿着悬置臂17生成由于第一挠曲臂12a和第二挠曲臂12b的变形引起的平行于第二水平轴线y朝向几何中心o行进的相等且相反的力f。如图5中的箭头所示，这些力f沿着第一连接元件19a和第二连接元件19b朝向附接件18侧向地释放。

特别地，由于泊松比，悬置臂17的轴向收缩与上述第一连接元件19a和第二连接元件19b的柄部部分中的(沿着第一水平轴线x的)横向收缩相关联。然而，第一连接元件19a和第二连接元件19b的头部部分利用相应的柄部部分和相应的附接件18形成双杠杆(或双返回)系统，该系统使附接件18附近的模态位移最小化，从而减少了朝向附接件18的能量耗散。

换言之，所描述的解决方案使得能够将挠曲臂12a、12b的变形移动与朝向基底13的附接件18隔离，因此基底13被基本为零的力来作用，由此使能量损失最小化，导致了高品质因子q以及随之提高了在功耗方面的mems谐振器10的性能。

现在参考图6a(示出了示意图)和图6b(更详细地示出了可能的实现)，mems谐振器10的另一实施例提供了在每个臂的中心部分中相应地耦合至谐振移动结构12的第一臂12a和第二臂12b的滑动元件27a、27b的存在。

在一个实施例中(具体参见图6b)，上述滑动元件27a、27b的每个包括一对梁，平行于第二水平轴线y的这对梁具有面对相应的外电极20或内电极21(为了清楚起见，从图中省略)的一侧，每个梁连接至谐振移动结构12的第一臂12a或第二臂12b的对应的中心部分。

这些滑动元件27a、27b相对于谐振移动结构12的臂12a、12b的振荡振动模式基本上不可变形，因此使与外电极20和内电极21的电容性耦合最大化。

特别地，可以证明，上述滑动元件27a、27b的存在改进了mems谐振器10的电容性致动和读取，将电容性耦合的优质因子dc/dx增加了一倍，并且因此将功耗降低到四分之一。

在图7a和图7b所示的mems谐振器10的另一实施例中，第一电极结构20和/或第二电极结构21包括由相应的外电极20a、20b或内电极21a、21b承载的多个固定(或定子)电极部分28，其与由谐振移动结构12的臂12a、12b承载的相应的移动(或转子)电极部分29相互交叉。固定电极部分28和移动电极部分29被定位成沿着第一水平轴线x彼此平行。通过使用大量的“手指”，可以在定子电极与转子电极之间产生高电容性耦合。

如图7b中详细所示，根据这个实施例的特定方面，沿着第一水平轴线x在每个固定电极部分28或每个移动电极部分29与谐振移动结构12的相应臂12a、12b的面对部分或者相应外电极20或内电极21的面对部分之间的由g表示的分隔距离(间隙)基本上等于沿着第二水平轴线y在相互交叉的同一固定电极部分28和移动电极部分29之间的同样由g表示的间隙。

本申请人已经证明，与常规解决方案相比，定子和转子电极的这种相互交叉的配置使得致动的非线性减少多达30％，同时提供电容性耦合的高的优质因子dc/dx，从而随之降低了功耗。

换言之，所描述的解决方案结合了使用平行平板(或pp，用于“平行板”)电极的常规解决方案和使用相互交叉电极(或cf，用于“梳指式”)的常规解决方案的优点。

所描述的解决方案的优点从前面的描述中显而易见。

在任何情况下，必须再次指出的是，该解决方案使得可以获取改进的电气特征，特别是关于频率稳定性和功耗。

因此，例如在rtc应用中，mems谐振器10可以有利地代替振荡器电路中的常规的基于石英的谐振结构。

就此而言，图8示意性地示出了电子设备30，该电子设备30包括用于执行需要通过时钟信号ck进行定时的一个或多个应用的应用电路31以及用于将时钟信号ck提供给应用电路31的定时电路32。

定时电路32包括上面讨论的具有相关联的电子读取电路33的mems谐振器10，电子读取电路33可以有利地与mems谐振器10集成在半导体材料的同一裸片34中。

最后，显然，在不脱离本公开的保护范围的情况下，本文中描述和示出的解决方案可以进行修改和变化。

特别地，可以提供mems谐振器10的悬置结构16的变型实施例，其虽然不像上面例如在图3中所描述的解决方案那样被完全优化，但是仍然可以在对应的电气性能特性的至少一些特性的改进方面提供优于已知解决方案的优点。

就此而言，图9示出了第一变型实施例，其中附接装置18包括在窗口15内部被定位在mems谐振器10的几何中心o处的由18a所指示的单个附接件。在这种情况下，悬置臂17在中心部分中一体地耦合至该单个附接件18a(悬置结构16在这种情况下不包括连接元件19)。

如上所述，在这种情况下，由于定子电极和转子电极的附接件的紧密布置，mems谐振器10对外部干扰因素也是具有鲁棒性的。

尽管这个实施例更容易生产，但是由于单个附接件18a受到作用在悬置臂17上的轴向力，所以就朝向基底13的能量耗散而言，其并未完全优化。

图10所示的另一变型实施例通过提供定位在悬置臂17的相反侧上的一对附接件18a、18b的存在而至少部分地克服了这个问题，这对附件18a、18b关于第二对称轴线b对称并且沿着第一对称轴线a对准。在这种情况下，悬置臂17通过第一连接元件19a和第二连接元件19b耦合至附接件18a、18b，第一连接元件19a和第二连接元件19b在这种情况下沿着第一水平轴线x线性地延伸。

与参照前面的图9所讨论的变型一样，该解决方案具有使定子电极和转子电极彼此非常靠近地被附接的优点，从而使mems谐振器10的频率稳定性最大化。此外，该变型具有使附接件18a、18b从悬置臂17侧向地被移位的另外的优点。

在这种情况下，附接件18a、18b因此受到纯粹由与挠曲臂12a、12b的变形(由于泊松比)相关联的二阶效应所引起的沿着第一水平轴线x的压缩力。因此这种变型更具优势，因为它具有更高的品质因子q和更低的能量耗散。

还应当指出的是，挠曲臂12a、12b以及悬置臂17可以被制成穿通的而不是实心的形式，也就是说沿着它们的纵向延伸部具有多个通孔，例如以便允许通过化学蚀刻释放下面的牺牲层。

还应当注意，所描述的谐振结构可以有利地用在除了以上所参照的实时时钟应用以外的各种其它应用中，例如用在高频参考振荡器中。

上面描述的各种实施例可以被组合以提供另外的实施例。根据以上详细描述，可以对这些实施例做出这些和其它改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求所要求保护的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。