CN112953433A - 一种多梁耦合的微机电谐振器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种多梁耦合的微机电谐振器，包括：谐振结构，包括多个谐振梁，且各个谐振梁顺次首尾相连耦合形成多边形环，相邻所述谐振梁耦合处设置有位移节点；电极，设置于所述谐振结构外围及所述谐振结构的内侧，通过机电转换介质层与所述谐振结构相隔；多个支撑梁，每个所述支撑梁的一端连接至一个所述位移节点；其中，各所述支撑梁的另一端连接至固定的基座，使得所述谐振结构处于悬空状态，因此在谐振结构工作时，电极驱动所述谐振结构，使所述每个谐振梁在所述多边形环所在面内朝垂直于对应谐振梁长度的方向做弯曲振动。
Description
技术领域
本公开涉及射频微机电系统技术领域，尤其涉及一种多梁耦合的微机电谐振器。
背景技术
无线通信系统有高频率、多模式、小型化、集成化、低功耗的发展趋势。传统的谐振器无法完全满足未来无线通讯系统在频率、Q值、体积、功耗方面的要求。MEMS谐振器件具有高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，拥有广阔的应用前景。
目前已报道的MEMS谐振器主要有两种类型的谐振模态：第一类是包括弯曲模态和扭转模态的面外振动模态，第二类是包括体模态和剪切模态等面内振动模态。然而，第一类模态热弹性损耗大，Q值低，且电极覆盖面积较小，插入损耗大，不利于与后端射频电路阻抗匹配；第二类模态的谐振结构在相同频率下，面内特征尺寸较大，如频率约为5MHz的方板Lamé模态谐振器，边长就已达到800μm，不利于器件大规模集成，另外边长的增大也须增加厚度来保持结构稳定性，增大了工艺难度。因此，迫切需要开发高Q值、小体积、低插入损耗的MEMS谐振器。
针对上述问题，本发明提供的谐振器基于面内弯曲模态，该模态具有比面外振动模态更低的热弹性损耗，可实现较高的Q值，并且平面特征尺寸比报道的面内振动模态小一个数量级，易于构建小型化的器件，降低成本。因此，本发明提供的谐振器可用于构建多种高性能射频器件，具备实用化潜力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种多梁耦合的微机电谐振器，以缓解现有技术中机电转换效率低，插入损耗大等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种多梁耦合的微机电谐振器，包括：
谐振结构，包括多个谐振梁，且各个谐振梁顺次首尾相连耦合形成多边形环，相邻所述谐振梁耦合处设置有位移节点；
电极，设置于所述谐振结构外围及所述谐振结构的内侧，通过机电转换介质层与所述谐振结构相隔；
多个支撑梁，每个所述支撑梁的一端连接至一个所述位移节点；
其中，各所述支撑梁的另一端连接至固定的基座，使得所述谐振结构处于悬空状态，因此在谐振结构工作时，电极驱动所述谐振结构，使所述每个谐振梁在所述多边形环所在面内朝垂直于对应谐振梁长度的方向做弯曲振动。
在本公开实施例中，所述谐振结构中相邻所述谐振梁之间耦合的角度范围为0到180°，耦合位置为谐振梁的端点，相邻所述谐振梁的尺寸相同或不同。
在本公开实施例中，所述谐振梁，为形状矩形、弧形、框形、环形中一种或其组合的单梁或复合梁结构。
在本公开实施例中，所述电极配置为单端或差分模式，分别为谐振结构提供单端或差分模式的驱动或检测。
进一步地，所述驱动或检测的电极可以是同一电极或不同电极，且所述电极结构为平板、叉指、梳齿、锯齿等中一种或其组合。
进一步地，所述不同电极包括：
外部电极，设置于所述谐振结构外围，用于激励所述谐振结构的静电换能结构；
内部电极，设置于所述谐振结构内侧，用于检测所述谐振结构的静电换能结构。
在本公开实施例中，所述基座可设置于谐振结构外围或内部，所述基座形状为矩形、弧形、框形中一种或其组合。
在本公开实施例中，所述支撑梁，为形状矩形、弧形、框形、环形中一种或其组合的单梁或复合梁结构。
在本公开实施例中，所述介质层为设置于所述谐振体与所述电极之间的纳米尺度介质层，作为所述谐振体与所述电极之间的机电转换介质。
在本公开实施例中，所述介质层为不填充，或部分填充、全部填充的其中一种形式的固态电介质材料，所述固态电介质包括HfO2、SiNx、复合电介质材料的其中一种。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开多梁耦合的微机电谐振器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)实现高Q值、小尺寸、低成本的谐振器；
(2)内部支撑方式能大幅节省外围支撑结构所占用的体积，有利于器件小型化；
(3)提高机电转换效率，降低插入损耗，增大输出信号强度，输出信号强度不受尺寸的影响，扩大工作频率范围；以及
(4)可应用于多种射频信号处理模块中，显著降低射频接收机系统的复杂度，进一步提高射频前端系统的集成度。
附图说明
图1为本公开实施例的三梁耦合的面内弯曲模态射频微机电谐振器结构示意图。
图2为本公开实施例的三梁耦合的面内弯曲模态射频微机电谐振器的内弯曲模态示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1 谐振梁；
2 外围支撑梁；
3 外围基座；
4 外围电极；
5 介质层；
6 单端驱动电路；
7 内部电极；
8 单端输出电路；
9 差分运算电路；
10 差分输出信号；
11 一阶面内弯曲模态。
具体实施方式
本公开提供了一种多梁耦合的微机电谐振器，所述微机电谐振器基于面内弯曲模态，可实现高Q值、小尺寸、低成本的谐振器。基于多梁耦合环形结构，外围支撑方式增大了电极覆盖面积，大幅度提升了机电转换效率，降低插入损耗；内部支撑方式能大幅节省外围支撑结构所占用的体积，有利于器件小型化。可克服现有的微机电谐振器的主要缺点和不足之处。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种多梁耦合的微机电谐振器，如图1至2所示，所述制微机电谐振器，包括：谐振结构，包括多个谐振梁，且各个谐振梁顺次首尾相连耦合形成的多边形环，相邻所述谐振梁耦合处具有位移节点；电极，设置于所述谐振结构外围及所述谐振结构的内侧，通过机电转换介质层与所述谐振结构相隔；多个支撑梁，每个所述位移节点都连接一个所述支撑梁的一端；其中，各所述支撑梁的另一端连接至固定的基座，使得所述谐振结构处于悬空状态，因此在谐振结构工作时，通过电极驱动所述谐振结构，使所述谐振梁在所述多边形环所在面内朝垂直于其长度的方向做弯曲振动。
进一步的，谐振结构可以是谐振梁首尾耦合构成的封闭环，也可以是末端为单端固支的非封闭环。相邻谐振梁之间耦合角范围为0到180°。耦合位置为谐振梁的端点，相邻谐振梁的尺寸可以相同也可以不同。
进一步的，谐振结构中谐振梁的耦合角的形状可以是内部或外围的尖角或圆角形状。
在本公开实施例中，支撑梁，为梁式结构，一端与谐振结构的位移节点连接，另一端固定在基座上；
进一步的，谐振梁和支撑梁的结构可以是单梁或复合梁结构，形状为矩形、弧形、框形、环形等中至少一种或上述形状的组合，材料为金属、硅基、SiC、金刚石、III-V族半导体或压电材料，等。谐振结构和支撑梁振动频率相同，模态相匹配。
在本公开实施例中，基座，配置为一固定结构，与支撑梁相连，以维持谐振结构的悬空。
进一步的，基座形状可以是矩形、弧形、框形、环形等中至少一种或上述形状的组合。
进一步的，支撑梁和基座可以排布于谐振结构的外围或内部，分别为谐振结构提供外围支撑方式和内部支撑方式。
在本公开实施例中，电极，配置于谐振结构的侧面，通过一介质层与谐振结构相隔，用于驱动及检测谐振器振动。
进一步的，根据谐振结构电极分布和模态特征，驱动和检测电路可配置为单端或差分模式，为谐振结构提供单端或差分驱动或提供单端或差分检测。提供驱动和检测的电极可以是同一个或不同的电极。电极结构为平板、叉指、梳齿、锯齿等中至少一种，电极材料为Si基、SiC、金刚石、III-V族半导体和金属，等。
在本公开实施例中，介质层，配置为谐振结构与电极间的微米或纳米尺度介质层，作为谐振结构与电极之间的机电转换介质；
进一步的，可以通过静电或压电换能机制驱动或检测谐振结构。谐振器采用静电换能机制时，所述介质层为不填充、部分填充或全部填充的电介质材料，该固态电介质包括空气、HfO2、SiNx或复合电介质材料，等；谐振器采用压电换能机制时，无介质层，电极与谐振结构直接接触。
具体地，在本公开实施例中，提供了一种三梁耦合的面内弯曲模态射频微机电谐振器，其基本结构，如图1所示，包括：谐振梁1为单梁结构，谐振结构为三个谐振梁1首尾相连构成的正三角形环，所述谐振梁1的结构和尺寸均相同。相邻谐振梁1的耦合角的内部或外围形状均为圆角形状，以减小模态畸变。谐振梁1工作在一阶面内弯曲模态11下，如图2所示，每个谐振梁在面内做垂直于长度方向的弯曲振动，相邻梁耦合处具有位移节点。
其中，谐振结构为外围支撑方式，外围支撑梁2与谐振结构模态相匹配，其中一端与谐振结构外围边缘处的位移节点相连，另一端固定在基座3上，使整个谐振结构悬空。外围支撑梁2频率与谐振梁1相同，以减少连接处的能量损耗。该支撑梁2可以是结构为单梁结构或复合梁结构，形状可以是矩形、弧形、框形、环形等中至少一种或上述形状的组合。
可选地，支撑梁和基座可排布于谐振结构内部，为谐振结构提供内部支撑方式，能大幅节省外围支撑梁和基座占用的空间，减小器件尺寸。
可选地，谐振梁1和外围支撑梁2的材料可以是金属、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等。
其中，外围基座3与外围支撑梁2相连，当谐振结构振动时，基座3起到固定和维持谐振结构悬空的作用，固定的基座3需要足够大的体积，以具有足够高的稳固性。
其中，外部电极4和内部电极7分别配置为激励和检测器件振动的静电换能结构，分布在谐振梁1的侧面。外部电极4与单端驱动电路6连接，为谐振结构提供单端模式驱动。单端模式驱动，配置为单端驱动电路6通过Bias-T结构向电极施加激励信号vin和直流偏置信号Vp，使得电极4向谐振梁1施加同相位的驱动力。
其中，内部电极7连接单端检测电路8，为谐振结构提供单端模式检测。单端模式检测，配置为单端检测电路8通过Bias-T结构提取信号并施加直流偏置信号Vp。
其中，Bias-T结构，是一种可将直流偏置和射频信号分流和合并的电路结构。
可选地，电极4的驱动和检测电路可配置为差分模式。电极4为差分模式驱动时，通过Bias-T结构为两个外围电极4配置一对反相输入信号+vin和-vin，并施加直流偏置电压Vp，可通过第三个外围电极4或内部电极7检测信号；电极4为差分模式检测时，可其中一个外围电极4或内部电极7连接输入信号电路，另外两个外围电极4分别通过Bias-T结构提取信号iout，1和iout，2，两路信号通入差分运算电路9可获得差分输出信号10。差分模式驱动和差分模式检测可抑制馈通信号，提高频谱纯净度。
其中，介质层4为微纳尺度间隙层，实现谐振结构的机电转换功能。介质层4的厚度为微米到纳米级，填充状态为全部填充。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种多梁耦合的微机电谐振器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种多梁耦合的微机电谐振器，该微机电谐振器实现高Q值、小尺寸、低成本的谐振器；内部支撑方式能大幅节省外围支撑结构所占用的体积，有利于器件小型化；提高机电转换效率，降低插入损耗，增大输出信号强度，输出信号强度不受尺寸的影响，扩大工作频率范围；可应用于多种射频信号处理模块中，显著降低射频接收机系统的复杂度，进一步提高射频前端系统的集成度。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多梁耦合的微机电谐振器，包括：
谐振结构，包括多个谐振梁，且各个谐振梁顺次首尾相连耦合形成多边形环，相邻所述谐振梁耦合处设置有位移节点；
电极，设置于所述谐振结构外围及所述谐振结构的内侧，通过机电转换介质层与所述谐振结构相隔；
多个支撑梁，每个所述支撑梁的一端连接至一个所述位移节点；
其中，各所述支撑梁的另一端连接至固定的基座，使得所述谐振结构处于悬空状态，因此在谐振结构工作时，电极驱动所述谐振结构，使所述每个谐振梁在所述多边形环所在面内朝垂直于对应谐振梁长度的方向做弯曲振动。
2.根据权利要求1所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述谐振结构中相邻所述谐振梁之间耦合的角度范围为0到180°，耦合位置为谐振梁的端点，相邻所述谐振梁的尺寸相同或不同。
3.根据权利要求1所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述谐振梁，为形状矩形、弧形、框形、环形中一种或其组合的单梁或复合梁结构。
4.根据权利要求1所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述电极配置为单端或差分模式，分别为谐振结构提供单端或差分模式的驱动或检测。
5.根据权利要求4所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述驱动或检测的电极可以是同一电极或不同电极，且所述电极结构为平板、叉指、梳齿、锯齿等中一种或其组合。
6.根据权利要求5所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述不同电极包括：
外部电极，设置于所述谐振结构外围，用于激励所述谐振结构的静电换能结构；
内部电极，设置于所述谐振结构内侧，用于检测所述谐振结构的静电换能结构。
7.根据权利要求1所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述基座可设置于谐振结构外围或内部，所述基座形状为矩形、弧形、框形中一种或其组合。
8.根据权利要求1所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述支撑梁，为形状矩形、弧形、框形、环形中一种或其组合的单梁或复合梁结构。
9.根据权利要求1所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述介质层为设置于所述谐振体与所述电极之间的纳米尺度介质层，作为所述谐振体与所述电极之间的机电转换介质。
10.根据权利要求1所述的多梁耦合的微机电谐振器，其中，所述介质层为不填充，或部分填充、全部填充的其中一种形式的固态电介质材料，所述固态电介质包括HfO2、SiNx、复合电介质材料的其中一种。
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- 2021-04-21 CN CN202110433259.5A patent/CN112953433A/zh active Pending
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