具有改进的电气特征的微机电谐振器以及电子设备制造技术

本公开提供了具有改进的电气特征的微机电谐振器以及电子设备。一种MEMS谐振器配备有基底、在由第一轴线和第二轴线形成的水平平面中悬置在基底上方的移动结构，移动结构具有彼此平行并且沿着第二轴线延伸的第一臂和第二臂，第一臂和第二臂通过第一横向接合元件和第二横向接合元件在第一臂和第二臂的相应的端部处耦合以形成内部窗口。第一电极结构定位在窗口外部并且电容性耦合至移动结构。第二电极结构定位在窗口内部。悬置结构在窗口中具有悬置臂。附接装置在窗口中居中地耦合至悬置元件并且接近第二电极结构。通过本公开，能够使MEMS谐振器的能量损失最小化，导致了高品质因子Q以及随之提高了在功耗方面的性能。

Microelectromechanical Resonators and Electronic Equipment with Improved Electrical Characteristics

The present disclosure provides a microelectromechanical resonator with improved electrical characteristics and an electronic device. A MEMS resonator is equipped with a base and mounted above the base in a horizontal plane formed by the first axis and the second axis. The mobile structure has a first arm and a second arm parallel to each other and extending along the second axis. The first arm and the second arm are coupled at the corresponding ends of the first arm and the second arm through the first transverse engagement element and the second transverse engagement element. To form an internal window. The first electrode structure is positioned outside the window and capacitively coupled to the mobile structure. The second electrode structure is positioned inside the window. The suspension structure has a suspension arm in the window. The attachment device is centrally coupled to the mounting element in the window and is close to the second electrode structure. By this disclosure, the energy loss of the MEMS resonator can be minimized, resulting in a high quality factor Q and consequently improved power performance.

【技术实现步骤摘要】
具有改进的电气特征的微机电谐振器以及电子设备
本公开涉及被称为MEMS谐振器(“微机电结构”)的微机电谐振器，其具有改进的电气特征，特别是关于频率稳定性和外部干扰抑制。
技术介绍
例如，MEMS谐振器可以有利地用于实时时钟(RTC)应用，其在下面的描述中在不失一般性的情况下被提及。以已知的方式，RTC设备通常用作便携式和其它电子设备(诸如移动电话、摄像机或静物照相机、汽车设备、家用电器、数据采集终端、智能卡读卡器等)中的时钟，用于即使在有关的电子设备被关闭时，也可以(以年、月、日、小时、分和秒)对实时流逝进行计数。为此目的，RTC设备通常包括具有适当的谐振结构(也简称为“谐振器”)的振荡器电路，该谐振结构能够生成例如等于32.768kHz或其倍数的操作(或谐振)频率。处理电路耦合至振荡器电路，以用于基于该操作频率对时间流逝进行计数，并且适当的电源向设备供应电力。尽管石英技术几十年来一直在频率生成领域(包括实时时钟应用)占据主导地位，但是硅基MEMS谐振器已经在最近被提出并且其正在变得越来越成功。由于通过标准集成电路制造工艺生产MEMS谐振器的可能性以及以低成本在半导体材料的单个芯片中(以ASIC，即专用集成电路的形式)集成机械结构和对应的电子电路两者的可能性，因此使用MEMS谐振器的优点主要包括实质上抑制尺寸并且大大降低成本。MEMS谐振器通常更耐冲击和机械应力，并且与常规的基于石英的设计相比具有更低的功耗。MEMS谐振器包括由微加工技术制成的微机械结构，这些微机械结构由于以适当的DC(连续)电偏置和AC(交变)致动信号的形式的外部激励而被引起以其自然谐振频率振动。这些微机械结构通常包括通过适当的机械紧固元件附接至基底的至少一个移动物体，该物体通过施加的偏置和致动信号而进行谐振。移动物体与耦合至其的固定电极结构一起形成电容器，并且移动物体的谐振振动引起该电容器的电容的变化，该变化被转换为期望的操作频率下的输出信号。图1示意性地示出了被称为DEFT(双端音叉)类型的已知的MEMS谐振器结构，该已知的MEMS谐振器结构总体上由1所表示；该MEMS谐振器1例如在以下文献中被描述：“Temperature-stabilizedsiliconresonatorforfrequencyreferences”，MatthewA.Hopcroft，博士论文，2007年9月，斯坦福大学。MEMS谐振器1包括谐振移动结构2，谐振移动结构2的的主延伸部在由彼此正交的第一水平轴线x和第二水平轴线y形成的水平平面xy中，以及谐振移动结构2具有沿着正交于上述水平平面xy的垂直轴线z的可忽略的延伸部或者在任何情况下的小得多的延伸部。在示例中，谐振移动结构2由沿着第二水平轴线y具有纵向主延伸部的彼此平行的第一臂(或“梁”)2a和第二臂(或“梁”)2b组成。谐振移动结构2被定位成悬置在基底3上方并且平行于基底3的上表面。第一臂2a和第二臂2b在它们的第一端处通过第一横向接合元件4a接合，并且在它们的第二端处通过第二横向接合元件4b接合，第一横向接合元件4a具有沿着第一水平轴线x的延伸部，该延伸部小于第一臂2a和第二臂2b的纵向延伸部，第二横向接合元件4b也具有沿着第一水平轴线x的延伸部。每个臂2a、2b因此形成在两端处被紧固的“夹紧-夹紧”系统。谐振移动结构2在其本身内部形成窗口5，窗口5在水平平面xy内具有基本上矩形的形状。谐振移动结构2通过单个附接件6附接至基底3，单个附接件6例如由沿着垂直轴线z延伸直到基底3的柱或柱状元件组成。特别地，第一横向接合元件4a通过连接元件7连接至上述附接件6。附接件6相对于谐振移动结构2居中地被定位并且被定位在窗口5外部。MEMS谐振器1还包括在谐振移动结构2和窗口5外部的第一外电极8a和第二外电极8b，第一外电极8a和第二外电极8b被定位成相应地面对并且平行于谐振移动结构2的第一臂2a和第二臂2b(电极具有致动和检测功能的一种功能)；并且内电极9被定位在窗口5的内部，并且进而在谐振移动结构2的内部被定位成面对并且平行于谐振移动结构2的第一臂2a和第二臂2b(该电极具有致动和检测功能的一种功能，其不同于外电极8a、8b所具有的一种功能)。第一外电极8a和第二外电极8b以及内电极9被附接至MEMS谐振器1的基底3，例如通过相应的附接件以固定的方式耦合至基底3的上表面，相应的附接件的每个例如被成形为半导体材料的柱状或柱、例如在水平平面xy中相对于它们的延伸部被定位在中心位置。在使用中，在外电极8a、8b与谐振移动结构2之间(或者在内电极9与相同的谐振移动结构2之间)施加适当的致动电压通过沿着第一水平轴线x在相反的方向上屈曲对应的第一臂2a和第二臂2b以谐振频率引起变形移动(致动因此激励移动结构2的臂2a、2b的反相振动模式)。朝向和远离检测电极(内电极9或外电极8a、8b，根据它们的功能)的随后移动引起电容性耦合的变化以及也在谐振频率处的相关联的电信号的生成，该电信号然后可以通过与MEMS谐振器1相关联的电子电路以适当的方式来检测和处理。有利地，反相振荡条件的检测使得可以抵消由于作用在微机电结构上的干扰而导致的外部加速度的影响。然而，本申请人已经发现，上述MEMS谐振器1在其电气性能方面并未被完全优化。具体地，如图2中示意性地所示，图1的MEMS谐振器1具有较低的外部应力抑制，例如由于温度或湿度的变化导致的外部应力，这会引起MEMS谐振器1的基底3的变形或弯曲。本申请人已经发现，这种特性是由于这样的事实，即固定或定子电极(也就是上述第一外电极8a和第二外电极8b以及内电极9)在距谐振移动结构2(其臂2a、2b形成MEMS谐振器1的移动或转子电极)的附接件6相当大的距离处被附接。因此，基底3的变形，例如对应的上表面的弯曲(参见上述图2)可以引起在上述固定电极与移动电极之间静止的面对距离d(称为“间隙”)的可能相当大的变化，并且已知的是，谐振频率的值也取决于固定电极和移动电极之间的上述间隙的值。本申请人还发现，图1的MEMS谐振器1具有未优化的品质因子Q，由于朝向基底3存在能量耗散，导致了更高的电力消耗。特别地，在谐振移动结构2的两个臂2a、2b直接耦合至的单个附接件6处，由谐振移动生成的弹性波存在朝向基底3的耗散。因此，迄今为止提出的用于生产硅MEMS谐振器的解决方案未被证明完全令人满意。
技术实现思路
针对上述问题，本公开的实施例提供了具有改进的机械和电气特征的MEMS谐振器，特别是关于谐振频率的稳定性和对应的功耗。本公开提供了一种MEMS谐振器，包括：基底；移动结构，悬置在所述基底上方，并且所述移动结构的主延伸部在由彼此正交的第一水平轴线和第二水平轴线形成的水平平面中，所述结构包括彼此平行并且沿着所述第二水平轴线延伸的第一挠曲臂和第二挠曲臂，所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂通过第一横向接合元件和第二横向接合元件在所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂的相应的端部处耦合，所述第一横向接合元件和所述第二横向接合元件具有沿着所述第一水平轴线的延伸部以与所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂形成内部窗口；第一电极结构，定位在所述窗口外部并且在所述水平平面中电容性耦合至所述移动结构；第二电极结构，定位在所述窗口内部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS谐振器，其特征在于，包括：基底；移动结构，悬置在所述基底上方，并且所述移动结构的主延伸部在由彼此正交的第一水平轴线和第二水平轴线形成的水平平面中，所述结构包括彼此平行并且沿着所述第二水平轴线延伸的第一挠曲臂和第二挠曲臂，所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂通过第一横向接合元件和第二横向接合元件在所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂的相应的端部处耦合，所述第一横向接合元件和所述第二横向接合元件具有沿着所述第一水平轴线的延伸部以与所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂形成内部窗口；第一电极结构，定位在所述窗口外部并且在所述水平平面中电容性耦合至所述移动结构；第二电极结构，定位在所述窗口内部并且在所述水平平面中电容性耦合至所述移动结构，所述第一电极结构和所述第二电极结构中的一个电极结构具有引起所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂以对应的谐振频率沿着所述第一水平轴线在相反方向上的振荡移动的功能，并且所述第一电极结构和所述第二电极结构中的另一个电极结构具有检测所述振荡的功能；以及悬置结构，被配置成将所述移动结构悬置在所述基底上方，所述悬置结构包括在所述窗口内部在所述第一横向接合元件与所述第二横向接合元件之间延伸的悬置臂、以及耦合至所述悬置臂并耦合至所述基底的附接装置，所述附接装置居中地定位在所述窗口中并且接近所述第二电极结构。...

【技术特征摘要】
2017.05.25 IT 1020170000570861.一种MEMS谐振器，其特征在于，包括：基底；移动结构，悬置在所述基底上方，并且所述移动结构的主延伸部在由彼此正交的第一水平轴线和第二水平轴线形成的水平平面中，所述结构包括彼此平行并且沿着所述第二水平轴线延伸的第一挠曲臂和第二挠曲臂，所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂通过第一横向接合元件和第二横向接合元件在所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂的相应的端部处耦合，所述第一横向接合元件和所述第二横向接合元件具有沿着所述第一水平轴线的延伸部以与所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂形成内部窗口；第一电极结构，定位在所述窗口外部并且在所述水平平面中电容性耦合至所述移动结构；第二电极结构，定位在所述窗口内部并且在所述水平平面中电容性耦合至所述移动结构，所述第一电极结构和所述第二电极结构中的一个电极结构具有引起所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂以对应的谐振频率沿着所述第一水平轴线在相反方向上的振荡移动的功能，并且所述第一电极结构和所述第二电极结构中的另一个电极结构具有检测所述振荡的功能；以及悬置结构，被配置成将所述移动结构悬置在所述基底上方，所述悬置结构包括在所述窗口内部在所述第一横向接合元件与所述第二横向接合元件之间延伸的悬置臂、以及耦合至所述悬置臂并耦合至所述基底的附接装置，所述附接装置居中地定位在所述窗口中并且接近所述第二电极结构。2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述悬置结构被配置成响应于与所述移动结构的所述振荡移动相关联的力而在所述附接装置处朝向所述基底提供基本上为零的能量耗散。3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述悬置结构具有相对于相应地平行于所述第一水平轴线和所述第二水平轴线行进的第一对称轴线和第二对称轴线以及相对于所述水平平面中的所述MEMS谐振器的几何中心而对称的形状。4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述附接装置包括一体地耦合至所述悬置臂的中心部分并一体地耦合至所述基底的中心附接件。5.根据权利要求3所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述附接装置包括第一附接件和第二附接件，并且其中所述悬置结构还包括定位在所述窗口内部的用于将所述悬置臂连接至所述第一附接件和所述第二附接件的连接元件，所述第一附接件和所述第二附接件相对于所述悬置臂侧向地定位成沿着所述第一水平轴线对准。6.根据权利要求3所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述悬置结构包括第一T形连接元件和第二T形连接元件、以及第一对附接件和第二对附接件，每个T形连接元件从所述悬置臂的中心部分延伸，所述第一对附接件和所述第二对附接件相对于所述悬置臂侧向地被定位，所述第一T形连接元件和所述第二T形连接元件具有它们的相应的端部，它们的相应的端部相应地耦合至所述第一对附接件和所述第二对附接件中的附接件。7.根据权利要求6所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第一T形连接元件和所述第二T形连接元件在所述悬置臂与相应的第一对附接件和第二对附接件之间形成相应的双杠杆耦合。8.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，在所述水平平面中的所述窗口的几何中心和所述MEMS谐振器的几何中心附近，所述附接装置被定位在距所述第二电极结构的内电极的相应附接元件和距所述第一电极结构的外电极的相应附接元件的最小分离距离处。9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，还包括在所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂的中心部分处相应地耦合至所述移动结构的所述第一挠曲臂和所述第二挠曲臂的第一滑动元件和第二滑动元件，所述第一滑动元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·加特瑞，A·托齐奥，C·瓦尔扎希纳，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利,IT