CN105391420A - 一种具有低插入损耗的mems压电谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频通信及微机电系统中的元器件技术领域，涉及一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，该谐振器采用叉指形状的输入、输出换能电极，使得谐振块上施加的驱动力分布更加均匀，解决了由于宽度增加带来的电极换能器应力分布不均匀的问题，包括基底、支撑台、谐振块、支撑梁，所述谐振块上设置压电薄膜，压电薄膜上设置输入、输出换能电极，输入、输出换能电极通过位于支撑梁上的金属走线与位于支撑台上的外部互连金属区连接导通，其特征在于，所述输入、输出换能电极呈叉指形状分布。本发明压电谐振器，在谐振频率不改变的情况下，通过增加谐振块的宽度w来减小动态阻抗R、并提升品质因数，进而大大降低谐振器的插入损耗。

Description

一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器

技术领域

本发明属于射频通信及微机电系统(MEMS)中的元器件技术领域，特别是涉及一种具有低插入损耗的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谐振器的谐振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，等效电路模型计算公式如下式所示，等效的动态阻抗R引起插入损耗，动态阻抗R值越大将引起更大的插入损耗：

$R=\frac{n\mathrm{\π}h\sqrt{E\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{Qd}}_{31}^2{E}_p^{2}w}$

其中，R为动态阻抗，Q为品质因素，n为模态阶数，h为谐振块厚度，w为谐振块宽度，ρ为谐振块材料密度，d₃₁为压电薄膜换能系数，E_p为压电薄膜杨氏模量，E为单晶硅杨氏模量；从上式可以看到动态电阻R随着谐振块宽度w的增加而减小，从而有利于降低谐振器的插入损耗。

目前，常规MEMS压电谐振器采用单边电极的输入输出换能器结构，其结构如图1所示，包括绝缘基底、设置于基底上的支撑台、谐振块、用于连接谐振块与支撑台的支撑梁，所述谐振上设置压电薄膜，压电薄膜上设置输入、输出单电极，输入、输出单电极通过位于支撑梁上的金属走线与位于支撑台上的外部互连金属区连接导通，金属走线与支撑梁、外部互连金属区与支撑台以及支撑台与绝缘基底之间均设置有二氧化硅绝缘层。实际工作中，为了进一步减小MEMS压电谐振器的插入损耗，常采用增加谐振块宽度的设计，但当谐振块宽度增加过大时，会引入交变力分布不均匀的问题，使得谐振体横向上存在应力梯度，从而导致谐振器的品质因数Q值明显降低，不利于减小MEMS压电谐振器的插入损耗。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的不足提供一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，该MEMS压电谐振器采用叉指形状电极输入输出换能器结构，在实际工作中，能够保证谐振器谐振块宽度w增加时，进一步提高品质因数。

为实现上述目的，本发明采用的技术为：

一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，包括基底、设置于基底上的支撑台、谐振块、用于连接谐振块与支撑台的支撑梁，所述谐振块上设置压电薄膜，压电薄膜上设置输入、输出换能电极，输入、输出换能电极通过位于支撑梁上的金属走线与位于支撑台上的外部互连金属区连接导通，其特征在于，所述输入、输出换能电极呈叉指形状分布。

进一步的，所述谐振块采用单晶硅材料，呈长方形，工作在1阶侧向振动模态。

所述基底与支撑台之间、支撑台与外部互连金属区之间以及支撑梁与金属走线之间都设置有二氧化硅绝缘层。

需要说明的是：本发明采用叉指形状分布的输入、输出电极，输入、输出电极与其下方的压电薄膜层及单晶硅谐振块共同构成叉指形状输入、输出换能器结构；在谐振块宽度增大时，其指条数越多，其应力分布越均匀。

从工作原理上说明：本发明提供谐振器工作在一阶侧向模态，谐振频率f由单晶硅谐振块的长度L、杨氏模量E和材料密度ρ决定，因此谐振频率f与长度L、杨氏模量E和材料密度ρ的关系式为：

$f=\frac{1}{2L}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}$

根据设计的中心频率不同，谐振块的长度可以在数微米至数百微米内自由选择。

本发明提供一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，该压电谐振器，在谐振频率不改变的情况下，通过增加谐振块的宽度w来减小动态阻抗R、并进一步提升品质因数，进而大大降低谐振器的插入损耗。该谐振器采用叉指形状的输入、输出换能电极，使得谐振块上施加的驱动力分布更加均匀，解决了由于宽度增加带来的电极换能器应力分布不均匀的问题，在增加谐振块的宽度w同时提升品质因数Q值，大大降低谐振器插入损耗。

附图说明

图1为传统1阶侧向振动模态的MEMS压电谐振器结构示意；

图2为本发明1阶侧向振动模态的MEMS压电谐振器结构示意图；

图3为图2的东南等轴侧视图；

图4为图2的A－A＇剖面图；

图5为单电极谐振器振动时垂直方向上的位移电流密度分布图；

图6为叉指电极谐振器振动时垂直方向上的位移电流密度分布图；

图7为单电极10MHz谐振器S21参数测试结果图；

图8为叉指条数为12的交指电极10MHz谐振器S21参数测试结果图；

图中，1为谐振块，2为压电薄膜，3-1为输出端压电换能器上电极，3-2为输入端压电换能器上电极，4-1、4-2为金属连接走线，5-1、5-2为用于外部互连的金属区，6-1、6-2为支撑梁上二氧化硅绝缘层，7-1、7-2为支撑梁，8-1、8-2为支撑台上二氧化硅绝缘层，9-1、9-2为支撑台，10-1、10-2为基底二氧化硅绝缘层，11-1、11-2为(绝缘)基底，12为二氧化硅内腔，13为基底内腔。

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。

本实施例中，采用SOI基片制作谐振器，该SOI基片由较厚的多晶硅基底，1μm的二氧化硅绝缘层和10μm的高掺杂单晶硅结构层组成，本实施例中具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，其结构如图2、图3、图4所示，

包括绝缘基底11-1、11-2，设置于基底上的支撑台9-1、9-2，基底与支撑台之间对应设置有基底二氧化硅绝缘层10-1、10-2，支撑台9-1、9-2对应设置有外部互连金属区5-1、5-2，支撑台9-1、9-2与外部互连金属区5-1、5-2之间设置二氧化硅绝缘层8-1、8-2，谐振块1通过支撑梁7-1、7-2与支撑台连接为一体，谐振块1上覆盖压电薄膜2，压电薄膜2上设置输出端压电换能器上电极3-1与输入端压电换能器上电极3-2、并通过位于支撑梁上的金属连接走线4-1、4-2对应连接外部互连金属区5-1、5-2，输出端压电换能器上电极3-1与输入端压电换能器上电极3-2呈叉指形状分布、指条数为8，支撑梁上的金属连接走线4-1、4-2之间对应设置二氧化硅绝缘层6-1、6-2，基底及基底上二氧化硅绝缘层对应刻蚀出二氧化硅内腔12和基底内腔13，使整个结构悬空。

如图5所示为传统单电极谐振器振动时垂直方向上的位移电流密度分布，从图中能够看到出现明显的不均匀，而如图6所示为本发明叉指电极谐振器振动时垂直方向上的位移电流密度分布，与图5比较有明显的改善，位移电流密度分布更均匀，图中电极指条数为12。再对传统单电极谐振器与本发明本发明叉指电极谐振器分别进行S21参数测试，其结果如图7、图8所示。通过图7中普通电极10MHz谐振器S21参数测试结果与图8中交指电极数量为12的10MHz谐振器S21参数测试结果的比较，可以得到12个交指电极谐振器比普通电极的谐振器的S21参数有6dB的提升，同时在品质因数Q上有45％的提升。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，包括基底、设置于基底上的支撑台、谐振块、用于连接谐振块与支撑台的支撑梁，所述谐振块上设置压电薄膜，压电薄膜上设置输入、输出换能电极，输入、输出换能电极通过位于支撑梁上的金属走线与位于支撑台上的外部互连金属区连接导通，其特征在于，所述输入、输出换能电极呈叉指形状分布。

2.按权利要求1所述具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，其特征在于，所述谐振块采用单晶硅材料，呈长方形，工作在1阶侧向振动模态。

3.按权利要求1所述具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，其特征在于，所述基底与支撑台之间、支撑台与外部互连金属区之间以及支撑梁与金属走线之间都设置有二氧化硅绝缘层。