DE602005003372T2

DE602005003372T2 - Verbundmikroresonator mit hoher deformation

Info

Publication number: DE602005003372T2
Application number: DE602005003372T
Authority: DE
Inventors: Amyot Tripard; Yves Brechet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: EP1774651B1; DE602005003372D1; EP1774651A1; FR2872501A1; US7612484B2; FR2872501B1; WO2006013301A1; US20090115283A1; JP2008504771A

Description

TECHNISCHES GEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Mikroresonatoren.
Auf dem Gebiet der Mobiltelephonie zum Beispiel sind Mikroresonatoren am Aufbau von Filtern, VCO (spannungsgesteuerter Oszillator) sowie Referenzoszillatoren beteiligt.
Bei der Optik einer Integration trachtet man danach, Bauteile des Resonatortyps zu finden, die vorzugsweise die folgenden Eigenschaften aufweisen:

– geringe Abmessungen,
– veränderliche Resonanzfrequenzen (von weniger als einigen MHz bis mehr als einigen GHz),
– erhöhter Gütefaktor,
– geringer Signalverlust (höchstmöglicher Ausgangspegel), was eine starke elektromechanische Kopplung erfordert,
– eine sehr gute Temperatur- und Zeitstabilität,
– Verträglichkeit mit den Verfahren der Mikroelektronik.

Unter den herkömmlichen Bauteilen werden zwei Systeme zum Erhalten einer elektrischen Resonanz verwendet:

– RLC-Schaltkreise, die leicht auf einem Wafer integrierbar sind, aber ein schlechtes Leistungsverhalten aufweisen,
– Quarzresonatoren, die verbesserte Leistungseigenschaften aufweisen, bei einem Herstellungsverfahren auf der Grundlage der Mikrosystemtechnik aber nicht integriert werden können. Sie werden notwendigerweise getrennt gefertigt und dann eingebaut, woher hohe Kosten und Größen rühren.

Unter den MEMS-Bauteilen finden sich Resonatoren des SAW-Typs (für „surface acoustique wave" oder „akustische Oberflächenwelle"). Diese Bauteile nutzen die Ausbreitung von Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Material aus.
Diese Wellen werden durch Elektroden in Kammform erzeugt und dann detektiert. Die Abmessungen des Bauteils definieren die Frequenz, bei der die Wellenausbreitung statt findet. Die anderen Signalkomponenten werden nicht übertragen.
Die SAW weisen ein ausreichend gutes Leistungsverhalten auf. Sie sind jedoch von großer Größe (1 cm²), sind nicht in die mikroelektronische Technik integrierbar und sind in der Frequenz eingeschränkt (kritische Abmessungen).
Es finden sich auch „FBAR^„ (für „film bulk acoustic resonator", akustischer Filmresonator): es handelt sich um einen Stapel des Typs „akustischer Isolator – Elektrode – piezoelektrisches Material – Elektrode". Zwischen den beiden Elektroden findet eine Ausbreitung akustischer Wellen statt. Eine Resonanz wird erhalten, wenn die halbe Wellenlänge gleich dem durchlaufenen akustischen Weg ist. Diese Bauteile weisen ein gutes Leistungsverhalten auf, sind aber nicht in mikroelektronische Verfahren integriert.
Bei den Bauteilen mit elektromechanischer Resonanz wird die mechanische Resonanz eines Elements (Biegebalken, Ausdehnung eines Zylinders wie zum Beispiel in dem Artikel von Wang et al., „1,14 GHz self-aligned vibrating micromechanical disk resonator" IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (2003)) zum Filtern des Signals benützt. Das amerikanische Patent US2002/105393 offenbart ebenfalls einen mikromechanischen Resonator.
Die Anregung (und die Detektion im Fall, dass sie vorhanden ist) des Schwingkörpers kann auf drei Arten bewerkstelligt werden:

– mit Hilfe piezoelektrischer Materialien,
– über ein Magnetfeld,
– oder auf elektrostatische Weise (kapazitive Detektion durch Spaltänderung).

Die beiden ersten Techniken sind derzeit schwierig zu integrieren und lassen kein erhöhtes Leistungsvermögen erhalten.
Die elektromechanischen Resonatoren mit kapazitiver Anregung und Detektion sind die am meisten entwickelten. Dies erklärt sich durch das erhöhte Leistungsverhalten, das mit ihnen erhalten werden kann (als Gütefaktor, Resonanzfrequenz), aber auch durch die Möglichkeit der Integration dieser Bauteile in ein mikroelektronisches Verfahren.
Die Signaldetektion am Ausgang des Bauteils ist jedoch nicht offensichtlich: die Literatur führt Bauteile an, die nicht getestet werden konnten.
Dies ist auf die geringen erhaltenen Verschiebungen, insbesondere bei den Raumwellenresonatoren wie etwa zum Beispiel für Scheiben und Platten im Artikel von V. Kaajakari, T. Mattila, A. Oja, J. Kiihamaki, H. Koskenvuori, P. Rantakari, I. Tittonen, H. Seppa, „Square-extensional mode single-crystal silicon micromechanical RF-resonators", IEEE Transducers 03 (2003), beschrieben zurückzuführen.
Der Resonator der Erfindung ist mit einer piezoelektrischen Anregung (und einem Nachweis) verträglich. Aus Gründen der Integrierbarkeit wird eine elektrostatische Anregung bevorzugt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Resonator, der einen Vibrationskörper, mindestens eine Erregerelektrode und mindestens eine Detektionselektrode umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationskörper einen ersten Teil aus einem ersten Material mit einem ersten Young-Modul und einen zweiten Teil aus einem zweiten Material mit einem zweiten Young-Modul umfasst, der kleiner als das erste Young-Modul ist, wobei dieser zweite Teil mindestes partiell der Detektionselektrode gegenübersteht.
Der erfindungsgemäße elektromechanische Resonator unterscheidet sich von den Raumwellenresonatoren (hauptsächlich Scheiben und Platten) insbesondere durch seine Zusammensetzung und die Deformationen, die mit ihm erhalten werden können.
Tatsächlich besteht der Vibrationskörper der entwickelten Resonatoren außerdem aus einem einzigen Material (Siliziumscheibe, Nickelplatte usw.).
Das letzte wird wegen seiner mechanischen Eigenschaften ausgewählt: hohe Festigkeit (hohes Young-Modul zum Erhöhen der Resonanzfrequenz) und geringe Energieverluste (durch Erwärmung zum Beispiel Verlust an den Korngrenzen). Dafür verformen sich diese Materialien wenig, was den Nachweis der Spaltveränderung schwierig macht.
Der erfindungsgemäße Resonator gestattet das Erhalten eines hohen Leistungsverhaltens (unter anderem Gütefaktor, Resonanzfrequenz), wobei er örtlich starke Deformationen zeigt.
Das erste Material ist bevorzugt ein Material mit hohen mechanischen Eigenschaften, das das Leistungsverhalten des Bauteils insbesondere als Resonanzfrequenz und Gütefaktor sicherstellt.
Das zweite Material zeigt eine schwächere Festigkeit (zweiter, schwacher oder unter dem ersten liegender Young-Modul), was ihm bedeutende Deformationen und wenn möglich schwache Verluste durch Erwärmung erlaubt.
Als Beispiel können die folgenden Materialien verwendet werden:

– erstes Material: monokristallines Silizium, Nickel oder Diamant,
– zweites Material: Aluminium oder Gold oder Zink oder Magnesium.

Der Vibrationskörper kann zum Beispiel von runder Form oder von quadratischer Form sein.
Die Elektroden können jeweils um 90° gegeneinander versetzt sein.
Ein derartiger Resonator zeigt vorzugsweise eine größte Abmessung unter 1 mm als Funktion der Anwendung. Zum Beispiel ist diese Abmessung bei Mobiltelephonanwendungen typischerweise unter 50 μm.
Das zweite Material liegt zum Beispiel lokal in einer Dicke e vor, die zwischen 70% und 100% der Dicke E des Vibrationskörpers beträgt.
Eine derartige Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise eine Verankerung oder einen einzigen Fuß, der mit einem Substrat verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Resonators, das

– einen Schritt des Ätzens mindestens eines Hohlraums in einem Sockel aus einem ersten Material mit einem ersten Young-Modul und
– einen Schritt des Abscheidens eines zweiten Materials mit einem zweiten Young-Modul, der kleiner als der erste Young-Modul ist, in dem Hohlraum umfasst.

Dieses Verfahren kann außerdem einen Schritt zur Herstellung von dem zweiten Material gegenüberstehenden Elektroden umfassen.
Ein Ätzschritt erlaubt das Befreien des Resonators von einem Substrat, wobei nur ein Fuß zur Verbindung mit diesem Substrat stehen gelassen wird.
Der oder die Hohlräume können über eine Dicke e geätzt werden, die zwischen 70% und 95% der Dicke E des Sockels beträgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A, 1B und 3A, 3B sind Beispiele erfindungsgemässer Vorrichtungen.
2A und 2B veranschaulichen die Deformation einer Scheibe auf eine spezielle Weise.
4 veranschaulicht die Deformation einer erfindungsgemäßen Verbundscheibe.
5A–5I stellen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
6A–6J stellen Schritte eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
GENAUE BESCHREIBUNG BESONDERER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit 1A und 1B erläutert.
Es handelt sich bei dem Beispiel um einen Resonator des zylinderförmigen Typs zur kapazitiven Transduktion. Es kann sich aber auch um Resonatoren des Plattentyps und allgemeiner um Resonatoren des Raumwellentyps handeln.
Das vorgeschlagene Bauteil setzt sich aus zwei verschiedenen Teilen 2, 3 zusammen.
Ein erster Teil 2 ist für die mechanische Resonanz bestimmt. Er umfasst einen Vibrationskörper sowie Verankerungsmittel 6 für den Körper mit einem Substrat 11. Es handelt sich um einen (aus mindestens zwei verschiedenen Materialien bestehenden) „Verbund"-Zylinder, der in der Mitte einer seiner Grundflächen durch einen zylinderförmigen Fuß 6 mit kleinen Abmessungen verankert ist.
Ein zweiter Teil 3 zur Transduktion ist dazu bestimmt, ein mechanisches Signal aus einem elektrischen (Erregung) und umgekehrt zu erzeugen. Die Detektion ist in dem Fall eines Bauteils mit zwei Ports getrennt, die Detektion ist aber in allen Fällen nicht notwendigerweise von der Erregung getrennt.
In diesem zweiten Teil werden eine oder mehr Elektroden 10, 12 zur Detektion sowie ein bei diesem Beispiel kapazitives Mittel zur Transduktion verwendet. Es kann nur eine einzige Detektionselektrode aufweisen.
Eine oder mehr Erregerelektroden 14, 16 sind ebenfalls vorhanden. Sie gestatten das Erzeugen einer elektrostatischen Kraft bei dem Vibrationskörper, der so in mechanische Resonanz treten kann oder nicht.
Die Zahl der Elektroden ist bei diesem Beispiel vier und sie sind bezüglich der Seitenfläche des Zylinders in einem relativen Winkelabstand von 90° angebracht, wobei die beiden Detektionselektroden (beziehungsweise Erregerelektroden) diametral angeordnet sind. Als Variante können die beiden Elektroden zugleich zur Erregung und zur Detektion dienen. In diesem Fall können zwei dazu ausgewählt werden, diametral gegenüber bezüglich des Zylinders angebracht zu werden.
Unter „Vibrationskörper des Resonators" wird das Element verstanden, von dem gewünscht wird, dass es bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz gerät.
Die Verankerungen 6 und die Elemente, die damit verbunden sind, fallen nicht unter diese Bezeichnung.
Wie aus 1A und 1B zu ersehen ist, umfasst der Vibrationskörper 4 selbst zwei Teile:

– einen ersten Teil 20 aus einem ersten Material, zum Beispiel aus monokristallinem Silizium oder aus Nickel oder aus Diamant oder allgemeiner aus einem Material mit einem hohen Young-Modul (typischerweise > 100 Gigapascal),
– einen zweiten Teil 22 aus einem zweiten Material, zum Beispiel aus Aluminium oder aus Gold oder aus Zink oder aus Magnesium oder allgemeiner aus einem Material mit einem geringen Young-Modul (typischerweise < 100 GPa), in jedem Fall strikt unter dem ersten Young-Modul des ersten Materials.

Zum Erhalten großer Deformationen auf einer bedeutenden Oberfläche bei der Transduktion der Detektion liegt das zweite Material bei den Elektroden lokal in einer bedeutenden Dicke e (bezogen auf die Gesamtdicke des Vibrationskörpers), zum Beispiel einer Dicke zwischen 70% und 100% der Dicke E des Körpers 4 vor.
Dieses zweite Material befindet sich mindestens zum Teil einer Detektionselektrode gegenüber oder in einem in dem ersten Teil 20 ausgeführten Hohlraum.
Es ist so angebracht, dass es mit den Detektionselektroden 10, 12 in Wechselwirkung treten kann.
Dieses zweite Material ist vorzugsweise der Oberfläche der Transduktion der Detektionselektroden 10, 12 so nahe wie möglich angebracht. Es kann selbst in Höhe dieser Oberfläche vorhanden sein.
Schließlich weist dieses zweite Material bevorzugt ein Volumen auf, das ausreicht, damit die Deformationsverstärkung bezüglich desselben Vibrationskörpers, der sich ausschließlich aus dem Material 1 zusammensetzen kann, merklich ist.
In dem Fall, wo die gewünschte Vibrationsweise die ist, deren Deformation durch die 2A und 2B dargestellt und manchmal wie in dem Dokument von M. A. Abdelmoneum, M. U. Demirci und T. C. Nguyen, „Stemless wine-glass-mode disk micromechanical resonators", IEEE (2003), beschrieben „Weinglas"-Modus genannt wird, verfügt das Bauteil im allgemeinen über vier Elektroden, zwei zur Erregung abwechselnd mit zwei zur Detektion.
Das Schema der 1A ist ein Beispiel dieses Bauteiltyps.
Das zweite Material befindet sich dann mindestens teilweise bei den Detektionselektroden.
Bei der 2A und 2B zeigen die Pfeile die Richtung und den Sinn der Bewegung und entsprechen der Stellung der Elektroden bei einem Resonator 4 des Scheibentyps.
Beim Betrieb des Bauteils wird der Vibrationskörper polarisiert. Das Eingangssignal wird von den Erregerelektroden 14, 16 durch elektrostatische Kräfte, die aufeinander ausgeübt werden (wobei die Elektroden 14, 16 fest angebracht sind), auf den Vibrationskörper 4 übertragen. Bei einem beliebigen Signal werden die Bewegungen des Vibrationskörpers 4 sehr verringert und gestatten keine Erzeugung eines Ausgangssignals. Wenn das Eingangssignal eine der Resonanzfrequenz des Vibrationskörpers entsprechende Komponente besitzt (die von der Geometrie des Vibrationskörpers, zum Beispiel dem Halbmesser der Scheibe abhängt), gerät letzter in mechanische Resonanz. Die Scheibe verformt sich dann mit einer Deformationskomponente oder insbesondere oder im Wesentlichen mit einer Deformationskomponente in einer parallel zum Substrat 11 oder durch den Korpus der Vorrichtung und die Elektroden definierten Ebene. Sie verformt sich zum Beispiel gemäß der Darstellung der 2A und 2B im „Weinglas"-Modus. Es erfolgt dann eine Erzeugung eines Stroms in den feststehenden Detektionselektroden 10, 12.
Dieser Strom ist umso stärker, umso stärker die Bewegung des Vibrationskörpers (bezüglich des Spalts) bei den Elektroden ist.
3A und 3B stellen eine Variante der Erfindung mit einem Verbundresonator des Plattentyps dar. Bei dieser Ausführungsform ist das Vorhandensein des Materials 22 bezüglich der Detektionselektroden 10, 12 optimal.
Ein Beispiel des Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun beschrieben.
Ein derartiges Verfahren beginnt mit der Auswahl und der Herstellung einer Siliziumscheibe 100 (5A).
Auf dieser Scheibe 100 wird eine Schicht 102 aus Siliziumdioxid (SiO₂) aufgebracht, die nach der Lithographie geätzt wird (5B). Das Ätzen gestattet das Bilden der Öffnungen 101, 103, 105 auf dem Substrat 100. Die Opferisolierschicht weist eine Dicke von einigen Mikrometern, zum Beispiel 2 μm auf.
Anschließend wird eine Schicht 104 aus Siliziumnitrid Si₃H₄ aufgebracht, die durch Lithographie geätzt wird (5C). Diese Isolierschicht weist eine Dicke von ungefähr 1 μm auf. Sie gestattet das Abdecken bestimmter, zuvor hergestellter Öffnungen 101, 105, um schließlich die Isolierung der Elektroden zu ermöglichen.
Anschließend wird der Auftrag einer Schicht 106 aus Silizium mit ungefähr 3 μm vorgenommen. Diese Schicht wird nach der Lithographie geätzt, um einen Sockel 106 (5D) zu bilden, auf dem Hohlräume 108 vorzugsweise in einer bedeutenden Tiefe, zum Beispiel zwischen 70% und 95% der Sockeldicke, geätzt werden können (5E).
Anschließend wird in den Hohlräumen 108 (5F) durch Lithographie und Ätzen ein Aluminiumauftrag 110 vorgenommen. Es handelt sich tatsächlich um das zweite Material des Vibrationskörpers des Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung (Bezugszeichen 22 in 1 und 3).
Anschließend wird der Auftrag einer Opferschicht 112, zum Beispiel aus Siliziumdioxid SiO₂ mit einer Dicke von ungefähr 0,1 μm vorgenommen (5G).
Anschließend wird der Auftrag des Materials, das die Elektroden bildet, zum Beispiel Silizium vorgenommen. Nach dem Auftrag, der Planarisierung, Lithographie und Ätzen werden die Elektroden 114, 115 erhalten (5H).
Schließlich wird die Freilegung der Struktur durch Ätzen der Opferschicht 102 und der Opferschicht 112 vorgenommen, wobei so die Hohlräume 120, 126 zwischen der eigentlichen Vorrichtung und dem Substrat 100 und die Hohlräume 122, 124 zwischen dem Vibrationskörper und den Elektroden 114, 115 (5I) freigelegt werden.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren wird in Verbindung mit den 6A–6J beschrieben.
Dieses Verfahren macht von einem SOI-Substrat 200 (Silizium-auf-Isolator) Gebrauch, das ein Substrat 201, zum Beispiel aus Silizium, eine Isolierschicht 203, zum Beispiel aus Siliziumdioxid SiO₂, deren Dicke etwa 0,4 μm sein kann, und eine Siliziumschicht 205 in zum Beispiel der Dicke 0,2 μm umfasst.
Ein erster Ätzschritt wird durchgeführt, um in die Schichten 205 und 203 ein Motiv 210 zu ätzen, das nachher das Herstellen des Fußes des Vibrationskörpers gestattet (6B).
Anschließend werden ein Schritt der Reinigung der Substratoberfläche und ein epitaxia les Aufwachsen einer Siliziumschicht 212 in zum Beispiel einer Dicke von etwa 2,8 μm vorgenommen (6C).
Diese Schicht wird anschließend so geätzt, dass der Vibrationskörper 21 herausgearbeitet wird (6D).
Dieser Körper wird so oxidiert, dass eine Schicht 216 einer Oberflächenoxidation gebildet wird (6E). Diese Schicht wird zum Beispiel durch Wärmebehandlung hergestellt. Sie kann eine Dicke zwischen 0,01 mm und 0,3 μm aufweisen.
Anschließend werden Wannen 218 in die Oxidschicht 216 und in den Körper 214 geätzt. Die Tiefe dieser Wannen kann zwischen 70% und 100% der Gesamtdicke des Körpers 214 betragen.
Anschließend wird ein Auftrag und ein Ätzen von Aluminium 220 in den Wannen 218 (2G) vorgenommen. Elektroden wie etwa die Elektrode 222 (6H) werden anschließend durch Auftrag von zum Beispiel p⁺⁺-dotiertem Polysilizium in einer Dicke von 2 bis 3 μm gebildet.
Die Struktur des Vibrationskörpers wird anschließend durch Ätzen der Opfer-SiO₂-Schicht 203 freigelegt, wodurch so Hohlräume 224 zwischen dem eigentlichen Vibrationskörper und dem Substrat 201 und zwischen dem Vibrationskörper und den Elektroden 222 (6I) auftreten.
Anschließend wird eine Metallisierung auf der Elektrodenoberfläche vorgenommen, um die Kontakte 226 zu Bilden (6J).
Dieses Verfahren gestattet das Erhalten eines Resonators, dessen Teil 20 der 1A entsprechender Teil sich aus monokristallinem Silizium zusammensetzt, das durch einen Epitaxieschritt hergestellt wurde.
Die Verankerung des Vibrationskörpers mit dem Substrat besteht somit aus demselben Kristall.
Dies gestattet das Verbessern der mechanischen Eigenschaften des Vibrationskörpers, indem die Quellen von Verlusten, was die Zwischenflächen zwischen verschiedenen Ma terialien, insbesondere in dem Fall, wenn die Mittelachse aus polykristallinem Silizium besteht, während der Rest des Vibrationskörpers aus monokristallinem Silizium besteht, oder die Korngrenzen sind. Daraus folgt ein höheres Leistungsverhalten als bei den derzeit bekannten Vorrichtungen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann geringe Abmessungen (typischerweise 50 μm·50 μm) zeigen.
Eine derartige Vorrichtung ist außerdem temperaturstabil: dieses Bauteil ist gegenüber Temperaturschwankungen ausreichend wenig empfindlich: die einzige Verankerung 6 (hier zentral) begrenz das Auftreten von Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnung.
Die Schritte der technischen Herstellung einer derartigen Vorrichtung sind außerdem mit der Technik integrierter Schaltkreise (IC) verträglich.
Diese Vorrichtung gestattet ferner das Erreichen hoher Resonanzfrequenzen: die Verwendung eines ersten Materials mit hohen mechanischen Eigenschaften gestattet das Erhalten hoher Resonanzfrequenzen (in der Größenordnung von hundert MHz) bei Abmessungen in der Größenordnung von zehn Mikron (und insbesondere bei den bereits vorstehend erwogenen Abmessungen von 50 μm × 50 μm).
Außerdem gestattet eine hohe Verschiebungsamplitude bei der Transduktion das Erhalten eines hohen Signalpegels am Ausgang des Bauteils.
Eine Berechnung mit finiten Elementen zeigt außerdem eine bedeutendere Verschiebung der Oberflächen der Transduktion bei der Implantation des zweiten Materials 22. 4 veranschaulicht außerdem die Deformation eines erfindungsgemäßen Bauteils, wobei die deformiertesten Zonen die aus Material 22 und genauer die am nächsten zu den Detektionselektroden befindlichen Zonen 22-1, 22-2 sind.
Durchgeführte Simulationen zeigen, dass bei derselben Resonanzfrequenz (60 MHz) die maximale Verschiebung der gezeigten Struktur (erstes Material: Silizium, zweites Material: Aluminium) um einen Faktor über 10³ höher als die einer ausschließlich aus Silizium bestehenden Struktur ist.
Der Ausgangsstrom der Messelektroden wird gemäß der Gleichung
ausgedrückt worin

– V_p die Polarisationsspannung des Vibrationskörpers ist,
– ε₀, ε_r die Dielektrizitätskonstante im Vakuum und die relative Dielektrizitätskonstante in Luft ist,
– S die Oberfläche der mit der Detektion verbundenen Transduktion ist,
– d_o + x die Dicke des Spalts bei der Oberfläche der Transduktion ist,
– C der Kapazitätswert der Oberfläche der Detektion in Ruhe ist.

Es ist zu Erkennen, dass eine große Änderung dx des Spalts (positiv oder negativ) das Erhalten starker Intensitätsänderungen und somit einen hohen Signalpegel erlauben.
Umgekehrt zeigt dieses Gesetz, dass bei konstanter Verschiebung die auf den Vibrationskörper des Bauteils angewendete Polarisation viel geringer als die auf einen Resonator, dessen Vibrationskörper aus einem einzigen Material besteht, angewendete ist. Die in der Literatur aufgeführten Resonatoren weisen eine Polarisationsspannung von einigen zehn Volt bis mehr als etwa hundert Volt auf, während die erfindungsgemäßen Bauteile geringere Polarisationsspannungen, typischerweise zwischen einigen Volt und einigen zehn Volt, zum Beispiel zwischen 2 V oder 5 V und 20 V oder 30 V aufweisen. Dies ist ein wichtiger Vorteil im Hinblick auf die Integration in einen Chip.
Die industriellen Anwendungen betreffen das Gebiet der passiven Bauteile zu RF-Anwendungen (Referenzoszillatoren, durchstimmbare Oszillatoren, Filter) sowie alle Resonatoren verwendenden elektronischen und mikroelektronischen Gebiete.

Claims

Elektromechanischer Resonator mit einem Vibrationskörper (4), mindestens einer Erregerelektrode (14, 16) und mindestens einer Detektionselektrode (10, 12), dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationskörper einen ersten Teil (20) aus einem ersten Material mit einem ersten Young-Modul umfasst sowie einen zweiten Teil (22) aus einem zweiten Material mit einem zweiten Young-Modul, der kleiner ist als der erste Young-Modul, wobei dieser zweite Teil sich in einem Hohlraum des ersten Materials befindet und wenigstens partiell der Detektionselektrode (10, 12) gegenübersteht.
Resonator nach Anspruch 1, wobei der erste Young-Modul größer als 100 GPa ist.
Resonator nach Anspruch 1, wobei der erste Young-Modul kleiner als 100 GPa ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Material aus monokristallinem Silicium oder aus Nickel oder aus Diamant ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Material aus Aluminium oder aus Gold oder aus Zink oder aus Magnesium ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Vibrationskörper von runder Form ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Vibrationskörper von quadratischer Form ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit zwei Erregerelektroden und zwei Detektionselektroden, jeweils um 90° gegeneinander versetzt.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit zwei Elektroden, von denen jede Erreger- und Detektionselektrode ist, wobei diese beiden Elektroden sich diametral gegenüberstehen.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zweite Material (22) lokal eine Dicke e aufweist, die zwischen 70 und 100% der Dicke E des Vibrationskörpers (4) beträgt.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit außerdem einer Verankerung oder einem einzigen Fuß (6) zur Verbindung mit einem Substrat.
Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Resonators mit einem Vibrationskörper, der selbst einen ersten Teil aus einem ersten Material mit einem ersten Young-Modul umfasst und einen zweiten Teil aus einem zweiten Material mit einem zweiten Young-Modul, der kleiner ist als der erste Young-Modul, sowie mindestens eine Erregerelektrode und mindestens eine Detektionselektrode umfasst, welcher der zweite Teil des Vibrationskörpers wenigstens partiell gegenübersteht, wobei dieses Verfahren umfasst: – einen Schritt, in dem man mindestens einen Hohlraum in einen aus dem ersten Material mit dem ersten Young-Modul gebildeten Sockel ätzt, – einen Schritt des Abscheidens des zweiten Materials mit dem Young-Modul oder zweiten Young-Modul, der kleiner ist als der erste Young-Modul.
Verfahren nach Anspruch 12 mit außerdem einem Schritt zur Herstellung von dem zweiten Material (110, 120) gegenüberstehenden Elektroden (114, 115, 122).
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 mit außerdem einer Ätzung zur Befreiung des Resonators von einem Substrat (100, 201), wobei man einen Fuß (6), der ihn mit dem Substrat verbindet, stehen lässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Hohlraum oder die Hohlräume über eine Dicke e geätzt werden, die zwischen 70% und 95% der Dicke E des Sockels (106) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei man den Sockel (214) herstellt, indem man eine Epitaxieschicht (212) auf einem SOI-Substrat (200) ätzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Sockel aus monokristallinem Silicium ist.