CN103036527B

CN103036527B - 一种方块式微机械谐振器

Info

Publication number: CN103036527B
Application number: CN201210527711.5A
Authority: CN
Inventors: 鲍景富; 蒋俊文; 杜亦佳; 凌源
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: CN103036527A

Abstract

该发明属于射频通信及微机电系统（MEMS）技术领域中的方块式谐振器。包括振动方块及分别固定于振动方块四边中点的由悬梁与固定梁组成的十字形支撑梁、支撑台，输入及输出电极，二氧化硅层，基底。该发明由于将振动方块通过十字形支撑梁固定于支撑台上，并在悬梁上找出当谐振器处于平面内弯曲振动时的静止点（零位移点）作为十字形支撑梁中悬梁与固定梁的固定点；该发明在仅考虑锚点损耗的情况下平面内弯曲振动模态MEMS谐振器的Q值可较背景技术提高2.5‑3.2倍。因而该发明与背景技术相比具有可进一步提高平面内弯曲振动模态MEMS谐振器的Q值及方块式微机械谐振器的性能，以及可有效提高采用该谐振器的MEMS滤波器的性能等特点。

Description

一种方块式微机械谐振器

技术领域

本发明属于射频通信及微机电系统（MEMS）技术领域中的元器件技术领域，特别是涉及一种带十字支撑梁的微机械平面内弯曲振动方块式谐振器。

背景技术

谐振器广泛应用于滤波器、振荡器等射频电路的核心器件中，是射频电路的基本元件之一。微机械谐振器具有高Q值、小型化、轻量化、低功耗、低成本、与CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺兼容等特点，成为近年来谐振器研究的热点之一。经过二十年左右的研究，微机械谐振器构成的振荡器在国外已经进入批量生产并逐渐产业化，其性能可以满足通信系统、雷达系统等得应用。微机械方块谐振器是近几年提出的一种谐振器结构，它主要用绝缘体上硅（SOI）工艺实现。与梁式谐振器相比他具有更高的Q值，更小的动态阻抗，所以与圆盘谐振器一样成为微机械谐振器比较理想的应用结构。近几年国外对方块谐振器的平面外振动以及侧向振动中的Lamé模态研究的比较多，其中新加坡国立大学设计的Lamé模态方块谐振器中谐振频率为6.35MHz的，Q值达到1700000，这已经接近晶体谐振器的Q值（参见：High-Qbulk-mode SOI square resonators with straight-beam anchors L Khine and Palaniapan2008）。虽然方块有几种振动模态可以用于谐振器设计，但是设计者都选用Lamé模态作为谐振器的谐振模态，这是由于Lamé模态振动时四个角是零振动点，这样只要在这四个点进行支撑就可以很好的降低锚点损耗，用SOI（绝缘体上硅）工艺实现可以达到很高的Q值。在单谐振器，比如振荡器的设计中当然这种模态是最合适的，但是对于具有多个谐振器耦合设计（如滤波器设计）或者谐振器阵列的设计来说，这种模态并不理想，原因也正是四个角是振动零点，不适合作为耦合点，而如果在其它位置，比如四周的中点作为耦合的话就必须要将耦合梁接入处的电极分成两块，牺牲电极与谐振体的相对面积，这对输出幅度的影响是很大的（参见：LowPhase Noise Array-Composite Micromechanical Wine-Glass Disk Oscillator Yu-Wen Lin etc.2005），弯曲振动模态锚点损耗是个重要的难题，这也是目前还没有利用方块的弯曲模态进行谐振器设计的原因。Seungbae Lee等人在（United States Patent,Patent No.:US7990232B1Aug.2,2011）公开了一种采用T形支撑梁或在T形支撑梁的基础上附加一平衡梁作为谐振器的支撑梁，以此达到提高水平面内振动的谐振器Q值的目的，但是此类结构对于弯曲振动模态的Q值提高有限，这是因为上述结构支撑梁中的悬梁与固定梁之间的固定点（连接点）并非为谐振器平面内弯曲振动时的静止点，因而使谐振器很大一部分振动能量经悬梁和固定梁及其支撑台传到基底从而引起能量损耗。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种方块式微机械谐振器，采用十字形支撑梁，并将十字形支撑梁的支撑点、即十字形的交叉点设于振动时的静止点，以达到进一步提高平面内弯曲振动模态MEMS谐振器的Q值及方块式微机械谐振器的性能，进而可有效提高采用该方块式微机械谐振器的MEMS滤波器的性能等目的。

本发明的解决方案是在背景技术基础上，针对因T形类支撑梁的固定点并非为平面内弯曲振动时的静止点而引起能量的损耗，将各T形类支撑梁改为十字形支撑梁，并利用ANSYS软件（有限元仿真软件）进行仿真在悬梁上找出当谐振器处于平面内弯曲振动时的静止点；并将悬梁上该静止点作为十字形支撑梁中悬梁与固定梁的固定点（连接点），振动方块通过十字形支撑梁固定于支撑台上，从而实现其目的。因而本发明方块式微机械谐振器包括振动方块及分别固定于振动方块四边中点的由悬梁与固定梁组成的振动方块支撑梁、支撑台，输入及输出电极，二氧化硅层，基底，关键在于振动方块支撑梁为十字形支撑梁，十字形支撑梁的固定点为振动方块处于平面内弯曲振动时悬梁上的静止点处（位置）；输入电极、输出电极、支撑台分别与二氧化硅层固定成一体，二氧化硅层则紧固于基底上，而振动方块及其十字形支撑梁均悬置于二氧化硅层和基底的内腔上。

上述十字形支撑梁的固定点为振动方块处于平面内弯曲振动时悬梁上的静止点处，该静止点的位置通过ANSYS（有限元仿真）软件仿真在悬梁上找出。

本发明由于将振动方块通过十字形支撑梁固定于支撑台上，并在悬梁上找出当谐振器处于平面内弯曲振动时的静止点（零位移点）作为十字形支撑梁中悬梁与固定梁的固定点（连接点）；因而具有可进一步提高平面内弯曲振动模态MEMS谐振器的Q值及方块式微机械谐振器的性能，以及可有效提高采用该方块式微机械谐振器的MEMS滤波器的性能等特点，本发明在仅考虑锚点损耗的情况下平面内弯曲振动模态MEMS谐振器的Q值可较背景技术提高2.5-3.2倍。

附图说明

图1为本发明方块谐振器结构示意图（俯视图）；

图2为图1剖视图（A-A视图）；

图3.本发明具体实施方式与背景技术振动形态ANSYS仿真对比图（图a为背景技术，图b为本发明具体实施方式）。

图中：1-1.振动方块、1-2.（与振动方块连接的）悬梁、1-3.固定梁、1-3.1.支撑台,2-1.输入电极、2-2.输出电极，3.（输入/输出电极与振动方块之间的耦合）间隙,4.二氧化硅层、4.1.二氧化硅层内腔，5.凹槽，6.（绝缘）基底，7.基底内腔，C为静止点（零位移点）。

具体实施方式：

本实施方式采用市售（已经制作好）的SOI基片制作方块谐振器，该SOI基片由400μm厚的玻璃作绝缘基底6，二氧化硅层4厚2μm以及25μm厚的多晶硅层组成。

本实施方式以边长为800×800μm、频率为10MHz的弯曲模态方块谐振器为例：振动方块1的边长343μm，（与振动方块连接的）悬梁1-2长70μm、宽为W₁=8μm，固定梁1-3长142.8μm、宽4μm，本实施方式静止点C的位置利用ANSYS软件（有限元仿真软件）确定其位于悬梁1-2上与振动方块1的距离为53.5μm处。

首先对多晶硅层用DRIE（深反应离子刻蚀）刻蚀出振动方块1-1、悬梁1-2和固定梁1-3，其中谐振方块1-1、悬梁1-2、固定梁1-3与支撑台1-3.1是连成一体的；输入电极2-1和输出电极2-2在多晶硅层上是与其它结构分离的，它与谐振方块1-1之间形成了很窄的耦合间隙3；然后从（绝缘）基底6中刻蚀出基底内腔7，最后用氢氟酸腐蚀出二氧化硅层内腔4.1，使振动方块1、悬梁1-2以及固定梁（1-3）呈悬空状；最后经常规封装即成。

附图3即为本实施方式与背景技术在10MHz及同样的尺寸下的振动形态ANSYS仿真对比图（图a为背景技术振动形态，图b为本发明具体实施方式振动形态）。利用ANSYS仿真我们得到对于10MHz水平面弯曲振动方块谐振器在仅考虑锚点损耗的情况下本实施方式的Q值从背景技术的75700提高到217500，提高了近2.9倍。

Claims

1.一种方块式微机械谐振器，包括平面内弯曲振动模态的振动方块及分别固定于振动方块四边中点的由悬梁与固定梁组成的振动方块支撑梁、支撑台，输入电极及输出电极，二氧化硅层，基底，其特征在于平面内弯曲振动模态的振动方块支撑梁为十字形支撑梁，十字形支撑梁的固定点为振动方块处于平面内弯曲振动时悬梁上的静止点处；输入电极、输出电极、支撑台分别与二氧化硅层固定成一体，二氧化硅层则紧固于基底上，而振动方块及其十字形支撑梁均悬置于二氧化硅层和基底的内腔上。

2.按权利要求1所述方块式微机械谐振器，其特征在于所述固定点为振动方块处于平面内弯曲振动时悬梁上的静止点处，该静止点的位置通过ANSYS软件仿真在悬梁上找出。