MEMS谐振器及其振臂组件的制作方法

mems谐振器及其振臂组件
技术领域
1.本技术涉及微机电系统的技术领域，特别是涉及一种mems谐振器及其振臂组件。


背景技术：

2.微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源、微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。
3.微机电系统(mems)器件目前正被开发用于各种各样的应用。这种器件的一个示例是mems谐振器，其可以用在电子设备的定时电路中。mems谐振器系统通常包括多个电极以驱动mems谐振器。当偏压施加到驱动电极时，电荷积聚在电极上，这在电极和积聚在mems谐振器上的相反电荷之间产生静电力。通过向驱动电极施加时变电压信号，通常与dc电压组合，可以产生时变静电力，其导致mems谐振器振荡。
4.由于mems谐振器还没有统一的微结构加工工艺，即使是针对同一类型的产品加工工艺流程和标准也各不相同，因此mems谐振器常因为加工偏差而导致谐振频率产生较大偏差。


技术实现要素：

5.本技术主要解决的技术问题是提供一种mems谐振器及其振臂组件，以解决现有技术中mems谐振器因加工偏差而导致谐振频率产生较大偏差的问题。
6.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：
7.提供一种mems谐振器振臂组件，其包括：
8.锚固件；
9.振臂，所述振臂于长度方向上间隔设置有固定端和自由端；所述固定端与所述锚固件连接，所述振臂被配置为靠近所述固定端的根部区域以及靠近所述自由端的头部区域，所述头部区域的质量大于所述根部区域的质量。
10.其中，所述振臂具有一宽度变化段，在至少部分所述宽度变化段内，所述振臂的宽度在从所述固定端到所述自由端的方向上逐渐增加。
11.其中，所述振臂的宽度逐渐增加部分的长度不小于所述振臂的总长度的十分之一。
12.其中，所述宽度变化段位于所述根部区域和所述头部区域内，或者所述宽度变化段仅位于所述头部区域内。
13.其中，所述宽度变化段呈楔形设置或盘形设置。
14.其中，所述振臂还具有一宽度恒定段，所述宽度恒定段位于所述宽度变化段朝向所述固定端的一侧，并与所述宽度变化段连接；在所述宽度恒定段内，所述振臂的宽度沿所述振臂的长度方向保持恒定。
15.其中，所述mems谐振器振臂组件还包括耦接梁，所述锚固件和所述振臂沿所述振臂的宽度方向间隔设置，所述固定端通过所述耦接梁与所述锚固件连接。
16.其中，所述振臂的数量为至少两个，所述至少两个振臂沿所述振臂的长度方向彼此连接，和/或沿所述振臂的宽度方向彼此间隔；其中，所述至少两个振臂与同一所述锚固件连接。
17.本技术另一方面提供了一种mems谐振器，其包括驱动电极、感应电极以及上述的mems谐振器振臂组件；其中，所述驱动电极与所述感应电极间隔对置，所述振臂位于所述驱动电极与所述感应电极之间。
18.其中，所述驱动电极与所述感应电极分别与所述振臂的表面间隙设置。
19.本技术的有益效果是：区别于现有技术，本技术通过将振臂沿所述振臂长度方向划分成靠近固定端的根部区域和靠近自由端的头部区域，使头部区域的质量大于根部区域的质量，从而利用这一质量分布特征降低了工艺偏差对谐振频率的影响。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本技术提供的第一实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
22.图2是本技术提供的第二实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
23.图3是本技术提供的第三实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
24.图4是本技术提供的第四实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
25.图5是本技术提供的第五实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
26.图6是本技术提供的第六实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
27.图7是本技术提供的第七实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
28.图8是本技术提供的第八实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
29.图9是本技术提供的第九实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；
30.图10是本技术提供的第十实施例中mems谐振器的结构示意图；
31.图11是本技术提供的第十一实施例中mems谐振器的结构示意图；
32.图12是本技术提供的第十二实施例中mems谐振器的结构示意图；
33.图13是本技术提供的第十三实施例中mems谐振器的结构示意图；
34.图14是本技术提供的第十四实施例中mems谐振器的结构示意图；
35.图15是本技术提供的第十五实施例中mems谐振器的结构示意图；
36.图16是本技术提供的第十六实施例中mems谐振器的结构示意图；
37.图17是本技术提供的第十七实施例中mems谐振器的结构示意图；
38.图18是本技术提供的第十八实施例中mems谐振器的结构示意图；
39.图19是本技术提供的mems谐振器振臂组件的工艺偏差与频率变化关系表。
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.本技术实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。本技术实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或组件。
42.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
43.请参阅图1，图1是本技术提供的第一实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图。本技术提供了一种mems谐振器振臂组件100，其包括锚固件110和振臂130。
44.在本实施例中，振臂130呈长条形设置，并具有沿振臂130长度方向间隔设置的固定端131和自由端132。固定端131与锚固件110连接，以形成一枢轴点133。振臂130能够绕枢轴点133摆动。mems谐振器振臂组件100通过锚固件110固定于衬底(图中未示)上。
45.振臂130被配置为靠近固定端131的根部区域134以及靠近自由端的头部区域135，其中，头部区域135的质量大于根部区域134的质量。
46.具体的，振臂130以振臂130的长度方向的中点为分界点划分成靠近固定端131的根部区域134以及靠近自由端132的头部区域135，并且头部区域135的质量大于根部区域134的质量。从而利用这一质量分布特征对由于工艺偏差非线性特性所引发的工艺偏差影响加以抵消，降低了工艺偏差对谐振频率的影响。
47.可选地，根部区域134和头部区域135沿振臂130长度方向的比例可以是1/6、1/5、1/4或1/3，在此不做具体限定。
48.可选地，根部区域134和头部区域135分别采用不同的材料，从而使得头部区域135的质量大于根部区域134的质量。
49.可选地，根部区域134和头部区域135分别具有不同的厚度，从而使得头部区域135的质量大于根部区域134的质量。
50.可选地，振臂130具有一宽度变化段136。在本实施例中，在至少部分所述宽度变化段136内，振臂130的宽度在从固定端131到自由端132的方向上逐渐增加，从而使得头部区域135的质量大于根部区域134的质量。
51.振臂130的宽度逐渐增加部分的长度不小于振臂130的总长度的十分之一。具体的，在制造振臂130的过程中，振臂130的宽度逐渐增加部分的长度可以为振臂130总长度的十分之一、八分之一、五分之一或三分之一，在此不做具体限定。
52.请参阅图1和图2，图2是本技术提供的第二实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图。mems谐振器振臂组件100中的振臂130的宽度变化段136位于根部区域134和头部区域135内，或者宽度变化段136仅位于头部区域135内。
53.具体的，在第一实施例中，宽度变化段136位于根部区域134和头部区域135内。宽度变化段136内的振臂130自根部区域134向头部区域135呈展开状。在平面投影状态下，宽度变化段136内的振臂130呈平面锥形。在宽度变化段136内，振臂130位于根部区域134靠近固定端131的一侧的宽度最小，振臂130位于头部区域135靠近自由端132的一侧的宽度最大。
54.具体的，在第二实施例中，宽度变化段136仅位于头部区域135。宽度变化段136内的振臂130呈“喇叭”形。在宽度变化段136内的振臂130相当于一配重块，以使得振臂130的头部区域135质量明显增加，进而使得振臂130的头部区域135质量大于根部区域134质量，从而利用这一质量分布特征降低工艺偏差对谐振频率的影响。
55.可选地，宽度变化段136呈楔形设置或盘形设置。请参阅图2和图3，图3是本技术提供的第三实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图。具体的，在第二实施例中，宽度变化段136内的振臂130呈“喇叭”形，也即呈楔形设置。在第三实施例中，宽度变化段136内的振臂130呈“圆盘”形，也即盘形设置。当宽度变化段136仅位于头部区域135时，通过将宽度变化段136呈楔形设置或盘形设置，使得振臂130的头部区域135相当于添加了一配重块，进而使得振臂130的头部区域135质量大于根部区域134质量，从而利用这一质量分布特征降低工艺偏差对谐振频率的影响。可选地，在其他实施例中，当宽度变化段136仅位于头部区域135时，宽度变化段136内的振臂130可以为其他任意不规则形状。
56.可选地，mems谐振器振臂组件100中的振臂130进一步具有一宽度恒定段137。在本实施例中，宽度恒定段137位于宽度变化段136朝向固定端131的一侧，并与宽度变化段136连接。在宽度恒定段137内，振臂130的宽度沿振臂130的长度方向保持恒定。在其他实施例中，宽度恒定段137和宽度变化段136可以交替设置，只要保证振臂130的头部区域135质量大于根部区域134质量。
57.可选地，在其他实施例中，可以不设置宽度恒定段137，振臂130整体处于宽度变化段136内。
58.可选地，在部分所述宽度变化段136内，振臂130的宽度在从固定端131到自由端132的方向上连续减少。振臂130的宽度连续减少部分的长度不大于振臂130的总长度的二分之一。具体的，在制造振臂130的过程中，振臂130的宽度连续减少部分的长度可以为振臂130总长度的二分之一、四分之一、八分之一或十分之一，在此不做具体限定。
59.请继续参阅图1，mems谐振器振臂组件100还包括但不限于耦接梁120。在本实施例中，锚固件110和振臂130沿所述振臂130的宽度方向间隔设置，固定端131通过耦接梁120与锚固件110连接。具体的，振臂130通过固定端131与耦接梁120的一端连接，锚固件110连接于耦接梁120的另一端，振臂130与锚固件110不接触。操作时，振臂130整体绕枢轴点133摆动。
60.请参阅图4至图6，图4是本技术提供的第四实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；图5是本技术提供的第五实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；图6是本技术提供的第六实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图。本技术提供一种mems谐振器振臂组件100，其mems谐振器振臂组件100包括至少两个振臂130。在本实施例中，所述至少两个振臂130沿振臂130的长度方向彼此连接，和/或沿振臂130的宽度方向彼此间隔，并与同一锚固件110连接。
61.具体的，两个振臂130分别为第一振臂1301和第二振臂1302。第一振臂1301的固定端131与耦接梁120的一端连接，第二振臂1302的固定端131与耦接梁120的另一端连接。锚固件110设置于第一振臂1301和第二振臂1302之间，且锚固件110与第一振臂1301和第二振臂1302均间隔设置。第一振臂1301、锚固件110以及第二振臂1302均位于耦接梁120的同一侧。操作时，第一振臂1301和第二振臂1302绕各自的枢轴点133同时朝靠近和远离锚固件110的方向进行摆动。
62.可选地，在其他实施例中，第一振臂1301和第二振臂1302绕各自的枢轴点133分别交叉向靠近和远离锚固件110的方向进行摆动。
63.可选地，在其他实施例中，第二振臂1302沿第一振臂1301的长度方向彼此连接。
64.可选地，振臂130、耦接梁120以及锚固件110一体成型结构。
65.请参阅图7至图9，图7是本技术提供的第七实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；图8是本技术提供的第八实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图；图9是本技术提供的第九实施例中mems谐振器振臂组件的结构示意图。
66.在这些实施例中，mems谐振器振臂组件100具有四个振臂130，这四个振臂130分别是第一振臂1301、第二振臂1302、第三振臂1303以及第四振臂1304。第一振臂1301的固定端131与耦接梁120的一端连接，第二振臂1302沿第一振臂1301的宽度方向彼此间隔设置。第二振臂1302的固定端131与耦接梁120的另一端连接，第一振臂1301和第二振臂1302设置于耦接梁120的第一表面121。第三振臂1303沿第一振臂1301的长度方向彼此相连，第四振臂1304沿第三振臂1303的宽度方向彼此间隔设置，第三振臂1303和第四振臂1304设置于耦接梁120的第二表面122。第一表面121和第二表面122相背设置。mems谐振器振臂组件100整体呈“h”形状。
67.操作时，第一振臂1301和第二振臂1302绕各自的枢轴点133同时朝靠近和远离锚固件110的方向进行摆动；第三振臂1303和第四振臂1304绕各自的枢轴点133同时朝靠近和远离锚固件110的方向进行摆动。
68.可选地，在其他实施例中，mems谐振器振臂组件100不止四个振臂130。可以根据实际情况进行设置振臂130的数量，在此不做具体限定。
69.请参阅图10至图12，图10是本技术提供的第十实施例中mems谐振器的结构示意图；图11是本技术提供的第十一实施例中mems谐振器的结构示意图；图12是本技术提供的第十二实施例中mems谐振器的结构示意图。
70.本技术还提供了一种mems谐振器10，其包括mems谐振器振臂组件100、驱动电极140和感应电极150。驱动电极140与感应电极150间隔对置，振臂130位于驱动电极140和感应电极150之间。优选地，驱动电极140和感应电极150分别与振臂130的表面间隙设置。
71.在本实施例中，驱动电极140沿振臂130的宽度方向位于振臂130的一侧，感应电极
150位于振臂130背离驱动电极140的一侧。
72.感应电极150与锚固件110沿振臂130的宽度方向位于振臂130的同一侧。当振臂130静止时，振臂130设置于驱动电极140和感应电极150之间。
73.具体的，驱动电极140和感应电极150分别具有与振臂130的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段。当振臂130的宽度变化段136为宽度持续增加时，驱动电极140和感应电极150各自的宽度变化段均持续减少所述振臂130的宽度变化段136持续增加的宽度的一半；当振臂130的宽度变化段136为宽度持续减少时，驱动电极140和感应电极150各自的宽度变化段均持续增加所述振臂130的宽度变化段136持续减少的宽度的一半。
74.使用过程中，向驱动电极140给电后，振臂130先朝向驱动电极140摆动。通过给定频率向驱动电极140施加时变信号，例如，在振臂130与驱动电极140之间施加dc和/或ac电压，使得振臂130以音叉方式振荡，进而使得感应电极150与振臂130之间的平均电容以基本恒定的频率变化。因此，感应电极150可以测量电容，然后可以使用所得信号来生成定时信号。
75.可选地，驱动电极140和感应电极150均具有锚点件160。在本实施例中，驱动电极140和感应电极150通过其各自的锚点件160固定到衬底上。
76.请参阅图13至图15，图13是本技术提供的第十三实施例中mems谐振器的结构示意图；图14是本技术提供的第十四实施例中mems谐振器的结构示意图；图15是本技术提供的第十五实施例中mems谐振器的结构示意图。
77.在这些实施例中，mems谐振器10包括第一驱动电极141和第二驱动电极142。其中，第一驱动电极141沿第一振臂1301的宽度方向位于第一振臂1301远离第二振臂1302的一侧；第二驱动电极142沿第二振臂1302的宽度方向位于第二振臂1302远离第一振臂1301的一侧；感应电极150位于第一振臂1301和第二振臂1302之间，且不与第一振臂1301、第二振臂1302以及锚固件110接触。
78.具体的，第一驱动电极141具有与第一振臂1301的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段，当第一振臂1301的宽度变化段136为宽度持续增加时，第一驱动电极141的宽度变化段持续减少所述第一振臂1301的宽度变化段136持续增加的宽度的一半；第二驱动电极142具有与第二振臂1302的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段，当第二振臂1302的宽度变化段136为宽度持续增加时，第二驱动电极142的宽度变化段持续减少所述第二振臂1302的宽度变化段136持续增加的宽度的一半；感应电极150具有与第一振臂1301的部分宽度变化段136和第二振臂1302的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段，当第一振臂1301的宽度变化段136和第二振臂1302的宽度变化段136均为宽度持续增加时，感应电极150的宽度变化段持续减少所述第一振臂1301的宽度变化段136持续增加的宽度的一半和所述第二振臂1302的宽度变化段136持续增加的宽度的一半的总和。
79.当在第一驱动电极141和第一振臂1301之间建立电压时，所产生的静电力导致第一振臂1301围绕枢轴点133朝向第一驱动电极141摆动，然后，再朝向感应电极150摆动。同样的，当在第二驱动电极142和第二振臂1302之间建立电压时，所产生的静电力导致第二振臂1302围绕枢轴点133朝向第二驱动电极142摆动，然后，再朝向感应电极150摆动。
80.请参阅图16至图18，图16是本技术提供的第十六实施例中mems谐振器的结构示意图；图17是本技术提供的第十七实施例中mems谐振器的结构示意图；图18是本技术提供的
第十八实施例中mems谐振器的结构示意图。
81.在这些实施例中，mems谐振器振臂组件100包括两个驱动电极140和两个感应电极150。其中，第一驱动电极141沿第一振臂1301的宽度方向位于第一振臂1301远离第二振臂1302的一侧，且第一驱动电极141的长度大于等于第一振臂1301和第三振臂1303的长度的总和；第二驱动电极142沿第二振臂1302的宽度方向位于第二振臂1302远离第一振臂1301的一侧，且第二驱动电极142的长度大于等于第二振臂1302和第四振臂1304的长度的总和。第一感应电极151位于第一振臂1301和第二振臂1302之间，且不与第一振臂1301、第二振臂1302以及锚固件110接触；第二感应电极152位于第三振臂1303和第四振臂1304之间，且不与第三振臂1303、第四振臂1304以及锚固件110接触。具体的，第一感应电极151位于耦接梁120的第一表面121的一侧，第二感应电极152位于耦接梁120的第二表面122的一侧。
82.可选地，第一驱动电极141的两端分别具有与第一振臂1301的部分宽度变化段136和第三振臂1303的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段；第二驱动电极142的两端分别具有与第二振臂1302的部分宽度变化段136和第四振臂1304的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段；第一感应电极151具有与第一振臂1301的部分宽度变化段136和第二振臂1302的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段；第二感应电极152具有与第三振臂1303的部分宽度变化段136和第四振臂1304的部分宽度变化段136相配合的宽度变化段。
83.请参阅图19，图19是本技术提供的mems谐振器振臂组件的工艺偏差与频率变化关系表。以工艺偏差0为比较基准，当工艺偏差在-0.5um至0.5um之间，上述的实施例一、四、七中频率变化幅度及频率变化率(百分比)均小于现有技术的频率变化。
84.例如，在工艺偏差为0时，现有技术的频率基准为525.2khz，当工艺偏差为0.5um时，现有技术频率基准升高至571.2khz，频率变化率约为8.7％；在工艺偏差为0时，实施例一的频率基准为521.8khz，当工艺偏差为0.5um时，实施例一频率基准升高至563.5khz，频率变化率约为7.9％；在工艺偏差为0时，实施例四的频率基准为524.6khz，当工艺偏差为0.5um时，实施例四频率基准升高至562.5khz，频率变化率约为7.2％；在工艺偏差为0时，实施例七的频率基准为525.1khz，当工艺偏差为0.5um时，实施例七频率基准升高至563.6khz，频率变化率约为7.3％。由此可见，实施例一、四、七中频率变化幅度及频率变化率(百分比)均小于现有技术的频率变化。
85.由于振臂130的整体质量非均匀分布，从而利用这一质量分布特征对由于工艺偏差非线性特性所引发的工艺偏差影响加以抵消，降低了工艺偏差对谐振频率的影响。
86.本技术通过将振臂130沿所述振臂130长度方向划分成靠近固定端131的根部区域134和靠近自由端132的头部区域135，使头部区域135的质量大于根部区域134的质量，从而利用这一质量分布特征降低了工艺偏差对谐振频率的影响。
87.以上所述仅为本技术的部分实施例，并非因此限制本技术的保护范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。