專利名稱：一種方塊式微機(jī)械諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻通信及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域中的元器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種帶十字支撐梁的微機(jī)械平面內(nèi)彎曲振動(dòng)方塊式諧振器。
背景技術(shù)：
諧振器廣泛應(yīng)用于濾波器、振蕩器等射頻電路的核心器件中，是射頻電路的基本兀件之一。微機(jī)械諧振器具有高Q值、小型化、輕量化、低功耗、低成本、與CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝兼容等特點(diǎn)，成為近年來諧振器研究的熱點(diǎn)之一。經(jīng)過二十年左右的研究，微機(jī)械諧振器構(gòu)成的振蕩器在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)并逐漸產(chǎn)業(yè)化，其性能可以滿足通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等得應(yīng)用。微機(jī)械方塊諧振器是近幾年提出的一種諧振器結(jié)構(gòu)，它主要用絕緣體上硅(SOI)工藝實(shí)現(xiàn)。與梁式諧振器相比他具有更高的Q值，更小的動(dòng)態(tài)阻抗，所以與圓盤諧振器一樣成為微機(jī)械諧振器比較理想的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。近幾年國(guó)外對(duì)方塊諧振器的平面外振動(dòng)以及側(cè)向振動(dòng)中的Lam6模態(tài)研究的比較多，其中新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)的Lam6模態(tài)方塊諧振器中諧振頻率為6. 35MHz的，Q值達(dá)到1700000，這已經(jīng)接近晶體諧振器的 Q 值(參見High-Qbulk_mode SOI square resonators with straight-beamanchors L Khine and Palaniapan2008)。雖然方塊有幾種振動(dòng)模態(tài)可以用于諧振器設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)者都選用Lam6模態(tài)作為諧振器的諧振模態(tài)，這是由于Lam6模態(tài)振動(dòng)時(shí)四個(gè)角是零振動(dòng)點(diǎn)，這樣只要在這四個(gè)點(diǎn) 進(jìn)行支撐就可以很好的降低錨點(diǎn)損耗，用SOI (絕緣體上硅)工藝實(shí)現(xiàn)可以達(dá)到很高的Q值。在單諧振器，比如振蕩器的設(shè)計(jì)中當(dāng)然這種模態(tài)是最合適的，但是對(duì)于具有多個(gè)諧振器耦合設(shè)計(jì)(如濾波器設(shè)計(jì))或者諧振器陣列的設(shè)計(jì)來說，這種模態(tài)并不理想，原因也正是四個(gè)角是振動(dòng)零點(diǎn)，不適合作為耦合點(diǎn)，而如果在其它位置，比如四周的中點(diǎn)作為耦合的話就必須要將耦合梁接入處的電極分成兩塊，犧牲電極與諧振體的相對(duì)面積，這對(duì)輸出幅度的影響是很大的(參見Low Phase Noise Array-CompositeMicromechanical Wine-Glass Disk Oscillator Yu-ffen Lin etc. 2005),彎曲振動(dòng)模態(tài)錨點(diǎn)損耗是個(gè)重要的難題，這也是目前還沒有利用方塊的彎曲模態(tài)進(jìn)行諧振器設(shè)計(jì)的原因。Seungbae Lee 等人在(United States Patent, Patent No. :113799023213]^1^.2，2011)公開了一種采用T形支撐梁或在T形支撐梁的基礎(chǔ)上附加一平衡梁作為諧振器的支撐梁，以此達(dá)到提高水平面內(nèi)振動(dòng)的諧振器Q值的目的，但是此類結(jié)構(gòu)對(duì)于彎曲振動(dòng)模態(tài)的Q值提高有限，這是因?yàn)樯鲜鼋Y(jié)構(gòu)支撐梁中的懸梁與固定梁之間的固定點(diǎn)(連接點(diǎn))并非為諧振器平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)的靜止點(diǎn)，因而使諧振器很大一部分振動(dòng)能量經(jīng)懸梁和固定梁及其支撐臺(tái)傳到基底從而引起能量損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)一種方塊式微機(jī)械諧振器，采用十字形支撐梁，并將十字形支撐梁的支撐點(diǎn)、即十字形的交叉點(diǎn)設(shè)于振動(dòng)時(shí)的靜止點(diǎn)，以達(dá)到進(jìn)一步提高平面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)MEMS諧振器的Q值及方塊式微機(jī)械諧振器的性能，進(jìn)而可有效提高采用該方塊式微機(jī)械諧振器的MEMS濾波器的性能等目的。本發(fā)明的解決方案是在背景技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)因T形類支撐梁的固定點(diǎn)并非為平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)的靜止點(diǎn)而引起能量的損耗，將各T形類支撐梁改為十字形支撐梁，并利用ANSYS軟件(有限元仿真軟件)進(jìn)行仿真在懸梁上找出當(dāng)諧振器處于平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)的靜止點(diǎn)；并將懸梁上該靜止點(diǎn)作為十字形支撐梁中懸梁與固定梁的固定點(diǎn)(連接點(diǎn))，振動(dòng)方塊通過十字形支撐梁固定于支撐臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)其目的。因而本發(fā)明方塊式微機(jī)械諧振器包括振動(dòng)方塊及分別固定于振動(dòng)方塊四邊中點(diǎn)的由懸梁與固定梁組成的振動(dòng)方塊支撐梁、支撐臺(tái)，輸入及輸出電極，二氧化硅層，基底，關(guān)鍵在于振動(dòng)方塊支撐梁為十字形支撐梁，十字形支撐梁的固定點(diǎn)為振動(dòng)方塊處于平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)懸梁上的靜止點(diǎn)處(位置);輸入電極、輸出電極、支撐臺(tái)分別與二氧化娃層固定成一體，二氧化娃層則緊固于基底上，而振動(dòng)方塊及其十字形支撐梁均懸置于二氧化硅層和基底的內(nèi)腔上。上述十字形支撐梁的固定點(diǎn)為振動(dòng)方塊處于平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)懸梁上的靜止點(diǎn)處，該靜止點(diǎn)的位置通過ANSYS (有限元仿真)軟件仿真在懸梁上找出。
·
本發(fā)明由于將振動(dòng)方塊通過十字形支撐梁固定于支撐臺(tái)上，并在懸梁上找出當(dāng)諧振器處于平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)的靜止點(diǎn)(零位移點(diǎn))作為十字形支撐梁中懸梁與固定梁的固定點(diǎn)(連接點(diǎn));因而具有可進(jìn)一步提高平面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)MEMS諧振器的Q值及方塊式微機(jī)械諧振器的性能，以及可有效提高采用該方塊式微機(jī)械諧振器的MEMS濾波器的性能等特點(diǎn)，本發(fā)明在僅考慮錨點(diǎn)損耗的情況下平面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)MEMS諧振器的Q值可較背景技術(shù)提高2. 5-3. 2倍。


圖1為本發(fā)明方塊諧振器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；圖2為圖1剖視圖(A-A視圖)；圖3.本發(fā)明具體實(shí)施方式
與背景技術(shù)振動(dòng)形態(tài)ANSYS仿真對(duì)比圖(圖a為背景技術(shù)，圖b為本發(fā)明具體實(shí)施方式
)。圖中1-1.振動(dòng)方塊、1-2.(與振動(dòng)方塊連接的)懸梁、1-3.固定梁、1-3.1.支撐臺(tái)，2-1.輸入電極、2-2.輸出電極,3.(輸入/輸出電極與振動(dòng)方塊之間的I禹合)間隙，4.二氧化硅層、4.1. 二氧化硅層內(nèi)腔，5.凹槽，6.(絕緣)基底，7.基底內(nèi)腔，C為靜止點(diǎn)(零位移點(diǎn))。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施方式采用市售(已經(jīng)制作好)的SOI基片制作方塊諧振器，該SOI基片由400 μ m厚的玻璃作絕緣基底6，二氧化硅層4厚2 μ m以及25 μ m厚的多晶硅層組成。本實(shí)施方式以邊長(zhǎng)為800X800 μ m、頻率為IOMHz的彎曲模態(tài)方塊諧振器為例振動(dòng)方塊I的邊長(zhǎng)343 μ m,(與振動(dòng)方塊連接的)懸梁1-2長(zhǎng)70 μ m、寬為W1=S μ m,固定梁1-3長(zhǎng)142. 8 μ m、寬4 μ m，本實(shí)施方式靜止點(diǎn)C的位置利用ANSYS軟件(有限元仿真軟件)確定其位于懸梁1-2上與振動(dòng)方塊I的距離為53. 5 μ m處。首先對(duì)多晶硅層用DRIE (深反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕出振動(dòng)方塊1-1、懸梁1_2和固定梁1-3，其中諧振方塊1-1、懸梁1-2、固定梁1-3與支撐臺(tái)1-3.1是連成一體的；輸入電極2-1和輸出電極2-2在多晶硅層上是與其它結(jié)構(gòu)分離的，它與諧振方塊1-1之間形成了很窄的耦合間隙3 ;然后從(絕緣)基底6中刻蝕出基底內(nèi)腔7，最后用氫氟酸腐蝕出二氧化硅層內(nèi)腔4. 1，使振動(dòng)方塊1、懸梁1-2以及固定梁(1-3)呈懸空狀；最后經(jīng)常規(guī)封裝即成。附圖3即為本實(shí)施方式與背景技術(shù)在IOMHz及同樣的尺寸下的振動(dòng)形態(tài)ANSYS仿真對(duì)比圖(圖a為背景技術(shù)振動(dòng)形態(tài)，圖b為本發(fā)明具體實(shí)施方式
振動(dòng)形態(tài))。利用ANSYS仿真我們得到對(duì)于IOMHz水平面彎曲振動(dòng)方塊諧振器在僅考慮錨點(diǎn)損耗的情況下本實(shí)施方式的Q值從背景技術(shù)的75700提高到217500，提高了近2. 9倍。
權(quán)利要求
1.一種方塊式微機(jī)械諧振器，包括振動(dòng)方塊及分別固定于振動(dòng)方塊四邊中點(diǎn)的由懸梁與固定梁組成的振動(dòng)方塊支撐梁、支撐臺(tái)，輸入電極及輸出電極，二氧化硅層，基底，其特征在于振動(dòng)方塊支撐梁為十字形支撐梁，十字形支撐梁的固定點(diǎn)為振動(dòng)方塊處于平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)懸梁上的靜止點(diǎn)處；輸入電極、輸出電極、支撐臺(tái)分別與二氧化硅層固定成一體，二氧化硅層則緊固于基底上，而振動(dòng)方塊及其十字形支撐梁均懸置于二氧化硅層和基底的內(nèi)腔上。
2.按權(quán)利要求1所述方塊式微機(jī)械諧振器，其特征在于所述振動(dòng)方塊處于平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)懸梁上的靜止點(diǎn)，該靜止點(diǎn)的位置通過ANSYS軟件仿真在懸梁上找出。
全文摘要
該發(fā)明屬于射頻通信及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域中的方塊式諧振器。包括振動(dòng)方塊及分別固定于振動(dòng)方塊四邊中點(diǎn)的由懸梁與固定梁組成的十字形支撐梁、支撐臺(tái)，輸入及輸出電極，二氧化硅層，基底。該發(fā)明由于將振動(dòng)方塊通過十字形支撐梁固定于支撐臺(tái)上，并在懸梁上找出當(dāng)諧振器處于平面內(nèi)彎曲振動(dòng)時(shí)的靜止點(diǎn)(零位移點(diǎn))作為十字形支撐梁中懸梁與固定梁的固定點(diǎn)；該發(fā)明在僅考慮錨點(diǎn)損耗的情況下平面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)MEMS諧振器的Q值可較背景技術(shù)提高2.5-3.2倍。因而該發(fā)明與背景技術(shù)相比具有可進(jìn)一步提高平面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)MEMS諧振器的Q值及方塊式微機(jī)械諧振器的性能，以及可有效提高采用該諧振器的MEMS濾波器的性能等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03H9/24GK103036527SQ20121052771
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者鮑景富, 蔣俊文, 杜亦佳, 凌源 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)