CN105871351A - 一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子科学技术领域，涉及MEMS压电谐振器，具体提供一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，包括振动块、四条支撑梁、四个支撑台及基底，所述振动块由输入端P型半导体区、N型半导体区和输出端P型半导体区构成，所述输入端P型半导体区、输出端P型半导体区分别位于振动块的对角，连接振动块各区的支撑梁与振动块对应区采用相同掺杂类型，振动块上覆盖压电层，输入、输出金属电极置于压电层上，所述压电层部分覆盖振动块，使得输入金属电极与输入端P型半导体区电气连通，输出金属电极与输出端P型半导体区电气连通。本发明结构能够大大减小了由传统支撑梁较大宽度带来的锚点损耗，有效的提高了谐振器的品质因数Q。

Description

一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器
技术领域
本发明属于电子科学技术领域，涉及射频微机电系统(RF MEMS)器件，尤其是MEMS压电谐振器。
背景技术
谐振器是电子设备中的关键器件之一，目前电子设备中使用的主要是石英晶体谐振器，但随着对电子设备高性能、小型化的进一步要求，石英晶体谐振器的大体积、高功耗和无法与IC工艺兼容等缺点变得非常凸显。MEMS压电谐振器是一种基于微机械工艺和微机械振动的高性能谐振器器件，它具有体积小、低功耗、与IC工艺兼容的优点，使得其在系统小型化发展过程中具有良好的前景。
目前研究较多的MEMS谐振器主要是微机械压电式谐振器，这一类谐振器将输入电信号通过能量转换结构转换为机械信号，再通过能量转换结构将机械信号转换为电信号输出。该谐振器的压电层与振动块是一个整体，由于需要输入、输出和接地的通道，因此通常采用在支撑梁上生长一层二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上蚀刻出金属连接走线连接到外部支撑台；但由于各材料层在刻蚀时存在对准误差，因此下层材料在设计上需要留有边缘冗余防止上层材料由于未对准导致的塌陷，这种设计会造成支撑梁最下层的单晶硅的宽度远大于最上层金属层的最小线宽，当谐振器机械振动时，有更多的能量在锚点处通过支撑梁耗散出去，使得谐振器的锚点损耗增大，从而严重限制了谐振器品质因数Q的提高，势必对谐振器性能的进一步提升造成影响。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的不足，提供一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，在振动块存储的总能量Es一定的情况下，通过大幅减小支撑梁的宽度来减小锚点损耗，达到减小每个振动周期内耗散能量Ed的目的，从而提升谐振器的品质因数Q：
Q = 2 π E s E d .
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，包括振动块、四条支撑梁、四个支撑台及基底，所述振动块通过四条支撑梁2-1、2-2、2-3、2-4分别与对应支撑台5-1、5-2、5-3、5-4电气连通，所述支撑台对应设置于基底8-1、8-2上，支撑台上分别设置外接金属电极6-1、6-2、6-3、6-4，支撑台与基底之间设有绝缘氧化层7-1、7-2；其特征在于，所述振动块由输入端P型半导体区1-1、N型半导体区1-2和输出端P型半导体区1-3构成，所述输入端P型半导体区1-1、输出端P型半导体区1-3分别位于振动块的对角，连接振动块的支撑梁分别与其相连的振动块对应区采用相同掺杂类型，振动块上覆盖压电层3，输入、输出金属电极4-1、4-2置于压电层上，所述压电层3部分覆盖振动块，使得输入金属电极4-1与输入端P型半导体区1-1电气连通，输出金属电极4-2与输出端P型半导体区1-3电气连通。
进一步的，所述振动块由硅晶体通过重掺杂工艺形成，所述输入端P型半导体区1-1、输出端P型半导体区1-3通过五价元素重掺杂形成，所述N型半导体区1-2通过三价元素重掺杂形成。
所述压电层3为压电薄膜。
从原理上讲，本发明提供的一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，由于本发明采用四条支撑梁结构，因此设定振动为二阶模态。设振动块的长度为L，根据二阶模态的伸缩振动情况，振动体一侧的两条支撑梁中心分别位于1/4L和3/4L处，并设支撑梁宽度为Wt；采用硅晶体掺杂制作振动块1-1、1-2、1-3，支撑梁2-1、2-2、2-3、2-4及对应的支撑台5-1、5-2、5-3、5-4；谐振频率f由硅晶体掺杂的振动块的长度L、杨氏模量E、材料密度ρ和振动模态n决定，其关系式为：
f = n 2 L E ρ , n = 1 , 2 , 3 ...
由于杨氏模量E和材料密度ρ是一定的，由于振动在二阶模态，故n＝2；因此，谐振器设计的中心频率f可由其设计长度L来确定，其具体数值可以在几微米至几百微米内自由选择。
本发明提供的一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，振动块的输入区1-1和输出区1-3的硅重掺杂为P型，其余区域1-2硅重掺杂为N型；同时，输入输出金属电极4-1和4-2分别与输入输出端1-2和1-3以欧姆接触的方式相连，而欧姆接触的接触面电阻值远小于半导体本身的电阻，因此电流可以通过掺杂半导体中的载流子传到金属电极。压电层3将金属电极4-1和4-2与振动块的N型半导体区域1-2隔开，形成金属与地的隔离。相对输入信号的电压幅值，PN结的正向导通电压较高，因此信号不会通过PN结传到振动块N型区域1-2，而是通过连接振动块与压电薄膜的金属电极9-1传到输入金属电极4-1，形成输入端的完整信号通路，而输出端原理与此类似。
当谐振器工作时，输入信号从外接金属电极6-3进入谐振器，由于半导体区域为重掺杂，因此信号由载流子通过支撑台5-3、支撑梁2-3到达振动块输入端1-1，由于半导体与金属的欧姆接触方式，使得接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，又由于PN结有较高的导通电压，因此输入信号将通过连接振动块与压电薄膜的金属电极9-1传到输入金属电极4-1，导致压电层3的以输入信号的频率振动，带动振动块产生谐振，从而在输出电极4-2产生感应电动势，即产生输出信号，输出信号通过相同的方式传出谐振器。
本发明提供的一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，其结构中由于不再需要在支撑梁2-1，2-2，2-3和2-4上生长一层二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上蚀刻出金属连接走线连接到外部；因此传统谐振器结构的支撑梁刻蚀时需要三张掩膜版，设计下层材料的掩膜版线宽时需要留有冗余宽度以防止对准误差，因此支撑梁宽度较大。而对于本专利设计，只需要使用一张掩膜版进行刻蚀，就可得到整个支撑梁结构，使得支撑梁2-1，2-2，2-3和2-4的宽度Wt可以减小到1至2微米；由于锚点与振动体相连，在振动体机械振动的过程中，不断有能量通过锚点耗散出振动体，使得每个振动周期内耗散能量Ed增大，降低了Q值；因此，采用本发明结构，大大减小了由传统支撑梁较大的宽度带来的锚点损耗，有效的提高了谐振器的品质因数Q；同时，由于器件中存在地结构，功率容量更大，大输入信号下不易出现非线性传输特性。
附图说明
图1为本发明提供的一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器的结构示意图(东南等轴侧视图)。
图2为图1的正南俯视图。
图3为图2中A-A’连线界面示意图。
图4为图2中隐藏金属电极4-1和4-2、连接振动块与压电薄膜的金属电极9-1和9-2和外接金属电极6-1，6-2，6-3和6-4后的结构示意图(俯视图)。
图5为图2中隐藏压电层3、金属电极4-1和4-2、连接振动块与压电薄膜的金属电极9-1和9-2和外接金属电极6-1，6-2，6-3和6-4后的结构示意图(俯视图)。
图6为本发明提供的一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器的等效电路图。
图7为实施例仿真得到的品质因数与支撑梁宽度的对应关系。
图中：1-1、1-2、1-3表示振动块的输入端P型半导体区、N型半导体区和输出端P型半导体区，2-1、2-2、2-3、2-4表示支撑梁，3表示压电层，4-1、4-2表示输入、输出金属电极，5-1、5-2、5-3、5-4表示支撑台，6-1、6-2、6-3、6-4表示外接金属电极，7-1、7-2表示绝缘氧化层，8-1、8-2表示基底，9-1、9-2表示过渡连接金属电极，10表示刻蚀后产生的基底空腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供的一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，本实施例中，以工作在2阶模态的10MHz谐振器为例，谐振器长度L约为840um，采用SOI基片制作，SOI基片由多晶硅基底(约500um)，1μm厚的二氧化硅绝缘层(绝缘氧化层)和10μm厚度的单晶硅结构层组成。
其结构如图1-图5所示，包括振动块、四条支撑梁、四个支撑台及基底，所述振动块通过四条支撑梁2-1、2-2、2-3、2-4分别与对应支撑台5-1、5-2、5-3、5-4电气连通，支撑台5-1、5-2对应设置于基底8-1上，支撑台5-3、5-4对应设置于基底8-2上，支撑台5-1、5-2、5-3、5-4上对应设置外接金属电极6-1、6-2、6-3、6-4，支撑台与基底之间设有绝缘氧化层7-1、7-2；其特征在于，所述振动块为矩形，振动块由输入端P型半导体区1-1、N型半导体区1-2和输出端P型半导体区1-3构成，所述输入端P型半导体区1-1、输出端P型半导体区1-3分别位于矩形振动块的一角，且呈对角关系，如图5所示，连接振动块各区的支撑梁与振动块对应区采用相同掺杂类型，而对应的支撑台是否采用相同掺杂类型均可，而本实施例中采用相同掺杂类型，即支撑梁2-3及对应支撑台5-3连接输入端P型半导体区1-1、则支撑梁2-3及对应支撑台5-3采用相同P型半导体，以此类推；振动块上覆盖压电薄膜3，输入、输出金属电极4-1、4-2置于压电薄膜上，所述压电薄膜3部分覆盖振动块(压电薄膜尺寸略小于振动块，部分覆盖输入端P型半导体区1-1、N型半导体区1-2和输出端P型半导体区1-3，露出部分输入端P型半导体区1-1、N型半导体区1-2和输出端P型半导体区1-3，如图4所示)，使得输入金属电极4-1与输入端P型半导体区1-1电气连通，输出金属电极4-2与输出端P型半导体区1-3电气连通，即输入端P型半导体区1-1通过过渡连接金属电极9-1与输入金属电极4-1电气连接，输出端P型半导体区1-3通过过渡连接金属电极9-2与输入金属电极4-2电气连接。
采用有限元分析软件COMSOL针对不同支撑梁宽度谐振器的锚点损耗进行仿真。具体仿真方法为：通过在锚点周围设置一圈完美匹配层的实体来模拟实际无穷远的基座边界，可以将从锚点传播出的振动能量实现无反射的全吸收；构建机械模型时设定支撑梁宽为一定值，在输入端电极施加相同功率不同频率的电压信号，可以得到输出信号的幅值-频率响应；输出信号功率最强点频率即为谐振频率点f0，谐振频率点左右两侧输出信号功率衰减为最高功率二分之一的频率分别为f1,f2；3dB带宽可由f2-f1得到，再根据品质因数的定义Q＝f0/(f2-f1)，可以计算得到该支撑梁宽度下对应的品质因数。通过对多个支撑梁宽度值的模型仿真计算，得到品质因数与支撑梁宽度的对应关系如图7所示：当支撑梁宽度为2um时，品质因数达到84890，约为支撑梁宽度为10um时品质因数的19倍。基于此可知，本发明结构能够显著提高谐振器的品质因数Q。
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 (2)

1.一种窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，包括振动块、四条支撑梁、四个支撑台及基底，所述振动块通过四条支撑梁(2-1、2-2、2-3、2-4)分别与对应支撑台(5-1、5-2、5-3、5-4)电气连通，所述支撑台对应设置于基底(8-1、8-2)上，支撑台上分别设置外接金属电极(6-1、6-2、6-3、6-4)，支撑台与基底之间设有绝缘氧化层(7-1、7-2)；其特征在于，所述振动块由输入端P型半导体区(1-1)、N型半导体区(1-2)和输出端P型半导体区(1-3)构成，所述输入端P型半导体区(1-1)、输出端P型半导体区(1-3)分别位于振动块的对角，连接振动块的支撑梁分别与其相连的振动块对应区采用相同掺杂类型，振动块上覆盖压电层(3)，输入、输出金属电极(4-1、4-2)置于压电层上，所述压电层(3)部分覆盖振动块，使得输入金属电极(4-1)与输入端P型半导体区(1-1)电气连通，输出金属电极(4-2)与输出端P型半导体区(1-3)电气连通。
2.按权利要求1所述窄支撑梁高品质因数的压电谐振器，其特征在于，所述振动块及其对应相连的支撑梁由硅晶体通过重掺杂工艺形成，所述输入端P型半导体区(1-1)及其对应相连的支撑梁(2-3)、输出端P型半导体区(1-3)及其对应相连的支撑梁(2-2)通过五价元素重掺杂形成，所述N型半导体区(1-2)及其对应相连的支撑梁(2-1和2-4)通过三价元素重掺杂形成。
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