CN101895003A - 一种采用绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器 - Google Patents

Abstract

该发明属于射频通信及微电子机械技术中采用绕轴芯线扭转振动的射频微机电式谐振器，包括在顶层设有圆柱形凹槽的抗干扰绝缘层及接地电容上极板、电介层、接地电容下极板、底板的基板，含输入端和输出端的驱动电极，设于圆柱形凹槽底部的偏置电极、设于该凹槽内及偏置电极上的“扇叶”型谐振梁，接地电极；驱动电极中各输入和输出电极的工作面与谐振梁对应扇叶上的工作面平行设置、两者在工作时组成换能电容产生最大幅度的输出交变电流信号，实现谐振。该发明具有工作频率高，能量损耗小，品质因数、工作频率及其稳定性高，加工工艺简单可靠，使用维护方便，可与现有的电子通信设备配套用于移动通讯、全球定位系统等高频波段无线通信等特点。

Description

一种采用绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器

技术领域

本发明属于射频通信及微电子机械(MEMS)技术，特别是一种采用绕轴芯线扭转振动、电容换能的射频微机电结构的谐振器，该谐振器尤其适合用于射频/微波波段，与现有的电子通信设备配套用于移动通讯、全球定位等高频波段的无线通信系统。

背景技术

谐振器是通信系统设备中的基本部件，射频谐振器更是组成频率合成器和滤波器的关键部件。传统谐振器主要采用LC(电感，电容)谐振回路，石英晶体或介质腔来实现，体积较大、功耗高，难以适应现代无线通信系统发展的要求。近年来，微电子机械系统(MEMS)技术的迅猛发展，促进了射频微机电(RF MEMS)谐振器的发展，采用MEMS技术制得的谐振器具有低功耗、高品质因数、高隔离度、与IC(集成电路)工艺兼容和体积小等特点。此类谐振器主要分为悬臂梁谐振器(机电换能谐振器)及薄膜体声波谐振器(FBAR)。其中传统的薄膜体声波谐振器是采用诸如氮化铝、氧化锌、铁氧体等具有压电特性材料作为电介质制作的平板电容阵列组成；此类谐振器工作时，交变电压激励信号加于平板电容上、导致上下极板间距周期性变化，而设于上下两极板间的压电材料受到与该平板电容的固有频率相同的周期作用力、从而产生最大的交变电流，实现谐振；但此类谐振器：一是激励电压信号的大小对压电介质层厚薄的精度要求非常高、需要复杂的工艺来实现；二是制造工艺与当前集成电路的CMOS工艺不能完全兼容、其压电材料不能集成于CMOS工艺中；因此该谐振器存在生产工艺复杂、成本高，可靠性低、易损坏、维护困难，加之其加工精度要求高、难以与设计频率相匹配，导致其品质因数偏低(小于1000)等诸多缺陷；因而，该类谐振器的出现虽然已有数十年历史，至今仍未能在商业领域得到广泛应用。

而悬臂梁谐振器虽然可以达到较高的品质因数，但当谐振频率在1GHz以上时、品质因数会急剧恶化，因此不能满足当前移动通讯的要求；此外，对谐振器本身的容差性(即温飘)不具有自我校准功能、且因温度影响易老化。此类谐振器按振动模态的不同又分为弯曲振动，横向振动，放射状轮廓挤压振动模态等。其中：弯曲振动是通过谐振梁的弯曲形变，利用其与驱动极板之间距离变化、进而导致换能电容变化而产生最大幅度输出电流，实现谐振；采用这种振动模态的谐振器工作频率一般低于10MHz，而且损耗很大，品质因数仅为40-450；而横向振动模态则是利用与谐振梁横向振动固有频率相同的驱动电压信号加于谐振梁上、与两端的电极进行机电换能，输出最大幅度的交变电流信号，实现谐振；这种谐振器虽然可在450MHz频率下工作，但由于悬臂梁的横截面小，导致该振动模态的换能电容的面积很小，需要在换能电容间隙填充氮化硅介质(介电常数为7)、以提高换能效率，但对换能效率的提高有限；此外，该谐振器生产工艺复杂，且与MEMS标准生产工艺的兼容性差，制造成本高昂，难以满足小型化的要求等缺陷。而采用放射状轮廓挤压振动模态的谐振器，其谐振梁均采用圆盘形或方框形结构，通过沿径向的挤压导致谐振器振动，从而使得换能电容两极板的间距变化，输出最大幅度的交变电流信号，实现谐振；其中：公告号为CN101223691，发明名称为《微机电谐振器结构及其设计、操作和使用方法》的专利技术与名称为《1.156-GHz自校准工艺微机械盘式谐振器》(J.Wang，Z.Renand C.T.-C.Nguyen，“1.156-GHz self-aligned vibrating micromechanical diskresonator”，IEEE Trans.Ultrason.，Ferroelect，Freq.Contr，51，pp.1607-1628(2004))的技术即为此类谐振器的典型结构。对于前者，其谐振器的锚点位于环心，由环心伸出四条支撑梁连接矩形环状谐振梁，在矩形边谐振梁四条边的两侧设有驱动电极与感测电极，通过给驱动电极加载激励电压、在感测电极(输出端)上就会产生最大幅度的交变电流信号，实现谐振；该专利技术中，通过在环状谐振梁上打孔以降低对温度变化的敏感性、通过在支撑梁上附加应力应变消除机构以增加隔离度及降低损耗；这些措施虽然可在一定程度上解决现有谐振器损耗大、品质因数低的问题，但由于该专利技术是针对传感器领域所进行的改进，谐振器的工作频率较低(低于100MHz)，因而不能应用于射频/微波等高频领域。而对于后者(图4即为该技术省略基板后的结构示意图)，该谐振器虽然可在高频率下工作，但由于其结构是采用在盘体中心设置锚点(中心支撑轴)的盘式谐振梁，并在盘式谐振梁外围设置环绕式驱动电极的输入端及输出端、而在位于盘式谐振梁顶部的支撑轴上向设置起定位作用的环体；工作时，在驱动电极的输入端加上激励电压以驱动盘式谐振梁作径向挤压式振动，从而导致驱动电极输出端的换能电容变化，产生最大幅度的输出交变电流信号，实现谐振；这种谐振器由于采用中心支撑的方案，因此对盘式谐振梁与中心支撑轴(锚点)的同心度及中心支撑轴的直径要求极高，同心度差及中心支撑轴(锚点)直径过大将会产生杂散振动模态，导致谐振器的频率稳定性变差、能量损耗加大、品质因数下降；而中心支撑轴(锚点)直径过小又会因其轴向刚性差，振动时盘式谐振梁将在水平位置上发生倾斜、严重时甚至造成谐振梁与设于其下部的偏置电极接触而丧失谐振功能；因而此类谐振器又存在加工工艺复杂、加工难度大、生产成本高，且谐振器品质因数、工作的稳定性及可靠性差，使用中维护困难等弊病。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种采用绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器，以减小谐振器的体积、简化生产工艺，降低能量损耗及驱动电压，有效提高品质因数、工作频率和频率的稳定性、通信设备的可靠性，满足现代无线通信系统发展的要求，以及降低成本、提高成品率等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术存在的缺陷，将圆盘式谐振梁(盘)改为底部为圆柱的“扇叶”型谐振梁，并采用带圆柱形凹槽的基座与谐振梁通过面接触式配合(支承)、代替背景技术所采用的支撑轴(锚点)作支承，以有效克服背景技术加工工艺复杂、生产成本高，谐振器工作的稳定性及可靠性差等弊端，同时将各驱动电极工作面与对应扇叶的工作面(端面)组成换能电容变化，以使其在工作产生最大幅度的输出交变电流信号，通过绕轴芯扭转振动实现谐振。因此，本发明谐振器包括基板，含输入端电极和输出端电极的驱动电极，偏置电极，设于驱动电极的输入端与输出端之间及偏置电极上部的谐振梁，接地电极，关键在于基板包括位于顶层且设有圆柱形凹槽的抗干扰绝缘层、(绝缘层)以下依次为接地电容上极板、电介(质)层、接地电容下极板及底板，以上各层依次紧密连接成一体；偏置电极设于抗干扰绝缘层圆柱形凹槽的底部、并通过其导线与设于该绝缘层顶部的偏置导线接头连接成一体，谐振梁则为底部设有圆柱型底座的“扇叶”型谐振梁、该谐振梁通过其上的圆柱型底座嵌入抗干扰绝缘层上的圆柱形凹槽内、与凹槽的圆环面及设于其底部的偏置电极紧贴并可相对轴芯线扭转式连接，驱动电极的输入端电极和输出端电极均分别由两个以谐振梁中心为对称设置的柱状电极组成、各柱状电极顺轴芯线方向至少有一个面为平面，同组电极之间由导线连接成一体，而输入端电极及输出端电极的设置采用：两输入端电极与两输出端电极之间相互间隔90°交叉设置，且各输入端及输出端电极的工作面与谐振梁上对应扇叶的工作面(端面)相互平行、以使两者工作时组成换能电容；各驱动电极导线及偏置电极导线均分别设于基板内、各对应电极(导线)接头则固定于抗干扰绝缘层上部，而接地电极则与接地电容下极板连接后其上部接头亦固定于抗干扰绝缘层顶部。

上述基板中抗干扰绝缘层为二氧化硅(SiO₂)，而底板为高阻抗单晶硅。而所述接地电容上极板、电介(质)层、接地电容下极板，分别为氮化硅、二氧化硅、n型重掺杂多晶硅。所述底部设有圆柱型底座的“扇叶”型谐振梁，谐振梁上部以其中心为对称设置4个叶片，同组电极所对应的两个叶片工作面(端面)位于同一轴截面上。而所述驱动电极中的输入端电极和输出端电极的顶部与谐振梁的顶部位于同一水平面。所述各输入端及输出端电极的工作面与谐振梁对应扇叶上的工作面相互平行所组成的换能电容、在加上激励电压后产生最大幅度的输出交变电流信号，通过绕轴芯扭转振动实现谐振。

本发明由于在基板顶层的抗干扰绝缘层设置圆柱形凹槽与偏置电极及谐振梁底座通过面接触配合，盘式谐振梁的上部设置一组“扇叶”作为致动件、其工作面与对应的驱动电极在工作时组成换能电容，以实现谐振；从而克服了背景技术盘式谐振梁通过中心支撑轴(锚点)支承，对两者的同心度及中心支撑轴的直径要求极高，加工工艺复杂、加工难度大、生产成本高，且谐振器品质因数、工作的稳定性及可靠性差等弊病；因此，本发明具有工作频率高，能量损耗小，品质因数、工作频率和频率的稳定性高，加工工艺简单可靠，使用维护方便，可与现有的电子通信设备配套用于移动通讯、全球定位系统等高频波段无线通信等特点。

附图说明

图1为本发明谐振器结构示意图(轴测图)；

图2为图1的俯视图；

图3为A-A剖视图；

图4为背景技术《1.156-GHz自校准工艺微机械盘式谐振器》结构示意图(轴测图)，图中缺少基板部分。

图中：1.基板，2.谐振梁、2-1.谐振梁底座，3.接地电极，4.(驱动电极)输入端电极、4-1.输入电极接头、4-2.输入电极导线，5.(驱动电极)输出端电极、5-1.输出电极接头、5-2.输出电极导线，6.偏置电极、6-1.偏置电极导线、6-2.偏置电极接头，7.抗干扰绝缘层，8-1.接地电容上极板，8-2.接地电容下极板，9.电介(质)层，10.底板。

具体实施方式

以频率为123MHz的绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器为例：基板1(长×宽×厚)100×100×406μm，其中：抗干扰绝缘层7厚1.0μm、材质为二氧化硅(SiO₂)，其上与谐振梁底座2-1及偏置电极6配合的圆柱形凹槽(半径×深)10×0.8μm；接地电容上极板8-1厚1.2μm、材质为氮化硅(Si₃N₄)，接地电容下极板8-2厚1.0μm、材质为n型重掺杂硅，电介层9厚3μm、材质为二氧化硅(SiO₂)；底板10厚400μm、材质为高阻抗单晶硅(Si)；谐振梁2最大半径为15μm、轴向高3.5μm、材质为多晶硅，谐振梁底座2-1及谐振梁2上扇叶根部半径为10μm，扇叶厚2.0μm、其上的工作面(端面)面积为10μm²；偏置电极6厚0.2μm、其半径亦为10μm；驱动电极的输入端电极4、输出端电极5均为(长×宽×高)4.5×4.5×3μm的立方体电极、材质均为多晶硅，两输入端电极4及两输出端电极5相互交叉、间隔90°设置，各电极工作面正对扇叶工作面且与谐振梁2上的扇叶工作面(端面)平行、间距为200nm；接地电极(头)3本实施方式采用凹槽体、槽体底部与接地电容下极板8-2固定、凹槽内腔(长×宽×厚)为4.8×4.8×4.9μm、壁厚均为0.3μm，接地电极(头)上口部外侧(长×宽)6.0×6.0μm；两输入端电极4通过其导线4-2、两输出电极5通过其导线5-2连接，导线4-2及5-2分设于接地电容上极板8-1及抗干扰绝缘层7内，偏置电极导线6-1亦设于抗干扰绝缘层7内、两端分别与偏置电极6及偏置电极接头6-2连接成一体，各导线(宽×厚)均为3.5×0.2μm；输入电极接头4-1、输入电极导线4-2、输出电极接头5-1、输出电极导线5-2、偏置电极6、偏置导线6-1、偏置电极接头6-2及接地电极3，材质均为金(Au)；本实施方式谐振器采用常规微电子机械(MEMS)技术加工制作。

Claims (6)

1.一种采用绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器，包括基板，含输入端电极和输出端电极的驱动电极，偏置电极，设于驱动电极的输入端与输出端之间及偏置电极上部的谐振梁，接地电极，其特征在于基板包括位于顶层且设有圆柱形凹槽的抗干扰绝缘层、以下依次为接地电容上极板、电介层、接地电容下极板及底板，以上各层依次紧密连接成一体；偏置电极设于抗干扰绝缘层圆柱形凹槽的底部、并通过其导线与设于该绝缘层顶部的偏置导线接头连接成一体，谐振梁则为底部设有圆柱型底座的“扇叶”型谐振梁、该谐振梁通过其上的圆柱型底座嵌入抗干扰绝缘层上的圆柱形凹槽内、与凹槽的圆环面及设于其底部的偏置电极紧贴并可相对轴芯线扭转式连接，驱动电极的输入端电极和输出端电极均分别由两个以谐振梁中心为对称设置的柱状电极组成、各柱状电极顺轴芯线方向至少有一个面为平面，同组电极之间由导线连接成一体，而输入端电极及输出端电极的设置采用：两输入端电极与两输出端电极之间相互间隔90°交叉设置，且各输入端及输出端电极的工作面与谐振梁上对应扇叶的工作面相互平行、以使两者工作时组成换能电容；各驱动电极导线及偏置电极导线均分别设于基板内、各对应电极接头则固定于抗干扰绝缘层上部，而接地电极则与接地电容下极板连接后其上部接头亦固定于抗干扰绝缘层顶部。

2.按权利要求1所述绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器，其特征在于所述基板中抗干扰绝缘层为二氧化硅，而底板为高阻抗单晶硅。

3.按权利要求1所述绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器，其特征在于所述接地电容上极板、电介层、接地电容下极板，分别为氮化硅、二氧化硅、n型重掺杂多晶硅。

4.按权利要求1所述绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器，其特征在于所述底部设有圆柱型底座的“扇叶”型谐振梁，谐振梁上部以其中心为对称设置4个叶片，同组电极所对应的两个叶片工作面位于同一轴截面上。

5.按权利要求1所述绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器，其特征在于所述驱动电极中的输入端电极和输出端电极的顶部与谐振梁的顶部位于同一水平面。

6.按权利要求1所述绕轴芯扭转振动的射频微机电式谐振器，其特征在于所述各输入端及输出端电极的工作面与谐振梁对应扇叶上的工作面相互平行所组成的换能电容、在加上激励电压后产生最大幅度的输出交变电流信号，通过绕轴芯扭转振动实现谐振。

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