CN111865249B - 谐振结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种谐振结构及其制作方法，结构包括：支撑梁(1)、谐振体(2)，第一电极(3)及第二电极(4)；谐振体(2)介于第一电极(3)及第二电极(4)之间，三者紧贴，谐振体(2)沿平行于第一电极(3)表面方向的横截面为椭圆或者菱形，支撑梁(1)沿椭圆或者菱形的短对称轴方向贯穿谐振体(2)，谐振结构形成的驻波波长等于椭圆或者菱形的短对称轴的尺寸。该谐振结构能量被约束在谐振器内部，无法沿支撑梁向外耗散，保证了该谐振结构的品质因数，并且谐振结构的特征频率由谐振体横截面的短对称轴尺寸决定，便于在单个衬底上同时制备不同谐振频率的谐振结构。

Description

谐振结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及微机电器件设计与制造技术领域，尤其涉及一种谐振结构及其制作方法。

背景技术

射频微机电系统(RF MEMS)谐振器件包含谐振器和滤波器两类，谐振器用在振荡电路中为通信系统提供低相位噪声的本振信号；滤波器用于通信前端，可以抑制干扰信号，有效提高频率资源的利用率，在射频收发、频率合成以及混频放大等射频电路中起到非常重要的作用。滤波器通常由低输入阻抗的谐振器连接组成。

目前，应用在移动通信领域的滤波器基本都采用压电材料制备，主要有声表面滤波器(SAW)和薄膜体声波谐振器(FBAR)两类。SAW的优点在于制备简单、成本低，工作频率依靠叉指电极距离定义，可以在一个衬底上制备多个频率的谐振器。但SAW滤波器有局限性，高于约1GHz时，其选择性降低；在约2.5GHz时，其使用仅限于对性能要求不高的应用；SAW器件易受温度变化的影响，温度升高时，其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。FBAR的优点在于工作频率和品质因数高，制备的滤波器具有更低的插入损耗和更高的带外抑制能力。缺点在于其工作频率由AlN薄膜厚度决定，所以很难在一个衬底上制备不同厚度的AlN薄膜，单衬底上的FBAR滤波器通常只有一个工作频率，如需要对多个频带进行滤波，那就要集成封装多颗FBAR滤波器，使用成本较高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提出一种谐振结构及其制作方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。

(二)技术方案

本发明一方面提供一种谐振结构，包括：支撑梁1、谐振体2，第一电极3及第二电极4；谐振体2介于第一电极3及第二电极4之间，三者紧贴，谐振体2沿平行于第一电极3表面方向的横截面为椭圆或者菱形，支撑梁1沿椭圆或者菱形的短对称轴方向贯穿谐振体2，谐振结构形成的驻波波长等于椭圆或者菱形的短对称轴的尺寸。

可选地，谐振体2的椭圆或者菱形横截面的长对称轴与短对称轴的尺寸大小比值为偶数。

可选地，支撑梁1与谐振体2相连于谐振体2的椭圆或者菱形横截面的短对称轴的两端。

可选地，支撑梁1沿谐振体2椭圆或者菱形横截面的短对称轴方向的长度为短对称轴尺寸的整数倍，沿谐振体2椭圆或者菱形横截面的长对称轴方向的宽度小于短对称轴尺寸的一半。

可选地，支撑梁1沿谐振体2的椭圆或者菱形横截面的长对称轴对称。

可选地，谐振体2沿垂直于椭圆或者菱形横截面方向的厚度小于沿椭圆或者菱形横截面的长对称轴方向的宽度。

可选地，支撑梁1与谐振体2的材料为压电材料，压电材料在谐振体2的椭圆或者菱形横截面的杨氏模量为各项同性。

可选地，第一电极3及第二电极4为导电薄膜材料。

可选地，谐振结构还包括第三电极5及第四电极6，第三电极5设在第一电极3上，第四电极6设在第二电极4上。

本发明另一方面提供一种谐振结构的制备方法，包括：S1，依次在衬底上生长第一导电薄膜材料8、压电材料9及第二导电薄膜材料10；S2，对第一导电薄膜材料8、压电材料9及第二导电薄膜材料10进行图形化及刻蚀，得到支撑梁1、谐振体2、第一电极3及第二电极4；其中，谐振体2沿平行于第一电极3表面方向的横截面为椭圆或者菱形，支撑梁1沿椭圆或者菱形的短对称轴方向贯穿谐振体2，相连于短对称轴两端，谐振结构形成的驻波波长等于椭圆或者菱形的短对称轴的尺寸；S3，制备第三电极5及第四电极6。

(三)有益效果

本发明提出一种谐振结构及其制作方法，有益效果为：

(1)该谐振结构中的谐振体振动在特定模态时，声波能够在谐振体上形成驻波，支撑梁与谐振体相交的边界为波节部分，能量被约束在谐振器内部，无法沿支撑梁向外耗散，保证了该谐振结构的品质因数。

(2)该谐振结构截面的短对称轴尺寸等于声表面波驻波波长，谐振结构的特征频率由谐振体的短对称轴尺寸决定，便于在单个衬底上同时制备不同谐振频率的谐振结构。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例谐振结构的示意图。

图2示意性示出了本发明实施例谐振结构谐振时形状变化的示意图。

图3A-3E示意性示出了本发明实施例谐振结构制作方法的示意图。

【附图标记】

1-支撑梁 2-谐振体

3-第一电极 4-第二电极

5-第三电极 6-第四电极

7-衬底 8-第一导电薄膜材料

9-压电材料 10-第二导电薄膜材料

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。

本发明通过研究发现，对于谐振结构的横截面为长对称轴和短对称轴尺寸比为二比一的椭圆形的谐振结构，当谐振结构的材料在椭圆面内的杨氏模量为各向同性时，椭圆谐振在某个特定模态时，椭圆上短对称轴的两个端点处几乎不发生应力与应变。也就是说，在短对称轴两端点上设置窄梁用来支撑该椭圆型谐振结构，椭圆谐振时，其上的应力和应变几乎不会传递到支撑梁上，声波在椭圆体形成驻波，能量不沿支撑梁向外耗散，因此这种谐振具有较高的品质因数。该种类型的谐振器能够形成驻波的特定模态，其谐振频率与短对称轴长度的乘积等于材料中的声表面波波速。

同样的现象在谐振结构的横截面为菱形的谐振结构中也有发现，对于谐振结构的横截面为长对角线与短对角线尺寸比接近二比一的菱形的谐振结构，当谐振结构的材料在菱形面内的杨氏模量为各向同性时，也能找到一个菱形的谐振模态，振动在该模态下，短对角线两端点处几乎不发生应力与应变。也就是说，如果在短对角线两端处连接一个窄梁用来支撑该菱形，菱形谐振时，能够在菱形上形成驻波，能量不沿支撑梁向外耗散，特定尺寸的谐振梁也具有较高的品质因数。

基于上述研究，本发明实施例提出一种谐振结构，用于微机电谐振器和滤波器，如图1所示，该谐振结构包括：

支撑梁1、谐振体2，第一电极3及第二电极4。

谐振体2介于第一电极3及第二电极4之间，第一电极3覆盖在谐振体2上表面，即为上电极，第二电极4覆盖在谐振体2下表面，即为下电极，三者紧贴，第一电极3及第二电极4分别作为谐振结构射频信号的输入端和输出端。谐振体2沿平行于第一电极3方向的横截面为椭圆或者菱形，椭圆或菱形均为轴对称图形，支撑梁1沿椭圆或者菱形的短对称轴方向贯穿谐振体2。

其中，该谐振结构形成的驻波波长等于椭圆或者菱形的短对称轴的尺寸，谐振结构的特征频率由谐振体的短对称轴尺寸决定，便于在单个衬底上同时制备不同谐振频率的谐振结构。

其中，谐振体2的椭圆或者菱形横截面的长对称轴与短对称轴的尺寸大小比值为偶数。

其中，支撑梁1与谐振体2相连于谐振体2的椭圆或者菱形横截面的短对称轴的两端，支撑梁1沿谐振体2的椭圆或者菱形横截面的长对称轴对称。

其中，支撑梁1沿谐振体2椭圆或者菱形横截面的短对称轴方向的长度为短对称轴尺寸的整数倍，沿谐振体2椭圆或者菱形横截面的长对称轴方向的宽度小于短对称轴尺寸的一半。谐振体2沿垂直于椭圆或者菱形横截面方向的厚度小于沿椭圆或者菱形横截面的长对称轴方向的宽度。

其中，支撑梁1与谐振体2的材料为压电材料，压电材料在谐振体2的椭圆或者菱形横截面的杨氏模量为各项同性。在本发明一实施例中，压电材料采用氮化铝(AlN)。第一电极3及第二电极4为导电薄膜材料，在本发明一实施例中，导电薄膜材料选择(Mo)。

其中，谐振结构还包括第三电极5及第四电极6，第三电极5设在第一电极3上，第四电极6设在第二电极4上。第三电极5为谐振器的驱动电极(检测电极)，第四电极6为谐振器的检测电极(驱动电极)，两者可以互换。

在本发明一实施例中，谐振体2沿平行于第一电极3方向的横截面为椭圆，在第一电极3输入射频信号，当射频信号的频率与椭圆形谐振体驻波模态谐振频率一致时，椭圆形谐振体在电学激励下发生谐振，振型如图2所示，从图2中可以看出，椭圆形谐振体与支撑梁连接处应力应变极小，支撑梁几乎不发生形变，谐振体上的机械能得以保存，能量被约束在谐振器内部，不沿支撑梁向外耗散，即整个谐振结构具有较低的输入阻抗，谐振器的品质因数优良。

本发明另一实施例提出一种上述谐振结构的制作方法，如图3A-3E所示，方法包括：

S1，依次在衬底7上生长第一导电薄膜材料8、压电材料9及第二导电薄膜材料10。

在上述操作S1中，采用磁控溅射的方式在硅或氧化硅衬底上依次生长上述材料，如图3A所示。其中，第一导电薄膜材料8用于制备第二电极4(下电极)，压电材料9用于制备支撑梁1及谐振体2，第二导电薄膜材料10用于制备第二电极3(上电极)。在本发明一实施例中，压电采用采用氮化铝(AlN)，导电薄膜材料采用钼(Mo)。

S2，对第一导电薄膜材料8、压电材料9及第二导电薄膜材料10进行图形化及刻蚀，得到支撑梁1、谐振体2、第一电极3及第二电极4。

在上述操作S2中，首先，普通光刻进行图形化，在中心位置利用ICP刻蚀掉部分第二导电薄膜材料10(上电极层)及压电材料至第一导电薄膜材料8(下电极层)，刻蚀出锚点以及支撑梁1，形成谐振器主体结构谐振体2，去除光刻胶，如图3B所示。然后，普通光刻进行图形化，利用ICP刻蚀部分第一导电薄膜材料8(下电极层)和种子层至衬底层，去除光刻胶，如图3C所示。

S3，制备第三电极5及第四电极6。

在上述操作S3中，在第一电极3及第二电极4上蒸发PAD加厚电极层，并普通光刻进行图形化，剥离形成第三电极5及第四电极6，去除光刻胶。其中，第三电极5为驱动电极，第四电极6为检测电极，或者第三电极5为检测电极，第四电极6为驱动电极，两者可以互换，如图3D所示。

然后，普通光刻进行图形化，遮盖住主体结构、驱动检测电极、驱动检测电极PAD进行保护，刻蚀衬底硅层进行结构层释放，使主体结构悬空，完成器件的制备，如图3E所示。

综上所述，本发明提出一种谐振结构及其制作方法，该谐振结构的谐振体平行于上、下电极的横截面为椭圆或者菱形，支撑梁与椭圆或菱形相交的边界为波节部分，能量被约束在谐振器内部，无法沿支撑梁向外耗散，保证了该谐振结构的品质因数。并且该谐振结构椭圆或者菱形界面的端对称轴尺寸等于驻波波长，谐振结构的特征频率由谐振体的短对称轴尺寸决定，便于在单个衬底上同时制备不同谐振频率的谐振结构。

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，所应理解的是，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)

1.一种谐振结构，其特征在于，包括：

支撑梁(1)、谐振体(2)，第一电极(3)及第二电极(4)；

所述谐振体(2)介于所述第一电极(3)及第二电极(4)之间，三者紧贴，所述谐振体(2)沿平行于所述第一电极(3)表面方向的横截面为椭圆或者菱形，所述支撑梁(1)沿所述椭圆或者菱形的短对称轴方向贯穿所述谐振体(2)，所述谐振结构形成的驻波波长等于所述椭圆或者菱形的短对称轴的尺寸；

其中，所述谐振体(2)的椭圆或者菱形横截面的长对称轴与短对称轴的尺寸大小比值为偶数。

2.根据权利要求1所述的谐振结构，其特征在于，所述支撑梁(1)与所述谐振体(2)相连于所述谐振体(2)的椭圆或者菱形横截面的短对称轴的两端。

3.根据权利要求2所述的谐振结构，其特征在于，所述支撑梁(1)沿所述谐振体(2)椭圆或者菱形横截面的短对称轴方向的长度为所述短对称轴尺寸的整数倍，沿所述谐振体(2)椭圆或者菱形横截面的长对称轴方向的宽度小于所述短对称轴尺寸的一半。

4.根据权利要求2所述的谐振结构，其特征在于，所述支撑梁(1)沿所述谐振体(2)的椭圆或者菱形横截面的长对称轴对称。

5.根据权利要求3所述的谐振结构，其特征在于，所述谐振体(2)沿垂直于所述椭圆或者菱形横截面方向的厚度小于沿椭圆或者菱形横截面的长对称轴方向的宽度。

6.根据权利要求1-5任一项所述的谐振结构，其特征在于，所述支撑梁(1)与所述谐振体(2)的材料为压电材料，所述压电材料在所述谐振体(2)的椭圆或者菱形横截面的杨氏模量为各向同性。

7.根据权利要求1所述的谐振结构，其特征在于，所述第一电极(3)及第二电极(4)为导电薄膜材料。

8.根据权利要求1所述的谐振结构，其特征在于，所述谐振结构还包括第三电极(5)及第四电极(6)，所述第三电极(5)设在所述第一电极(3)上，所述第四电极(6)设在所述第二电极(4)上。

9.一种谐振结构的制备方法，其特征在于，包括：

S1，依次在衬底上生长第一导电薄膜材料(8)、压电材料(9)及第二导电薄膜材料(10)；

S2，对所述第一导电薄膜材料(8)、压电材料(9)及第二导电薄膜材料(10)进行图形化及刻蚀，得到支撑梁(1)、谐振体(2)、第一电极(3)及第二电极(4)，其中，所述谐振体(2)沿平行于所述第一电极(3)表面方向的横截面为椭圆或者菱形，所述谐振体(2)的椭圆或者菱形横截面的长对称轴与短对称轴的尺寸大小比值为偶数，所述支撑梁(1)沿所述椭圆或者菱形的短对称轴方向贯穿所述谐振体(2)，相连于所述短对称轴两端，所述谐振结构形成的驻波波长等于所述椭圆或者菱形的短对称轴的尺寸；

S3，制备第三电极(5)及第四电极(6)。

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