專利名稱：采用壓電材料制備的陣列結(jié)構(gòu)微機(jī)電諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種采用壓電材料制備的陣列結(jié)構(gòu)的微機(jī)電諧振器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的微機(jī)電(MEMS)諧振器，從信號(hào)傳遞方式上主要分為電容式和壓電式兩種。其中電容式MEMS諧振器采用楊氏模量較大的材料作為諧振結(jié)構(gòu)，通過(guò)錨點(diǎn)將懸空的諧振結(jié)構(gòu)固定在襯底上，在諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方向上設(shè)置平板電極，平板電極與諧振結(jié)構(gòu)之間的間歇非常小，通常只有幾十nm，靜電力加載再平板電極上可以激勵(lì)諧振結(jié)構(gòu)振動(dòng)，振動(dòng)的諧振結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致其與平板電極之間的間隙大小發(fā)生變化，導(dǎo)致平板電容值的改變，從而將諧振信號(hào)以電學(xué)的形式傳遞出去。其優(yōu)點(diǎn)在于，諧振的機(jī)械材料完全懸空，僅應(yīng)力與應(yīng)變最小的部分被錨點(diǎn)固定在襯底上，能量損耗極小，具有極高的品質(zhì)因數(shù)(Q值)。但是采用空氣間隙電容進(jìn)行電機(jī)機(jī)電稱合的能量傳遞方式，其機(jī)電稱合效率取決于空氣間隙的大小，只有空氣間隙小于20nm，才能實(shí)現(xiàn)較低的插入損耗，但現(xiàn)有工藝能實(shí)現(xiàn)的空氣間隙在很難實(shí)現(xiàn)20nm的空氣間隙。能量傳遞效率是制約電容式微機(jī)電諧振器的一個(gè)重要因素。另外，電容式諧振器的諧振頻率與諧振結(jié)構(gòu)的尺寸反相關(guān)，諧振頻率越高，結(jié)構(gòu)尺寸越小。較小的尺寸不僅僅引起工藝難度的增加，平板電容的置，信號(hào)的輸入與檢測(cè)也面臨極大的困難。所以電容式諧振器的工作頻率很難突破GHz，即使在高階的諧振頻率上達(dá)到了 GHz以上，其等效阻抗也非常大，難以作為有效的諧振器進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。壓電式微機(jī)電諧振器將驅(qū)動(dòng)電極金屬直接淀積在壓電諧振材料表面，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的機(jī)電能量傳遞，得益于壓電材料的較強(qiáng)的機(jī)電耦合能力，可以減小插入損耗，降低動(dòng)態(tài)阻抗。若采用壓電材料比如A1N、石英、ZnO, PZT等，利用其壓電特性可以提高輸出信號(hào)強(qiáng)度，而且壓電式MEMS諧振器的工作頻率可以達(dá)到數(shù)GHz。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在所有適用微電子加工工藝的無(wú)機(jī)非鐵電性壓電材料中，AlN薄膜的表面聲波速度是最高的，幾乎是表面聲波器件常用壓電薄膜ZnO和CdS的2倍，因此，它非常適合制作當(dāng)前通訊行業(yè)發(fā)展所需的GHz諧振和濾波器件。目前看來(lái)，體壓縮模式的AlNMEMS是該領(lǐng)域頗有前景的研究方向，其諧振頻率由面內(nèi)尺寸決定，只要通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺寸的版圖，就可以研制出不同頻率的諧振器件，因此可以在同一襯底上實(shí)現(xiàn)多頻壓電諧振器陣列，為單片式無(wú)線通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。與采用其他半導(dǎo)體材料如多晶硅或碳化硅材料制備的電容式諧振器件相比，壓電材料具備較大的機(jī)電耦合系數(shù)，能量損耗小，能夠獲得更高頻率、更高Q值和更低的動(dòng)態(tài)阻抗，可低至幾百歐姆甚至是幾十歐姆的動(dòng)態(tài)阻抗，更易于與50 Q特征阻抗的RF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，增加了其實(shí)用的可能性。但是從報(bào)道的結(jié)果來(lái)看，該結(jié)構(gòu)的諧振頻率仍然由壓電薄膜的縱向尺寸和梳齒電極和電極間距決定，高頻器件需要用到亞微米光刻技術(shù)或電子書(shū)曝光工藝，梳齒圖形復(fù)雜，工藝難度較大，成品率低，因此需要開(kāi)發(fā)新的器件結(jié)構(gòu)。相對(duì)于梳齒結(jié)構(gòu)，規(guī)則的全對(duì)稱結(jié)構(gòu)在相同的面積下具備更高的諧振頻率，仿真表明，邊長(zhǎng)5um的正方形AlN薄膜材料縱向的一階諧振頻率高達(dá)1. 2GHz,而欲實(shí)現(xiàn)相同諧振頻率的梳齒結(jié)構(gòu)AlN薄膜材料，其梳齒間距小于2. 5um，在工藝實(shí)現(xiàn)上難度較大。傳統(tǒng)的壓電材料諧振器，其表面需要覆蓋金屬電極，用來(lái)進(jìn)行激勵(lì)或者信號(hào)檢測(cè)，振動(dòng)結(jié)構(gòu)上的金屬電極材料，其彈性系數(shù)小，本征阻尼大，嚴(yán)重影響了諧振結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)。而電容式諧振器，信號(hào)的輸入和傳出是通過(guò)平板電容，電極與諧振結(jié)構(gòu)沒(méi)有直接的機(jī)械接觸，不會(huì)耗散諧振結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)能量，因此電容式諧振器具有非常高的品質(zhì)因數(shù)，也是近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。但電容式諧振器受限于電機(jī)轉(zhuǎn)換效率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較低的輸入阻抗，由其構(gòu)成的震蕩器電路需要多級(jí)放大器來(lái)滿足幅值條件，消耗了很大的能量。陣列結(jié)構(gòu)的壓電材料諧振器，只需在輸入和輸出諧振單元表面淀積金屬，而其它諧振單元不受金屬電極能量耗散的制約，當(dāng)儲(chǔ)能諧振單元數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入和輸出諧振單元時(shí)，其整個(gè)諧振器件的品質(zhì)因數(shù)約等于無(wú)錨點(diǎn)約束和無(wú)金屬淀積的單個(gè)諧振單元的品質(zhì)因數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)等同于電容式諧振器的品質(zhì)因數(shù)，而壓電材料作為諧振器的輸入輸出端口，該陣列結(jié)構(gòu)的壓電諧振器又能實(shí)現(xiàn)較低的等效阻抗。因此，在GHz的頻率范圍附近，陣列式壓電諧振器具有較好的性能，能夠在消費(fèi)電子市場(chǎng)大量應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種采用壓電材料制備的陣列結(jié)構(gòu)的MEMS諧振器結(jié)構(gòu)，其諧振頻率可達(dá)GHZ以上，具備小于1000Q的等效阻抗，是極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新型諧振器件。本發(fā)明提供一種采用壓電材料制備的陣列微機(jī)電諧振器結(jié)構(gòu)，包括一激勵(lì)平板諧振器；一輸出平板諧振器；多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器，該多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器為菱形矩陣式疊置，其是通過(guò)邊角直接互相接觸連接，其中最上面的兩個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與激勵(lì)平板諧振器通過(guò)邊角直接接觸連接，最下面的兩個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與輸出平板諧振器通過(guò)邊角直接接觸連接；一輸入電極對(duì)，該輸入電極對(duì)覆蓋在激勵(lì)平板諧振器上下表面；—輸出電極對(duì)，該輸出電極對(duì)覆蓋在輸出平板諧振器上下表面；一支撐錨點(diǎn)對(duì)，該支撐錨點(diǎn)對(duì)分別與激勵(lì)平板諧振器和輸出平板諧振器的外邊角相連接，該支撐錨點(diǎn)對(duì)將激勵(lì)平板諧振器、輸出平板諧振器、多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器、輸入電極對(duì)和輸出電極對(duì)支撐起，為懸空狀；一襯底,所述支撐錨點(diǎn)對(duì)固定在該襯底上。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的陣列結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的陣列結(jié)構(gòu)圖；圖3為圖1所示的第一實(shí)施例的陣列結(jié)構(gòu)諧振時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變的示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種采用壓電材料制備的陣列結(jié)構(gòu)的MEMS諧振器，包括一激勵(lì)平板諧振器11，該激勵(lì)平板諧振器11上下表面覆蓋金屬電極，為輸入電極對(duì)3 ;一輸出平板諧振器13，該輸出平板諧振器11上下表面覆蓋金屬電極，為輸出電極對(duì)4 ；多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12，該多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12與激勵(lì)平板諧振器11和輸出平板諧振器13通過(guò)邊角直接接觸連接，形成菱形矩陣式結(jié)構(gòu)，該菱形矩陣式陣列結(jié)構(gòu)的大小可以根據(jù)對(duì)諧振器品質(zhì)因數(shù)的需求設(shè)計(jì)，品質(zhì)因數(shù)要求越大，也就需要越大的陣列；一支撐錨點(diǎn)對(duì)2，該支撐錨點(diǎn)對(duì)2分別與激勵(lì)平板諧振器11和輸出平板諧振器13的外邊相連接；一襯底5，該襯底5與支撐錨點(diǎn)對(duì)2相連接，固定支撐錨點(diǎn)對(duì)2使多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12、激勵(lì)平板諧振器11和輸出平板諧振器13組成的菱形矩陣式陣列結(jié)構(gòu)懸空。本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)微機(jī)電諧振器激勵(lì)方式為正弦信號(hào)激勵(lì)，在輸入電極對(duì)3上加載一與諧振器諧振頻率相同頻率的交流信號(hào)，壓電材料制備的激勵(lì)平板諧振器11在靜電力的作用下，產(chǎn)生應(yīng)變，其厚度發(fā)生周期性變化，振動(dòng)能量以聲表面波的形式向外擴(kuò)散。一部分振動(dòng)能量通經(jīng)過(guò)與之相連接的支撐錨點(diǎn)對(duì)2，在襯底5上耗散掉；一部分能量傳遞到其上下表面覆蓋的構(gòu)成輸入電極對(duì)3的金屬上，變成熱能耗散掉；還有相當(dāng)一部分能量傳遞到與其相鄰的儲(chǔ)能平板諧振器12上，并傳遞到其他諧振單元，激勵(lì)多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12和輸出平板諧振器13振動(dòng)，振動(dòng)使激勵(lì)平板諧振器11、多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12和輸出平板諧振器13發(fā)生體應(yīng)變，變形示意圖如圖3所示。受迫振動(dòng)的輸出平板諧振器13，由于其壓電材料的性質(zhì)決定了當(dāng)其體積發(fā)生應(yīng)變時(shí)，在上下表面會(huì)積累電荷，形成電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差通過(guò)輸出電極對(duì)4以電學(xué)形式傳遞出去。諧振時(shí)，輸出平板諧振器13存儲(chǔ)的部分能量也通過(guò)輸出電極對(duì)4、支撐錨點(diǎn)對(duì)2和儲(chǔ)能平板諧振器12耗散。多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12是陣列式MEMS諧振器的主要能量存儲(chǔ)單元。其存儲(chǔ)的能量主要通過(guò)相鄰的諧振單元向外耗散，而不受到錨點(diǎn)和上下表面金屬的影響，一個(gè)諧振周期內(nèi)，其存儲(chǔ)的最大勢(shì)能與耗散的總能量之比非常高，在GHz的諧振頻率下，該存儲(chǔ)能量與耗散能量的比值可高達(dá)幾千到幾萬(wàn)，也就是說(shuō)器品質(zhì)因數(shù)可達(dá)到幾千甚至幾萬(wàn)。多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12、激勵(lì)平板諧振器11和輸出平板諧振器13相當(dāng)于串聯(lián)的諧振單元，其總的品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)等于各諧振單元的品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)和。其中多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12具有較高的品質(zhì)因數(shù)，激勵(lì)平板諧振器11和輸出平板諧振器13的品質(zhì)因數(shù)較低，當(dāng)儲(chǔ)能平板諧振器12的諧振單元的數(shù)量遠(yuǎn)大于勵(lì)平板諧振器11和輸出平板諧振器13的諧振單元數(shù)量時(shí)，整個(gè)陣列式諧振器的品質(zhì)因數(shù)近似等于多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12中單個(gè)諧振單元品質(zhì)因數(shù)的陣列子單元個(gè)數(shù)倍。本發(fā)明的陣列式MEMS諧振器的諧振結(jié)構(gòu)由多個(gè)相同的子諧振單元通過(guò)邊角直接接觸連接，構(gòu)成陣列的形式組成。子諧振單元可以采用全對(duì)稱諧振結(jié)構(gòu)，如圓形、正方形、六邊形等，不同的子諧振單元形狀決定了陣列的排列形式，圖1是一個(gè)正方形子單元構(gòu)成的陣列式MEMS諧振器的諧振結(jié)構(gòu)，圖2是一個(gè)圓形子單元構(gòu)成的陣列式MEMS諧振器的諧振結(jié)構(gòu)。構(gòu)成的陣列的大小決定了陣列式MEMS諧振器品質(zhì)因數(shù)，對(duì)于一個(gè)2乘以2結(jié)構(gòu)的MEMS陣列式諧振器，其輸入平板諧振器11具有一個(gè)諧振子單元，輸出平板諧振器13具有一個(gè)諧振子單元，多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12具有兩個(gè)諧振單元，這里假設(shè)輸入平板諧振器11和輸出平板諧振器13的品質(zhì)因數(shù)為Q1，單個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12的品質(zhì)因數(shù)為Q2，那么總的陣列諧振器的品質(zhì)因數(shù)為2Q1Q2/(Q1+Q2);對(duì)于一個(gè)3乘以3結(jié)構(gòu)的MEMS陣列式諧振器，其輸入平板諧振器11具有一個(gè)諧振子單元，輸出平板諧振器13具有一個(gè)諧振子單元，多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器12具有七個(gè)諧振單元，那么總的陣列諧振器的品質(zhì)因數(shù)為9Q1Q2/(7Q1+2Q2);對(duì)于一個(gè)n乘以n結(jié)構(gòu)的MEMS陣列式諧振器，其輸入平板諧振器11具有一個(gè)諧振子單元，輸出平板諧振器13具有一個(gè)諧振子單元，儲(chǔ)能平板諧振器12具有n2-2個(gè)諧振單元，那么總的陣列諧振器的品質(zhì)因數(shù)約為n2Q2，整個(gè)陣列諧振器的品質(zhì)因數(shù)提高了約n2倍。本發(fā)明的陣列式MEMS諧振器的諧振結(jié)構(gòu)采用的制備材料為壓電材料，該種材料可以在電學(xué)激勵(lì)下產(chǎn)生應(yīng)變，也會(huì)在機(jī)械振動(dòng)引起應(yīng)變時(shí)，在表面積累電荷，形成電勢(shì)差，具備較低的等效阻抗。壓電材料可以采用多種材料，如A1N、石英、ZnO, PZT等。本發(fā)明采用的襯底5的材料要求具有較高的楊氏模量，使得從諧振結(jié)構(gòu)傳遞到錨點(diǎn)的能量能夠大部分被反射，從而降低能量的耗散，提高整個(gè)陣列式MEMS諧振其的品質(zhì)因數(shù)。以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種采用壓電材料制備的陣列微機(jī)電諧振器結(jié)構(gòu)，包括 一激勵(lì)平板諧振器； 一輸出平板諧振器； 多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器，該多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器為菱形矩陣式疊置，其是通過(guò)邊角直接互相接觸連接，其中最上面的兩個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與激勵(lì)平板諧振器通過(guò)邊角直接接觸連接，最下面的兩個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與輸出平板諧振器通過(guò)邊角直接接觸連接； 一輸入電極對(duì)，該輸入電極對(duì)覆蓋在激勵(lì)平板諧振器上下表面； 一輸出電極對(duì)，該輸出電極對(duì)覆蓋在輸出平板諧振器上下表面； 一支撐錨點(diǎn)對(duì)，該支撐錨點(diǎn)對(duì)分別與激勵(lì)平板諧振器和輸出平板諧振器的外邊角相連接，該支撐錨點(diǎn)對(duì)將激勵(lì)平板諧振器、輸出平板諧振器、多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器、輸入電極對(duì)和輸出電極對(duì)支撐起，為懸空狀； 一襯底，所述支撐錨點(diǎn)對(duì)固定在該襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列微機(jī)電諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述的多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器的數(shù)量大于7個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列微機(jī)電諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述的多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與激勵(lì)平板諧振器和輸出平板諧振器形狀尺寸完全一致，為圓形或多邊形的全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述的儲(chǔ)能平板諧振器與激勵(lì)平板諧振器和輸出平板諧振器連接的接觸面積小于單個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器面積的1/10。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述的多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與激勵(lì)平板諧振器和輸出平板諧振器的材料為壓電材料，陣列微機(jī)電諧振器的等效輸入阻抗小于1000 Ω。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述的支撐錨點(diǎn)對(duì)與儲(chǔ)能平板諧振器、激勵(lì)平板諧振器和輸出平板諧振器的材料相同，采用楊氏模量大于90Gpa的材料制備。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述的襯底米用楊氏模量大于90Gpa的材料制備,該襯底與輸入電極對(duì)和輸出電極對(duì)之間電氣絕緣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述的輸入電極對(duì)和輸出電極對(duì)的材料為金、招或鎳金合金，其厚度小于500nm。
全文摘要
一種采用壓電材料制備的陣列微機(jī)電諧振器結(jié)構(gòu)，包括一激勵(lì)平板諧振器；一輸出平板諧振器；多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器，其為菱形矩陣式疊置，其是通過(guò)邊角直接互相接觸連接，其中最上面的兩個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與激勵(lì)平板諧振器通過(guò)邊角直接接觸連接，最下面的兩個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器與輸出平板諧振器通過(guò)邊角直接接觸連接；一輸入電極對(duì)，該輸入電極對(duì)覆蓋在激勵(lì)平板諧振器上下表面；一輸出電極對(duì)，該輸出電極對(duì)覆蓋在輸出平板諧振器上下表面；一支撐錨點(diǎn)對(duì)，該支撐錨點(diǎn)對(duì)分別與激勵(lì)平板諧振器和輸出平板諧振器的外邊角相連接，該支撐錨點(diǎn)對(duì)將激勵(lì)平板諧振器、輸出平板諧振器、多個(gè)儲(chǔ)能平板諧振器、輸入電極對(duì)和輸出電極對(duì)支撐起，為懸空狀；一襯底，所述支撐錨點(diǎn)對(duì)固定在該襯底上。
文檔編號(hào)H03H9/15GK103023454SQ20121053994
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者康中波, 司朝偉, 寧瑾, 韓國(guó)威 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所