CN110661506B - 基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器 - Google Patents

基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器 Download PDF

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Abstract

一种基于体声波振动模态耦合的RF‑MEMS谐振器，包括：工作在体声波振动模态下的环状谐振单元、工作在长度拉伸模态下，与谐振单元振动频率一致的耦合梁、可配置在单路和/或差分模式下的驱动/检测电极、电极与谐振单元之间的换能介质以及平面支撑结构。所述谐振器基于多种体声波振动模态结构的耦合，可有效降低模态畸变，提高谐振单元间的能量传递，增大电极驱动面积，提高机电转换效率，实现低电压驱动、低动态电阻；可通过灵活配置电极驱动/检测方式，利用呼吸模态内外振动方向相反的特点，实现自差分驱动与检测，降低后端电路的复杂度和功耗，抑制馈通信号，提高信噪比。

Description

基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器
技术领域
本发明涉及射频微机电系统RF-MEMS领域，尤其涉及基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器。
背景技术
下一代无线移动通信系统呈现出小型化、低功耗、多频带、多模式、多功能的特点。射频前端系统由多种射频器件组成，能够对射频信号进行预处理，是移动通信系统的重要核心结构。随着5G移动通信技术的运用，收发系统的射频前端需要覆盖多种不同的频带，以适应不同的应用标准，导致射频前端系统设计更为复杂，迫切需要大量高性能、高集成度和低功耗的的射频器件。传统射频前端收发系统所采用的射频谐振器件主要包括石英晶振、声表面波(SAW)滤波器、薄膜体声波谐振器(FBAR)、陶瓷滤波器、LC谐振电路等。然而，传统射频器件在体积、性能、功耗等方面存在诸多限制因素，无法满足未来无线通信系统的发展需求，如陶瓷滤波器为片外分立元件，占用空间大，难以实现单片集成；LC谐振电路和SAW滤波器Q值低，插入损耗大；FBAR的谐振频率由厚度决定，难以实现多谐振模态，且薄膜厚度难以精确控制；石英晶振谐振频率低，需外加倍频电路，功耗较大。MEMS谐振器件具有高频率、高Q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是未来无线通信系统的理想选择之一，具有极大的应用潜力。
高频率、高Q值、低动态电阻、低驱动电压是MEMS谐振器的主要性能指标。高频率有助于开发更高的频段资源，适应移动通信技术的发展需求；高Q值能够降低器件的插入损耗，放宽后端电路的增益需求，降低系统功耗；低动态电阻便于实现谐振器件与射频电路阻抗匹配、单片集成；低驱动电压可降低器件对外围电路的依赖，便于与其他模块集成，推动器件的实用化。
硅基MEMS谐振器具有高Q值、与IC工艺兼容性好等优势，但机电耦合系数较低，动态电阻大，难以与射频网络相匹配，现有的提高偏置电压、采用固态介质等方法，存在容易击穿、工艺复杂等问题，改善程度有限。单一谐振结构下，机电转换面积有限，需要高驱动电压激励器件振动，阻碍了器件的实用化进展。此外，由于馈通信号所导致的寄生效应掩盖了真实的谐振信号，造成频谱失真。利用后端电路消除馈通、抑制寄生会增加电路复杂度，增加系统功耗。因此，迫切需要开发高频率、高Q值、低阻抗、低馈通、低驱动电压的高性能硅基MEMS谐振器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明提出了基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，包括：
至少两个呈环状的谐振单元，形成阵列化排布，工作在体声波振动模态；
耦合梁，所述耦合梁的两端分别与相邻两个所述谐振单元相连，所述耦合梁与所述谐振单元的连接点为耦合梁的最大振幅处；所述耦合梁工作在长度拉伸模态下，所述耦合梁的本征频率与所述谐振单元的本征频率相同，用于实现模态耦合及能量传递；
支撑结构，设置于所述耦合梁下方，且对应所述耦合梁最小振幅的位移节点处，使所述谐振单元处于悬空；
电极，设置于所述谐振单元环内侧和/或环外侧，对所述谐振单元进行驱动和检测；
介质层，设置于所述谐振单元与电极之间，作为机电转换的换能介质。
从上述技术方案可以看出，本发明的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
1、基于体声波振动模态特点与模态耦合，实现高Q值呼吸模态谐振器，提高机电转换效率，降低插入损耗，减小驱动电压，利用该谐振器可构建多种高性能谐振元件，提高RF-MEMS谐振器的实用性；
2、基于体声波振动模态特性，在该谐振器内可实现自差分驱动/检测功能，抑制馈通信号，提高信噪比，可应用于多种射频信号处理模块中，大幅简化射频收发端系统结构，进一步提升射频前端系统的微型化、集成化。
附图说明
图1为本发明实施例的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器总体结构示意图；
图2为本发明谐振单元圆环呼吸模态示意图；
图3a为本发明实施例1差分驱动/差分检测的一维谐振器结构示意图；
图3b为本发明实施例1差分驱动/差分检测的一维谐振器模态示意图；
图4a为本发明实施例2单路驱动/单路检测的环状谐振器结构示意图；
图4b为本发明实施例2单路驱动/单路检测的环状谐振器模态示意图。
附图标记说明：
1.谐振单元；2.耦合梁；3.电极；4.介质层；5.支撑梁；6.基座；7.正相输入电极；8.反相输入电极；9.驱动电极；10.正相输出电极；11.反相输出电极；12.检测电极；13、14.谐振器的模态；15.圆环呼吸模态；16.Bias-T结构。
具体实施方式
本发明提出的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，能够实现以下技术要求：
1、获得高频率和高Q值的同时，提高机电转换效率，降低动态电阻，改善器件插入损耗，提高电极驱动面积，降低驱动电压；
2、实现馈通信号的器件内自消除，降低寄生所引起的频谱失真，提高信噪比。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其基本结构请参阅图1。基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器包括：至少两个呈环状的谐振单元1，形成阵列化排布，工作在体声波振动模态；耦合梁2，耦合梁2的两端分别与相邻两个谐振单元1相连，耦合梁2与谐振单元1的连接点为耦合梁2的最大振幅处；耦合梁2工作在长度拉伸模态下，耦合梁2的本征频率与谐振单元1的本征频率相同，用于实现模态耦合及能量传递；支撑结构，设置于耦合梁2下方，且对应耦合梁2最小振幅的位移节点处，使谐振单元1处于悬空；电极3，设置于谐振单元1环内侧和/或环外侧，对谐振单元1进行驱动和检测；介质层4，设置于谐振单元1与电极3之间，作为机电转换的换能介质。
其中，工作在结构整体发生拉伸和/或挤压形变的体声波振动模态下的谐振单元1是谐振器的关键组件，其外形呈环状；谐振单元呈环状，增加了谐振单元1与电极3之间的作用面积，提高了机电耦合系数；更具体的，在不同实施例中，谐振单元1的几何结构可以是圆环、方形环、三角形环、多边形环中的至少一种；材料可选用多晶硅、单晶硅、SiC、金刚石、III-V族半导体、压电材料中的一种。
本发明的设计，谐振单元1工作在体声波振动模态下，具有高刚度，易于实现高频率；对空气阻尼不敏感，热弹性损耗效应不明显，易于实现高Q值的效果。
其中，谐振单元1的体声波振动模态包括：
呼吸模态：环整体向同一方向振动；
轮廓模态：环外侧和环内侧振动方向相反，环中部存在位移节点区域；
回音壁模态：环内侧和环外侧均匀分布有多个位移节点，位移节点两侧区域的振动方向相反；
由于体声波振动模态的振动特点，可以通过环内外电极的设计增大电极驱动面积，降低驱动电压，并根据电极位置的灵活设置可实现谐振器自差分驱动和检测。体声波振动模态具有高刚度，可实现高谐振频率，且在振动过程中保持体积不变，热弹性损耗低，Q值高，是构建谐振单元阵列的优良选择。图2给出了圆环呼吸模态15示意图。
其中，耦合梁2，为相邻谐振单元1之间的连接组件，与谐振单元1的连接位置对应耦合梁2的最大振幅处，用以实现模态耦合及能量传递；耦合梁2的振动模态为长度拉伸模式，属体声波振动模态，本征频率与谐振单元1相同；耦合梁2内存在位移节点，对应耦合梁2最小振幅处；耦合梁2的结构变量可以是直梁、弯曲梁、折叠梁、梁-框架复合结构中的至少一种；耦合梁2材料可选用多晶硅、单晶硅、SiC、金刚石、III-V族半导体、压电材料中的一种；
其中，耦合梁2与谐振单元1经由模态耦合，通过多种灵活的组合排布实现谐振单元1的阵列化，使得电极与谐振器之间的覆盖面积增加，机电转换系数提高，从而减小动态电阻。具体而言，谐振器所包含的谐振单元1和耦合梁2的结构变量(即几何结构)、尺寸参数(如圆环谐振单元对应的环内、外径，矩形耦合梁对应的长、宽)、体声波振动模态类型分别至少为一种；相邻两个谐振单元1之间的耦合梁2结构变量至少为一种，数量至少为一个，由此形成多种组合排布；
其中，谐振器的拓扑形状可以是：一维结构，谐振单元1和耦合梁2单向相连排布；二维结构，在一维结构的基础上，通过耦合梁2将不同一维结构中的相邻的谐振单元1相连拓展形成矩形阵列；环状结构，谐振单元1通过耦合梁2两两相连，首尾相接形成闭合环状；
其中，电极3分布在谐振单元1的环内侧或环外侧，二者之间存在纳米级介质层4。根据谐振单元1的模态分布特点，可在谐振单元1的环内、外侧均设置电极，从而增大电极3与谐振器之间的面积，降低驱动电压。结合谐振器的拓扑结构，在输入输出端可灵活选择电极的单路或差分模式。本发明可灵活选择电极的驱动/检测配置方案，实现低电压工作及器件内自差分驱动/检测功能，降低后端电路复杂度与功耗，消除馈通。
单路模式下，驱动电极和检测电极同时分布在谐振单元的同侧(环外侧或环内侧)；
差分模式下，驱动电极和检测电极分别同时分布在谐振单元环内侧和环外侧，且环内侧和环外侧的电极反相，将环内侧与环外侧的反相的机械信号转换为差分电学信号，抑制馈通，提高信噪比。
其中，纳米级介质层4配置为机电转换的换能介质。根据谐振器材质和动态电阻的需要，介质层的厚度可以在0至几百纳米的范围内进行调整，填充材料可以是空气、固态介质或者空气与固态介质形成的混合介质等，其中，固态介质为SiNx、HfO2、复合介质材料等。
其中，模态匹配的支撑结构使整个阵列结构悬空，其中支撑梁5一端与耦合梁2的位移节点相连，另一端固定在基座6上。支撑梁5的数目至少为一个，分布在耦合梁2的单侧或对侧；支撑梁可以是单梁或复合梁，形状是矩形、环形、弧形中的至少一种。体声波振动模态下的谐振单元及耦合梁相耦合，所引起的模态畸变程度小，在耦合梁内引入位移节点即耦合梁的最小振幅处，便于支撑结构设计，降低支撑损耗；并能扩大谐振器规模，进一步提高机电耦合系数，大幅降低动态电阻，改善插入损耗。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例一
请参阅图3，本实施例提供一种一维的圆环呼吸模态RF-MEMS谐振器，结构如图3a所示，谐振器的模态13如图3b所示。
谐振单元1和耦合梁2组成一维阵列。
其中，谐振单元1工作在呼吸模态下，材料为单晶硅。
耦合梁2为长度拉伸模态，耦合梁2的材料与谐振单元1相同。
电极3配置为差分驱动/差分检测，包括驱动电极9与检测电极12。其中，驱动电极9由正相输入电极8和反相输入电极7构成；检测电极12由正相输出电极10和反相输出电极11构成，提取谐振器的机械差分信号。电极材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。
Bias-T(T型偏置器)结构16用于为谐振器提供偏置电压，同时施加和提取交流信号。
介质层4的填充物为空气，厚度为80nm。
支撑结构5一端与耦合梁2的位移节点位置相连，另一端与基座6相连，结构为矩形，模态为一阶弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同，材料与之相同。
实施例二
请参阅图4，本实施例提供一种环状的圆环呼吸模态RF-MEMS谐振器，结构如图4a所示，谐振器的模态14如图4b所示。
谐振单元1和耦合梁2组成环状结构。
其中，谐振单元1工作在呼吸模态下，材料为SiC。
耦合梁2工作在长度拉伸模态梁下，材料与1相同。
电极3配置为单路驱动/单路检测，包括驱动电极9与检测电极12。电极材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。
介质层4的填充物为SiNx，厚度为40nm。
支撑结构5一端与耦合梁2的位移节点位置相连，另一端与基座6相连，结构为矩形，模态为一阶弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同，材料与之相同。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，包括：
至少两个呈环状的谐振单元，形成阵列化排布，工作在体声波振动模态；
耦合梁，所述耦合梁的两端分别与相邻两个所述谐振单元相连，所述耦合梁与所述谐振单元的连接点为所述谐振单元的最大振幅处；所述耦合梁工作在长度拉伸模态下，所述耦合梁的本征频率与所述谐振单元的本征频率相同，用于实现模态耦合及能量传递；其中，所述谐振单元和所述耦合梁的结构变量、尺寸参数或者体声波振动模态类型分别至少为一种；
支撑结构，设置于所述耦合梁下方，且对应所述耦合梁最小振幅的位移节点处，使所述谐振单元处于悬空；
电极，设置于所述谐振单元环内侧和/或环外侧，对所述谐振单元进行驱动和检测；其中，所述电极包括驱动电极和检测电极；
其中，所述驱动电极和检测电极同时设置于谐振单元的环内侧或者环外侧，形成单路模式；或
其中，所述驱动电极和检测电极分别同时设置于谐振单元环内侧和环外侧，且环内侧和环外侧的电极反相，形成差分模式；
介质层，设置于所述谐振单元与电极之间，作为机电转换的换能介质。
2.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述谐振单元的环状几何结构包括圆环、方形环、三角形环、多边形环中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述谐振单元的材料包括多晶硅、单晶硅、SiC、金刚石、Ⅲ-Ⅴ族半导体、压电材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述体声波振动模态包括呼吸模态、轮廓模态或者回音壁模态。
5.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，相邻两个所述谐振单元之间的耦合梁的数量至少为一个，相邻两个所述谐振单元之间的耦合梁结构变量至少为一种。
6.根据权利要求5所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述耦合梁的结构为直梁、弯曲梁、折叠梁、梁-框架复合结构中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述耦合梁的材料包括多晶硅、单晶硅、SiC、金刚石、Ⅲ-Ⅴ族半导体、压电材料中的一种。
8.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述RF-MEMS谐振器的拓扑形状包括：
一维结构，为所述谐振单元和耦合梁单向相连排布；
二维结构，为通过耦合梁将不同一维结构中的相邻的所述谐振单元相连而拓展形成的矩形阵列；
环状结构，所述谐振单元通过耦合梁两两相连，首尾相接形成闭合环状。
9.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述支撑结构包括基座和支撑梁，所述支撑梁一端固定在基座上，所述支撑梁的另一端与所述耦合梁的位移节点处相连。
10.根据权利要求9所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述每个耦合梁的位移节点处设置至少一个支撑梁，所述支撑梁分布在耦合梁的侧面和/或下方。
11.根据权利要求9所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述支撑梁为单梁或者复合梁，所述支撑梁的形状为矩形、环形或者弧形中的一种或多种。
12.根据权利要求1所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述介质层的厚度为纳米级。
13.根据权利要求12所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述介质层的填充材料包括空气、固态介质或者空气和固态介质的混合。
14.根据权利要求13所述的基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器，其特征在于，所述固态介质包括SiNx、HfO2或者复合介质材料。
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