本申請要求2014年10月22日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/067,230的題為“multiplecoilspringresonators”的優(yōu)先權，其出于全部目的通過引用被結合到本文。

本申請還要求于2014年10月22日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/067,206的題為“compoundspringresonatorsforfrequencyandtiminggeneration”的優(yōu)先權，其出于全部目的通過引用被結合到本文。

背景技術：

mems（微機電系統(tǒng)）諧振器是以精確頻率振動的小機電結構。mems諧振器在用于提供計時參考和頻率參考的電子電路中是有用的。在典型應用中，mems諧振器附著于電子電路以形成振蕩器電路。mems振蕩器包括由維持放大器在連續(xù)運動中驅動的mems諧振器。mems諧振器的機械諧振振動被感測和轉換為具有非常精確的頻率的電信號。精確的mems諧振頻率被用作振蕩器電路的參考頻率。附著于mems諧振器的電子電路將所感測的電信號放大并且基于mems諧振頻率來設定或調(diào)整振蕩器的輸出頻率。例如，電子電路可以包括相位鎖定回路（pll）或者頻率鎖定回路，其基于作為參考頻率的mems諧振頻率來生成可編程的輸出頻率。

用于mems振蕩器的通常應用包括實時時鐘。實時時鐘（rtc）是計算機時鐘，經(jīng)常采用集成電路形式，被用來跟蹤諸如計算機、服務器和消費電子設備的電子系統(tǒng)中的當前時間。包括圖1（a）和1（b）的圖1示出了傳統(tǒng)的實時時鐘電路。參照圖1（a），通常作為實時時鐘集成電路提供的實時時鐘1包括振蕩器電路2和支持電路（rtc電路）3。傳統(tǒng)的實時時鐘使用晶體振蕩器電路，其使用振動石英晶體4的機械諧振來提供所需的參考頻率。石英晶體4（實時時鐘集成電路外部的分立部件）被驅動以諸如32.768khz的所需頻率諧振。振蕩器電路2將石英晶體4的振動轉變?yōu)榫哂兴杈_頻率（例如，32.768khz）的電信號。rtc電路3提供信號放大、時鐘分頻（clockdivision）、以及其它時間保持功能。實時時鐘1通常包括替代電源5，使得實時時鐘能夠在主電源斷電或變得不可用時繼續(xù)保持時間。替代電源5可以是電池電源，諸如鋰離子電池或超級電容器。

因為石英晶體龐大并且無法良好地與半導體集成電路集成，所以mems諧振器已經(jīng)在構造振蕩器電路時變成傳統(tǒng)石英晶體的引人注目的替代。參照圖1（b），實時時鐘6使用實時時鐘集成電路來形成，該實時時鐘集成電路包括實時時鐘芯片7和mems諧振器8，其可以共同封裝在相同的集成電路封裝內(nèi)，諸如但不限于方形扁平無引腳封裝（qfn）或者平面網(wǎng)格陣列封裝（lga）。mems諧振器8提供精確的參考頻率。實時時鐘芯片7容納全部的支持電路，包括振蕩器電路2和rtc電路3。在因此集成了mems諧振器的情況下，實時時鐘的尺寸被減小。此外，mems諧振器提供了附加的益處，諸如在更寬的溫度范圍內(nèi)更加一致的穩(wěn)定性以及對諸如沖擊和振動之類的環(huán)境因素的更好的抵抗性。

附圖說明

在下面的詳細描述和附圖中公開了本發(fā)明的各種實施例。

包括圖1（a）和1（b）的圖1示出傳統(tǒng)的實時時鐘電路。

包括圖2（a）和2（b）的圖2示出在一些實施例中結合本發(fā)明的mems諧振器的mems振蕩器電路和實時時鐘電路。

包括圖3（a）和3（b）的圖3包括本發(fā)明的實施例中的復合彈簧mems諧振器的透視圖和俯視圖。

包括圖4（a）和4（b）的圖4包括本發(fā)明實施例中的彈簧單胞的透視圖和頂視圖。

圖5是包括本發(fā)明的實施例中的多個諧振器單元的復合彈簧mems諧振器的透視圖。

圖6是在一些實施例中的圖5的復合彈簧mems諧振器的頂視圖。

圖7是在一些實施例中的圖6的復合彈簧mems諧振器沿著線a-a'的截面圖。

包括圖8（a）至8（c）的圖8示出一些示例中的圖6的mems諧振器的諧運動。

圖9是包括在本發(fā)明的替代實施例中的釋放孔的復合彈簧mems諧振器的透視圖。

圖10是在本發(fā)明的實施例中的多線圈彈簧mems諧振器的透視圖。

圖11是在本發(fā)明的實施例中結合驅動和感測電極的圖10的多線圈彈簧mems諧振器的透視圖。

圖12是在一些實施例中的圖11的多線圈彈簧mems諧振器的頂視圖。

圖13是在一些實施例中的圖12的多線圈彈簧mems諧振器沿著線b-b'的截面圖。

包括圖14（a）至14（b）的圖14示出一些示例中的圖10的mems諧振器的諧運動。

圖15是在本發(fā)明的替代實施例中沒有釋放孔的多線圈彈簧mems諧振器的透視圖。

具體實施方式

本發(fā)明可以以許多方式實施，包括作為過程；裝置；系統(tǒng)；和/或物質組成。在本說明書中，這些實施方式或者本發(fā)明可以采取的任何其它形式可以被稱為技術。一般地，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，所公開的過程的步驟的順序可以被改變。

下面連同示出本發(fā)明原理的附圖來提供本發(fā)明的一個或多個實施例的詳細描述。本發(fā)明結合這樣的實施例進行描述，但是本發(fā)明并不限于任何實施例。本發(fā)明的范圍僅由權利要求來限定并且本發(fā)明涵蓋大量的替代、修改和等同物。大量具體細節(jié)在以下描述中被闡明以便提供對本發(fā)明的透徹理解。這些細節(jié)出于示例的目的而提供并且本發(fā)明可以根據(jù)權利要求而沒有這些具體細節(jié)中的一些或全部來實施。出于清楚的目的，在與本發(fā)明有關的技術領域中已知的技術材料并未被詳細描述，以免不必要地模糊本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，復合彈簧mems諧振器包括使用形成復合彈簧塊的一個或多個彈簧單胞（unitcell）構造的諧振器主體以及形成諧振器主體的一個或多個復合彈簧塊。每個復合彈簧塊被錨定于節(jié)點處以確保高品質（q）因數(shù)。諧振器主體還包括附著于復合彈簧塊的開端并且電容地耦合于驅動/感測電極的質量（mass）。包括形成彈簧單胞的梁的長度和寬度的彈簧單胞的尺度（dimension）、用于復合彈簧塊的彈簧單胞的數(shù)目、以及質量的尺寸和重量被選擇成實現(xiàn)所需的諧振頻率。同時，復合彈簧塊的數(shù)目以及前述的尺度和配置因素被選擇成調(diào)諧所需的電特性，諸如mems諧振器的阻抗。

根據(jù)本發(fā)明的其它實施例，多線圈彈簧mems諧振器包括中心錨定體（centeranchor）以及包括從中心錨定體以螺旋圖案延伸到外部閉合環(huán)的兩個或更多線圈彈簧的諧振器主體。每一對線圈彈簧源自中心錨定體上的相對點并且以螺旋圖案延伸到外部環(huán)上的相對點。線圈彈簧的數(shù)目、線圈彈簧的長度和寬度、以及外部環(huán)的重量被選擇成實現(xiàn)所需的諧振頻率。

在本描述中，mems諧振器指的是以穩(wěn)定和精確的諧振頻率振動的小機電結構。在本發(fā)明的實施例中，mems諧振器是可以被激勵到機械諧振振動中的硅彈簧質量系統(tǒng)。mems諧振器由維持放大器驅動以在連續(xù)振蕩中振動，從而生成輸出頻率。具體地，維持放大器檢測諧振器運動并且將附加能量驅動到諧振器中，同時維持在所需振幅下的諧振器運動。諧振振動被感測并且轉換成具有諧振器的諧振頻率的電信號。mems諧振器具有在形成mems振蕩器和實時時鐘方面的應用。

本發(fā)明的mems諧振器相比于傳統(tǒng)的mems諧振器實現(xiàn)了許多優(yōu)點。首先，本發(fā)明的mems諧振器針對低頻振動被優(yōu)化。配置用于低頻操作的傳統(tǒng)mems諧振器通常要求大的諧振器主體尺寸。在本發(fā)明的實施例中，復合彈簧和線圈彈簧mems諧振器使諧振器主體的物理尺寸最小化，同時針對低頻輸出優(yōu)化了諧振器。同時，本發(fā)明的mems諧振器能夠實現(xiàn)低運動阻抗，這是振蕩器或實時時鐘應用中的關鍵參數(shù)。

其次，使用堆疊彈簧單胞形成的復合彈簧mems諧振器實現(xiàn)了低剛度，同時在緊湊的區(qū)域中維持良好的機械穩(wěn)定性。本發(fā)明的復合彈簧mems諧振器操作穩(wěn)定，具有可預測的溫度行為并且實現(xiàn)了高品質因數(shù)。

最后，多線圈彈簧諧振器在中心錨定于襯底。通過僅使用單個中心錨定體，多線圈彈簧諧振器的諧振頻率對襯底或封裝應力更不敏感。本發(fā)明的多線圈彈簧諧振器也因此以高品質因數(shù)實現(xiàn)了操作中的穩(wěn)定性。

在一些應用中，本發(fā)明的mems諧振器用作振蕩器電路的頻率源。具體地，本發(fā)明的mems諧振器可以被用來為實時時鐘電路提供穩(wěn)定并且準確的參考時鐘，以使得實時時鐘能夠在溫度變化期間維持準確的時間。在一個示例中，本發(fā)明的mems諧振器用于構造mems振蕩器，從而提供在實時時鐘電路中有用的32.768khz或者32.768khz的倍數(shù)的輸出頻率。包括圖2（a）和2（b）的圖2示出了在一些實施例中的結合本發(fā)明的mems諧振器的mems振蕩器電路和實時時鐘電路。參照圖2（a），提供為實時時鐘集成電路的實時時鐘10包括實時時鐘芯片11和mems諧振器12，其被共同封裝在相同的集成電路中，或者被形成在相同的半導體襯底上。mems諧振器12可以實施為下面描述的復合彈簧mems諧振器或者多線圈彈簧mems諧振器。mems諧振器12為形成在實時時鐘芯片11上的振蕩器電路13提供精確的參考頻率。對于基于時間的應用，mems諧振器12被構造成以32.768khz或者以32.768khz的某個倍數(shù)諧振。例如，在一些實施例中，mems諧振器12構造成以524.288khz（16x）或者以262.144khz（8x）諧振。實時時鐘電路的相位鎖定回路（pll）將mems諧振器頻率向下分頻到所需的32.768khz頻率。這樣，mems諧振器12可以制作得更小以減少成本，同時實時時鐘可以在分頻操作期間改進噪聲。

實時時鐘芯片11容納用于實時時鐘10的全部支持電路以提供信號放大、時鐘分頻、以及其它時間保持功能。在本示例中，實時時鐘芯片11包括諸如以32.768khz提供穩(wěn)定時鐘信號的振蕩器電路13。具體地，振蕩器電路13驅動mems諧振器12以生成具有32.768khz或者32.768khz的倍數(shù)的所需參考頻率的感測信號。振蕩器電路13將具有32.768khz的頻率的時鐘信號提供為參考時鐘信號。實時時鐘芯片11還包括時鐘分頻器14，以基于參考時鐘信號生成一定頻率范圍內(nèi)的輸出時鐘信號。例如，輸出時鐘信號可以具有1hz到32khz的頻率。實時時鐘芯片11還包括控制邏輯電路15和存儲器16，以提供控制并且實現(xiàn)其它時基（timebase）或時間保持功能。圖2（a）中示出的實時時鐘10的示意圖僅是說明性的并且不意圖是限制性的。在實際實施方式中，實時時鐘10可以包括圖2（a）的示例示意圖中未示出的其它電路。

實時時鐘10通常包括替代電源5，因此實時時鐘可以在主電源斷電或者變得不可用時繼續(xù)保持時間。替代電源5可以是電池電源，諸如鋰離子電池或者超級電容器。

圖2（b）示出在一些實施例中的mems振蕩器的示例構造。參照圖2（b），mems振蕩器13包括維持放大器22，其配置成在連續(xù)運動中驅動mems諧振器12以生成輸出頻率作為參考頻率。參考頻率是mems諧振器的諧振頻率，其設定在32.768khz或者32.768khz的倍數(shù)。mems振蕩器13還配置成感測mems諧振器12的諧振振動。感測信號被提供到相位鎖定回路（pll）23作為參考頻率。pll生成在參考頻率下或者作為參考頻率的函數(shù)的時鐘信號。振蕩器電路13可以包括輸出驅動器24，以生成由下游實時時鐘電路使用的參考時鐘信號。在本示例中，參考時鐘信號具有32.768khz的頻率。

復合彈簧mems諧振器

包括圖3（a）和3（b）的圖3包括在本發(fā)明實施例中的復合彈簧mems諧振器的透視圖和頂視圖。參照圖3，復合彈簧mems諧振器50包括諧振器主體52，其形成為懸置在襯底（未示出）上方并且通過一對隔離錨定體56錨定于襯底的一對連接彈簧質量系統(tǒng)54。具體地，諧振器主體52包括基到基（base-to-base）連接并且懸置在襯底上方的第一彈簧質量系統(tǒng)54a（“彈簧質量部分1”）和第二彈簧質量系統(tǒng)54b（“彈簧質量部分2”），使得它們的相對運動和后續(xù)應力在彈簧質量系統(tǒng)54通過隔離錨定體56錨定于襯底所處的節(jié)點處抵消。

在彈簧質量系統(tǒng)54中，彈簧質量部分1、2中的每一個通過在開端處附著于質量的彈簧結構形成。在本發(fā)明的實施例中，彈簧質量部分1、2中的每一個使用被堆疊以形成復合彈簧結構的彈簧單胞來形成。在圖3（b）中，mems諧振器50被示出為具有采用填充圖案（hatchpattern）的彈簧單胞結構，以示出彈簧單胞的折疊彈簧結構。復合彈簧結構可以包括一個或多個彈簧單胞，以獲得諧振器的所需剛度并且因此調(diào)整諧振器的頻率。更具體地，彈簧單胞的數(shù)目可以選擇成實現(xiàn)mems諧振器的所需諧振頻率。彈簧質量部分1、2的復合彈簧結構在基部（節(jié)點）處連接以形成單個復合彈簧塊55。在彈簧質量部分1中，復合彈簧結構在開端處附著于第一質量60a。在彈簧質量部分2中，復合彈簧結構在開端處附著于第二質量60b。第一和第二質量60a、60b的尺寸和重量被選擇成調(diào)諧或調(diào)整諧振器的諧振頻率。此外，第一和第二質量60a、60b用作mems諧振器50的輸入和輸出電極以耦合去往/來自諧振器主體的輸入驅動信號和輸出感測信號。輸入和輸出電極通過電容耦合來操作以使得彈簧質量系統(tǒng)54能夠被靜電地驅動和感測，如下面將更加詳細解釋的。

在本發(fā)明的實施例中，彈簧質量系統(tǒng)54由彈簧單胞64形成，所述彈簧單胞64被重復和連接以形成復合彈簧結構。包括圖4（a）和4（b）的圖4包括本發(fā)明的實施例中的彈簧單胞的透視圖和頂視圖。參照圖4，彈簧單胞64具有緊湊的折疊彈簧結構。在本示例中，彈簧單胞64具有矩形折疊彈簧結構。彈簧單胞64被設計成使得折疊彈簧結構能夠通過堆疊而重復以形成復合彈簧結構。因此形成的復合彈簧結構使彈簧質量系統(tǒng)的尺寸最小化，同時保持穩(wěn)定。由堆疊的彈簧單胞形成的復合彈簧結構能夠提供低剛度，同時在mems諧振器中的緊湊區(qū)域中維持良好的機械穩(wěn)定性。

在本發(fā)明的實施例中，mems諧振器50的諧振頻率由彈簧單胞的尺度限定，即彈簧單胞的寬度（w）和高度（h）以及形成彈簧單胞的梁的長度和寬度。mems諧振器50的諧振頻率還由用于復合彈簧塊的彈簧單胞的數(shù)目以及質量的尺寸和重量來限定。

返回到圖3和4，在mems諧振器50中，諧振器主體52包括在節(jié)點處基到基連接的彈簧質量部分1和彈簧質量部分2（54a、b）。彈簧質量部分1、2由錨定體56通過隔離懸臂梁58在節(jié)點處錨定于襯底。即，錨定體56連接或附著于襯底（未示出）并且彈簧質量部分1、2通過懸臂梁58在節(jié)點處連接于錨定體56。懸臂梁58未附著于襯底，而是懸置于襯底上方。在本描述中，節(jié)點指的是在諧振振動期間基本上不移動或者僅具有最小移動的諧振器主體上的點。通過將彈簧質量系統(tǒng)54錨定于節(jié)點處，mems諧振器可以實現(xiàn)高品質因數(shù)。每個隔離懸臂梁58在節(jié)點處將復合彈簧塊55連接于錨定體56。隔離懸臂梁58用來將任何殘余運動或環(huán)境應力從錨定體56隔離，從而保持彈簧質量系統(tǒng)中的振動能量并且改進諧振器的品質因數(shù)。在本發(fā)明的替代實施例中，懸臂梁可以省略并且錨定體56可以在節(jié)點處直接附著于諧振器主體。

在一些實施例中，mems諧振器50通過對具有20-30μm厚度的硅層進行圖案化和蝕刻來形成。因此，mems諧振器50具有大致20-30μm的厚度。彈簧單胞64具有56μm的寬度（w）和15μm的高度（h）并且由形成折疊彈簧結構的3μm寬的梁構成。在本示例中，彈簧質量部分1和2（54a和54b）每個使用三個彈簧單胞來形成。質量60a和60b每個具有56μm乘22μm的尺度。懸臂梁58具有13μm乘30μm的尺度。錨定體56具有30μm乘30μm的尺度。復合彈簧諧振器的所產(chǎn)生的諧振頻率是大致524khz。

在本發(fā)明的實施例中，mems諧振器50使用諸如多晶硅或單晶硅的導電材料來形成。此外，在一些實施例中，本發(fā)明的mems諧振器可以使用標準cmos制造過程來形成。在一些實施例中，mems諧振器被形成在絕緣體上硅（soi）晶片上。即，mems諧振器被形成在硅層中，所述硅層被形成在具有在其上形成的絕緣層的襯底上。例如，在一個實施例中，具有形成于其上的2μm的氧化硅的硅基層可以用作襯底?？梢允嵌嗑Ч鑼踊騿尉Ч鑼拥墓鑼有纬稍谝r底上并且硅層被圖案化以形成mems諧振器。

在一些實施例中，包括彈簧質量系統(tǒng)、懸臂梁、和錨定體的諧振器主體可以通過使諧振器結構在形成在襯底上的硅層上光刻地圖案化來形成。在一些實施例中，硅層是單晶硅層并且具有20-30μm的厚度。硅層被圖案化有諧振器結構，包括彈簧、質量、懸臂梁、和錨定體。隨后，硅層被蝕刻，諸如使用利用氫氟酸的濕蝕刻過程以釋放除了錨定體以外的諧振器彈簧和質量結構。在蝕刻過程之后，諧振器主體從底層襯底釋放，同時錨定體保持附著于襯底。在一些實施例中，釋放孔可以被包括在質量60a、b中以便于蝕刻以及諧振器主體從底層襯底的釋放。釋放孔也使得質量的重量能夠被調(diào)整以調(diào)諧mems諧振器的諧振頻率，如以下將更加詳細地解釋的。

在一些實施例中，mems諧振器50基于靜電換能來操作。mems諧振器50利用驅動電極和感測電極來形成狹窄和良好受控的間隙，其中驅動/感測電極被連接或附著于襯底，如圖3（b）中所示。例如，驅動電極66可以電容地耦合于質量60a，而感測電極68可以電容地耦合于質量60b。驅動/感測電極與質量之間的間隙通常為約1μm或更小的小空氣間隙。通過靜電換能作用，mems諧振器被驅動到諧振振動中。諧振振動被感測并轉換成具有明確定義和精確的頻率的電信號。注意，諧振器結構和電極是對稱的并且因此驅動和感測電極可以互換。

在上述的圖3中示出的實施例中，描述了在諧振器主體中包括單個復合彈簧結構的mems諧振器。如上所述，包括形成彈簧單胞的梁的尺度的彈簧單胞的尺度以及在復合彈簧塊中的彈簧單胞的數(shù)目被選擇以調(diào)諧mems諧振器的諧振頻率。此外，在復合彈簧塊的開端處的質量的尺寸和重量也被選擇以調(diào)諧mems諧振器的諧振頻率。在一些實施例中，圖3的諧振器主體表示諧振器單元，其中諧振器單元可以重復并且并聯(lián)連接以形成具有所需頻率以及電特性的mems諧振器。具體地，雖然諸如彈簧單胞尺度、塊中的彈簧單胞的數(shù)目以及質量的尺寸和重量的因素對mems諧振器的有效電特性有所貢獻，但是mems諧振器的電特性可以通過并聯(lián)連接多個諧振器單元來進一步被調(diào)整。

圖5是包括本發(fā)明的實施例中的多個諧振器單元的復合彈簧mems諧振器的透視圖。圖6是在一些實施例中的圖5的復合彈簧mems諧振器的頂視圖。在圖6中，mems諧振器被示出為具有在填充圖案中彈簧單胞結構，以示出用來形成復合彈簧塊的彈簧單胞的折疊彈簧結構。參照圖5和6，復合彈簧mems諧振器70使用并聯(lián)連接以形成諧振器主體的三個諧振器單元50a、50b和50c來形成。每個諧振器單元50a-c以與上面關于圖3描述的相同的方式來構造。更具體地，每個諧振器單元包括由三個彈簧單胞形成的彈簧質量部分1和由三個彈簧單胞形成的彈簧質量部分2。用于每個諧振器單元的復合彈簧塊通過懸臂梁和錨定體被錨定于節(jié)點處。用于兩個相鄰諧振器單元的錨定體可以合并成單個錨定體。

復合彈簧塊的開端處的質量74a和74b形成為單個連續(xù)或鄰接結構以實現(xiàn)并聯(lián)連接。質量74a連接于全部諧振器單元的彈簧質量部分1的開端。質量74b連接于全部諧振器單元的彈簧質量部分2的開端。質量74a與驅動電極66分開狹窄的空氣間隙以與驅動電極66形成電容器。質量74b與感測電極68分開狹窄的空氣間隙以與感測電極68形成電容器。驅動/感測電極與質量之間的空氣間隙是小的，通常約1μm或更小。注意，諧振器結構和電極是對稱的并且因此驅動和感測電極可以互換。此外，驅動電極66和感測電極68被連接或附著于襯底，同時包括復合彈簧結構和質量的諧振器主體懸置于襯底上方。

如由此配置的，復合彈簧mems諧振器70實現(xiàn)了具有降低有效阻抗的增加的電極區(qū)域。具體地，第一和第二質量74a、b形成用于分別電容地耦合于驅動電極66和感測電極68的大的電極區(qū)域。具體地，在多個并聯(lián)連接的諧振器單元的第一開端處的質量74a電容地耦合于驅動電極66以接收輸入驅動信號，同時在多個并聯(lián)連接的諧振器單元的第二開端處的質量74b電容地耦合于感測電極68以提供輸出感測信號。即，驅動電極66與質量74分開狹窄的并且良好受控的間隙，使得驅動電極66和質量74a形成電容器。類似地，感測電極68與質量74b分開狹窄的并且良好受控的間隙，使得感測電極66與質量74b形成電容器。通過多個諧振器單元的并聯(lián)配置使得大的電極區(qū)域是可能的。此外，通過使諧振器單元由此并聯(lián)連接，mems諧振器的電阻或者運動阻抗被減小，從而改進mems諧振器70的電特性。

因此，在一些實施例中，本發(fā)明的復合彈簧mems諧振器可以通過選擇用于復合彈簧塊的彈簧單胞的所需數(shù)目以調(diào)諧mems諧振器的所需諧振頻率以及通過選擇并聯(lián)諧振器單元的所需數(shù)目以調(diào)整用于mems諧振器的所需電特性來形成。具體地，mems諧振器的諧振頻率通過質量（質量60a、b）的尺寸（或尺度）和重量以及由彈簧單胞的數(shù)目和彈簧單胞的尺度（包括形成彈簧單胞的梁的尺度）確定的彈簧的剛度來調(diào)諧。mems諧振器的阻抗通過并聯(lián)連接的諧振器單元的數(shù)目來調(diào)諧。

圖7是在一些實施例中的圖6的復合彈簧mems諧振器沿著線a-a'的截面圖。參照圖7，mems諧振器70形成在襯底上，襯底包括硅基層76以及形成在基層76上的諸如氧化硅的絕緣體層77。諧振器結構被形成在諸如單晶硅或多晶硅層的硅層78中。硅層78可以是20-30μm厚。硅層78被光刻地圖案化并且然后被蝕刻，例如使用氫氟酸的濕蝕刻，以釋放彈簧結構。作為大的硅結構的錨定體56保持附著于絕緣層77，因為來自濕蝕刻的底切（undercutting）不足以蝕刻通過錨定體。

包括圖8（a）至8（c）的圖8示出在一些示例中的圖6的mems諧振器的諧運動。圖8中示出的位移出于說明性目的而被擴大。在實際實踐中，mems諧振器的移動是小的并且保持在質量與驅動/感測電極之間的狹窄空氣間隙內(nèi)。例如，當空氣間隙是1μm時，mems諧振器的彈簧結構具有小于1μm的位移。將參照圖6至圖8來描述mems諧振器70的操作。

在本發(fā)明的實施例中，mems諧振器70是靜電驅動和感測的。為了致動mems諧振器，dc電壓和小的ac信號被施加到驅動電極66。質量74a然后由驅動電極66通過空氣間隙來電容地驅動。由于驅動電壓，復合彈簧塊振動。更具體地，mems諧振器中的復合彈簧結構從第一位置（圖8（a））開始并且向外擴展（或伸展）來在兩端處推動質量朝向驅動/感測電極（未示出），如圖8（b）中所示。在復合彈簧結構伸展到最大振幅的情況下，復合彈簧結構返回到第一位置，如圖8（c）中所示。復合彈簧結構的諧運動隨著mems諧振器70被驅動而以諧振頻率重復。在錨定體附著于復合彈簧結構的節(jié)點處，復合彈簧結構在振動移動期間不移動。

質量74a相對于感測電極68的位移改變了兩個電極之間形成的電容器的電容。在質量74b與感測電極68之間形成時變電容器。為了感測電容變化，dc電壓被施加在諧振器結構與感測電極68之間并且生成指示電容變化的ac電流。感測電極處的ac電流被感測以生成具有精確頻率的感測信號。在一些實施例中，mems諧振器70被調(diào)諧到32.768khz或者32.768khz的某個倍數(shù)的諧振頻率。mems諧振器70可以用來構造mems振蕩器，從而提供在實時時鐘電路中有用的32.768khz的輸出頻率。

圖9是在本發(fā)明的替代實施例中包括釋放孔的復合彈簧mems諧振器的透視圖。參照圖9，mems諧振器90以與圖5的mems諧振器70相同的方式進行構造，但是在復合彈簧塊95的開端處的質量94a和94b中增加了釋放孔96。釋放孔96用來調(diào)整質量94a、94b的重量，同時還便于容易制造。具體地，質量94a和94b的重量可以通過在質量的結構中包括釋放孔96的布置來調(diào)諧。調(diào)整質量94a和94b的重量調(diào)整了諧振器主體的重量，這繼而調(diào)諧了mems諧振器的諧振頻率。此外，釋放孔96通過為蝕刻劑進入以在諧振結構下進行蝕刻提供附加的開口而增強了釋放諧振器主體的濕蝕刻過程，從而增強了蝕刻過程并且確保了諧振器結構的釋放。釋放孔96的數(shù)目、尺寸、和位置可以被選擇成調(diào)整質量的重量以調(diào)諧諧振頻率且在制造期間增強結構的蝕刻兩者。圖9中的釋放孔的布置僅是說明性的。

本發(fā)明的復合彈簧mems諧振器相比于傳統(tǒng)mems諧振器實現(xiàn)了許多優(yōu)點。首先，本發(fā)明的復合彈簧mems諧振器相比于傳統(tǒng)mems諧振器可以針對低頻實現(xiàn)緊湊的尺寸。其次，本發(fā)明的復合彈簧mems諧振器可以實現(xiàn)相對低的運動阻抗，這在諧振器應用于構造諸如實時時鐘的計時或時鐘電路時是關鍵參數(shù)。第三，本發(fā)明的復合彈簧mems諧振器具有對稱的諧振模式形狀并且具有附著于諧振主體的節(jié)點的錨定體。因此，本發(fā)明的復合彈簧mems諧振器可以實現(xiàn)低損耗和高品質因數(shù)。

多線圈彈簧mems諧振器

圖10是在本發(fā)明的實施例中的多線圈彈簧mems諧振器的透視圖。參照圖10，多線圈彈簧mems諧振器100包括由一對或多對線圈彈簧102和懸置在襯底（未示出）上方并且通過中心錨定體106錨定于襯底的外部閉合環(huán)104形成的諧振器主體。線圈彈簧102以螺旋圖案從中心錨定體106延伸到外部閉合環(huán)104。每對線圈彈簧102源自中心錨定體106上的相對點并且以螺旋圖案延伸到外部環(huán)結構104上的相對點。在圖10和下面的圖形中，mems諧振器的線圈彈簧在不同的填充圖案中示出以示出線圈彈簧結構。

更具體地，在本實施例中，第一線圈彈簧102a源自中心錨定體上的第一位置并且以螺旋圖案針對圍繞中心錨定體106的整個圓形延伸以在外部環(huán)104上在與第一位置對準的位置處終止。第二線圈彈簧102b源自中心錨定體上與第一位置相對的第二位置。第二線圈彈簧102b以螺旋圖案針對圍繞中心錨定體106的整個圓形延伸以在外部環(huán)104上在與第二位置對準的位置處終止。在本發(fā)明的實施例中，線圈彈簧102可以以順時針方向或者逆時針方向從中心錨定體螺旋至輸出閉合環(huán)。本發(fā)明的mems諧振器的特征是長線圈彈簧在諧振器主體中的使用，其中長線圈彈簧在非常小的區(qū)域中提供了低彈簧常數(shù)。在本實施例中，線圈彈簧以螺旋圖案在圍繞中心錨定體的整個圓形中延伸。在其它實施例中，線圈彈簧可以圍繞中心錨定體在部分圓形中螺旋。此外，在其它實施例中，線圈彈簧可以圍繞中心錨定體針對大于整個圓形來螺旋。

mems諧振器100的諧振器主體還包括附著于外部環(huán)結構104并且從外部環(huán)104向外延伸的一組電極108。在一些實施例中，電極108形成為垂直于外部環(huán)。電極108用作耦合往返于諧振器主體的驅動和感測信號的換能器。在本實施例中，示出了八個換能器108。在其它實施例中，可以結合任何數(shù)目的一個或多個換能器108。在本實施例中的八個換能器的使用僅是說明性的并且并非旨在是限制性的。

在mems諧振器100中，線圈彈簧102的對數(shù)、線圈彈簧102的長度和寬度、以及外部閉合環(huán)104的重量被選擇成實現(xiàn)所需的諧振頻率。在圖10中示出的實施例中，外部閉合環(huán)104和電極108被形成有釋放孔130。釋放孔130可以用來調(diào)整外部環(huán)和電極的重量，以便調(diào)諧mems諧振器的諧振頻率。釋放孔130還用來便于在制造過程期間的蝕刻以及諧振器主體從底層襯底的釋放。

在替代實施例中，外部環(huán)104可以結合不同于釋放孔的結構以調(diào)整質量并且因此調(diào)整諧振頻率。外部環(huán)上的結構可以以電的方式或通過激光修整（trim）以調(diào)整諧振頻率而不影響mems諧振器的品質因數(shù)。

在一個實施例中，外部環(huán)104的重量以及線圈彈簧102的對數(shù)和長度和寬度被選擇成使得mems諧振器100用作低頻諧振器。例如，在一個實施例中，mems諧振器100被配置用于32.768khz或者32.768khz的某個倍數(shù)的諧振頻率，從而適合于計時應用或實時時鐘。

在一些實施例中，mems諧振器100通過對具有20-30μm厚度的硅層進行圖案化和蝕刻來形成。因此，mems諧振器100具有大致20-30μm的厚度。中心錨定體具有92μm的直徑。外部環(huán)具有187μm的內(nèi)徑和12μm的寬度。線圈彈簧具有8.5μm的寬度以及大于中心錨定體的周長并且可以小于或者大于外部環(huán)的內(nèi)周長的長度。線圈彈簧諧振器的所產(chǎn)生的諧振頻率是大致64khz。

在本發(fā)明的實施例中，mems諧振器100使用諸如多晶硅或單晶硅的導電材料來形成。此外，在一些實施例中，本發(fā)明的mems諧振器可以使用標準cmos制造過程來形成。在一些實施例中，mems諧振器形成在絕緣體上硅（soi）晶片上。即，mems諧振器形成在硅層中，所述硅層形成在具有在其上形成的絕緣層的襯底上。例如，在一個實施例中，具有在其上形成的2μm的氧化硅的硅基層可以被用作襯底?？梢允嵌嗑Ч鑼踊騿尉Ч鑼拥墓鑼有纬稍谝r底上并且硅層被圖案化以形成mems諧振器。

在一些實施例中，諧振器主體可以通過使諧振器結構在襯底上形成的硅層上光刻地圖案化來形成。在一些實施例中，硅層是單晶硅層并且具有20-30μm的厚度。硅層被圖案化有諧振器結構，包括線圈彈簧、外部環(huán)和中心錨定體。然后，硅層被蝕刻，諸如使用利用氫氟酸的濕蝕刻過程以釋放除了錨定體以外的諧振器線圈彈簧和閉合環(huán)結構。在蝕刻過程之后，諧振器主體從底層襯底釋放，同時中心錨定體保持附著于襯底。如圖10中所示，釋放孔130可以被包括在外部環(huán)104中以便于諧振器主體的蝕刻和釋放。釋放孔也使得質量的重量能夠被調(diào)整以調(diào)諧諧振頻率，如上面解釋的。

在本發(fā)明的實施例中，mems諧振器100基于靜電換能來操作。從外部環(huán)104延伸的電極108形成用于耦合到驅動和感測電極的換能器。在一些實施例中，換能器可以配置用于靜電梳驅動。在其它實施例中，換能器可以配置用于靜電并行板驅動。圖11是在本發(fā)明的實施例中結合驅動和感測電極的圖10的多線圈彈簧mems諧振器的透視圖。圖12是在一些實施例中的圖11的多線圈彈簧mems諧振器的頂視圖。參照圖11和12，在本實施例中，mems諧振器100的換能器108配置用于并行板驅動。每個換能器108耦合于一組驅動電極110和感測電極112。在本示例中，mems諧振器100包括八個換能器108。因此，提供一組16個驅動/感測電極110、112以用于mems諧振器的激勵。

每對驅動/感測電極電容地耦合到相應的換能器108。每個換能器與驅動電極和感測電極分開狹窄并且良好受控的間隙，其中驅動/感測電極連接或附著于襯底。驅動/感測電極與換能器之間的間隙通常是約1μm或更小的小空氣間隙。通過靜電換能作用，mems諧振器被驅動到諧振振動。具體地，線圈彈簧和外部環(huán)以順時針和逆時針方向旋轉。諧振器主體的位移小于空氣間隙，諸如小于1μm的一半。諧振振動被感測并轉換成具有明確定義和精確頻率的電信號。注意，諧振器結構和電極是對稱的并且因此驅動和感測電極可以互換。

在本發(fā)明的實施例中，驅動電極110可以利用dc電壓以及具有相同相位的ac信號來驅動。在其它實施例中，驅動電極110可以利用dc電壓和不同相位的ac信號來驅動。

圖13是在一些實施例中的圖12的多線圈彈簧mems諧振器沿著線b-b'的截面圖。參照圖13，mems諧振器100形成在襯底上，所述襯底包括硅基層120以及形成在基層120上的諸如氧化硅的絕緣體層122。諧振器結構形成在諸如單晶硅或多晶硅層的硅層125中。硅層125可以是20-30μm厚。硅層125被光刻地圖案化并且然后被蝕刻，諸如使用氫氟酸的濕蝕刻，以釋放線圈彈簧結構。作為大的硅結構的中心錨定體106保持附著于絕緣層122，因為來自濕蝕刻的底切不足以蝕刻通過錨定體。線圈彈簧102和外部環(huán)104從底層襯底懸置。驅動和感測電極110和112保持連接于襯底。

包括圖14（a）至14（b）的圖14示出一些示例中的圖10的mems諧振器的諧運動。圖14中示出的位移出于說明目的而被擴大。在實際實踐中，mems諧振器的移動是小的并且保持在換能器與驅動/感測電極之間的狹窄空氣間隙內(nèi)。例如，當空氣間隙為1μm時，mems諧振器的線圈彈簧和外部環(huán)結構具有小于1μm的位移并且通常為約半個微米。將參照圖12和14來描述mems諧振器100的操作。

在本發(fā)明的實施例中，mems諧振器100是靜電驅動和感測的。為了致動mems諧振器，dc電壓和小的ac信號被施加至驅動電極110。換能器108然后由驅動電極110通過空氣間隙電容地驅動。由于驅動電壓，線圈彈簧和外部環(huán)以順時針方向旋轉。更具體地，在mems諧振器中的線圈彈簧和外部環(huán)結構從第一位置開始（圖14（a））并且以順時針方向旋轉到第二位置，如圖14（b）中所示。在線圈彈簧和外部環(huán)結構由此旋轉的情況下，線圈彈簧和外部環(huán)結構以逆時針方向旋轉回到第一位置，如圖14（a）中所示。線圈彈簧和外部環(huán)結構的諧運動隨著mems諧振器100被驅動而以諧振頻率重復。在線圈彈簧附著于中心錨定體的點處，線圈彈簧結構在振動移動期間不移動。

換能器108相對于感測電極112的位移改變了形成在兩個電極之間的電容器的電容。在換能器108與感測電極112之間形成時變電容器。為了感測電容變化，dc電壓被施加在諧振器結構與感測電極112之間并且生成指示電容變化的ac電流。在感測電極處的ac電流被感測以生成具有精確頻率的感測信號。在一些實施例中，mems諧振器100被調(diào)諧到32.768khz或者32.768khz的某個倍數(shù)的諧振頻率。mems諧振器100可以用來構造mems振蕩器，從而提供在實時時鐘電路中有用的32.768khz的輸出頻率。

注意到mems諧振器100具有對稱的諧振器結構并且因此驅動和感測電極可以互換是有益的。此外，線圈彈簧和外部環(huán)結構可以從逆時針方向旋轉到順時針方向并且然后重復。順時針和逆時針旋轉的順序對于本發(fā)明的實施并不關鍵。

圖15是在本發(fā)明的替代實施例中的沒有釋放孔的多線圈彈簧mems諧振器的透視圖。參照圖15，mems諧振器150以與圖10的mems諧振器100相同的方式構造，但是沒有任何釋放孔。本發(fā)明的多線圈彈簧mems諧振器可以使用如圖10中所示的釋放孔來形成以調(diào)整外部環(huán)和換能器的重量。然而，釋放孔是可選的。在圖15中示出的實施例中，多線圈彈簧mems諧振器可以形成為沒有釋放孔。在其它實施例中，多線圈彈簧mems諧振器可以形成為在外部環(huán)中具有釋放孔但在換能器上沒有。在又一些實施例中，多線圈彈簧mems諧振器可以形成為在換能器中具有釋放孔但在外部環(huán)上沒有。

雖然已經(jīng)出于清楚理解的目的而在某些細節(jié)中描述了前述實施例，但是本發(fā)明不限于所提供的細節(jié)。存在實施本發(fā)明的許多替代方式。所公開的實施例是說明性的并且不是限制性的。