具有高品质因数的MEMS谐振器制造技术

公开了一种具有高品质因数的对称MEMS谐振器。该MEMS谐振器包括具有顶表面和与顶表面相对的底表面的硅层。一对第一金属层设置在硅层的顶表面上方，并且对应的一对第二金属层相对于一对第一金属层对称地设置在硅层的第二表面下方。此外，第一压电层布置在一对第一金属层之间，并且第二压电层布置在一对第二金属层之间。

MEMS resonator with high quality factor

A symmetric MEMS resonator with a high quality factor is disclosed. The MEMS resonator includes a silicon layer with a top surface and a bottom surface relative to the top surface. A pair of first metal layers is arranged above the top surface of the silicon layer, and the corresponding pair of second metal layers are symmetrically arranged below the second surface of the silicon layer relative to a pair of first metal layers. In addition, the first piezoelectric layer is arranged between a pair of first metal layers, and the second piezoelectric layer is arranged between a pair of second metal layers.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高品质因数的MEMS谐振器相关申请的交叉引用本申请要求于2015年5月27日提交的题为“MEMSRESONATORWITHHIGHQUALITYFACTOR”的美国非临时专利申请第14/722,323号的权益，其全部内容通过引用明确地并入本文中。
本专利技术涉及MEMS谐振器，更具体地，涉及具有高品质因数的MEMS谐振器。
技术介绍
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、运动感测及其他应用。MEMS谐振器被认为是石英定时装置的常见替代物。通常，石英谐振器具有优良的品质因数和压电耦合，但是关于石英谐振器的一个限制是很难以较小的尺寸设计它们。通常，使用基于光刻的制造工艺和晶圆级加工技术来用硅制成MEMS谐振器。例如，如非专利文献1中所述，设计者已经发现，纯硅谐振器经常展示与石英晶体相当的非常高的品质因数。然而，裸硅不是压电的并且纯硅谐振器具有高的动态阻抗，从而使得它们在许多应用中不适合替代石英谐振器。为了降低MEMS谐振器的动态阻抗，例如，如非专利文献2中所述，一些设计添加了压电材料，诸如氮化铝(AlN)薄膜层。在典型的压电MEMS谐振器中，可以在硅上溅镀钼的薄膜，随后是一层AlN和另外一层钼。在薄膜沉积之后，对金属层、AlN层以及硅进行蚀刻以形成谐振器形状。关于所得到的设计，上部钼层和下部钼层用作电极以激励并检测谐振器的机械振动。图1示出了常规的微机械体声波谐振器。如所示，体声波谐振器10包括硅层11和硅层13，其中绝缘体12布置在硅层11和硅层13之间。此外，两个金属层14和16布置在硅衬底13之上，其中压电膜15布置在金属层14和金属层16之间。该设计的一个限制在于，在硅13之上添加压电膜15以及金属层14和金属层16破坏了谐振器10的对称性。换言之，硅的顶部与硅的底部是不同的。该非对称设计引起了谐振器的厚度方向上的振动，其导致能量从谐振器泄露。图2A和图2B示出了纯硅谐振器与具有沉积在硅层的上表面上的薄膜的硅谐振器之间的振动的比较。在图2A和图2B两者中，虚线轮廓代表无振动的处于初始位置的器件，图2A示出了具有锚中心点120的纯硅谐振器110。在振动模式下，如图2A的两个图像所示，器件110扩张和收缩，但是不存在沿z方向的移动，即，锚中心点120在振动时不向上或向下移动。图2B示出了包括布置在硅衬底之上的薄膜(例如，压电层和金属层)112的谐振器设计。压电膜和金属膜具有不同于硅的弹性模量和密度。由于对称性被破坏，所以谐振器弯曲并且在z方向上将会有振动移动，即，锚中心点120在振动时将向上或向下移动。因此，在相同频率处，压电MEMS谐振器设计(诸如，图1和图2B所示的那些压电MEMS谐振器设计)通常将具有比诸如图2A所示的器件的裸硅谐振器低大约一个数量级的品质因数。压电MEMS谐振器设计的低品质因数增加了振荡器应用中的噪声并且增加了动态阻抗。例如，如专利文献1中所述，试图克服压电MEMS谐振器的低品质因数的一个设计是通过使用较高阶谐波(overtone)设计来增大谐振器的尺寸。虽然较高阶谐波设计直接减小了动态阻抗，但是它也增大了谐振器的尺寸。此外，由于谐振器的制造成本与尺寸成比例，因此较大的谐振器尺寸不是优选的。此外，即使对于较大的谐振器，低的动态阻抗仍然不足以用于低噪声振荡器应用，并且需要更高的品质因数。非专利文献1：V.Kaajakari，T.Mattila，A.Oja，J.andH."Square-extensionalmodesingle-crystalsiliconmicromechanicalresonatorforlowphasenoiseoscillatorapplications"，IEEE电子器件快报，第25卷，第4期，第173-175页，2004年4月。非专利文献2：G.Piazza，P.J.Stephanou，A.P.Pisano，″PiezoelectricAluminumNitrideVibratingContour-ModeMEMSResonators"，微机电系统杂志，第15卷，第6期，第1406-1418页，2006年12月。专利文献1：美国专利第7,924,119号。
技术实现思路
因此，根据本公开内容的MEMS谐振器在不增大谐振器尺寸的情况下增加了引起较低动态阻抗的谐振器的品质因数。根据本专利技术的一种MEMS谐振器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的硅层；布置在硅层的第一表面上方的至少一个金属层和布置在硅层的第二表面下方的至少一个对应的金属层；以及布置在硅层的第一表面上方的压电层和布置在硅层的第二表面下方的对应的压电层。采用MEMS谐振器沿厚度方向的对称或基本上对称的设计，由于MEMS谐振器在振动模式期间不沿z方向移动，因此与常规MEMS谐振器相比，该MEMS谐振器提供了高品质因数。根据一个实施例，至少一个金属层和至少一个对应的金属层相对于彼此、关于硅层对称地布置，并且压电层和对应的压电层相对于彼此、关于硅层对称地布置。根据另一实施例，至少一个金属层包括一对第一金属层，其中压电层布置在该一对第一金属层之间，并且至少一个对应的金属层包括一对第二金属层，其中对应的压电层布置在该一对第二金属层之间。根据另一实施例，一对第一金属层和压电层相对于一对第二金属层和对应的压电层关于硅层对称地布置。根据另一实施例，一对第一金属层电耦合至电压源以致动MEMS谐振器，并且一对第二金属层与电压源电绝缘。根据又一实施例，一对第二金属层电耦合至电压源。根据另一实施例，压电层的厚度与对应的压电层的厚度基本上相等，并且一对第一金属层中的每个第一金属层的厚度与所述一对第二金属层的相应厚度基本上相等。根据一个实施例，硅层的厚度在5微米与30微米之间。根据本专利技术的另一实施例的一种MEMS谐振器包括：硅层，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；一对第一金属层，其布置在硅层的第一表面上方；第一压电层，其布置在该一对第一金属层之间；一对第二金属层，其相对于该一对第一金属层对称地布置在硅层的第二表面下方；以及第二压电层，其布置在一对第二金属层之间。根据本专利技术的另一实施例的一种MEMS谐振器包括：硅层，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；一对第一金属层，其布置在硅层的第一表面上方；第一压电层，其布置在一对第一金属层之间并具有第一厚度；以及第二压电层，其布置在硅层的第二表面下方，其中，第二压电层具有大于第一压电层的第一厚度的第二厚度，以在一对第一金属层被电压源激励时抑制MEMS谐振器的沿厚度方向的振动。根据另一实施例，一对第一金属层和第一压电层具有与第二压电层的机械刚度基本上相等的组合机械刚度。根据又一实施例，一对第一金属层和第一压电层的组合机械刚度在第二压电层的机械刚度的10％MPa*m以内。示例性实施例的上述简要概述用于提供对本公开内容的基本理解。该概述不是对考虑的所有方面的广泛综述，并且既不意在识别所有方面的重要或关键要素，也不意在描述本公开内容的任何或所有方面的范围。该概述的唯一目的是以简化的形式呈现一个或更多个方面作为以下的本公开内容的更详细描述的序言。为了实现上述内容，本公开内容的一个或更多个方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS谐振器，包括：硅层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；布置在所述硅层的所述第一表面上方的至少一个金属层和布置在所述硅层的所述第二表面下方的至少一个对应的金属层；以及布置在所述硅层的所述第一表面上方的压电层和布置在所述硅层的所述第二表面下方的对应的压电层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.27 US 14/722,3231.一种MEMS谐振器，包括：硅层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；布置在所述硅层的所述第一表面上方的至少一个金属层和布置在所述硅层的所述第二表面下方的至少一个对应的金属层；以及布置在所述硅层的所述第一表面上方的压电层和布置在所述硅层的所述第二表面下方的对应的压电层。2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述至少一个金属层和所述至少一个对应的金属层相对于彼此、关于所述硅层对称地布置，并且所述压电层和所述对应的压电层相对于彼此、关于所述硅层对称地布置。3.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中，所述至少一个金属层包括一对第一金属层，其中所述压电层布置在所述一对第一金属层之间。4.根据权利要求3所述的MEMS谐振器，其中，所述至少一个对应的金属层包括一对第二金属层，其中所述对应的压电层布置在所述一对第二金属层之间。5.根据权利要求4所述的MEMS谐振器，其中，所述一对第一金属层和所述压电层相对于所述一对第二金属层和所述对应的压电层、关于所述硅层对称地布置。6.根据权利要求4所述的MEMS谐振器，其中，所述一对第一金属层电耦合至电压源以致动所述MEMS谐振器。7.根据权利要求6所述的MEMS谐振器，其中，所述一对第二金属层电耦合至所述电压源。8.根据权利要求6所述的MEMS谐振器，其中，所述一对第二金属层与所述电压源电绝缘。9.根据权利要求4所述的MEMS谐振器，其中，所述压电层具有与所述对应的压电层的厚度基本上相等的厚度。10.根据权利要求9所述的MEMS谐振器，其中，所述一对第一金属层中的每个第一金属层均具有与所述一对第二金属层的相应厚度基本上相等的厚度。11.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：维莱·卡亚卡里，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：日本,JP