[发明专利]包含具有工作频率的微机械谐振器的装置及扩展该频率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含微机械谐振器的装置，具体涉及包含具有操作频率的微机械谐振器的装置以及扩展该操作频率的方法。

背景技术

贮能电路的机械振动元件例如晶体谐振器和SAW谐振器由于具有高的品质因素Q和极好的温度稳定性已广泛地应用于无线通信子系统中的频率选择和频率基准。然而这些装置体积大、一般要求精密的机加工，因而价格昂贵。最重要的是，这些机械元件由于是印刷电路片外边的元件，所以必须以插件模式连接于集成电子块，这样便造成外差式收发信机小型化和工作性能提高的严重瓶颈问题。

近来年，已利用与集成电路相容的多晶硅表面微机械工艺提出其性能类似于宏结构谐振器的微机械谐振器(在英语中可简写为μresonator)，这种多晶硅微谐振器在真空中其Q值超过80000，其中心频率温度系数在-10ppm/℃范围(比消零法小好几倍)内，这种多晶硅微谐振器可以很好地用作小型化替用品，取代各种高Q值振荡器和滤波应用中的晶体。到今天为止已例示说明频率从几千赫到几十万千替的具有高Q值的折叠梁微谐振器(folded-beamuresonator)。然而对于通信应用需要更高频率的谐振器，例如在甚高频范围的中频(IF)滤波器。

振动梁微机械谐振器可用多晶硅到电镀的镍等各种材料制作，近年来已成为在各种选择频率的通信行业中很有潜力的候选品。特别是，如果能得到需要的VHF(甚高频)和UHV(超高频)，则低损耗的IF(中频)和RF(射频)过滤器和高Q值振荡器二者一定会受益于这种装置的微小尺寸、实际的零DC功率损耗和整体性。

到现在为止，由于可以很简便地使这些装置具有很小的质量和很大的刚性，所以已深入地研究了用于VHF范围的固定-固定梁微机械谐振器。能够获得高的Q值和很大刚性对于通信级谐振器是极端重要的。因为刚性可以直接影响包含这种谐振器的电路的动态范围。然而，在固定-固定梁设计的情况下，较大的刚性通常以增大锚定损耗为代价，因而降低了谐振器Q值。

MacDonald等的美国专利No.5 640 133公开一种基于电容的可调谐微机械谐振器。该谐振器包括固定许多电极的活动梁。该谐振器还包括许多固定电极。在操作时，通过调节加在梁电极和固定电极的偏压便可调节谐振器的谐振频率。

Burns等的美国专利No.5 550 516公开一种积成的谐振微梁传感器和晶体管振荡器。该传感器和谐振器具有高的Q值，可利用各种电路、电极移动和微梁几何结构的各种形状来改变操作的谐振频率。

Albrecht等的美国专利No.5 399 232公开一种具有一体棱锥尖的微组构悬臂针，该棱锥针整体形成于悬臂上，限制该臂在锥尖方向的运动。

Griffin等的美国专利No.5 399 232公开一种Q值增大的谐振器，该谐振器利用谐振器的定位位置来提供要求的性能。为达到要求的损耗特性，这些谐振器分开一个四分之一波长距离。

Farace等的美国专利公开一种用硅晶片蚀刻的微机械电子振荡器。该专利讨论了使振荡器能按要求特性操作的结构和电路。

以下美国专利一般也和本发明相关，其专利号为：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。

发明公开

本发明的目的是提供一种包含微机械谐振器的装置，该谐振器具有高的品质因数Q，形成在底衬上，其中该装置具有目前商品收发信机的频率范围，本发明的目的是再提供一种增大谐振器操作频率的方法。

本发明的另一目的是提供一种包含微机构谐振器的装置，该谐振器具有高的品质因数Q，形成在底衬上，其中该装置保持先有谐振器基本的弯曲振动梁的设计，但关键地改变了其支承件，因而在本设计中实际上除掉了锚定件及其相关的损耗；已采用这种方法提供了一种自由-自由梁的微机构谐振器，该谐振器其中心频率从30MHz到90MHz以上，具有很大刚性，其Q值高达8400。