CN111355459B - 基于电化学腐蚀的mems谐振器频率修调方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法，该方法包括将MEMS谐振器与金属电极相连后放入电解质溶液中，其中，金属电极与MEMS谐振器的谐振单元在电解质溶液中形成原电池，使谐振单元发生电化学腐蚀反应形成多孔结构，从而改变谐振器谐振频率，达到频率修调的目的。本发明只需将具有金属电极的谐振器放入电解质溶液内，通过电化学腐蚀改变材料的力学特性达到谐振器频率的改变，具有损伤小、频率修调范围宽、简单可靠和低成本等优势，且方法操作简便，无需对谐振单元进行额外设计，可广泛适用于各类MEMS谐振器的频率修调中。

Description

基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法。
背景技术
微机电系统(Micro-electro-mechanical System，MEMS)谐振器是能够在特定频率下发生共振的具有亚微米、甚至纳米尺度的机械结构器件。利用同微电子集成电路(IC)制作技术相兼容的微加工工艺可以在衬底上制作出MEMS谐振器，具有体积小、灵敏度高、成本低、功耗小和集成度高等优势，是组成多种MEMS器件，如滤波器、振荡器、力传感器和陀螺仪等的基本结构单元。由于尺寸小巧，MEMS谐振器可以在很高的谐振频率下振荡，性能优越，可以在包括超灵敏质量和力感测，超低功率射频信号的产生和定时，化学和生物传感，环境控制等诸多领域进行广泛的应用，具有重要的研究意义和实用价值。
MEMS谐振器的谐振频率是谐振器的重要指标，决定了系统的工作频点，通常由谐振单元的振动模态、尺寸、谐振单元材料的杨氏模量、剪切模量、密度等因素决定。由于微纳加工工艺容差、结构缺陷和应力作用，制作的谐振器频率与设计频率存在一定偏差，电路无法补偿，导致输出频率偏移设定值，不能满足高精度频率器件的实际应用需求，例如在高精度MEMS振荡器中，谐振器初始频率的精确控制是实现高精度时钟的关键。因此，低损伤、简单可靠的宽范围频率修调方法对高性能谐振器件至关重要
针对谐振器的频率修调办法，国内外进行了多方面的研究。谐振器的谐振频率可由等效刚度及等效质量表示，而频率修调的办法也主要集中在这两方面。等效质量的改变可通过对谐振结构上额外附加或减少质量、改变谐振器的质量分布等方法实现，需要在谐振单元上额外设计频率修调结构(如附加的可变质量块或吸附层)，增加了工艺难度，且通常会降低谐振器的Q值，影响其性能；或采用激光烧灼等办法直接对谐振结构进行再次加工，其成本较高，需要额外的高精度微纳加工设备。等效刚度的改变可通过附加电刚度或改变材料的力学特性(如杨氏模量)实现，其中附加电刚度方法通过对谐振器附加较高的直流电压实现，其修调范围较小且易产生非线性；而直接改变材料力学特性的方法需要改变材料微观形貌，需要精确可控的办法实现，否则容易引起器件的失效。
本发明提出了一种基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法，利用金属与谐振器结构层材料在电解质溶液中不同的电化学电势，将金属电极作为正极(阴极)，谐振器谐振单元结构层材料作为负极(阳极)，使谐振单元发生氧化反应而被腐蚀形成多孔结构，改变了材料的力学特性，从而改变谐振器谐振频率，达到频率修调的目的。该方法利用MEMS谐振器中常用的金属电极结构完成频率修调，具有频率修调范围宽、简单可靠、损伤小和低成本等优势，可广泛适用于各类MEMS谐振器中。该方法可通过控制腐蚀时间、温度、光照、电解质溶液浓度配比和添加活性剂等因素，对谐振频率的修调量进行准确的控制，实现高频率稳定性的MEMS谐振器件。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法，包括：
将MEMS谐振器与金属电极相连后放入电解质溶液中，其中，金属电极与MEMS谐振器的谐振单元在电解质溶液中形成原电池，使谐振单元发生电化学腐蚀反应形成多孔结构，从而改变谐振器谐振频率，达到频率修调的目的。
基于上述技术方案可知，本发明的基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、基于电化学腐蚀方法实现对MEMS谐振器谐振频率的修调，该方法只需将具有金属电极的谐振器放入电解质溶液内，通过电化学腐蚀改变材料的力学特性达到谐振器频率的改变，具有损伤小、频率修调范围宽、简单可靠和低成本等优势，且方法操作简便，无需对谐振单元进行额外设计，可广泛适用于各类MEMS谐振器的频率修调中；
2、采用本方法进行频率修调，可有助于MEMS谐振器件频率的精确控制，补偿由于工艺误差或环境因素带来的频率偏移，实现高精度、高稳定性的MEMS谐振器件。
附图说明
图1为本发明提供的基于电化学腐蚀对谐振器进行频率修调过程示意图。
附图标记说明：
1.金属电极；2.电解质溶液；3.谐振单元；4.谐振器换能结构。
具体实施方式
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。
本发明公开了一种基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法，包括：
将MEMS谐振器与金属电极相连后放入电解质溶液中，其中，金属电极与MEMS谐振器的谐振单元在电解质溶液中形成原电池，使谐振单元发生电化学腐蚀反应形成多孔结构，从而改变谐振器谐振频率，达到频率修调的目的。
在本发明的一些实施例中，所述金属电极作为正极或阴极，谐振单元作为负极或阳极。
在本发明的一些实施例中，所述金属电极采用的材料包括金、铂、铝、铜、镍、铁中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述电解质溶液包括HF基溶液、KOH基溶液或HF基溶液与其他溶液的混合溶液，其他溶液包括NH4F水溶液或水其中，所述HF基溶液的质量浓度为40至50％，例如为40％、42％、45％、49％、50％；所述KOH基溶液的浓度为1至2mol/L，例如为1mol/L、1.2mol/L、1.5mol/L、1.8mol/L、2mol/L。
在本发明的一些实施例中，所述MEMS谐振器的频率修调量是通过调节所述电化学腐蚀反应的腐蚀时间、温度、光照、电解质溶液浓度配比和/或添加活性剂实现的。
在本发明的一些实施例中，所述活性剂包括乙醇、异丙醇、H2O2、NH4F、O2或表面活性剂中的任一种或多种组合。
在本发明的一些实施例中，所述MEMS谐振器通过半导体微纳加工方法获得。
在本发明的一些实施例中，所述谐振单元采用的材料包括多晶硅、掺杂单晶硅、SiC、金刚石、III-V族半导体、压电材料、介质材料中的任一种。
在本发明的一些实施例中，所述金属电极与MEMS谐振器通过微纳加工方法相连；
在本发明的一些实施例中，所述微纳加工方法包括金属蒸发、溅射或电镀方法。
在本发明的一些实施例中，所述MEMS谐振器包括谐振单元和设置在谐振单元两侧的换能结构；
在本发明的一些实施例中，所述换能结构的换能方式包括静电式、压电式、热电式、压阻式、电磁式中的任一种。
在一个示例性实施例中，如图1所示，本发明的基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法通过将通过半导体微纳加工工艺获得的MEMS谐振器与金属电极1相连，放入电解质溶液2，金属电极1作为正极(阴极)，谐振器谐振单元3材料作为负极(阳极)，利用金属与谐振单元3材料在电解质溶液中不同的电化学电势形成原电池，使谐振单元3发生氧化反应而被腐蚀形成多孔结构，改变其材料的力学特性，从而改变谐振器谐振频率，达到频率修调的目的。
其中，MEMS谐振器结构包括：
谐振单元3，为谐振器的核心振动单元，决定谐振器的振动频率，由半导体材料通过微加工工艺获得；谐振器通过输入换能将施加的电信号转化为力施加到谐振单元上，使谐振单元振动，通过输出换能将机械信号转变为电信号输出，形成高信噪比的谐振信号；所述谐振单元结构层材料可选用多晶硅、重掺杂单晶硅、SiC、金刚石、III-V族半导体、压电材料、介质材料，等等；
换能结构4，为激励器件振动，提取谐振信号的电学模块，包括输入换能和输出换能，换能方式包括静电式、压电式、热电式、压阻式、电磁式等，用于对谐振器实现驱动或检测；
其中，金属电极与谐振器通过微纳加工工艺如金属蒸发、溅射或电镀方法相连，实现金属电极与谐振器电极间的电学导通，在电化学腐蚀中作为正极(阴极)得到电子，其表面发生还原反应，将溶液中的氧气与氢离子还原成水；所述金属电极采用的材料可选用包括金、铂、铝、铜、镍、铁或复合金属材料，等等；所述金属电极在MEMS结构中通常可用于电信号的引出，利用MEMS谐振器中常用的金属电极结构与谐振单元构成电化学腐蚀，无需对谐振单元进行额外设计，可广泛适用于各类MEMS谐振器中。
其中，所述的电解质溶液2采用HF基、KOH基或其他可腐蚀半导体材料的溶液，等等，例如为纯HF，49wt.％HF水溶液或40wt.％HF水溶液；BOE溶液，49wt.％HF水溶液：40％wt.NH4F水溶液＝1：6(体积比)；稀释HF溶液，49％HF/H2O(1∶7)；在所述溶液中金属电化学电势高于半导体材料的电化学电势，在金属电极与谐振器存在电学导通的情况下形成原电池，使结构层材料与溶液中的氢离子或氢氧根离子及由金属电极提供的价带孔发生氧化反应，达成对谐振单元3半导体材料的电化学腐蚀。
其中，所述的电化学腐蚀反应可通过控制腐蚀时间、温度、光照、电解质溶液浓度配比和添加活性剂等因素控制腐蚀效果，从而控制对材料的力学性能的改变量，得到精确控制的谐振器频率修调量。如在电解质溶液中加入乙醇、异丙醇、H2O2、NH4F、O2或表面活性剂、光照、提高反应温度、采用高浓度电解质溶液等方法可提高腐蚀速率，增加腐蚀时间可增强腐蚀效果。可通过标定实验确定材料力学性能(如杨氏模量)与反应条件间的关系，从而对频率修调量实现精确控制。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例的基于电化学腐蚀对MEMS谐振器进行频率修调方法如下：
谐振器谐振单元3材料为N型重掺杂的单晶硅。
换能结构4配置在谐振单元3两侧，一边作为驱动，一边作为检测，采用静电式换能，材料为多晶硅，与谐振单元3相隔80nm的空气介质层。
金属电极1材料为铂，采用金属蒸发与剥离的工艺图形化并与谐振器电极4电学连通。
电解质溶液2采用质量浓度为40％浓度的HF溶液，未添加其他成分。
谐振器前期已通过微纳加工工艺制备完成，并通过网络分析仪或频谱仪获得其修调前原始谐振频率。
在室温环境下，采用白色冷光源进行光照，光源功率为150W，将谐振器放入电解质溶液中20min，取出后经过乙醇清洗并烘干，测试得到谐振器谐振频率下调2％。
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 (9)

1.一种基于电化学腐蚀的MEMS谐振器频率修调方法，包括：
将MEMS谐振器与金属电极相连后放入电解质溶液中，其中，金属电极与MEMS谐振器的谐振单元在电解质溶液中形成原电池，使谐振单元发生电化学腐蚀反应形成多孔结构，通过改变所述谐振单元采用的材料的力学特性，而改变谐振器谐振频率，达到频率修调的目的；以及
其中，所述谐振单元采用的材料包括掺杂单晶硅。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，所述金属电极作为正极或阴极，谐振单元作为负极或阳极。
3.根据权利要求1所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，所述金属电极采用的材料包括金、铂、铝、铜、镍、铁中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，所述电解质溶液包括HF基溶液、KOH基溶液或HF基溶液与其他溶液的混合溶液，其他溶液包括NH4F水溶液或水；其中，所述HF基溶液的质量浓度为40至50％；所述KOH基溶液的浓度为1至2mol/L。
5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，所述MEMS谐振器的频率修调量是通过调节所述电化学腐蚀反应的腐蚀时间、温度、光照、电解质溶液浓度配比和/或添加活性剂实现的。
6.根据权利要求5所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，所述活性剂包括乙醇、异丙醇、H2O2、NH4F、O2或表面活性剂中的任一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，
所述MEMS谐振器通过半导体微纳加工方法获得。
8.根据权利要求1所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，所述金属电极与MEMS谐振器通过微纳加工方法相连；
其中，所述微纳加工方法包括金属蒸发、溅射或电镀方法。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器频率修调方法，其特征在于，所述MEMS谐振器包括谐振单元和设置在谐振单元两侧的换能结构；
其中，所述换能结构的换能方式包括静电式、压电式、热电式、压阻式、电磁式中的任一种。
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