CN111490740B - 阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，包括：配置为工作在分布式兰姆模态下的谐振单元，该谐振单元的顶角、边缘及内部均具有位移节点，实现该谐振单元的位置固定，该谐振单元在振动过程中的总体积保持不变；耦合梁，该耦合梁与谐振单元同属分布式兰姆模态，共同组成阵列式谐振结构；支撑梁，一端与谐振结构中谐振单元顶角或边缘处的位移节点相连，另一端固定在一基座上，实现谐振结构的悬空；多电极结构，配置于谐振单元侧面，通过一介质层与谐振单元相隔，以及该介质层，用作阵列式谐振结构的机电转换介质。本发明提供的谐振器在大尺寸下保持高频率，降低工艺难度，实现动态电阻，提升Q值，保证频谱纯净，减小系统功耗。
Description
技术领域
本发明涉及射频微机电系统(RF-MEMS)领域，尤其涉及一种阵列化的分布式兰姆(Lamé)模态射频微机电谐振器。
背景技术
未来无线通信系统呈现出集成化、小型化、低功耗、高频率、多模式的发展趋势，射频前端收发系统具有对射频信号的预处理功能，是无线通信系统的重要组成部分。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，无法满足下一代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谐振器件具有高线性度、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。
高成品率、高频率、低动态电阻、高Q值是MEMS谐振器性能优化的主要目标。高成品率保证了器件的大批量微纳制备，从而降低加工成本；高频率满足无线通信系统的频段要求；低动态电阻是谐振器件与射频网络匹配，实现集成化，走向应用的关键所在；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，从而降低系统功耗。
目前，同时满足高成品率、高频、高Q值、低动态电阻的性能要求是MEMS谐振器的瓶颈所在。主流的谐振器换能机制中，压电式谐振器材料本征损耗大，Q值提升有限。静电式谐振器具有高Q值特性，但进一步提高频率，降低动态电阻，依然是其瓶颈所在。当下提高频率的方法主要包括：其一，等比例缩小尺寸，但该方法存在加工难度大、成品率低等不足；其二，提取高阶振动模态，但谐振器在高阶模态下刚度大，信号提取困难，且Q值明显衰减。对于静电式谐振器动态电阻大的不足，现有提高偏置电压、采用固态介质等方式，改善程度有限，工艺复杂度增加。此外，谐振器传输路径上的部分信号不经器件而直接从输入端馈通到输出端，掩盖真实谐振信号，造成频谱失真，Q值下降；采用电学方法消除馈通，电路复杂性高，功耗大，消耗器件数目多。因此，目前迫切需要开发易加工、高频、高Q值、低动态电阻、低馈通的MEMS谐振器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种阵列化的分布式Lam6模态射频微机电谐振器，以至少部分解决上述问题。
有鉴于此，本发明提出了一种阵列化的分布式Lamé模态射频微机电谐振器，包括：
配置为工作在多个Lamé模态基元耦合形成的分布式Lam6模态下的谐振单元，该谐振单元波峰波谷交替分布，且该谐振单元的顶角、边缘及内部均具有位移节点，该位移节点实现该谐振单元的位置固定，该谐振单元振动过程中的总体积保持不变；
进一步的，谐振单元的几何结构为轴对称结构，材料为硅基、金刚石、SiC、III-V族半导体或压电材料。
耦合梁，作为不同谐振单元之间的连接组件，该耦合梁与该谐振单元同属分布式Lamé模态，该谐振单元和耦合梁通过位移节点相连，共同组成阵列式谐振结构，对于该位移节点之间区域，该谐振单元与耦合梁的振动模态互补；
进一步的，该阵列式谐振结构为：
一维拓扑结构，所述谐振单元和所述耦合梁单向排布；
或二维阵列，由上述一维拓扑结构通过第二级耦合梁拓展组成。
更进一步的，该阵列式谐振结构包括一种或多种模态的谐振单元和/或耦合梁；
该阵列式谐振结构中两个谐振单元之间的耦合梁数目为一个或多个。
另有，耦合梁的几何形状为正方形、矩形与方环形中至少一种，材料为硅基、金刚石、SiC、III-V族半导体或压电材料。
支撑梁，该支撑梁一端与谐振结构中谐振单元顶角或边缘处的位移节点相连，另一端固定在一基座上，实现整个谐振结构的悬空；
进一步的，支撑梁形状为矩形或方框结构。
多电极结构，配置于谐振单元侧面，通过一介质层与谐振单元相隔；
进一步的，电极配置为单路和\或差分模式，为阵列式谐振结构提供单路或差分驱动及单路或差分检测，电极结构为叉指结构和分立结构中至少一种，电极材料为金属、单晶硅或多晶硅。
以及介质层，为谐振单元与电极之间的纳米尺度间隙层，用作阵列式谐振结构的机电转换介质；
进一步的，该介质层全部填充、部分填充或不填充固态介质，该固态介质材料为电介质材料，该电介质材料包括SiNx、HfO2或复合电介质材料。
更进一步的，耦合梁、支撑梁与谐振单元三者的振动频率相同。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的阵列化的分布式Lamé模态射频微机电谐振器具有以下有益效果：
1、基于分布式Lamé模态构建谐振器阵列，减小阵列中机械耦合的能量损耗，实现高Q值、大规模阵列，大幅降低动态电阻，减小器件插损，降低MEMS振荡器驱动电路的增益需求，推动MEMS振荡器的实用化；
2、大尺寸高频特性，可用于射频前端系统的通道选择，同时易于加工，有利于提高成品率，实现器件的大规模批量化生产，显著降低成本；
3、器件级自差分驱动/检测功能，提高信噪比与频谱纯净度，降低信号处理电路的复杂度，降低系统功耗，在可穿戴便携式移动通信设备中具有较大应用潜力。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的谐振器总体结构示意图；
图2为图1中谐振器结构的模态示意图；
图3为方块Lamé模态示意图；
图4-图11为本发明实施例提供的谐振单元可采用的若干种结构(不局限于图中所列)及对应的模态示意图；
图12为耦合梁与谐振单元的连接位置示意图；
图13为本发明一实施例提供的，工作在分布式Lamé模态下，基于特定位置开孔方形板结构的一维阵列示意图；
图14为图13中一维阵列的模态示意图；
图15为本发明另一实施例提供的，工作在分布式Lamé模态下，基于方形环结构的二维阵列示意图；
图16为图15中二维阵列的模态示意图。
图中：
谐振单元1 耦合梁2 电极3
谐振单元与电极之间的介质层4 支撑结构5
基座6 单端驱动电极7 差分驱动电极8
差分检测电极9 Lamé模态基元10
正方形结构的谐振单元11 矩形结构的谐振单元12
带孔的方板结构谐振单元13 方形环结构的谐振单元14
结构11所对应的模态15 结构12所对应的模态16
结构13所对应的模态17 结构14所对应的模态18
耦合梁2与谐振单元1连接处所在的节点位置19
第一差分输出支路20 第二差分输出支路21
Bias-T结构22 一维阵列的对应模态23
第一差分输入支路24 第二差分输入支路25
二维阵列的对应模态26 一级耦合梁27 二级耦合梁28
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，对本发明进一步详细说明。
本发明一实施例提供了一种阵列化的分布式Lamé模态射频微机电谐振器，其基本结构及对应模态请参阅图1及图2，包括：
配置为工作在多个Lamé模态基元耦合形成的分布式Lamé模态下的谐振单元，该谐振单元波峰波谷交替分布，且该谐振单元的顶角、边缘及内部均具有位移节点，该位移节点实现该谐振单元的位置固定，该谐振单元振动过程中的总体积保持不变；
本实施例中，工作在分布式Lamé模态下的谐振单元1是谐振器的关键组件。分布式Lamé模态是由多个Lamé模态基元10(如图3)无失真耦合组成的，波峰波谷在面内交替分布的复合模态，在具有大尺寸的同时保持与小尺寸基元10相同的高谐振频率，可显著降低加工难度，提高成品率。
一些实施例中，谐振单元的几何结构为方形环、实心或含有方形孔洞的方形板、矩形板或上述一种或多种形状组成的轴对称结构，材料为硅基、金刚石、SiC、III-V族半导体或压电材料；
本实施例中，谐振单元1可对应多种几何形状，包括但不仅限于如正方形结构11(如图4，对应模态15为图5所示)、矩形结构12(如图6，对应模态16为图7所示)、适当位置开孔的方板结构13(如图8，对应模态17为图9所示)、方环结构14(如图10，对应模态18为图11所示)等；材料可以是硅基材料(如多晶硅、单晶硅、SiC等)、金刚石、III-V族半导体材料等。
耦合梁，作为不同谐振单元之间的连接组件，该耦合梁与谐振单元同属分布式Lamé模态，且具有相同的模态结构，该谐振单元和耦合梁通过位移节点相连，共同组成阵列式谐振结构，对于该位移节点之间区域，谐振单元与耦合梁的振动模态完全互补；
一些实施例中，耦合梁的几何形状为正方形、矩形与方环形中至少一种，材料为硅基、金刚石、SiC、III-V族半导体或压电材料，耦合梁材料与谐振单元的材料为相同或不同；
本实施例中，耦合梁2是谐振器的机械连接组件，实现了谐振单元之间的能量传递，其制作材料可以与谐振单元1相同或不同。耦合梁2同样工作在分布式Lam6模态下，与谐振单元1的两个连接点对应谐振单元1边界上的振动节点19(如图12)，以实现谐振单元间能量的最大化传递，减小模态扭曲。几何形状包括但不限于上述提到的正方形、矩形、方形环结构，等。
进一步有，阵列式谐振结构可以是一维拓扑结构，即谐振单元1和耦合梁2单向排布；也可以是二维拓扑结构，由一维拓扑结构通过二级耦合梁拓展组成。
一些实施例中，该阵列式谐振结构包括一种或多种模态的谐振单元和/或耦合梁；
且该阵列式谐振结构中两个谐振单元之间的耦合梁数目为一个或多个。
本实施例中，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器的阵列化，得到阵列式谐振结构，增加驱动/检测面积，提高机电转换系数，减小动态电阻。该阵列式谐振结构中的谐振单元1和耦合梁2均可包含一种或多种结构。根据耦合强度的需要，该阵列式谐振结构中的两谐振单元1之间可以存在一个或多个耦合梁2。
多电极结构，配置于谐振单元侧面，通过一介质层与谐振单元相隔。
一些实施例中，电极配置为单路和\或差分模式，为阵列式谐振结构提供单路或差分驱动及单路或差分检测，电极结构为叉指结构和分立结构中至少一种，电极材料为金属、单晶硅或多晶硅。
介质层，为谐振单元与电极之间的纳米尺度间隙层，用作阵列式谐振结构的机电转换介质；
一些实施例中，该介质层全部填充、部分填充或不填充固态介质，该固态介质材料为电介质材料，可以为SiNx、HfO2或复合电介质材料。
本实施例中，请参照图13或图15，驱动/检测电极3分布在谐振器阵列的侧面，二者之间存在纳米级介质层4。根据阵列的拓扑结构及其模态分布，输入和输出电极均可基于单路或者差分结构灵活配置，如单端输入7/差分输出9，差分输入8/差分输出9，等。单路配置下，电极覆盖阵列中同相振动的区域；差分配置下，电极覆盖阵列中振动交替反相的区域，可实现馈通信号自消除。根据不同的驱动/检测方法，电极结构可以是一种或多种，包括但不限于叉指结构、分立结构，等；电极材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。
电极和谐振单元之间的纳米级介质层4配置为机电转换的换能介质。根据需要，介质层的厚度可以在0至几百纳米的范围内进行调整，填充材料可以是固态介质(如SiNx、HfO2、复合介质材料)，填充状态可以为全部填充、部分填充或不填充该固态介质。
以及支撑梁，该支撑梁一端与谐振结构中谐振单元顶角或边缘处的位移节点相连，另一端固定在一基座上，实现整个谐振结构的悬空；
一些实施例中，该支撑梁形状为矩形或方框结构。
本实施例中，模态匹配的支撑结构5的其中一端与谐振器的位移节点相连，另一端固定在基座6上。该支撑结构5工作在面内振动模态下，以减小频率失配所造成的模态失真，降低锚点损耗，提高Q值；形状可以是矩形或方框中的至少一种。
一些实施例中，上述耦合梁、支撑梁与谐振单元三者的振动频率相同。
本实施例中，耦合梁2振动频率与谐振单元1一致，以减小模态失真，保证机械结构之间的能量传递；支撑梁5频率与谐振单元1一致，以减少连接点处的能量损耗，提高Q值。
为对本发明做出进一步了解，本发明另一实施例提供了一种阵列化的Lamé模态射频微机电(RF-MEMS)谐振器，现说明如下：
请参阅图13和图14，为本实施例提供的一种一维的阵列化Lamé模态RF-MEMS谐振器，结构如图13所示，模态23如图14所示。其中：
谐振单元1的结构为开有四个孔洞的方形板，材料为硅基材料、金刚石、III-V族半导体材料等。
耦合梁2的结构为正方形，工作在一阶Lamé模态下，谐振频率与谐振单元1相同，材料与1相同。
谐振单元1和机械耦合单元2依次排布组成一维的谐振器阵列，可根据需要灵活调整其数量，本实施例中以四个为例。
电极3包括单端驱动电极7与差分检测电极9。其中，单端驱动电极7正对谐振器的波峰位置，施加单路信号激励谐振器振动；差分检测电极9由第一差分输出支路20和第二差分输出支路21构成，提取谐振器的机械差分信号。材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。
Bias-T结构22实现直流偏压和交流信号的叠加。
介质层4未填充固态介质，间隙为70nm。
支撑结构5位于首尾的谐振单元1上，一端与谐振器位移节点位置相连，另一端与基座6相连，结构为矩形，模态为面内弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同。
本发明又一实施例提供了一种阵列化的Lamé模态射频微机电(RF-MEMS)谐振器，现说明如下：
请参阅图15和图16，为本实施例提供的另一种二维的阵列化Lamé模态RF-MEMS谐振器，结构如图15所示，模态26如图16所示。其中：
谐振单元1结构为方形环结构，材料可以是硅基材料、金刚石、III-V族半导体材料等。
耦合梁2包括一级耦合梁27和二级耦合梁28，分别工作在一阶Lamé模态和二阶分布式Lamé模态下。所有机械耦合单元的频率与谐振单元1相同。利用上述耦合结构，使阵列中上下两部分同频反相振动，增大了机械差分信号的强度。
谐振单元]和机械耦合单元2组成二维的谐振器阵列，行数和列数可根据需要灵活调整以满足不同的阵列规模，本实施例中以四行四列为例。
电极3包括差分驱动电极8和差分检测电极9。其中，差分驱动电极8由第一差分输入支路24和第二差分输入支路25构成，通过施加差分信号激励谐振器振动；差分检测电极9由第一差分输出支路20和第二差分输出支路21构成，提取谐振器的差分振动信号。电极材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。
Bias-T结构22实现直流偏压和交流信号的叠加。
介质层4的填充物为HfO2，厚度为30nm。
支撑结构5位于首尾的谐振单元1上，一端与谐振器位移节点位置相连，另一端与基底6相连，结构为矩形，模态为面内弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同。
综上，本发明提出了一种阵列化的分布式Lamé模态RF-MEMS谐振器，能够实现以下技术要求：
1、谐振单元具有大尺寸高频特性，在保证高频的同时能显著降低加工难度，可以在较大尺寸下保持高谐振频率，减小加工误差对器件性能造成的影响，提高成品率；
2、谐振单元通过低损耗的机械耦合方式构成谐振阵列，基于谐振单元和耦合梁的模态耦合实现大规模阵列化拓展，提高机电转换效率，有效降低动态电阻；
3、频率匹配的耦合单元与低损耗的支撑结构设计，能有效降低能量损耗，提高Q值；
4、机械差分的电极分布方式，能实现单器件内提取机械差分信号，实现馈通抑制，获得纯净频谱，降低电路复杂度。
上述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制，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。
Claims (10)
1.一种阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，包括：
配置为工作在多个兰姆模态基元耦合形成的分布式兰姆模态下的谐振单元，所述谐振单元波峰波谷交替分布，且所述谐振单元的顶角、边缘及内部均具有位移节点，所述位移节点实现所述谐振单元的位置固定，所述谐振单元振动过程中的总体积保持不变；
耦合梁，作为不同谐振单元之间的连接组件，所述耦合梁与所述谐振单元同属分布式兰姆模态，所述谐振单元和所述耦合梁通过位移节点相连，谐振单元和耦合梁共同组成阵列式谐振结构，对于所述位移节点之间的区域，所述谐振单元与所述耦合梁的振动模态互补；
支撑梁，所述支撑梁一端与所述谐振结构中谐振单元顶角或边缘处的位移节点相连，另一端固定在一基座上，实现所述谐振结构的悬空；
多电极结构，配置于所述谐振单元侧面，通过一介质层与所述谐振单元相隔；
介质层，为所述谐振单元与所述电极之间的纳米尺度间隙层，用作所述阵列式谐振结构的机电转换介质。
2.根据权利要求1所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述阵列式谐振结构为：
一维拓扑结构，所述谐振单元和所述耦合梁单向排布；
或二维阵列，由所述一维拓扑结构通过第二级耦合梁拓展组成。
3.根据权利要求1所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述耦合梁、支撑梁与所述谐振单元三者的振动频率相同。
4.根据权利要求1或3所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述谐振单元的几何结构为轴对称结构，材料为硅基、金刚石、SiC、Ⅲ-Ⅴ族半导体或压电材料。
5.根据权利要求1或3所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述耦合梁的几何形状为正方形、矩形与方环形中至少一种，材料为硅基、金刚石、SiC、Ⅲ-Ⅴ族半导体或压电材料。
6.根据权利要求1或2所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述阵列式谐振结构包括一种或多种模态的谐振单元和/或耦合梁。
7.根据权利要求6所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述阵列式谐振结构中两个谐振单元之间的耦合梁数目为一个或多个。
8.根据权利要求1或3所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述支撑梁形状为矩形或方框结构。
9.根据权利要求1所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述电极配置为单路和\或差分模式，为所述阵列式谐振结构提供单路或差分驱动及单路或差分检测，所述电极结构为叉指结构和分立结构中至少一种，所述电极材料为金属、单晶硅或多晶硅。
10.根据权利要求1所述的阵列化的分布式兰姆模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述介质层全部填充、部分填充或不填充固态介质，所述固态介质材料为电介质材料，所述电介质材料包括SiNx、HfO2或复合电介质材料。
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