CN111490741B - 阵列化的平面剪切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平面剪切模态射频微机电谐振器，包括：配置为工作在平面剪切模态下的谐振单元，该谐振单元的顶角处的振动幅度最大，且边缘处具有位移节点，与配置为工作在长度拉伸模态的耦合梁，共同组成阵列式谐振结构；支撑梁，一端与阵列式谐振结构中谐振单元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；驱动/检测电极，配置于谐振单元侧面，通过一介质层与谐振单元相隔，该介质层，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。本发明提供的谐振器提高了谐振结构间的能量传递，可获得大规模阵列结构，降低动态电阻，并实现自差分驱动与检测，抑制馈通信号，提取纯净谐振频谱。

Description

阵列化的平面剪切模态射频微机电谐振器
技术领域
本发明涉及射频微机电系统(RF-MEMS)领域，尤其涉及一种阵列化的平面剪切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。
高频率、高Q值、低动态电阻是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，缓解低频段资源紧张的现状；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；低动态电阻是实现谐振器件与射频电路阻抗匹配、单片集成，走向实际应用的关键所在。
硅基MEMS谐振器具有高Q值、与IC工艺兼容性好等优势，但动态电阻大，难以与射频网络相匹配，现有的提高偏置电压、采用固态介质等方式，改善程度有限，制备工艺复杂。此外，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。消除馈通、抑制寄生是改善谐振器性能的难点。因此，迫切需要开发高频率、高Q值、低阻抗、低馈通的高性能硅基MEMS谐振器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种阵列化的平面剪切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平面剪切模态射频微机电谐振器，包括：
配置为工作在平面剪切模态下的谐振单元，该谐振单元顶角处的振动幅度最大，且该谐振单元的边缘处具有位移节点，该位移节点实现谐振单元的位置固定，且在该位移节点两侧相邻区域的振动方向相反；
进一步的，谐振单元的几何形状为轴对称结构，材料为硅基、金刚石、SiC、III-V族半导体材料或压电材料。
配置为工作在长度拉伸模态的耦合梁，作为不同谐振单元之间的连接组件，传递振动能量，该耦合梁与上述谐振单元共同组成阵列式谐振结构，且该耦合梁与该谐振单元的连接位置对应耦合梁与谐振单元的最大振幅处；
进一步的，阵列式谐振结构为：
一维拓扑结构，谐振单元和耦合梁单向排布；
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；
或环状结构，谐振单元通过耦合梁两两相连，首尾相接。
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个数为一个或多个。
另有，耦合梁形状为矩形、弧形、框形、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，支撑梁结构为单梁结构或复合梁结构，形状是矩形、框架形、弧形与梳齿形中至少一种。
电极，配置于谐振单元侧面，通过一介质层与谐振单元相隔，用于驱动阵列式谐振结构，检测谐振信号；
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。
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平面剪切模态射频微机电谐振器具有以下有益效果：
1、基于模态耦合，实现高Q值平面剪切模态谐振器的大规模阵列化，显著提高机电转换效率，降低插入损耗，利用该器件可构建多种高性能谐振元件，提高RF-MEMS谐振器的应用潜力；
2、基于剪切模态特性，在器件内实现自差分驱动/检测功能，抑制馈通信号，提高信噪比，提升频谱纯净度，可应用于多个射频信号处理模块中，大幅简化射频收发端系统复杂度，进一步提升射频前端系统的微型化、集成化。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的谐振器总体结构示意图；
图2为本发明实施例一阶平面剪切模态示意图；
图3为本发明实施例三阶平面剪切模态示意图；
图4为本发明一实施例提供的，含有两种梁结构，差分驱动/差分检测的二维阵列示意图；
图5为图4中二维阵列的模态示意图；
图6为本发明另一实施例提供的，含有一种梁结构，差分驱动/单路检测的二维阵列示意图；
图7为图6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 支撑梁5
基座6 第一差分输入支路7 第二差分输入支路8
输入电极9 第一差分输出支路10 第二差分输出支路11
输出电极12 实施例1中阵列的模态13
实施例2中阵列的模态14 一阶平面剪切模态15
三阶平面剪切模态16 二阶长度拉伸模态耦合梁17
一阶长度拉伸模态耦合梁18 Bias-T结构19
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平面剪切模态的射频微机电谐振器，其基本结构请参阅图1，包括：
配置为工作在平面剪切模态下的谐振单元，该谐振单元顶角处的振动幅度最大，且该谐振单元的边缘处存在位移节点，该位移节点实现谐振单元的位置固定，且该位移节点两侧相邻区域的振动方向相反；
本实施例中，该谐振单元1是谐振器的关键组件，作为谐振器阵列的核心振动单元，决定谐振器的振动频率；另请参照图2和图3所示，该工作在平面剪切模态下的谐振单元，其平面剪切模态的特点在于，顶角处的振动幅度最大，易于驱动和检测；位移节点位于谐振单元的边缘，适用于支撑梁结构，可以将支撑损耗降至最低；节点两侧的相邻区域振动方向相反，有利于实现单器件自差分驱动和检测。平面剪切模态具有高刚度，可实现高谐振频率，且在振动过程中热弹性损耗低，Q值高，是构建谐振器阵列的优良选择。
一些实施例中，谐振单元1结构可以是正方形、方形环、圆盘、圆环或上述一种或多种形状组成的轴对称结构等，再请参照图2和图3，其中，图2给出了正方形一阶平面剪切模态15的示意图，图3给出了正方形三阶平面剪切模态16的示意图。谐振单元1的材料可以是硅基材料(如多晶硅、单晶硅、SiC等)、金刚石、III-V族半导体材料或压电材料，等。
配置为工作在长度拉伸模态的耦合梁，是谐振器中不同谐振单元之间的机械连接组件，该耦合梁与上述谐振单元共同组成阵列式谐振结构，且该耦合梁与该谐振单元的的连接位置对应耦合梁与谐振单元的最大振幅处，实现能量的传递；
本实施例中，耦合梁2工作在长度拉伸模式下，与谐振单元1的连接位置为谐振单元1和耦合梁2的最大振幅处，以实现模态的有效耦合，减小畸变。
一些实施例中，耦合梁2的形状可以是矩形、弧形、框形、环形中的至少一种，耦合梁2的材料可以为上述谐振单元1的材料，包括硅基材料(如多晶硅、单晶硅、SiC等)、金刚石、III-V族半导体或压电材料，在一个谐振器结构中，耦合梁2的材料可以与谐振单元1相同，也可与之不同。
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；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；也可以是环状结构，即谐振单元之间通过耦合梁两两互连，首尾相接，形成闭环结构。
一些实施例中，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；
阵列式谐振结构中两个谐振单元之间的耦合梁个数为一个或多个。
基于以上实施例，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，使得电极与阵列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。该阵列式谐振结构中可包含多种形状、多种尺寸、多种模态的谐振单元1和/或耦合梁2，两谐振单元1间的耦合梁2的数目可以是一个或多个。
电极，配置于谐振单元侧面，通过一介质层与谐振单元相隔，用于驱动该阵列式谐振结构，检测谐振信号；
一些实施例中，根据阵列式谐振结构的拓扑结构及其模态分布特性，该电极可以在驱动和检测端，分别配置为单路和\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。
本实施例中，电极3为激励器件振动并提取谐振信号的电学模块，分布在谐振单元1的最大振幅位置，二者之间存在纳米级介质层4，用作谐振器的机电转换介质。根据谐振单元1的模态分布特点，结合阵列的拓扑结构，在输入输出端可分别配置电极工作在单路或差分模式下。单路模式下，电极分布在阵列中同相振动的区域；差分模式下，电极交替分布在振动反相的相邻位置，将反相振动的机械信号转换为差分电学信号，抑制馈通，提高频谱纯净度；
以及上述介质层，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，介质层4为纳米尺度间隙层，实现阵列式谐振结构的机电转换功能。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，填充材料可以是单一电介质材料或含有多种组元的复合介质材料，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，该支撑梁结构为单梁结构或复合梁结构，形状是矩形、框架形、弧形与梳齿形中至少一种。
本实施例中，模态匹配的支撑梁5使整个阵列结构悬空，其中一端与谐振单元1边缘处的位移节点相连，另一端固定在基座6上。该支撑梁5的结构可以是单梁或复合梁，形状是矩形、框架形、弧形、梳齿形中的至少一种。
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，以减小各组件之间的模态扭曲。
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二维的阵列化平面剪切模态射频微机电(RF-MEMS)谐振器，现说明如下：
请参阅图4和图5，为本实施例提供的一种二维的阵列化平面剪切模态RF-MEMS谐振器，结构如图4所示，模态13如图5所示。其中：
谐振单元1和机械耦合单元2组成二维阵列。
谐振单元1工作在一阶平面剪切模态下，材料为金刚石材料。
耦合梁2包括二阶长度拉伸模态梁17与一阶长度拉伸模态梁18，前者实现第一二排谐振单元与第三四排谐振单元的整体反相，耦合梁的材料与谐振单元1的材料相同。
电极3配置为差分驱动/差分检测，包括差分驱动电极9与差分检测电极12。其中，差分驱动电极9由第一差分输入支路7和第二差分输入支路8构成；差分检测电极12由第一差分输出支路]0和第二差分输出支路1]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19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未填充固态介质，间隙为70nm。
支撑结构5位于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，模态为一阶弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同，材料也与之相同。
本发明又一实施例提供了另一种二维的阵列化平面剪切模态射频微机电(RF-MEMS)谐振器，现说明如下：
请参阅图6和图7，为本实施例提供的另一种二维的阵列化平面剪切模态RF-MEMS谐振器，结构如图6所示，模态14如图7所示。其中；
谐振单元1和机械耦合单元2组成二维阵列。
谐振单元1工作在一阶平面剪切模态下，材料为硅基材料。
耦合梁2全部工作在一阶长度拉伸模态梁下，材料与谐振单元1的材料相同。
电极3配置为差分驱动/单路检测，包括驱动电极9与检测电极12。其中，驱动电极9由第一差分输入支路7和第二差分输入支路8构成；输出电极12为单路配置。电极材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。
Bias-T结构19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SiNx，厚度为30nm。
支撑结构5位于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，模态为一阶弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同，材料与之相同。
综上，本发明提出了一种阵列式平面剪切模态射频微机电谐振器。平面剪切模态具有高刚度、低损耗，可实现高频高Q值；基于多种结构的谐振单元及耦合梁间的模态耦合，实现剪切模态谐振器的大规模阵列化，大幅提高机电转换效率，降低动态电阻，改善插入损耗；根据阵列拓扑结构及模态分布特性，灵活选择电极的驱动/检测配置方案，实现自差分驱动/检测功能，降低电路复杂度与功耗，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，保证频谱纯净度。
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之内。

Claims (10)

1.一种阵列化的平面剪切模态射频微机电谐振器，其特征在于，包括：
配置为工作在平面剪切模态下的谐振单元，所述谐振单元顶角处的振动幅度最大，且所述谐振单元的边缘处具有位移节点，所述位移节点实现所述谐振单元的位置固定，且所述位移节点两侧相邻区域的振动方向相反；
配置为工作在长度拉伸模态的耦合梁，作为不同谐振单元之间的连接组件，传递振动能量，所述耦合梁与所述谐振单元共同组成阵列式谐振结构，且所述耦合梁与所述谐振单元的连接位置对应耦合梁与谐振单元的最大振幅处；
支撑梁，所述支撑梁一端与所述谐振结构中谐振单元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；
电极，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，用于驱动所述的阵列式谐振结构，检测谐振信号；
所述介质层，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所述的阵列化的平面剪切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；
或环状结构，所述谐振单元通过所述耦合梁两两相连，首尾相接。
3.根据权利要求1所述的阵列化的平面剪切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所述的阵列化的平面剪切模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述谐振单元的几何形状为轴对称结构，材料为硅基、金刚石、SiC、III-V族半导体材料或压电材料。
5.根据权利要求1或3所述的阵列化的平面剪切模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述耦合梁形状为矩形、弧形、框形、环形中的至少一种，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所述的阵列化的平面剪切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所述的阵列化的平面剪切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个数为一个或多个。
8.根据权利要求1或3所述的阵列化的平面剪切模态射频微机电谐振器，其特征在于，所述支撑梁结构为单梁结构或复合梁结构，形状是矩形、框架形、弧形与梳齿形中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的阵列化的平面剪切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。
10.根据权利要求1所述的阵列化的平面剪切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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