CN110289823B - 一种微机械谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机械谐振器。通过对微机械谐振器几何尺寸优化设计，减小微机械谐振器谐振振子与支撑梁边界处的机械振动，从而减小微机械谐振器的能量损耗；通过在谐振器结构层设计隔离框架结构，以及在谐振器的衬底硅片底部刻蚀出凹槽或凹腔结构，减小封装应力对谐振器性能的影响，提高微机械谐振器的长期稳定性。对特定材料、特定频率和特定模态的微机械谐振器，其谐振振子长度在某一特定值时，谐振振子与支撑梁边界处的机械振动最小。当改变谐振振子中的某层材料的厚度，谐振振子长度为另一优化值。
Description
技术领域
本发明属于谐振器领域，具体涉及一种微机械谐振器及其微机械谐振器的几何结构优化设计方案。
背景技术
谐振器是用来产生谐振频率的器件。谐振器与外部振荡电路、放大电路以及滤波电路等可以构成振荡器。振荡器可以产生一个固定的频率信号。近年来，基于微电子机械系统技术（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的微机械谐振器以其体积小、重量轻、与集成电路制造工艺兼容、可靠性稳定性好等优点，已成为取代传统石英晶体振荡器的最佳选择，并已经开始实现了商业化量产。
微机械谐振器的主要的性能参数有：谐振频率、谐振频率的温度系数、品质因子（Q值）、短期稳定性以及长期稳定性等。谐振频率与谐振器的结构设计、材料属性以及振动模态息息相关；谐振频率的温度系数是指谐振器谐振频率随着温度变化而产生漂移。目前可以采用被动式或者主动式的温度补偿方式来减小或者消除谐振器谐振频率的温度系数；短期稳定性主要取决于微机械谐振器的Q值，高的Q值可以提高微机械谐振器的短期稳定性，Q值用来衡量微机械谐振器的能量损耗状况；长期稳定性用来表征微机械谐振器的机械谐振频率随时间推移而缓慢发生的相对偏移。Q值和长期稳定性是微机械谐振器实用化和商业化的其中两个最关键的核心要素。
影响微机械谐振器Q值的能量损耗机制主要有五部分：空气阻尼损耗（Q air ），热弹性损耗（Q TED ），材料损耗（Q material ），锚点损耗（Q anchor ）和电学负载损耗（Q load ），即
其中，空气阻尼损耗是指微机械谐振器振动过程中受到空气的粘滞阻尼而引起的能量损耗。空气阻尼损耗可以通过圆片级或者芯片级真空封装的方法消除。材料损耗是由于材料内部的声子-声子散射以及声子-电子相互作用引起的能量损耗，对于理想的单晶硅材料，其材料损耗可忽略不计。负载损耗是指当微机械谐振器有负载时，微机械谐振器的动态电流流过负载所引起的能量损耗。热弹性损耗是由于谐振器在振动过程中机械应力场和温度梯度场通过热膨胀系数相互耦合作用引起的。锚点损耗指微机械谐振器的机械振动能量在微机械谐振器边界处没有被完全反射回来，而是通过支撑梁结构传输到了支撑衬底，从而引起能量的散耗。
对于宽度伸张模态微机械谐振器，热弹性损耗和锚点损耗是两种主要的能量损耗机制。本发明通过几何尺寸优化设计方案，减小微机械谐振器谐振振子与支撑梁连接处的机械振动，削减振动能量通过支撑梁向衬底的传播，从而降低谐振器的锚点损耗；同时减小机械应力场和温度梯度场的耦合，降低谐振器的热弹性损耗，提高谐振器的Q值。
影响微机械谐振器的长期稳定性的主要因素包括谐振器结构材料自身残余应力的变化、谐振器真空封装腔室气体压强的变化、谐振器芯片封装应力的变化等。其中，封装应力的变化是影响微机械谐振器或其它微机械传感器长期稳定性的最关键要素之一。封装应力会给微机械谐振器施加一个额外的外界应力，引起微机械谐振器频率输出的偏移。然而，封装应力会随着时间的推移逐渐释放，也就是老化的过程，封装应力的缓慢变化会引起微机械谐振器输出的缓慢漂移。封装应力的变化与时间以及温度、湿度、振动等环境因素的变化紧密相关。由于谐振器工作环境的复杂化、多样化和不可预测化，封装应力的变化几乎无法预测和量化，因而几乎没有合适的技术方案可以对封装应力以及封装应力的变化进行补偿和修正。
为了减小封装应力变化造成的微机械谐振器长期稳定性差的问题，最简单、最直接的办法就是减小或者消除封装应力，进而减小或消除由于封装应力变化引起微机械谐振器输出的变化，从而提高微机械谐振器的长期稳定性。本发明旨在通过在微机械谐振器衬底上制作凹槽或者凹腔结构，减小传感器芯片与基板的接触面积，尽可能地降低封装应力对微机械谐振器的影响；通过在微机械谐振器结构上制作隔离框架结构，减小或者消除封装应力通过支撑梁向微机械谐振器结构的耦合；最终，最大限度地降低封装应力对微机械谐振器的影响，提高微机械谐振器的长期稳定性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于：优化微机械谐振器的几何尺寸，减小微机械谐振器的锚点损耗和热弹性损耗，提高器件的Q值；对谐振器进行真空封装，并采用隔离框架结构以及在衬底硅片底部刻蚀凹槽或凹腔结构来减小芯片封装应力对微机械谐振器输出频率的影响，提高其长期稳定性；采用电阻加热方式保持微机械谐振器始终保持在一个固定的温度，从而减小或者消除周围环境温度波动对微机械谐振器谐振频率的影响。
本发明提供的具体方案如下：
一种微机械谐振器，包含衬底硅片（35）、谐振器结构和真空封装结构；
其中：
衬底硅片（35）顶面设置有空腔；
谐振器结构包含谐振振子（31）、支撑梁（32）、隔离框架（34）和加热电阻丝（33）；谐振振子（31）悬空于衬底空腔上方，并通过支撑梁（32）与隔离框架（34）连接；隔离框架（34）末端通过固支结构与衬底硅片（35）连接；加热电阻丝（33）位于隔离框架（34）上表面；
真空封装结构位于谐振器结构上方，并与衬底硅片结合形成真空腔室，将谐振器结构层悬空部分密封在真空腔室中。
具体的，所述衬底硅片（35）底面设置有凹槽或凹腔结构。
具体的，所述步骤（2）中的谐振振子（31）为矩形板结构；支撑梁（32）的结构为直梁、T形梁或十字梁结构；隔离框架（34）为U形梁或者蛇形折叠梁。
具体的，所述步骤（2）中的支撑梁（32）位于谐振振子振动节点位置；支撑梁（32）的数目为一个或者多个。
具体的，所述谐振器的工作模态为宽度伸张模态或者宽度伸张高阶模态。
具体的，所述谐振器的宽度为一定值，宽度尺寸决定了谐振器的谐振频率；
通过以下参数的调节来减小谐振振子与支撑梁连接处的机械振动，降低振动能量通过支撑梁向衬底的传播，从而减小谐振器的能量耗散：
（1）谐振振子材料、厚度固定，调整谐振振子的长度；
（2）组成谐振振子的任一材料厚度改变时，调整谐振振子的长度；
（3）组成谐振振子的任一材料的晶向改变时，调整谐振振子的长度；
（4）组成谐振振子的任一材料性质包括密度、杨氏模量改变时，调整谐振振子的长度。
具体的，所述衬底硅片（35）背面的凹槽或凹腔结构可以采用体硅深反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）制成，也可以采用机械划片方式制成，凹槽或凹腔可以是一个或者多个。
具体的，真空封装结构的封装方法包括圆片级真空键合技术和圆片级薄膜真空封装技术。
具体的，所述谐振器谐振振子（31）可以是包括单晶硅、多晶硅和锗化硅的单一薄膜材料，也可以是单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属组成的复合薄膜材料；所述的压电薄膜材料包括氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）和锆钛酸铅（PZT）。
具体的，所述微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。
相关原理分析：
图1为氮化铝-单晶硅宽度伸张模态微机械谐振器的结构示意图。对于沿<110>晶向的氮化铝-单晶硅宽度伸张模态微机械谐振器，氮化铝厚度为1 µm，单晶硅厚度为5 µm时（忽略氮化铝两侧的金属薄膜层），谐振振子的长度的优化值为240 µm，如图2所示。考虑谐振振子各层材料的影响时，当改变谐振振子中的某层材料的厚度，谐振振子长度为另一优化值。在谐振振子长度为优化值时，谐振振子与支撑梁边界处的机械振幅最小，谐振器向外的能量散耗最小。谐振振子的谐振频率由振子的材料性质和尺寸属性决定，其中尺寸属性中谐振振子的宽度对谐振频率影响较大，长度和厚度对谐振频率影响轻微。
通过在谐振器结构层设计隔离框架结构，以及在谐振器的衬底硅片底部刻蚀出凹槽或凹腔结构，减小封装应力对谐振器性能的影响。图3-1至图3-3为本发明公开的几种典型的微机械谐振器的结构设计图。这几种微机械谐振器结构层具有隔离框架结构，衬底背面具有凹槽或凹腔结构。谐振器衬底背面的凹槽或凹腔结构减小了微机械谐振器与封装基板的接触面积，尽可能地降低封装应力对微机械谐振器的影响。
图4给出了衬底背面具有凹槽或凹腔结构和不具有凹槽或凹腔的微机械谐振器的谐振频率随温度的变化关系，所述凹槽或凹腔结构为图6-2所示的中心棱柱。微机械谐振器的谐振频率随着温度的增加而减小。引起频率变化的主要因素有两个。第一个主要因素是微机械谐振器谐振振子材料弹性模型的负温度系数特性；第二个主要因素为封装材料热膨胀系数不匹配造成的封装应力对微机械谐振器频率的影响。从图中可以看出，当谐振器衬底硅片底部有凹槽或凹腔结构时，由于环境温度变化所引起的封装应力对谐振器的谐振频率影响明显变小。图6-1到图6-7示出了不同的凹腔或凹槽结构。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供的微机械谐振器，优化了微机械谐振器的几何尺寸，减小了微机械谐振器的能量损耗，提高微机械谐振器的Q值；
（2）微机械谐振器的谐振频率由振子材料性质和尺寸属性决定，可通过对上述两项参数的优化以使得谐振振子与支撑梁边界处的机械振幅最小，即谐振器向外的能量散耗最小，减少能量损耗；
（3）隔离框架以及谐振器的衬底硅片底部刻蚀出凹槽或凹腔结构的设计能够有效减小封装应力对谐振器性能的影响，提高谐振器的稳定性。
附图说明
图1：氮化铝-单晶硅宽度伸张模态微机械谐振器的结构示意图；
图2：不同谐振振子的长度对应的氮化铝-单晶硅微机械压电谐振器的热弹性和锚点能量损耗；
图3-1为实施例1所制备的谐振器的结构示意图；图3-2为实施例2所制备的谐振器的结构示意图；图3-3为实施例3所制备的谐振器的结构示意图；
图4：衬底背面具有凹槽或凹腔结构和不具有凹槽或凹腔的微机械谐振器的谐振频率随温度的变化关系；
图5-1为实施例1所制备的微机械谐振器的结构截面示意图；图5-2为实施例2所制备的所制备的微机械谐振器的结构截面示意图；图5-3为实施例3所制备的微机械谐振器的结构截面示意图；
图6-1：无凹槽或凹腔结构；图6-2：中心棱柱结构；图6-3：四角棱柱结构；图6-4：横墙结构；图6-5：十字墙结构；图6-6：中心凹槽结构；图6-7：中心凹腔结构。
附图标记：
31-谐振振子，32-支撑梁，33-加热电阻丝，34-隔离框架，35-衬底硅片，36-中心棱柱结构；
501-衬底硅片，502-埋氧层氧化硅，503-谐振振子结构硅层，504-底电极层，505-压电薄膜层，506-顶电极层，507-铝电极，508-锗层，509-绝缘氧化硅，510-盖板硅片，511-氧化硅，512-重掺杂多晶硅，513-氧化硅，514-金属焊盘，515-牺牲层氧化硅，516-支撑层，517-薄膜封装层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1
图3-1示出了本实施例所制备的谐振器的结构。
一种微机械谐振器，包含带有中心棱柱结构36的衬底硅片35、谐振器结构和真空封装结构，
其中：
（1）衬底硅片35顶面设置有空腔；
（2）谐振器结构包含谐振振子31、支撑梁32、隔离框架34和加热电阻丝33；谐振振子31为矩形板结构，悬空于空腔中，通过两根直梁型支撑梁32连接到衬底硅片35一侧和“U”型隔离框架34，支撑梁32位于谐振振子31振动节点位置；隔离框架34与衬底硅片35内壁一侧连接；加热电阻丝33位于隔离框架34上表面；
（3）真空封装结构位于谐振器结构上方，并与衬底硅片结合形成真空腔室，将谐振器结构真空封装于空腔中；真空封装结构的封装方法包括圆片级真空键合技术和圆片级薄膜真空封装技术。
所述谐振器的工作模态为宽度伸张模态或者宽度伸张高阶模态；谐振器的频率由谐振振子的宽度以及谐振振子的材料所决定。
所述微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。优选的，所述压电式谐振器的压电薄膜材料包括氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）和锆钛酸铅（PZT）。
图1为宽度伸张模态压电谐振器的结构示意图。从下至上依次为硅、下电极、压电薄膜和上电极。其中谐振振子长度为L D 、宽度为W D 。
图5-1为本实施例所制备的微机械谐振器的结构截面示意图，具体制作步骤如下：
（1）提供一带空腔的SOI衬底；该层从下到上依次由衬底硅片501、埋氧层氧化硅502和谐振振子结构硅层503组成；
（2）在SOI器件层上表面沉积由钼制备的底电极层504，接着制备由氮化铝制备的压电薄膜层505，之后在压电薄膜505上制备由钼制备的顶电极层506；
（3）刻蚀出底电极的接触孔并制备铝电极507以及键合环，并刻蚀制作谐振器结构；
（4）最后在真空腔室中通过键合技术将由锗层508、盖板硅片510以及上下绝缘氧化层509、511组成的真空封装结构与微机械谐振器圆片进行圆片级真空键合，对谐振器进行真空封装，在盖板硅片510中的电化学通孔中有绝缘氧化硅513和重掺多晶硅512；并制备金属焊盘514；
（5）在键合圆片的衬底背面刻蚀出凹槽或凹腔结构以形成中心棱柱结构。
工作方法：
对于电容式宽度伸张模态谐振器，在谐振振子的一侧设置有驱动电极，通过在驱动电极上施加交流电产生静电力，激励谐振振子产生机械振动；在谐振振子的另一侧设置有检测电极，通过电容检测的方式来检测谐振器的机械振动。由于谐振器存在固有的谐振频率，当驱动静电力的频率与谐振器宽度伸张模态的固有谐振频率一致时，谐振器的机械振幅达到最大值，即谐振器工作在机械谐振模态。
对于压电式宽度伸张模态谐振器，在其上电极和下电极之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电薄膜沿宽度方向产生面内振动，从而激励谐振器振动。当交流电信号的频率与压电谐振器宽度伸张模态的固有谐振频率一样时，谐振器的机械振幅达到最大值，即激励谐振器工作在机械谐振模态。
实施例2
图3-2示出了本实施例所制备的谐振器的结构。
与实施例1的不同之处在于：
实施例1中的谐振振子31一端通过支撑梁32与隔离框架34相连，另一端通过支撑梁32与衬底硅片35直接相连；而本实施例中隔离框架34为矩形框，谐振振子31两端都是通过支撑梁32与隔离框架34相连。
图5-2为本实施例所制备的微机械谐振器的结构截面示意图，具体制作步骤如下：
（1）提供一带空腔的SOI衬底；该层从下到上依次由衬底硅片501、埋氧层氧化硅502和谐振振子结构硅层503组成；
（2）在SOI器件层上表面沉积由钼制备的底电极层504，接着制备由氮化铝制备的压电薄膜层505，之后在压电薄膜505上制备由钼制备的顶电极层506；
（3）刻蚀出底电极的接触孔并制备铝电极507以及键合环，并刻蚀制作谐振器结构；
（4）在盖板硅片510中刻蚀出通孔，然后在通孔内侧和盖板硅片510上下表面沉积一层氧化硅513、511和509，接着在中心通孔中沉积重掺多晶硅512直到盖板硅片510的下表面沉积了一层厚的重掺多晶硅512；再在重掺多晶硅512表面沉积一层锗508；接着通过刻蚀锗508和重掺多晶硅512形成电学互连区域，得到真空封装结构；最后在真空腔室中通过键合技术将真空封装结构与微机械谐振器圆片进行圆片级真空键合；并制备金属焊盘514；
（5）在键合圆片的衬底背面刻蚀出凹槽或凹腔结构以形成中心棱柱结构。
实施例3
图3-3示出了本实施例所制备的谐振器的结构。
与实施例1的不同之处在于：
实施例1中的隔离框架34为U型梁；而本实施例中的隔离框架34为蛇型折叠梁。
图5-3为本实施例所制备的微机械谐振器的结构截面示意图，具体制作步骤如下：
（1）提供一带空腔的衬底硅片（SOI）；该层从下到上依次由衬底硅片501、埋氧层氧化硅502和谐振振子结构硅层503组成；（2）在SOI器件层上表面沉积底电极层504，接着制备压电薄膜层505，之后在压电薄膜505上制备顶电极层506；
（3）沉积一层牺牲层515，该层由氧化硅制成，刻蚀制作谐振器结构和底、顶电极的接触孔并制备铝电极507；
（4）刻蚀牺牲层515并在在牺牲层515表面沉积支撑层516，该层为非晶硅，然后对支撑层上表面进行打磨，并在支撑层516上刻蚀出若干释放孔，接着利用气相化学腐蚀方法，去除对应的牺牲层；
（5）在支撑层上表面沉积一层最终薄膜封装层517，该层由下到上依次为盖板硅片和氧化硅，然后在电学连接区域刻蚀接触孔，制备与外界电学互联的金属焊盘；
（6）在SOI衬底背面刻蚀出凹槽或凹腔结构。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微机械谐振器，其特征在于：
包含衬底硅片、谐振器结构和真空封装结构，
其中：
衬底硅片顶面设置有空腔；所述衬底硅片底面设置有凹槽或凹腔结构；
谐振器结构包含谐振振子、支撑梁、隔离框架和加热电阻丝；谐振振子悬空于衬底空腔上方，并通过支撑梁与隔离框架连接；隔离框架末端通过固支结构与衬底硅片连接；加热电阻丝位于隔离框架上表面；
所述谐振振子为矩形板结构；支撑梁的结构为直梁、T形梁或十字梁结构；隔离框架为U形梁或者蛇形折叠梁；
真空封装结构位于谐振器结构上方，并与衬底硅片结合形成真空腔室，将谐振器结构层悬空部分密封在真空腔室中；
所述谐振器的制作步骤如下：
第一步，提供一带空腔的SOI器件层；该层从下到上依次由衬底硅片、埋氧层氧化硅和谐振振子结构硅层组成；
第二步，在SOI器件层上表面沉积由钼制备的底电极层，接着制备由氮化铝制备的压电薄膜层，之后在压电薄膜层上制备由钼制备的顶电极层；
第三步，刻蚀出底电极的接触孔并制备铝电极以及键合环，并刻蚀制作谐振器结构；
第四步，最后在真空腔室中通过键合技术将由锗层、盖板硅片以及上下绝缘氧化层组成的真空封装结构与微机械谐振器圆片进行圆片级真空键合，对谐振器进行真空封装，在盖板硅片中的电化学通孔中有绝缘氧化硅和重掺多晶硅；并制备金属焊盘；
第五步，在键合圆片的衬底背面刻蚀出凹槽或凹腔结构以形成中心棱柱结构。
2.根据权利要求1中所述的微机械谐振器，其特征在于：所述支撑梁位于谐振振子振动节点位置；支撑梁的数目为一个或者多个。
3.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振器的工作模态为宽度伸张模态或者宽度伸张高阶模态。
4.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：
所述谐振器的宽度为一定值，宽度尺寸决定了谐振器的谐振频率；
通过以下参数的调节来减小谐振振子与支撑梁连接处的机械振动，降低振动能量通过支撑梁向衬底的传播，从而减小谐振器的能量耗散：
谐振振子材料、厚度固定，调整谐振振子的长度；
组成谐振振子的任一材料厚度改变时，调整谐振振子的长度；
组成谐振振子的任一材料的晶向改变时，调整谐振振子的长度；
组成谐振振子的任一材料性质包括密度、杨氏模量改变时，调整谐振振子的长度。
5.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于，所述衬底硅片背面的凹槽或凹腔结构可以采用体硅深反应离子刻蚀制成，也可以采用机械划片方式制成，凹槽或凹腔可以是一个或者多个。
6.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：真空封装结构的封装方法包括圆片级真空键合技术和圆片级薄膜真空封装技术。
7.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振器谐振振子可以是包括单晶硅、多晶硅和锗化硅的单一薄膜材料，也可以是单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属组成的复合薄膜材料；压电薄膜材料包括氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅。
8.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。
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