用于振荡器和实时时钟应用的多线圈弹簧MEMS谐振器制造技术

一种多线圈弹簧MEMS谐振器，包括中心锚定体和谐振器主体（106），所述谐振器主体（106）包括两个或更多线圈弹簧（102a、102b），所述线圈弹簧（102a、102b）以螺旋图案从中心锚定体延伸到外部闭合环（104）。每对线圈弹簧源自中心锚定体上的相对点并且以螺旋图案延伸到外部环上的相对点。线圈弹簧的数目、线圈弹簧的长度和宽度、以及外部环的重量被选择成实现所需的谐振频率。外部环（104）包括垂直的换能器（108）并且可以包括调整外部环（104）的重量的孔（130）。一组驱动电极（110）和感测电极（112）被附着到衬底。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于振荡器和实时时钟应用的多线圈弹簧MEMS谐振器本申请要求2014年10月22日提交的美国临时专利申请号62/067,230的题为“MULTIPLECOILSPRINGRESONATORS”的优先权，其出于全部目的通过引用被结合到本文。本申请还要求于2014年10月22日提交的美国临时专利申请号62/067,206的题为“COMPOUNDSPRINGRESONATORSFORFREQUENCYANDTIMINGGENERATION”的优先权，其出于全部目的通过引用被结合到本文。
技术介绍
MEMS（微机电系统）谐振器是以精确频率振动的小机电结构。MEMS谐振器在用于提供计时参考和频率参考的电子电路中是有用的。在典型应用中，MEMS谐振器附着于电子电路以形成振荡器电路。MEMS振荡器包括由维持放大器在连续运动中驱动的MEMS谐振器。MEMS谐振器的机械谐振振动被感测和转换为具有非常精确的频率的电信号。精确的MEMS谐振频率被用作振荡器电路的参考频率。附着于MEMS谐振器的电子电路将所感测的电信号放大并且基于MEMS谐振频率来设定或调整振荡器的输出频率。例如，电子电路可以包括相位锁定回路（PLL）或者频率锁定回路，其基于作为参考频率的MEMS谐振频率来生成可编程的输出频率。用于MEMS振荡器的通常应用包括实时时钟。实时时钟（RTC）是计算机时钟，经常采用集成电路形式，被用来跟踪诸如计算机、服务器和消费电子设备的电子系统中的当前时间。包括图1（a）和1（b）的图1示出了传统的实时时钟电路。参照图1（a），通常作为实时时钟集成电路提供的实时时钟1包括振荡器电路2和支持电路（RTC电路）3。传统的实时时钟使用晶体振荡器电路，其使用振动石英晶体4的机械谐振来提供所需的参考频率。石英晶体4（实时时钟集成电路外部的分立部件）被驱动以诸如32.768kHz的所需频率谐振。振荡器电路2将石英晶体4的振动转变为具有所需精确频率（例如，32.768kHz）的电信号。RTC电路3提供信号放大、时钟分频（clockdivision）、以及其它时间保持功能。实时时钟1通常包括替代电源5，使得实时时钟能够在主电源断电或变得不可用时继续保持时间。替代电源5可以是电池电源，诸如锂离子电池或超级电容器。因为石英晶体庞大并且无法良好地与半导体集成电路集成，所以MEMS谐振器已经在构造振荡器电路时变成传统石英晶体的引人注目的替代。参照图1（b），实时时钟6使用实时时钟集成电路来形成，该实时时钟集成电路包括实时时钟芯片7和mems谐振器8，其可以共同封装在相同的集成电路封装内，诸如但不限于方形扁平无引脚封装（QFN）或者平面网格阵列封装（LGA）。MEMS谐振器8提供精确的参考频率。实时时钟芯片7容纳全部的支持电路，包括振荡器电路2和RTC电路3。在因此集成了MEMS谐振器的情况下，实时时钟的尺寸被减小。此外，MEMS谐振器提供了附加的益处，诸如在更宽的温度范围内更加一致的稳定性以及对诸如冲击和振动之类的环境因素的更好的抵抗性。附图说明在下面的详细描述和附图中公开了本专利技术的各种实施例。包括图1（a）和1（b）的图1示出传统的实时时钟电路。包括图2（a）和2（b）的图2示出在一些实施例中结合本专利技术的MEMS谐振器的MEMS振荡器电路和实时时钟电路。包括图3（a）和3（b）的图3包括本专利技术的实施例中的复合弹簧MEMS谐振器的透视图和俯视图。包括图4（a）和4（b）的图4包括本专利技术实施例中的弹簧单胞的透视图和顶视图。图5是包括本专利技术的实施例中的多个谐振器单元的复合弹簧MEMS谐振器的透视图。图6是在一些实施例中的图5的复合弹簧MEMS谐振器的顶视图。图7是在一些实施例中的图6的复合弹簧MEMS谐振器沿着线A-A'的截面图。包括图8（a）至8（c）的图8示出一些示例中的图6的MEMS谐振器的谐运动。图9是包括在本专利技术的替代实施例中的释放孔的复合弹簧MEMS谐振器的透视图。图10是在本专利技术的实施例中的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。图11是在本专利技术的实施例中结合驱动和感测电极的图10的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。图12是在一些实施例中的图11的多线圈弹簧MEMS谐振器的顶视图。图13是在一些实施例中的图12的多线圈弹簧MEMS谐振器沿着线B-B'的截面图。包括图14（a）至14（b）的图14示出一些示例中的图10的MEMS谐振器的谐运动。图15是在本专利技术的替代实施例中没有释放孔的多线圈弹簧MEMS谐振器的透视图。具体实施方式本专利技术可以以许多方式实施，包括作为过程；装置；系统；和/或物质组成。在本说明书中，这些实施方式或者本专利技术可以采取的任何其它形式可以被称为技术。一般地，在本专利技术的范围内，所公开的过程的步骤的顺序可以被改变。下面连同示出本专利技术原理的附图来提供本专利技术的一个或多个实施例的详细描述。本专利技术结合这样的实施例进行描述，但是本专利技术并不限于任何实施例。本专利技术的范围仅由权利要求来限定并且本专利技术涵盖大量的替代、修改和等同物。大量具体细节在以下描述中被阐明以便提供对本专利技术的透彻理解。这些细节出于示例的目的而提供并且本专利技术可以根据权利要求而没有这些具体细节中的一些或全部来实施。出于清楚的目的，在与本专利技术有关的
中已知的技术材料并未被详细描述，以免不必要地模糊本专利技术。根据本专利技术的实施例，复合弹簧MEMS谐振器包括使用形成复合弹簧块的一个或多个弹簧单胞（unitcell）构造的谐振器主体以及形成谐振器主体的一个或多个复合弹簧块。每个复合弹簧块被锚定于节点处以确保高品质（Q）因数。谐振器主体还包括附着于复合弹簧块的开端并且电容地耦合于驱动/感测电极的质量（mass）。包括形成弹簧单胞的梁的长度和宽度的弹簧单胞的尺度（dimension）、用于复合弹簧块的弹簧单胞的数目、以及质量的尺寸和重量被选择成实现所需的谐振频率。同时，复合弹簧块的数目以及前述的尺度和配置因素被选择成调谐所需的电特性，诸如MEMS谐振器的阻抗。根据本专利技术的其它实施例，多线圈弹簧MEMS谐振器包括中心锚定体（centeranchor）以及包括从中心锚定体以螺旋图案延伸到外部闭合环的两个或更多线圈弹簧的谐振器主体。每一对线圈弹簧源自中心锚定体上的相对点并且以螺旋图案延伸到外部环上的相对点。线圈弹簧的数目、线圈弹簧的长度和宽度、以及外部环的重量被选择成实现所需的谐振频率。在本描述中，MEMS谐振器指的是以稳定和精确的谐振频率振动的小机电结构。在本专利技术的实施例中，MEMS谐振器是可以被激励到机械谐振振动中的硅弹簧质量系统。MEMS谐振器由维持放大器驱动以在连续振荡中振动，从而生成输出频率。具体地，维持放大器检测谐振器运动并且将附加能量驱动到谐振器中，同时维持在所需振幅下的谐振器运动。谐振振动被感测并且转换成具有谐振器的谐振频率的电信号。MEMS谐振器具有在形成MEMS振荡器和实时时钟方面的应用。本专利技术的MEMS谐振器相比于传统的MEMS谐振器实现了许多优点。首先，本专利技术的MEMS谐振器针对低频振动被优化。配置用于低频操作的传统MEMS谐振器通常要求大的谐振器主体尺寸。在本专利技术的实施例中，复合弹簧和线圈弹簧MEMS谐振器使谐振器主体的物理尺寸最小化，同时针对低频输出优化了谐振器。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS谐振器，包括：连接到衬底的中心锚定体；谐振器主体，所述谐振器主体包括一对或多对线圈弹簧和外部闭合环，所述线圈弹簧以螺旋图案从所述中心锚定体延伸到所述外部闭合环，所述中心锚定体在所述谐振器主体的节点处；形成在所述外部闭合环上的一个或多个换能器，每个换能器形成为与所述外部闭合环垂直并且从所述外部闭合环向外延伸；形成为附着到所述衬底的一组驱动电极和一组感测电极，每个换能器电容地耦合到一个驱动电极和一个感测电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.22 US 62/067230;2014.10.22 US 62/067206;201.一种MEMS谐振器，包括：连接到衬底的中心锚定体；谐振器主体，所述谐振器主体包括一对或多对线圈弹簧和外部闭合环，所述线圈弹簧以螺旋图案从所述中心锚定体延伸到所述外部闭合环，所述中心锚定体在所述谐振器主体的节点处；形成在所述外部闭合环上的一个或多个换能器，每个换能器形成为与所述外部闭合环垂直并且从所述外部闭合环向外延伸；形成为附着到所述衬底的一组驱动电极和一组感测电极，每个换能器电容地耦合到一个驱动电极和一个感测电极。2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述线圈弹簧的对数、所述线圈弹簧的长度和宽度，以及所述外部闭合环的重量被选择以调谐所述MEMS谐振器的谐振频率。3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，还包括：形成在所述外部闭合环上以调整所述外部闭合环的重量的结构。4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，相应的驱动电极与相应的换能器分开第一间隙并且所述感测电极以及相应的感测电极与相应的换能器分开第二间隙，所述第一和第二间隙中的每一个等于或小于1μm。5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述谐振器主体具有20-30μm的厚度。6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐万泰，JR克拉克，
申请(专利权)人：微芯片科技公司，
类型：发明
国别省市：美国,US