CN106992768A - 一种具有多对驱动感应电极的电容式mems谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子科学技术领域，具体提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，用以克服现有电容式谐振器输出电流小、带负载能力差的问题；本发明MEMS谐振器，包括1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点，通过对振动块进行分区掺杂、及输入输出电极掺杂的方法，构造四对驱动感应电极，使谐振器工作时的静电力大幅增加，从而使谐振器的输出电流和最大振动幅度也大幅增加，提高了谐振器的驱动能力。
Description
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，尤其是电容式MEMS谐振器，具体提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS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。静电驱动电容式MEMS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谐振器主要是静电驱动电容式MEMS谐振器，这一类谐振器的工作过程是一个机械能和电能反复交换的过程，根据其工作过程，可以将其结构分为三部分：即输入变换器、机械振子及输出变换器组成；输入变换器将输入的电信号转换成机械信号，机械振子通过其机械振动频率滤出工作信号，输出变换器将机械信号再转换成电信号通过输出电极输出；输入换能和输出换能都是通过机械振子和电极之间的电容进行。上述结构的电容式谐振器的典型问题是振动块与电极间隙小，谐振器的动态阻抗大，导致谐振器的输出电流小，带负载能力差。若利用这种MEMS谐振器来构造振荡器与滤波器势必要采用多级放大电路，才能够构成具有振荡或者选频功能的电路网络，而多级放大电路的使用必然使整个系统的相位噪声和线性度恶化，这些都对MEMS谐振器的实用化形成了一定阻碍，限制了ME MS谐振器在通信和雷达系统中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中电容式谐振器输出电流小，带负载能力差的不足，提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，通过对振动块和电极掺杂的方法，构造四对驱动感应电极，在相同小信号激励下，提高了谐振器的输出电流，从而提高了谐振器的驱动能力。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块分割为1个正方形半导体区与4个梯形半导体区，所述正方形半导体区位于中心、且采用任意掺杂类型，所述4个梯形半导体区围绕正方形半导体区，相邻梯形半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个梯形半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块锚点与电极锚点上均设置外接金属电极、用于连接外部电路。
进一步的，所述4个梯形半导体区为围绕正方形半导体区的环状区域沿振动块的对角线方向分割形成。
一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块沿对角线方向分割为4个半导体区、且相邻半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块锚点与电极锚点上均设置外接金属电极、用于连接外部电路。
需要说明的是，本发明中所述半导体区包括P型掺杂和N型掺杂两种掺杂类型，所述P型半导体区由多晶硅重掺杂三价元素形成、N型半导体区由多晶硅重掺杂五价元素形成。另外，由于谐振器的主要换能区域在振动块外围四个方向的区域，因此振动块中心区域的掺杂类型，即上述两个技术方案具备单一性。
从工作原理上讲，本发明提供的具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器工作时，中心振动块的侧边分别与其对应的输入输出电极形成输入输出换能电容；如图5所示，直流驱动电压VDC分别加载于四个输入输出电极锚点的金属电极(6-1、6-2、6-3、6-4)上，中心振动块的四个锚点的金属电极(5-1、5-2、5-3、5-4)接地；交流信号通路上，四个N型掺杂区域(1-1、1-3、2-2、2-4)作为输入端，四个P型掺杂区域(1-2、1-4、2-1、2-3)作为输出端；电容式MEMS谐振器工作时，输入输出换能电容上，会产生一个交变的静电力Fe：
其中，ε0为真空中介电常数，A为输入输出电极和中心振动块侧面重叠的面积，V为谐振器施加的外部电压，g为输入输出电极和中心振动块之间的间距。
本发明提供的电容式谐振器构造了四个输入端四个输出端，因此，器件在工作时，产生的静电力Fe'为传统电容式谐振器的4倍：
Fe'＝4Fe
由于中心振动块的侧面分别与它们对应的输入输出电极形成输入输出换能电容，通过静电场对电容极板产生的静电力分析：
由谐振器的工作状态可知，当Fe'变为Fe的4倍时，在每一个周期的单位时间Δt内，给谐振器施加的外部电压V和输入输出电极和中心振动块之间间距g的比值不变，因此在静电力增大为原来的4倍的情况下，产生的感应电荷量也增大为原来的4倍：
根据电流的定义，通过导体横截面的电荷量ΔQ跟通过这些电荷量所用的时间Δt的比值称为电流；当Δt时间内的电荷量ΔQ变为原来的4倍时，通过导体横截面的电流也会变为原来的4倍：
因此，由于四对输入输出电极使谐振器工作时的静电力变为原来的4倍，从而使输出电流也增大为原来的4倍，振动产生的信号幅值增加了6db，使得谐振器的驱动性能得到显著提高。
综上所述，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，通过对多晶硅进行掺杂方式，使谐振器中心振动块和输入输出电极的相应位置形成相应类型掺杂的半导体区域；该结构为谐振器构造了四对输入输出电极，使谐振器工作时的静电力大幅增加，从而使谐振器的输出电流和最大振动幅度也大幅增加，提高了谐振器的驱动能力。
附图说明
图1为实施例1提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器的结构示意图(俯视图)；
图2为实施例2提供的一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器的结构示意图(俯视图)；
图3为图1中A-A’连线界面示意图；
图4为图1中B-B’连线界面示意图；
图5为实施例1具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器的驱动电路示意图；
其中：1-1、1-3表示振动块N型掺杂区，1-2、1-4表示振动块P型掺杂区域，1-5表示振动块中心任意类型掺杂区域，2-1、2-3表示N型掺杂的输入/输出电极，2-2、2-4表示P型掺杂的输出/输入电极，3-1、3-3表示N型掺杂的振动块支撑梁，3-2、3-4表示P型掺杂的振动块支撑梁，4-1、4-3表示N型掺杂的输入/输出电极支撑梁，4-2、4-4表示P型掺杂的输出/输入电极支撑梁，5-1、5-2、5-3、5-4表示振动块锚点上的外接金属电极，6-1、6-2、6-3、6-4表示输入输出电极锚点上外接金属电极，7-1、7-3表示N型掺杂的振动块锚点，7-2、7-4表示P型掺杂的振动块锚点，8-1、8-3表示N型掺杂的输入输出电极锚点，8-2、8-4表示P型掺杂的输入输出电极锚点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，如图1、图3、图4所示，包括：振动块、振动块支撑梁、振动块锚点、输入输出电极、电极支撑梁及电极锚点；所述振动块呈正方形、被分割为1个正方形半导体区1-5与4个梯形半导体区1-1、1-2、1-3、1-4，其中梯形半导体区1-1、1-3采用N型掺杂、梯形半导体区1-2、1-4采用P型掺杂、正方形半导体区1-5采用任一类型掺杂，梯形半导体区1-1、1-2、1-3、1-4分别通过对应的振动块支撑梁3-1、3-2、3-3、3-4与振动块锚点5-1、5-2、5-3、5-4相连，振动块支撑梁与对应的梯形半导体区采用相同类型掺杂；输入输出电极2-1、2-2、2-3、2-4分别对应设置于梯形半导体区1-1、1-2、1-3、1-4外侧、且输入输出电极与对应的梯形半导体区采用相反类型掺杂；输入输出电极2-1、2-2、2-3、2-4分别通过电极支撑梁4-1、4-2、4-3、4-4与电极锚点6-1、6-2、6-3、6-4相连。
上述具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器的制备过程如下：
首先在高温环境的N型杂质氛围中，通过热扩散对硅片进行掺杂并达到一定浓度，使整个多晶硅结构成为N型半导体；
然后在硅基片上沉积一层二氧化硅作为掩膜，将二氧化硅刻蚀出需要掺杂为P型半导体区域的图形；并在强电场中，采用离子注入的方式对刻蚀图形化的区域进行高浓度P型离子掺杂，使图形化的区域成为P型半导体区域；再去除表面的二氧化硅掩膜；在硅掺杂工艺完成后，利用反应耦合等离子体刻蚀技术在掺杂后的硅片上刻蚀出振动块、支撑梁、输入输出电极和锚点；然后利用反应溅射得到金属薄膜，刻蚀后得到输入输出电极锚点和振动块锚点上的外接金属电极；
最后再利用深反应离子刻蚀技术从底部将基片二氧化硅绝缘层和基底刻蚀得到基底内腔，使整个结构悬空，最后经封装即成。
MEMS谐振器整体结构采用多晶硅掺杂制作。由于上述谐振器中振动块的尺寸直接决定了谐振器的振动频率，因此，振动块尺寸(长×宽×厚)、支撑梁尺寸(长×宽×厚)、输入输出电极尺寸(长×宽×厚)，以及振动块与输入输出电极的间距，需要根据实际使用需求来确定具体相关尺寸。
实施例2
本实施例提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，如图2所示，其中振动块呈正方形、沿对角线方向分割为4个半导体区1-1、1-2、1-3、1-4，其中半导体区1-1、1-3采用N型掺杂、半导体区1-2、1-4采用P型掺杂，其他结构与实施例1相同。
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)
1.一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块分割为1个正方形半导体区与4个梯形半导体区，所述正方形半导体区位于中心、且采用任意掺杂类型，所述4个梯形半导体区围绕正方形半导体区，相邻梯形半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个梯形半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块锚点与电极锚点上均设置外接金属电极、用于连接外部电路。
2.一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块沿对角线方向分割为4个半导体区、且相邻半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块锚点与电极锚点上均设置外接金属电极、用于连接外部电路。
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| CN111492574A (zh) * | 2018-02-07 | 2020-08-04 | 株式会社村田制作所 | 具有缩小尺寸的微机械谐振器 |
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| CN109546986A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-29 | 中国科学院半导体研究所 | 用于降低能量损耗的rf-mems谐振器支撑结构 |
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| CN114172487A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-03-11 | 华南理工大学 | 一种mems谐振器及其制备方法 |
| CN114172487B (zh) * | 2021-11-05 | 2022-07-26 | 华南理工大学 | 一种mems谐振器及其制备方法 |
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