CN104821800B - 一种利用双谐振单元抵消馈通量的mems压电谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微机械系统(MEMS)器件设计制造领域，提出了一种降低馈通电容影响的MEMS压电谐振器，包括差分输入/输出结构和两个MEMS压电谐振单元；其特征在于，所述两个MEMS压电谐振单元中，一个在硅基底及二氧化硅绝缘层上对应于振动块和支撑梁的位置刻蚀有空腔，另一个未开设有空腔。与传统的MEMS谐振器相比，该结构通过引入差分输入/输出结构，使两个谐振器的馈通信号在输出端实现相减进而产生抵消作用，从而实现降低馈通电容影响的作用，提高谐振器的能量转换效率，使其具有更好的选频特性，并抑制谐振器的输出杂散。

Description

一种利用双谐振单元抵消馈通量的MEMS压电谐振器
技术领域
本发明属于微机械系统(MEMS)器件设计制造领域，特别涉及MEMS谐振器的设计、制造，具体为一种利用双谐振单元抵消馈通量的MEMS压电谐振器。
背景技术
随着电子设备对高性能、微小型化的进一步要求，电子元器件都在向高性能、低成本、低功耗的方向发展。高Q值，小型化的谐振器成为未来电子通信系统片上化和小型化的瓶颈。MEMS压电谐振器是一种使用MEMS技术制作的基于机械振动的高性能RF压电谐振器器件，输入的电学信号通过机电耦合转化为机械振动，滤波功能在机械域完成，之后再将机械信号转化为电学信号输出，因而具有非常好的频率选择特性。这种MEMS谐振器的振动块大多采用半导体材料制造，谐振器的输入能量转换结构、输出能量转换结构都与振动块直接相连，在谐振器的输入与输出之间存在着一个可传输信号的寄生馈通电容结构，它的存在使部分输入的电能信号，未经过谐振器转换为机械能而后再转化为电能信号输出，而是直接从输入端经过馈通电容被传递到输出端，降低了谐振器工作的能量转换效率；同时由于该寄生电容的存在，谐振器几乎允许输入信号的各频率分量大部分通过，这样的结果使谐振器的选频特性变差，导致输出的杂散量增多。当这种谐振器作为振荡器的一部分来工作时，一旦该馈通电容大到一定程度，未经选频的信号会淹没系统所需要的选频信号，导致振荡器无法工作。若采用上述的谐振器来构造通信系统或者雷达系统中常用的振荡器和滤波器等器件，势必会对系统工作性能造极其不利的影响。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的不足，提出了一种降低馈通电容影响的MEMS压电谐振器，与传统的MEMS谐振器相比，该结构包含两个MEMS压电谐振器，其中一个刻蚀掉谐振块及其支撑梁下硅基底及预埋的氧化层,另一个保留谐振块及其支撑梁下的硅基底及预埋的氧化层。通过引入差分输入/输出结构，使两个谐振器的馈通信号在输出端实现相减进而产生抵消作用。本发明采用的技术方案为：
一种利用双谐振单元抵消馈通量的MEMS压电谐振器，包括差分输入/输出结构和两个MEMS压电谐振单元；每个MEMS压电谐振单元包括一个振动块，振动块通过两个左右对称分布的支撑梁与支撑台连接、设置在预设有二氧化硅绝缘层的硅基底上，振动块上表面设有压电薄膜，在压电薄膜上设有输入、输出电极，输入、输出电极与压电薄膜、振动块分别构成输入、输出端压电换能器；其特征在于，所述两个MEMS压电谐振单元中，一个在硅基底及二氧化硅绝缘层上对应于振动块和支撑梁的位置刻蚀有空腔，另一个未开设有空腔。
进一步的，所述MEMS压电谐振单元中输入、输出电极分别通过金属走线与外部互连金属端连接导通，金属走线对应设置在支撑梁上、外部互连金属端对应设置在支撑台上，金属走线和外部互连金属端与支撑梁和支撑台之间还设有绝缘层、不形成直接接触。
进一步的，所述两个MEMS压电谐振单元的两路输出端信号经过差分结构完成信号相减后输出。
另外，上述利用馈通抵消技术的MEMS压电谐振器，谐振器采用SOI工艺中单晶硅层制作振动块,支撑梁以及各个电极结构层，并且谐振频率f由单晶硅振动块的长度L决定，二者的关系式为其中E为材料的杨氏模量，ρ为材料密度。根据设计的中心频率不同，谐振块的设计长度可以在数微米至数百微米内自由选择。谐振块的振动模态如图9所示，0°时没有相移，90°时沿长度L方向拉伸达到最大，此后长度回缩，180°时回复到零位移状态，此后沿长度L方向压缩，在270°时长度压缩至最短，此后长度回伸到0°时的状态，继续以此循环。
本发明的有益效果是：
本发明提供的利用双谐振单元抵消馈通量的MEMS谐振器，其实质是利用一个可动谐振单元和一个固定谐振单元，将谐振器馈通电容引起的分量利用差分输入/输出结构的作用进行相减，从而实现降低馈通电容影响的作用，提高谐振器的能量转换效率，使其具有更好的选频特性，并抑制谐振器的输出杂散。
附图说明
图1为本发明谐振器可行结构的示意图(俯视图)；
图2为本发明的有基底内腔的谐振器A-A截面示意图；
图3为本发明的无基底内腔的谐振器A-A截面示意图；
图4为本发明谐振器带差分输入结构的原理图；
图5为本发明谐振器带差分输入结构的等效电路图；
图6为本发明谐振器带差分输出结构的原理图；
图7为本发明谐振器带差分输出结构的等效电路图；
图8为本发明的谐振器的简化后的等效电路图(消除馈通电容影响)；
图9为本发明的谐振器振动模态在不同相位时的位移示意图；
图中：1：体硅材料振动块，2-1、2-2：体硅材料支撑梁，3：压电薄膜，4-1：输入端压电换能器金属上电极，4-2：输出端压电换能器金属上电极，5-1、5-2：金属连接走线，6-1、6-2：用于外部互连的金属区，7-1、7-2：体硅层刻蚀区域，8-1、8-2：二氧化硅绝缘层，9-1、9-2：支撑台，10-1、10-2：基片二氧化硅绝缘层，11、11-1、11-2：硅基底，12：基片二氧化硅绝缘层空腔，13：硅基底内腔。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例采用SOI基片制作压电谐振器，该SOI基片由较厚的多晶硅基底，1μm的二氧化硅绝缘层和10μm的单晶硅结构层组成。
器件制作时，悬空的MEMS压电谐振单元的制作过程是：首先在单晶硅上生长一层二氧化硅绝缘层，涂抹光刻胶光刻后用反应离子刻蚀得到形状8-1、8-2；然后利用反应溅射得到压电薄膜，再利用湿法刻蚀得到形状3；然后利用反应溅射得到金属薄膜，刻蚀得到输入输出换能电极4-1、4-2，金属连接走线5-1、5-2，与外部互连金属区域6-1、6-2；然后利用反应离子硅深刻蚀技术在10μm的单晶硅上刻蚀出振动块1，支撑梁2-1、2-2，形成体硅层刻蚀区域7-1、7-2。振动方块1，支撑梁2-1、2-2和支撑台9-1、9-2连成一体，最后再利用反应离子硅深刻蚀技术从底部将基底11刻蚀出基底内腔13，将基片二氧化硅绝缘层10-1、10-2刻蚀出基片二氧化硅绝缘层内腔12，使整个结构悬空。
形成的悬空的MEMS压电谐振单元结构如图1所示，包括一个由振动块1，振动块1采用两个左右对称分布的支撑梁2-1和2-2架空设置在硅基底上，即刻蚀有基底内腔13和基片二氧化硅绝缘层空腔12；在振动块1表面上方有压电薄膜3，在压电薄膜3上方有左右两块金属层4-1和4-2，其中4-1与中间的压电层及下方的振动块组成谐振器的输入端压电换能器,4-1是换能器上电极,振动块为下电极,同理4-2与中间的压电层及下方的振动块组成谐振器的输出端压电换能器；在单晶硅的支撑梁结构和支撑台上方沉积有二氧化硅绝缘层8-1和8-2，用于将上方的金属层走线5-1、5-2及用于外部互连金属区域6-1、6-2和单晶硅层隔离开,不形成直接接触；输入信号通过外部金属互连金属区域6-1、金属走线5-1传输至输入换能器上电极4-1，输入换能器将电信号转换为机械信号，机械信号再经由输出换能器转换为输出电学信号，输出信号从输出换能器上电极4-2经金属走线5-2、外部金属互连区域6-2输出。
固定的MEMS压电谐振单元的制作过程与悬空的谐振器相比，不需要利用反应离子硅深刻蚀技术刻蚀基底内腔13和基片二氧化硅绝缘层内腔12，从而使整个结构固定在基底上。

Claims (2)

1.一种利用双谐振单元抵消馈通量的MEMS压电谐振器，包括差分输入/输出结构和两个MEMS压电谐振单元；每个MEMS压电谐振单元包括一个振动块，振动块通过两个左右对称分布的支撑梁与支撑台连接、设置在预设有二氧化硅绝缘层的硅基底上，振动块上表面设有压电薄膜，在压电薄膜上设有输入、输出电极，输入、输出电极与压电薄膜、振动块分别构成输入、输出端压电换能器；其特征在于，所述两个MEMS压电谐振单元中，一个在硅基底及二氧化硅绝缘层上对应于振动块和支撑梁的位置刻蚀有空腔，另一个未开设有空腔；对于差分输入结构，信号输入经过差分输入结构分成两路进入两个MEMS压电谐振单元；对于差分输出结构，两个MEMS压电谐振单元的两路输出端信号经过差分结构完成信号相减后输出。
2.按权利要求1所述MEMS压电谐振器，其特征在于，所述MEMS压电谐振单元中输入、输出电极分别通过金属走线与外部互连金属端连接导通，金属走线对应设置在支撑梁上、外部互连金属端对应设置在支撑台上，金属走线和外部互连金属端与支撑梁和支撑台之间还设有绝缘层、不形成直接接触。
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