一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及MEMS壓電諧振器，具體提供一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，包括振動塊、四條支撐梁、四個支撐臺及基底，所述振動塊由輸入端P型半導(dǎo)體區(qū)、N型半導(dǎo)體區(qū)和輸出端P型半導(dǎo)體區(qū)構(gòu)成，所述輸入端P型半導(dǎo)體區(qū)、輸出端P型半導(dǎo)體區(qū)分別位于振動塊的對角，連接振動塊各區(qū)的支撐梁與振動塊對應(yīng)區(qū)采用相同摻雜類型，振動塊上覆蓋壓電層，輸入、輸出金屬電極置于壓電層上，所述壓電層部分覆蓋振動塊，使得輸入金屬電極與輸入端P型半導(dǎo)體區(qū)電氣連通，輸出金屬電極與輸出端P型半導(dǎo)體區(qū)電氣連通。本發(fā)明結(jié)構(gòu)能夠大大減小了由傳統(tǒng)支撐梁較大寬度帶來的錨點損耗，有效的提高了諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q。
【專利說明】
-種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)器件，尤其是MEMS 壓電諧振器。
【背景技術(shù)】
[0002] 諧振器是電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件之一，目前電子設(shè)備中使用的主要是石英晶體諧 振器，但隨著對電子設(shè)備高性能、小型化的進一步要求，石英晶體諧振器的大體積、高功耗 和無法與1C工藝兼容等缺點變得非常凸顯。MEMS壓電諧振器是一種基于微機械工藝和微機 械振動的高性能諧振器器件，它具有體積小、低功耗、與1C工藝兼容的優(yōu)點，使得其在系統(tǒng) 小型化發(fā)展過程中具有良好的前景。
[0003] 目前研究較多的MEMS諧振器主要是微機械壓電式諧振器，運一類諧振器將輸入電 信號通過能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為機械信號，再通過能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號輸 出。該諧振器的壓電層與振動塊是一個整體，由于需要輸入、輸出和接地的通道，因此通常 采用在支撐梁上生長一層二氧化娃絕緣層，再在絕緣層上蝕刻出金屬連接走線連接到外部 支撐臺；但由于各材料層在刻蝕時存在對準(zhǔn)誤差，因此下層材料在設(shè)計上需要留有邊緣冗 余防止上層材料由于未對準(zhǔn)導(dǎo)致的塌陷，運種設(shè)計會造成支撐梁最下層的單晶娃的寬度遠(yuǎn) 大于最上層金屬層的最小線寬，當(dāng)諧振器機械振動時，有更多的能量在錯點處通過支撐梁 耗散出去，使得諧振器的錯點損耗增大，從而嚴(yán)重限制了諧振器品質(zhì)因數(shù)Q的提高，勢必對 諧振器性能的進一步提升造成影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對【背景技術(shù)】存在的不足，提供一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電 諧振器，在振動塊存儲的總能量Es-定的情況下，通過大幅減小支撐梁的寬度來減小錯點 損耗，達到減小每個振動周期內(nèi)耗散能量Ed的目的，從而提升諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q:
[0005]
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] -種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，包括振動塊、四條支撐梁、四個支撐臺及 基底，所述振動塊通過四條支撐梁2-1、2-2、2-3、2-4分別與對應(yīng)支撐臺5-1、5-2、5-3、5-4電 氣連通，所述支撐臺對應(yīng)設(shè)置于基底8-U8-2上，支撐臺上分別設(shè)置外接金屬電極6-1、6-2、 6-3、6-4,支撐臺與基底之間設(shè)有絕緣氧化層7-1、7-2;其特征在于，所述振動塊由輸入端P 型半導(dǎo)體區(qū)1-1、N型半導(dǎo)體區(qū)1-2和輸出端P型半導(dǎo)體區(qū)1-3構(gòu)成，所述輸入端P型半導(dǎo)體區(qū) 1-1、輸出端P型半導(dǎo)體區(qū)1-3分別位于振動塊的對角，連接振動塊的支撐梁分別與其相連的 振動塊對應(yīng)區(qū)采用相同滲雜類型，振動塊上覆蓋壓電層3,輸入、輸出金屬電極4-1、4-2置于 壓電層上，所述壓電層3部分覆蓋振動塊，使得輸入金屬電極4-1與輸入端P型半導(dǎo)體區(qū)1-1 電氣連通，輸出金屬電極4-2與輸出端P型半導(dǎo)體區(qū)1-3電氣連通。
[000引進一步的，所述振動塊由娃晶體通過重滲雜工藝形成，所述輸入端P型半導(dǎo)體區(qū)1- 1、 輸出端P型半導(dǎo)體區(qū)1-3通過五價元素重滲雜形成，所述N型半導(dǎo)體區(qū)1-2通過Ξ價元素重 滲雜形成。
[0009] 所述壓電層3為壓電薄膜。
[0010] 從原理上講，本發(fā)明提供的一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，由于本發(fā)明 采用四條支撐梁結(jié)構(gòu)，因此設(shè)定振動為二階模態(tài)。設(shè)振動塊的長度為L，根據(jù)二階模態(tài)的伸 縮振動情況，振動體一側(cè)的兩條支撐梁中屯、分別位于1/化和3/化處，并設(shè)支撐梁寬度為Wt; 采用娃晶體滲雜制作振動塊1-1、1-2、1-3，支撐梁2-1、2-2、2-3、2-4及對應(yīng)的支撐臺5-1、5- 2、 5-3、5-4;諧振頻率f由娃晶體滲雜的振動塊的長度L、楊氏模量E、材料密度P和振動模態(tài)η 決定，其關(guān)系式為：
[0011]
[0012] 由于楊氏模量Ε和材料密度Ρ是一定的，由于振動在二階模態(tài)，故η = 2;因此，諧振 器設(shè)計的中屯、頻率f可由其設(shè)計長度L來確定，其具體數(shù)值可W在幾微米至幾百微米內(nèi)自由 選擇。
[0013] 本發(fā)明提供的一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，振動塊的輸入?yún)^(qū)1-1和輸 出區(qū)1-3的娃重滲雜為P型，其余區(qū)域1-2娃重滲雜為N型；同時，輸入輸出金屬電極4-1和4-2 分別與輸入輸出端1-2和1-3W歐姆接觸的方式相連，而歐姆接觸的接觸面電阻值遠(yuǎn)小于半 導(dǎo)體本身的電阻，因此電流可W通過滲雜半導(dǎo)體中的載流子傳到金屬電極。壓電層3將金屬 電極4-1和4-2與振動塊的N型半導(dǎo)體區(qū)域1-2隔開，形成金屬與地的隔離。相對輸入信號的 電壓幅值，PN結(jié)的正向?qū)妷狠^高，因此信號不會通過PN結(jié)傳到振動塊N型區(qū)域1-2,而是 通過連接振動塊與壓電薄膜的金屬電極9-1傳到輸入金屬電極4-1，形成輸入端的完整信號 通路，而輸出端原理與此類似。
[0014] 當(dāng)諧振器工作時，輸入信號從外接金屬電極6-3進入諧振器，由于半導(dǎo)體區(qū)域為重 滲雜，因此信號由載流子通過支撐臺5-3、支撐梁2-3到達振動塊輸入端1-1，由于半導(dǎo)體與 金屬的歐姆接觸方式，使得接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻，又由于PN結(jié)有較高 的導(dǎo)通電壓，因此輸入信號將通過連接振動塊與壓電薄膜的金屬電極9-1傳到輸入金屬電 極4-1，導(dǎo)致壓電層3的W輸入信號的頻率振動，帶動振動塊產(chǎn)生諧振，從而在輸出電極4-2 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即產(chǎn)生輸出信號，輸出信號通過相同的方式傳出諧振器。
[0015] 本發(fā)明提供的一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，其結(jié)構(gòu)中由于不再需要在 支撐梁2-1，2-2，2-3和2-4上生長一層二氧化娃絕緣層，再在絕緣層上蝕刻出金屬連接走線 連接到外部；因此傳統(tǒng)諧振器結(jié)構(gòu)的支撐梁刻蝕時需要Ξ張掩膜版，設(shè)計下層材料的掩膜 版線寬時需要留有冗余寬度W防止對準(zhǔn)誤差，因此支撐梁寬度較大。而對于本專利設(shè)計，只 需要使用一張掩膜版進行刻蝕，就可得到整個支撐梁結(jié)構(gòu)，使得支撐梁2-1，2-2，2-3和2-4 的寬度化可W減小到1至2微米；由于錯點與振動體相連，在振動體機械振動的過程中，不斷 有能量通過錯點耗散出振動體，使得每個振動周期內(nèi)耗散能量Ed增大，降低了Q值；因此，采 用本發(fā)明結(jié)構(gòu)，大大減小了由傳統(tǒng)支撐梁較大的寬度帶來的錯點損耗，有效的提高了諧振 器的品質(zhì)因數(shù)Q;同時，由于器件中存在地結(jié)構(gòu)，功率容量更大，大輸入信號下不易出現(xiàn)非線 性傳輸特性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明提供的一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖（東南 等軸側(cè)視圖）。
[0017] 圖2為圖1的正南俯視圖。
[001引圖3為圖2中A-A'連線界面示意圖。
[0019] 圖4為圖2中隱藏金屬電極4-1和4-2、連接振動塊與壓電薄膜的金屬電極9-1和9-2 和外接金屬電極6-1，6-2，6-3和6-4后的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）。
[0020] 圖5為圖2中隱藏壓電層3、金屬電極4-1和4-2、連接振動塊與壓電薄膜的金屬電極 9-1和9-2和外接金屬電極6-1，6-2，6-3和6-4后的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）。
[0021] 圖6為本發(fā)明提供的一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器的等效電路圖。
[0022] 圖7為實施例仿真得到的品質(zhì)因數(shù)與支撐梁寬度的對應(yīng)關(guān)系。
[0023] 圖中：1-1、1-2、1-3表示振動塊的輸入端P型半導(dǎo)體區(qū)、N型半導(dǎo)體區(qū)和輸出端P型 半導(dǎo)體區(qū)，2-1、2-2、2-3、2-4表示支撐梁，3表示壓電層，4-1、4-2表示輸入、輸出金屬電極， 5-1、5-2、5-3、5-4表示支撐臺，6-1、6-2、6-3、6-4表示外接金屬電極，7-1、7-2表示絕緣氧化 層，8-1、8-2表示基底，9-1、9-2表示過渡連接金屬電極，10表示刻蝕后產(chǎn)生的基底空腔。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0025] 本實施例提供的一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，本實施例中，W工作在2 階模態(tài)的lOMHz諧振器為例，諧振器長度L約為840um，采用SOI基片制作，SOI基片由多晶娃 基底(約500皿），?Μ?厚的二氧化娃絕緣層(絕緣氧化層)和10M1厚度的單晶娃結(jié)構(gòu)層組成。
[0026] 其結(jié)構(gòu)如圖1-圖5所示，包括振動塊、四條支撐梁、四個支撐臺及基底，所述振動塊 通過四條支撐梁2-1、2-2、2-3、2-4分別與對應(yīng)支撐臺5-1、5-2、5-3、5-4電氣連通，支撐臺5- 1、5-2對應(yīng)設(shè)置于基底8-1上，支撐臺5-3、5-4對應(yīng)設(shè)置于基底8-2上，支撐臺5-1、5-2、5-3、 5-4上對應(yīng)設(shè)置外接金屬電極6-1、6-2、6-3、6-4，支撐臺與基底之間設(shè)有絕緣氧化層7-1、7- 2;其特征在于，所述振動塊為矩形，振動塊由輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-1、Ν型半導(dǎo)體區(qū)1-2和輸 出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-3構(gòu)成，所述輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-1、輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-3分別位于 矩形振動塊的一角，且呈對角關(guān)系，如圖5所示，連接振動塊各區(qū)的支撐梁與振動塊對應(yīng)區(qū) 采用相同滲雜類型，而對應(yīng)的支撐臺是否采用相同滲雜類型均可，而本實施例中采用相同 滲雜類型，即支撐梁2-3及對應(yīng)支撐臺5-3連接輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-1、則支撐梁2-3及對應(yīng) 支撐臺5-3采用相同Ρ型半導(dǎo)體，W此類推;振動塊上覆蓋壓電薄膜3,輸入、輸出金屬電極4- 1、4-2置于壓電薄膜上，所述壓電薄膜3部分覆蓋振動塊(壓電薄膜尺寸略小于振動塊，部分 覆蓋輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-1、Ν型半導(dǎo)體區(qū)1-2和輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-3,露出部分輸入端Ρ 型半導(dǎo)體區(qū)1-1、Ν型半導(dǎo)體區(qū)1-2和輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-3,如圖4所示），使得輸入金屬電 極4-1與輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-1電氣連通，輸出金屬電極4-2與輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-3電氣 連通，即輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-1通過過渡連接金屬電極9-1與輸入金屬電極4-1電氣連接， 輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)1-3通過過渡連接金屬電極9-2與輸入金屬電極4-2電氣連接。
[0027] 采用有限元分析軟件C0MS0L針對不同支撐梁寬度諧振器的錯點損耗進行仿真。具 體仿真方法為:通過在錯點周圍設(shè)置一圈完美匹配層的實體來模擬實際無窮遠(yuǎn)的基座邊 界，可W將從錯點傳播出的振動能量實現(xiàn)無反射的全吸收;構(gòu)建機械模型時設(shè)定支撐梁寬 為一定值，在輸入端電極施加相同功率不同頻率的電壓信號，可W得到輸出信號的幅值-頻 率響應(yīng);輸出信號功率最強點頻率即為諧振頻率點時，諧振頻率點左右兩側(cè)輸出信號功率 衰減為最高功率二分之一的頻率分別為fl，f2;3dB帶寬可由f2-fl得到，再根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的 定義Q = f〇/(f2-fl)，可W計算得到該支撐梁寬度下對應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)。通過對多個支撐梁寬 度值的模型仿真計算，得到品質(zhì)因數(shù)與支撐梁寬度的對應(yīng)關(guān)系如圖7所示：當(dāng)支撐梁寬度為 2um時，品質(zhì)因數(shù)達到84890,約為支撐梁寬度為lOum時品質(zhì)因數(shù)的19倍?；诖丝芍景l(fā) 明結(jié)構(gòu)能夠顯著提高諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q。
[0028] W上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，本說明書中所公開的任一特征，除非特別 敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加 W替換;所公開的所有特征、或所有方 法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟W外，均可W任何方式組合。
【主權(quán)項】
1. 一種窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，包括振動塊、四條支撐梁、四個支撐臺及基 底，所述振動塊通過四條支撐梁(2-1、2-2、2-3、2-4)分別與對應(yīng)支撐臺（5-1、5-2、5-3、5-4) 電氣連通，所述支撐臺對應(yīng)設(shè)置于基底(8-1、8-2)上，支撐臺上分別設(shè)置外接金屬電極(θ-? 、 6-2 、 6-3 、 6-4 )， 支撐臺 與基底之間設(shè)有絕緣氧化層 (7-1 、 7-2); 其特征在于 ，所述振動塊 由輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)（1-1)、Ν型半導(dǎo)體區(qū)（1-2)和輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)（1-3)構(gòu)成，所述輸 入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)（1-1)、輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)（1-3)分別位于振動塊的對角，連接振動塊的 支撐梁分別與其相連的振動塊對應(yīng)區(qū)采用相同摻雜類型，振動塊上覆蓋壓電層(3)，輸入、 輸出金屬電極(4-U4-2)置于壓電層上，所述壓電層(3)部分覆蓋振動塊，使得輸入金屬電 極(4-1)與輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)（1-1)電氣連通，輸出金屬電極(4-2)與輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū) (1-3)電氣連通。2. 按權(quán)利要求1所述窄支撐梁高品質(zhì)因數(shù)的壓電諧振器，其特征在于，所述振動塊及其 對應(yīng)相連的支撐梁由硅晶體通過重?fù)诫s工藝形成，所述輸入端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)（1-1)及其對應(yīng) 相連的支撐梁(2-3)、輸出端Ρ型半導(dǎo)體區(qū)（1-3)及其對應(yīng)相連的支撐梁(2-2)通過五價元素 重?fù)诫s形成，所述Ν型半導(dǎo)體區(qū)（1-2)及其對應(yīng)相連的支撐梁(2-1和2-4)通過三價元素重?fù)?雜形成。
【文檔編號】H03H9/56GK105871351SQ201610168651
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】鮑景富, 李昕熠, 秦風(fēng), 張超, 張翼, 張亭
【申請人】電子科技大學(xué)