專利名稱：用于超高頻微機(jī)電諧振器的中心質(zhì)量減小的微橋梁結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及微機(jī)電(MEM)結(jié)構(gòu)，更具體地，本發(fā)明涉及MEM諧振器。
背景技術(shù)：
通信系統(tǒng)通常要求對電磁頻譜進(jìn)行區(qū)分。通信收發(fā)器因此必須能夠具有高頻選擇性，即能夠選擇給定的頻帶而同時拒絕其他所有的頻帶。諸如濾波器、振蕩器和混頻器之類的頻率選擇器件因此是收發(fā)器中的某些最重要的部件，并且這些器件的質(zhì)量通常決定了給定收發(fā)器的整體架構(gòu)。
在無線通信設(shè)備(例如，射頻(RF)設(shè)備和蜂窩通信設(shè)備)中，諧振器通常被用于信號的濾波和生成的目的?，F(xiàn)今，經(jīng)常用分立的晶體來制作諧振器。這樣的片外諧振器通常在板級水平上被實(shí)現(xiàn)，并因此妨礙了便攜式收發(fā)器的最大程度的小型化。
為了使便攜式收發(fā)器小型化，舉例來說，已經(jīng)考慮了將微機(jī)電(MEM)諧振器用于通帶濾波器和參考振蕩器。但是，現(xiàn)存的MEM諧振器可能不能為無線通信應(yīng)用提供足夠高的適當(dāng)?shù)闹C振頻率。


通過下面詳細(xì)的描述、所附的權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中圖1A示出了具有矩形微橋梁的MEM諧振器的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖1B示出了圖1A的MEM諧振器的頂視圖。
圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的MEM諧振器的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖2B示出了圖2A的MEM諧振器的頂視圖。
圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的MEM諧振器的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖3B示出了圖3A的MEM諧振器的頂視圖。
圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的MEM諧振器的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖4B示出了圖4A的MEM諧振器的頂視圖。
圖5A示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的MEM諧振器的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖5B示出了圖SA的MEM諧振器的頂視圖。
圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的MEM諧振器的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖6B示出了圖6A的MEM諧振器的頂視圖。
圖7A至圖7D示出了中心部分寬度對諧振頻率的影響。
具體實(shí)施例方式
在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)，以便于充分理解本發(fā)明。但是，沒有這些具體細(xì)節(jié)也可以實(shí)施本發(fā)明，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是很明顯的。在另外一些例子里，沒有詳細(xì)地示出公知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以避免使本發(fā)明模糊。
下面描述微機(jī)電(MEM)諧振器。在一個實(shí)施例中，諧振器包括微橋梁結(jié)構(gòu)，所述微橋梁結(jié)構(gòu)具有支撐部分和形成在支撐部分之間的水平梁。梁中心區(qū)域的質(zhì)量小于梁靠近支撐部分的區(qū)域的質(zhì)量。通過使梁的中心區(qū)域具有較小的質(zhì)量，可以獲得更高的諧振頻率，而不用減小諧振器的尺寸(例如梁結(jié)構(gòu)的長度和厚度)。
圖1A和圖1B描繪了具有矩形微橋梁部分102的MEM諧振器100。MEM諧振器包括微橋梁結(jié)構(gòu)，所述微橋梁結(jié)構(gòu)包含水平梁部分102和支撐部分112和114，所述支撐部分112和114被固定到襯底上，而所述諧振器被形成在所述襯底上。由側(cè)向間隙電容換能器(頻率激勵源)引起諧振器100的振動。通過將電極140鄰近水平梁部分102布置，并在此情況下在電極和梁之間留下一定的間隙來形成電容換能器。在所示的實(shí)施例中，電極104被布置在水平梁部分102的下方，以使該部分相對于它被形成于其上的襯底106進(jìn)行垂直振動。
MEM諧振器實(shí)質(zhì)上是具有分別對應(yīng)于電極和梁的兩個端子的兩端子器件，其中，在除了諧振頻率以外的其他所有頻率下，所述兩個端子之間的阻抗非常高。在諧振頻率下，端子之間的電阻變得非常低。在用于濾波器的示例中，在諧振頻率下，輸入信號可以通過。
應(yīng)該了解，諧振器(諸如諧振器100)的一個所期望的性能是限制諧振頻率的能力，其中，對于所述諧振頻率諧振器將進(jìn)行振動并產(chǎn)生機(jī)械信號。在振蕩器用作例如時鐘電路的一部分的情況下，基于諧振器的振蕩器以目標(biāo)時鐘頻率振動是很重要的。在濾波器的情況下，可能希望諧振器以目標(biāo)頻率諧振并使輸入信號通過，而在其他頻率下不發(fā)生振動并從而拒絕其他的輸入信號。
具有矩形梁的MEM諧振器的諧振頻率除了其他的因素之外，還是水平梁部分的長度的函數(shù)。具有矩形梁的諧振器的諧振頻率(F)可以如下被近似F=1.1tL2Eρ-------(1)]]>其中，t表示微橋梁的厚度；L表示微橋梁的長度；E表示梁材料的楊氏模量；以及ρ表示梁材料的密度。
在某些應(yīng)用中，例如用于無線通信設(shè)備中的甚高頻(VHF)或超高頻(UHF)振動的MEM諧振器可能是所期望的。式(1)示出了諧振頻率反比于微橋梁長度的平方。因此，縮短梁長度L可以有效地實(shí)現(xiàn)高速振蕩。但是，諧振器必須被制造得極小，以獲得例如超高頻率(例如，大于200MHz)。舉例來說，具有1GHz諧振頻率的超高頻率諧振器水平梁部分的長度將處于小于3微米(μm)的量級。為了產(chǎn)生5GHz，MEM諧振器水平梁部分的長度可能處在約0.2微米(μm)的數(shù)量級。
對于這些諧振器可以被制造到多小的一個限制是由現(xiàn)有的光刻技術(shù)來決定的。例如，利用目前的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)的最小尺寸可能是約0.2微米(例如，微橋梁的長度)。對于這些諧振器可以被制造到多小的另一個限制是由功率處理能力(power handling capacity)要求來決定的。在垂直振動結(jié)構(gòu)中，功率處理能力與水平梁部分和位于下方的電極之間的重疊面積成比例。
所以，由于微橋梁長度的減小將對MEM諧振器的功率處理能力產(chǎn)生不利的影響，在為了進(jìn)一步增大頻率的努力中，例如通過減小諧振器微橋梁的長度來進(jìn)行的諧振器的不斷的小型化可能不是理想的。在現(xiàn)有的至少一部分MEM諧振器中，如果進(jìn)一步減小梁的長度，則諧振器將不能為預(yù)期的應(yīng)用提供適當(dāng)?shù)墓β省?br> 對于片上諧振器，可能希望增大諧振頻率而不用減小微橋梁的長度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)增大微橋梁結(jié)構(gòu)的剛度質(zhì)量比將增大MEM諧振器的諧振頻率。還發(fā)現(xiàn)了微橋梁中心部分的質(zhì)量對慣量貢獻(xiàn)最大，而支撐結(jié)構(gòu)附近的質(zhì)量對有效彈簧常數(shù)貢獻(xiàn)最大。因此，通過減小微橋中心部分的質(zhì)量，可以有效地增大矩形梁MEM諧振器的剛度質(zhì)量比。這意味著通過減小中心部分的質(zhì)量而不用減小微橋梁的長度，可以獲得更高的諧振頻率。替換地或者另外地，通過增大有效彈簧常數(shù)，也可以獲得更高的諧振頻率?？梢栽龃笪蛄航Y(jié)構(gòu)的有效彈簧常數(shù)的一個途徑是使鄰近支撐部分的梁的區(qū)域更寬。
根據(jù)一個實(shí)施例的一個方面，通過減小微橋梁結(jié)構(gòu)中心部分的質(zhì)量或通過增大支撐部分附近的質(zhì)量，或者兩者都進(jìn)行，可以增大諧振頻率而不損害其功率處理能力。
圖2A和圖2B描繪了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的MEM諧振器200。MEM諧振器200包括形成在襯底206的一部分上的微橋梁結(jié)構(gòu)。舉例來說，襯底206是適于作為MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))應(yīng)用的基底結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體(例如，硅)襯底。應(yīng)當(dāng)了解，諸如玻璃(包括絕緣體上硅)和陶瓷襯底之類的其他襯底也可以是合適的。襯底206可以具有布置于其表面上的觸點(diǎn)(焊盤、接頭)，其中器件結(jié)構(gòu)(例如電極)可以被形成在其上。在整個襯底的主體上還可以布置導(dǎo)電跡線，以將襯底上的觸點(diǎn)彼此連接起來，或?qū)⒁r底上的觸點(diǎn)連接到另一襯底上。襯底206還可以具有在其上形成的一個或多個器件層，包括互連層。
在此實(shí)施例中，微橋梁202被構(gòu)造成相對于襯底206進(jìn)行垂直振動，其中，所述微橋梁202形成在所述襯底206上?？梢杂蓚?cè)向間隙電容換能器(頻率激勵源)來引起微橋梁202的振動。在一個實(shí)施例中，通過將驅(qū)動電極204鄰近微橋梁布置，并在此情況下在驅(qū)動電極和梁之間留下間隙，來形成電容換能器。
參照圖2A和圖2B，微橋梁結(jié)構(gòu)包括與被布置在電極上方的水平梁部分202整體地形成的支撐部分212、214。在一個實(shí)施例中，通過一系列的沉積、刻蝕圖案化和清除(release)工藝過程來形成微橋梁結(jié)構(gòu)。微橋梁結(jié)構(gòu)可以由多晶硅構(gòu)成。但是，也可以使用其他合適的材料。就形成梁結(jié)構(gòu)而言，舉例來說，用于梁結(jié)構(gòu)的材料可以在犧牲材料上方形成，隨后所述犧牲材料可以被去除。
在示出的實(shí)施例中，通過縮窄微橋梁202的中心部分，獲得高諧振頻率。對于基本垂直振動模式(上下振動)，通過縮窄橋的中心部分可以增大剛度質(zhì)量比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了中心部分的質(zhì)量對貫量貢獻(xiàn)最大，而支撐結(jié)構(gòu)附近的截面對有效彈簧常數(shù)貢獻(xiàn)最大。因此，通過縮窄梁中心部分和/或增大支撐部分附近的質(zhì)量，可以增大微橋梁結(jié)構(gòu)的剛度質(zhì)量比。因此，如果梁被制造成矩形結(jié)構(gòu)，則中心質(zhì)量減小的梁具有更高的諧振頻率。
如上所討論的，在垂直振動結(jié)構(gòu)中，功率處理能力與水平梁部分和位于下方的電極之間的重疊面積有關(guān)。因此，當(dāng)梁中心附近的寬度被減小時，梁和電極之間的重疊面積也將減小。但是，這種重疊面積的減小可以通過增大支撐部分附近的梁的寬度來補(bǔ)償，所以沒有犧牲其功率處理能力。
圖7A和圖7D示出了中心部分寬度對諧振頻率的影響。對于厚度為0.25微米(μm)和長度為1微米的微橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算。如圖7A至圖7D所示，隨著中心寬度(W)減小，例如從1微米(圖7D)減小到0.25微米(圖7A)，諧振頻率從1.22GHz增大到1.95GHz。微橋梁結(jié)構(gòu)中心質(zhì)量的減小量與諧振器中的諧振頻率增大量成比例。因此，假定諧振器具有特定長度，通過適當(dāng)?shù)乜s窄梁結(jié)構(gòu)在其中心附近的寬度可以獲得更高的諧振頻率。
如上所討論的，通過減小諧振器的長度也可以增大諧振頻率。但是，長度的減小將對其功率處理能力產(chǎn)生負(fù)面影響。通過減小微橋梁結(jié)構(gòu)的中心質(zhì)量同時增大梁結(jié)構(gòu)在支撐部分附近的寬度，諧振器可以被構(gòu)造以獲得更高得的諧振頻率而不對其功率處理能力產(chǎn)生負(fù)面影響。
圖3A和圖3B描繪了根據(jù)第二實(shí)施例的MEM諧振器300。在該示出的實(shí)施例中，通過在梁302的中心部分形成一個或多個槽316、318來減小微橋梁結(jié)構(gòu)的中心質(zhì)量。雖然在所示的實(shí)施例中示出了兩個槽，但是可以使用任何數(shù)量的槽(例如1、2、3等)。此外，槽的形狀不限于矩形。槽可以在刻蝕圖案化工藝過程中通過任何適當(dāng)?shù)墓饪碳夹g(shù)形成在水平梁部分302中。
圖4A和圖4B示出了減小微橋梁402中心附近的質(zhì)量的另一種方法。在此實(shí)施例中，通過在梁的中心部分或者梁的中心部分的附近形成一個或多個孔416來減小中心質(zhì)量。在一個實(shí)施例中，在中心處孔的密集度更大。
圖5A和圖5B描繪了根據(jù)第四實(shí)施例的MEM諧振器500。在該示出的實(shí)施例中，水平梁部分502水平振動，即平行于襯底振動，其中水平梁部分502被形成在所述襯底上?？梢杂蓚?cè)向間隙電容換能器引起梁部分502的水平振動。通過鄰近梁的部分502布置一對電極504A和504B，其中在電極和微橋梁之間留下間隙，這樣來形成電容換能器。在一個實(shí)施例中，電極對以180度的相位差輪流吸引梁。此結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點(diǎn)是梁由兩個電極而不是由一個電極激勵，所以引起機(jī)械振動所需的電壓更低。
在該示出的實(shí)施例中，通過縮窄微橋梁的中心部分來增大微橋梁結(jié)構(gòu)的剛度質(zhì)量比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了減小微橋梁結(jié)構(gòu)中心處的質(zhì)量也可以有效地增大水平振動諧振器中的諧振頻率。
如圖5B中所示的，電極504A和504B被成形為可以在電極504和微橋梁502的橫向側(cè)邊之間提供均勻的間隙。在水平振動MEM諧振器的情況下，功率處理能力與梁和電極之間的間隙長度成比例。參照圖5B可以看出，通過縮窄梁的中心部分并匹配電極的外形，實(shí)際增大了間隙的長度。這樣，可以有利地獲得更高的諧振頻率而不會犧牲諧振器的任何功率處理能力。事實(shí)上，由于電極和梁之間的相關(guān)面積實(shí)際被增加這一事實(shí)，可以稍微增大諧振器的功率處理能力。
在圖5A和圖5B中示出的MEM諧振器500具有各種應(yīng)用。例如，該諧振器可以用于通帶微機(jī)械濾波器，所述濾波器可以以下面的方式工作。電極輸入信號被施加在輸入電極處，并通過電子機(jī)械換能器(例如，產(chǎn)生輸入力的電場)被轉(zhuǎn)換成輸入力。電子機(jī)械換能器引起水平梁部分502在水平方向上的機(jī)械振動。機(jī)械振動包含機(jī)械信號。如果諧振器500的振動處在通帶中，則使機(jī)械信號通過。如果輸入諧振器的振動處在濾波器的通帶范圍之外，則機(jī)械信號被拒絕。在諧振器處被通過的機(jī)械信號在輸出換能器被重新轉(zhuǎn)換為輸出電極處的電能，用于通過例如隨后的收發(fā)器階段進(jìn)行處理。
在此實(shí)施例的一個方面，通過使電極的外形與微橋梁502的外形匹配，在梁502和電極504A及504B之間形成均勻的間隙。可以使用任何合適的技術(shù)形成所述均勻的間隙。在一起待決的2001年6月27日由QingMa等提交的標(biāo)題為“Sacrificial layer technique to make gaps in MEMSapplications”的申請?zhí)?9/894,334的美國申請中，描述了形成梁和電極之間的均勻間隙的示例性方法。
圖6A和圖6B描繪了根據(jù)第五實(shí)施例的MEM諧振器600。所示的該實(shí)施例示出了減小具有水平振動結(jié)構(gòu)的梁部分602的中心質(zhì)量的另一種方法。在所示的該實(shí)施例中，在微橋梁602的中心部分或者中心部分的附近形成一個或多個槽616以增大微橋梁結(jié)構(gòu)的剛度質(zhì)量比，以便可以獲得更高的諧振頻率。參照圖6B可以看出，因?yàn)殡姌O604A和604B與梁602之間的相關(guān)面積保持不變，所以此諧振器600的功率處理能力沒有受到槽的明顯影響。如上所指出的，諧振器600可以操作的功率量與電極604A和604B與微橋梁602之間的間隙長度以及梁的厚度相關(guān)。
在說明書中所示出和描述的實(shí)施例描繪了各種方法，利用所述方法可以減小微橋梁結(jié)構(gòu)的中心質(zhì)量，以增大諧振頻率而不會明顯影響其功率處理能力。但是，也可以使用其他合適的方法來減小梁結(jié)構(gòu)中心附近的質(zhì)量，而不用減小支撐部分附近的寬度。這些都被包括在本發(fā)明的范圍和意圖中。
雖然已經(jīng)描述和示出了前面的實(shí)施例，但是應(yīng)理解，本發(fā)明所屬的領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到多種變化和修改，例如被暗示的以及其他在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的內(nèi)容。本發(fā)明的范圍因此將由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電諧振器，包括襯底；耦合到所述襯底的微橋梁結(jié)構(gòu)，所述微橋梁結(jié)構(gòu)包括支撐部分和形成在所述支撐部分之間的梁，其中，所述梁的中心區(qū)域的質(zhì)量小于所述梁鄰近所述支撐部分的區(qū)域的質(zhì)量；和鄰近所述微橋梁結(jié)構(gòu)布置的至少一個電極，以引起所述梁的振動。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述中心質(zhì)量減小的梁具有比如果所述梁被制造成矩形結(jié)構(gòu)的情形更大的剛度質(zhì)量比。
3.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述中心質(zhì)量減小的梁提供比如果所述梁被制造成矩形結(jié)構(gòu)的情形更高的諧振頻率。
4.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述梁的所述中心區(qū)域比鄰近所述支撐部分的所述區(qū)域窄。
5.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述微橋梁的所述中心區(qū)域包括至少一個在其中形成的槽。
6.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述微橋梁的所述中心區(qū)域包括至少一個在其中刻蝕出的孔。
7.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述至少一個電極被布置在所述梁的下方，以引起所述梁的垂直振動。
8.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，所述至少一個電極包含鄰近所述梁布置的一對電極，以引起所述梁的水平振動，所述梁和所述電極被布置使得在每個電極和所述梁之間形成均勻的間隙。
9.一種方法，包括通過增大微橋梁的剛度質(zhì)量比，增大諧振微橋梁的諧振頻率，所述微橋梁被耦合到襯底上的至少一個支撐部分上。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，增大所述微橋梁的剛度質(zhì)量比包括減小所述微橋梁中心部分處的質(zhì)量。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，增大所述微橋梁的剛度質(zhì)量比包括增大所述微橋梁的有效彈簧常數(shù)。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，增大所述微橋梁的剛度質(zhì)量比包括縮窄所述微橋梁的中心部分。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，增大所述微橋梁的剛度質(zhì)量比包括在所述微橋梁的中心區(qū)域中形成至少一個槽。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，增大所述微橋梁的剛度質(zhì)量比包括在所述微橋梁的中心區(qū)域中刻蝕出至少一個孔。
15.一種裝置，包括至少一個支撐結(jié)構(gòu)；和微橋梁，所述微橋梁被耦合到所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)上，并相對于襯底可沿一軸線移動，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)被形成在所述襯底上，所述梁包括中心區(qū)域，所述中心區(qū)域與鄰近所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)的區(qū)域相比具有相對較小的質(zhì)量，以形成中心質(zhì)量減小的梁，所述中心質(zhì)量減小的梁與如果所述梁被制造成矩形結(jié)構(gòu)的情形相比具有更高的剛度質(zhì)量比。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述中心質(zhì)量減小的梁提供比如果所述梁被制造成矩形結(jié)構(gòu)的情形更高的諧振頻率。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述梁與所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)整體地形成。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述微橋梁的所述中心區(qū)域比鄰近所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)的所述區(qū)域窄。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述微橋梁的所述中心區(qū)域包括至少一個在其中形成的槽。
20.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述微橋梁的所述中心區(qū)域包括至少一個在其中刻蝕出的孔。
21.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述微橋梁被構(gòu)造成相對于所述襯底上下移動。
22.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述微橋梁被構(gòu)造成相對于所述襯底水平移動。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種微機(jī)電(MEM)諧振器，包括襯底、耦合到所述襯底的微橋梁結(jié)構(gòu)以及至少一個電極，所述電極鄰近所述微橋梁結(jié)構(gòu)被布置，以引起所述梁的振動。所述微橋梁結(jié)構(gòu)包括支撐部分和形成在所述支撐部分之間的梁。所述梁的中心區(qū)域的質(zhì)量小于鄰近所述支撐部分的所述梁的區(qū)域的質(zhì)量。
文檔編號H03H3/00GK1613180SQ02819241
公開日2005年5月4日 申請日期2002年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
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