[发明专利]角耦接谐振器阵列

说明书

提供了在高频应用中具有改善的电气特性和减小的动态阻抗的MEMS谐振器阵列。MEMS谐振器阵列包括一对第一压电谐振器，所述一对第一压电谐振器彼此相对，所述一对第一压电谐振器之间限定有空间。此外，MEMS谐振器阵列包括一对第二压电谐振器，所述一对第二压电谐振器彼此相对并且分别耦接至第一压电谐振器中的每一个的相应角。照此，第二压电谐振器中的每一个被部分地设置在所述一对第一压电谐振器之间限定的空间中。

技术领域

本发明一般涉及MEMS谐振器阵列，更具体地，涉及具有角耦接以使高频应用中的动态阻抗最小化的MEMS谐振器阵列。

背景技术

微机电系统(“MEMS”)谐振器是以高频率振动的小型机电结构，并且通常用于定时参考、信号滤波、质量感测、生物感测、运动感测以及其他应用。MEMS谐振器被认为是石英定时装置的常用替代物，以提供准确的时间基准或频率基准。通常，石英谐振器具有高品质因数和压电耦合。高品质因数表示相对于所存储的谐振器能量而言能量损失率低，即，振荡消失得更慢。然而，石英谐振器的一个限制是难以以较小尺寸设计它们。

因此，MEMS谐振器已经用作被要求比可获得的石英谐振器更小的装置和应用的替代物。此外，为了使品质因数最大化，这种MEMS谐振器已被设计成在体模式下谐振，在体模式下，谐振器主要在面内变形而面外运动被最小化。特别地，期望避免谐振器的面外弯曲模式，原因是这些模式在高频下具有低品质因数。

此外，MEMS谐振器的谐振频率与谐振器宽度成反比关系。因此，为了增加谐振器的谐振频率，装置设计必须相应地减小谐振器的宽度和长度。然而，减小这种谐振器的尺寸也会导致更高的电阻抗，这是不期望的。

一些现有的谐振器设计试图通过提供并联的多个谐振器的阵列来降低电阻抗。例如，下面标识的非专利文献1展示了耦接的10.7MHz方形板谐振器阵列，其中，板进行面外振动并且用静电换能器对板进行致动。

图1示出了与非专利文献1中公开的设计类似的常规微机械谐振器阵列。如图1所示，谐振器阵列1包括多个谐振器板10A，所述多个谐振器板10A分别通过耦接梁20A和20B而被耦接。然而，对于这种设计，由于静电致动和面外弯曲模式，谐振器阵列1不能满足高于20MHz的频率，原因在于：对于大多数装置实现，动态阻抗将仍然是不可接受得高。

此外，下面标识的非专利文献2公开了另一常规设计，该常规设计引入了静电致动的谐振器阵列，其中谐振器与连接梁连接。因为静电致动使动态阻抗不可接受得高，因此非专利文献2中公开的设计也包括技术弱点。此外，耦接梁的振动导致了谐振响应中的许多寄生谐振(spurious resonance)。

为了将上述设计的一些弱点减到最少，通常使用基于光刻的制造工艺和晶片级加工技术由硅制成许多MEMS谐振器。然而，由于裸硅不是压电的并且纯硅谐振器具有高动态阻抗，已经发现在谐振器的顶部上添加压电材料例如氮化铝(AIN)薄膜层产生具有较低动态阻抗的谐振器。典型的压电MEMS谐振器在图2A和图2B中示出。

具体地，图2A示出了常规宽度伸缩谐振器10的顶视图。如所示的，谐振器10是具有横向长度L和宽度W的矩形形状(尽管已经使用其他形状)。此外，谐振器10在该谐振器的侧面上包括两个小的锚11A和11B以安装该谐振器。

图2B示出了常规谐振器10的横截面视图。通常，使用MEMS制造技术由硅制造谐振器10。在硅衬底12的顶部上，谐振器10具有夹在两个金属电极14A与14B之间的压电薄膜16以提供压电耦合。在示例性设计中，金属电极14A和14B通常是钼，但是也可以使用其他材料例如铂或铝。此外，压电膜16可以是氮化铝(AIN)或掺杂的氮化铝，但是也可以是PZT或氧化钛。