CN103326691B - 频率可切换的微机械谐振器 - Google Patents

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Abstract

一种频率可切换的MEMS谐振器，包括：一中柱；一圆盘可动结构，该圆盘可动结构由连接至质心的中柱来支撑；多个驱动/检测电极，其呈放射状位于圆盘可动结构的周围；空气或固体间隙位于该圆盘可动结构和各驱动/检测电极之间。本发明通过改变驱动电极的连接方式，改变谐振频率；同时提出一种在不减小器件尺寸的前提下获得高谐振频率和高Q值的方法。

Description

频率可切换的微机械谐振器
技术领域
本发明涉及射频微机电(RFMEMS)技术领域，更特别地，本发明涉及一种频率可切换的微机械谐振器。
背景技术
现代数字***朝着小尺寸低功耗的方向发展，要求可集成的谐振器取代传统石英作为时钟源(RTC)。通常，高品质因子(Q)的微机电(MEMS)谐振器被认为是未来理想的时钟器件【1】。近年来，国内外微机械谐振器研究取得了一些突破，其中微机械圆盘谐振器的谐振频率达到特(超)高频中段(UHFrange)，Q值也已经超过了10000，这使它能够应用于无线通信***的滤波电路和高Q值参考振荡电路【2】。
为了实现更高频率，减小谐振器尺寸是常用的方法。但是，当谐振频率在数百MHz至数GHz时，谐振子的尺寸将减小到亚微米、甚至纳米尺度，维度和尺度效应会导致很多限制：(1)严重的表面效应，(2)锚点不理想产生的支撑端损失，等等。因此，在提高谐振频率的同时如何保持高Q是微纳谐振器件研究的首要问题。
另外，为降低功耗，数字***在空闲时切换至低功耗或者休眠模式，需要***时钟可快速切换频率。目前的技术是通过PLL电路倍频实现调节，***复杂，成本高。本发明提出了一种新型圆盘谐振器，利用其面内振动的多种模态，实现频率快速切换。回音壁模态(Whisperinggallerymodes，WGM)是圆盘结构的一种高阶振动模态，声波只在圆周的边缘反弹，不进入圆心，大幅降低了锚点损耗，提高了Q值【3】。因此，采用这种具有高频高Q值的新型谐振器构成的振荡器，相位噪声小，频率切换可通过改变电极连接方式实现，不需要PLL电路，大幅降低了***功耗。
引用文献：
【1】C.T.-C.Nguyen，MEMSTechnologyforTimingandFrequencyControl，IEEETrans.Ultrason.，Ferroelect.，Freq.Contr.，Vol.54，no.2，pp.251-270，Dec.2007.
【2】J.R.Clark，W.T.Hsu，M.A.Abdelmoneum，andC.T.-C.Nguyen，High-QUHFMicromechanicalRadial-ContourModeDiskResonators，J.Microelectromech.Syst.，Vol.14，pp.1298-1310，2005.
【3】L.Rayleigh，TheProblemoftheWhisperingGallery，Philos.Mag.20，pp.1001，1910.
发明内容
本发明的目的在于，提供一种频率可切换的圆盘谐振器，通过改变驱动电极的连接方式，改变谐振频率；同时提出一种在不减小器件尺寸的前提下获得高谐振频率和高Q值的方法。
为达到上述目的，本发明提出一种频率可切换的MEMS谐振器，包括：
一中柱；
一圆盘可动结构，该圆盘可动结构由连接至质心的中柱来支撑；
多个驱动/检测电极，其呈放射状位于圆盘可动结构的周围；
空气或固体间隙位于该圆盘可动结构和各驱动/检测电极之间。
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：
本发明提供的新型圆盘谐振结构具有以下优势：
在不减小谐振器尺寸的前提下获得了高谐振频率和高Q值。通过改变驱动电极的连接方式，激发不同谐振模态，实现了用单个谐振器提供多个频率输出，这一特点很好地满足了现代无线通信***对可快速切换频率时钟器件的需求。
保持谐振器较大尺寸有利于减小动态阻抗，增大输出信号，可简化MEMS振荡器的阻抗匹配网络。
谐振器由与IC工艺相兼容的MEMS加工技术制作，易与IC在同一芯片集成。
总之，基于本发明提供的新型频率可切换的圆盘谐振器是能满足高度集成化、小型化、高频率、低功耗的未来无线通信***发展要求的理想元器件。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器结构示意图；
图2为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器，相邻12个电极连接在一起的示意图；
图3为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器，相邻6个电极连接在一起的示意图；
图4为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器，相邻3个电极连接在一起的示意图；
图5为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器，每隔1个电极连接在一起的示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种频率可切换的微机械谐振器，包括：
一中柱1；
一圆盘可动结构2，该圆盘可动结构2的材料为硅或金刚石，由连接至质心的中柱1来支撑；
多个驱动/检测电极3的材料为硅、金刚石或金属，其呈放射状位于圆盘可动结构2的周围，该驱动/检测电极3的数量大于3(在此以24个电极的谐振器举例说明)；
空气或固体间隙4的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铪，其位于该圆盘可动结构2和各驱动/检测电极3之间。
所述谐振器是由与集成电路(IC)工艺相兼容的MEMS加工技术制作的，本发明采用SOI工艺制作谐振器的传输线和可动结构，通过释放二氧化硅牺牲层获得谐振器结构。电极与圆盘侧壁之间的间隙为200nm以下，可以通过热氧化或原子层淀积(ALD)技术实现。多个电极可激发出谐振器的面内振动高阶回音壁模态(Whisperinggallerymodes，WGM)，而且通过可编程电路，控制电极连接方式，实现不同振动模态的切换，从而改变谐振器的输出频率。本发明在保持谐振器尺寸不减小的情况下，实现了高谐振频率，高品质因子(Q)；
如图2所示，相邻12个电极连接在一起，MEMS谐振器在驱动/检测电极3中的驱动电极7施加正偏压，检测电极8施加负偏压，圆盘可动结构2接地或者悬空，交流信号通过偏置网络5与直流偏置共同激励可动结构振动，响应信号经检测电极并通过偏置网络6隔离直流输出。在此连接方式下圆盘形谐振器工作于径向扩张振动模态(radial-contourmode)。
图3为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器，相邻6个电极连接在一起的示意图。在此连接方式下圆盘形谐振器工作于酒杯状振动模态(wine-glassmode)。
图4为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器，相邻3个电极连接在一起的示意图。在此连接方式下圆盘形谐振器工作于12阶回音壁振动模态(12rdWGM)。
请参阅图5，图5为本发明提供的频率可切换的圆盘谐振器，每隔1个电极连接在一起的示意图。
在此以24个电极的频率可切换的圆盘谐振器举例说明，适当的选择激励电极与输出电极的位置，或者不同的连接方式都可以激发出圆盘可动结构2不同的谐振模态，因此也会有不同的谐振频率输出。对于其他数量电极(大于3个)的谐振器也同样适用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种频率可切换的MEMS谐振器，包括：
一中柱；
一圆盘可动结构，该圆盘可动结构由连接至质心的中柱来支撑；
多个驱动/检测电极，其呈放射状位于圆盘可动结构的周围，该驱动/检测电极的数量大于3；
空气或固体间隙位于该圆盘可动结构和各驱动/检测电极之间；
其是通过选择电极的不同连接方式及驱动/检测电极的数量大于3的方法实现的；所述选择电极的不同连接方式包括：通过相邻12个电极连接在一起、相邻6个电极连接在一起、相邻3个电极连接在一起或每隔1个电极连接在一起，形成驱动电极；而其余电极连接在一起，形成检测电极。
2.根据权利要求1所述的频率可切换的MEMS谐振器，其中该圆盘可动结构的材料为硅或金刚石。
3.根据权利要求1所述的频率可切换的MEMS谐振器，其中该驱动/检测电极的材料为硅、金刚石或金属。
4.根据权利要求1所述的频率可切换的MEMS谐振器，其中该固体间隙的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铪。
5.根据权利要求1所述的频率可切换的MEMS谐振器，其中MEMS谐振器在驱动/检测电极中的驱动电极施加正偏压，检测电极施加负偏压，圆盘可动结构接地或者悬空，交流信号通过偏置网络与直流偏置共同激励可动结构振动，响应信号经检测电极并通过偏置网络隔离直流输出。
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