專利名稱：采用壓電材料制備的陣列結構微機電諧振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子技術領域，特別是一種采用壓電材料制備的陣列結構的微機電諧振器。
背景技術：
現有的微機電(MEMS)諧振器，從信號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構，通過錨點將懸空的諧振結構固定在襯底上，在諧振結構的振動方向上設置平板電極，平板電極與諧振結構之間的間歇非常小，通常只有幾十nm，靜電力加載再平板電極上可以激勵諧振結構振動，振動的諧振結構也會導致其與平板電極之間的間隙大小發(fā)生變化，導致平板電容值的改變，從而將諧振信號以電學的形式傳遞出去。其優(yōu)點在于，諧振的機械材料完全懸空，僅應力與應變最小的部分被錨點固定在襯底上，能量損耗極小，具有極高的品質因數(Q值)。但是采用空氣間隙電容進行電機機電稱合的能量傳遞方式，其機電稱合效率取決于空氣間隙的大小，只有空氣間隙小于20nm，才能實現較低的插入損耗，但現有工藝能實現的空氣間隙在很難實現20nm的空氣間隙。能量傳遞效率是制約電容式微機電諧振器的一個重要因素。另外，電容式諧振器的諧振頻率與諧振結構的尺寸反相關，諧振頻率越高，結構尺寸越小。較小的尺寸不僅僅引起工藝難度的增加，平板電容的置，信號的輸入與檢測也面臨極大的困難。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行商業(yè)應用。壓電式微機電諧振器將驅動電極金屬直接淀積在壓電諧振材料表面，能夠實現較大的機電能量傳遞，得益于壓電材料的較強的機電耦合能力，可以減小插入損耗，降低動態(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強度，而且壓電式MEMS諧振器的工作頻率可以達到數GHz。通過調研發(fā)現，在所有適用微電子加工工藝的無機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，它非常適合制作當前通訊行業(yè)發(fā)展所需的GHz諧振和濾波器件。目前看來，體壓縮模式的AlNMEMS是該領域頗有前景的研究方向，其諧振頻率由面內尺寸決定，只要通過設計不同尺寸的版圖，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現多頻壓電諧振器陣列，為單片式無線通信系統(tǒng)奠定基礎。與采用其他半導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電耦合系數，能量損耗小，能夠獲得更高頻率、更高Q值和更低的動態(tài)阻抗，可低至幾百歐姆甚至是幾十歐姆的動態(tài)阻抗，更易于與50 Q特征阻抗的RF系統(tǒng)實現阻抗匹配，增加了其實用的可能性。但是從報道的結果來看，該結構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或電子書曝光工藝，梳齒圖形復雜，工藝難度較大，成品率低，因此需要開發(fā)新的器件結構。相對于梳齒結構，規(guī)則的全對稱結構在相同的面積下具備更高的諧振頻率，仿真表明，邊長5um的正方形AlN薄膜材料縱向的一階諧振頻率高達1. 2GHz,而欲實現相同諧振頻率的梳齒結構AlN薄膜材料，其梳齒間距小于2. 5um，在工藝實現上難度較大。傳統(tǒng)的壓電材料諧振器，其表面需要覆蓋金屬電極，用來進行激勵或者信號檢測，振動結構上的金屬電極材料，其彈性系數小，本征阻尼大，嚴重影響了諧振結構的品質因數。而電容式諧振器，信號的輸入和傳出是通過平板電容，電極與諧振結構沒有直接的機械接觸，不會耗散諧振結構的存儲能量，因此電容式諧振器具有非常高的品質因數，也是近些年來的研究熱點。但電容式諧振器受限于電機轉換效率，無法實現較低的輸入阻抗，由其構成的震蕩器電路需要多級放大器來滿足幅值條件，消耗了很大的能量。陣列結構的壓電材料諧振器，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，當儲能諧振單元數量遠遠大于輸入和輸出諧振單元時，其整個諧振器件的品質因數約等于無錨點約束和無金屬淀積的單個諧振單元的品質因數，能夠實現等同于電容式諧振器的品質因數，而壓電材料作為諧振器的輸入輸出端口，該陣列結構的壓電諧振器又能實現較低的等效阻抗。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，能夠在消費電子市場大量應用。

發(fā)明內容
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構的MEMS諧振器結構，其諧振頻率可達GHZ以上，具備小于1000Q的等效阻抗，是極具市場競爭力的新型諧振器件。本發(fā)明提供一種采用壓電材料制備的陣列微機電諧振器結構，包括一激勵平板諧振器；一輸出平板諧振器；多個儲能平板諧振器，該多個儲能平板諧振器為菱形矩陣式疊置，其是通過邊角直接互相接觸連接，其中最上面的兩個儲能平板諧振器與激勵平板諧振器通過邊角直接接觸連接，最下面的兩個儲能平板諧振器與輸出平板諧振器通過邊角直接接觸連接；一輸入電極對，該輸入電極對覆蓋在激勵平板諧振器上下表面；—輸出電極對，該輸出電極對覆蓋在輸出平板諧振器上下表面；一支撐錨點對，該支撐錨點對分別與激勵平板諧振器和輸出平板諧振器的外邊角相連接，該支撐錨點對將激勵平板諧振器、輸出平板諧振器、多個儲能平板諧振器、輸入電極對和輸出電極對支撐起，為懸空狀；一襯底,所述支撐錨點對固定在該襯底上。


為進一步說明本發(fā)明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1為本發(fā)明第一實施例的陣列結構圖；圖2為本發(fā)明第二實施例的陣列結構圖；圖3為圖1所示的第一實施例的陣列結構諧振時產生應變的示意圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種采用壓電材料制備的陣列結構的MEMS諧振器，包括一激勵平板諧振器11，該激勵平板諧振器11上下表面覆蓋金屬電極，為輸入電極對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4 ；多個儲能平板諧振器12，該多個儲能平板諧振器12與激勵平板諧振器11和輸出平板諧振器13通過邊角直接接觸連接，形成菱形矩陣式結構，該菱形矩陣式陣列結構的大小可以根據對諧振器品質因數的需求設計，品質因數要求越大，也就需要越大的陣列；一支撐錨點對2，該支撐錨點對2分別與激勵平板諧振器11和輸出平板諧振器13的外邊相連接；一襯底5，該襯底5與支撐錨點對2相連接，固定支撐錨點對2使多個儲能平板諧振器12、激勵平板諧振器11和輸出平板諧振器13組成的菱形矩陣式陣列結構懸空。本發(fā)明的陣列結構微機電諧振器激勵方式為正弦信號激勵，在輸入電極對3上加載一與諧振器諧振頻率相同頻率的交流信號，壓電材料制備的激勵平板諧振器11在靜電力的作用下，產生應變，其厚度發(fā)生周期性變化，振動能量以聲表面波的形式向外擴散。一部分振動能量通經過與之相連接的支撐錨點對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成輸入電極對3的金屬上，變成熱能耗散掉；還有相當一部分能量傳遞到與其相鄰的儲能平板諧振器12上，并傳遞到其他諧振單元，激勵多個儲能平板諧振器12和輸出平板諧振器13振動，振動使激勵平板諧振器11、多個儲能平板諧振器12和輸出平板諧振器13發(fā)生體應變，變形示意圖如圖3所示。受迫振動的輸出平板諧振器13，由于其壓電材料的性質決定了當其體積發(fā)生應變時，在上下表面會積累電荷，形成電勢差。這個電勢差通過輸出電極對4以電學形式傳遞出去。諧振時，輸出平板諧振器13存儲的部分能量也通過輸出電極對4、支撐錨點對2和儲能平板諧振器12耗散。多個儲能平板諧振器12是陣列式MEMS諧振器的主要能量存儲單元。其存儲的能量主要通過相鄰的諧振單元向外耗散，而不受到錨點和上下表面金屬的影響，一個諧振周期內，其存儲的最大勢能與耗散的總能量之比非常高，在GHz的諧振頻率下，該存儲能量與耗散能量的比值可高達幾千到幾萬，也就是說器品質因數可達到幾千甚至幾萬。多個儲能平板諧振器12、激勵平板諧振器11和輸出平板諧振器13相當于串聯(lián)的諧振單元，其總的品質因數的倒數等于各諧振單元的品質因數的倒數和。其中多個儲能平板諧振器12具有較高的品質因數，激勵平板諧振器11和輸出平板諧振器13的品質因數較低，當儲能平板諧振器12的諧振單元的數量遠大于勵平板諧振器11和輸出平板諧振器13的諧振單元數量時，整個陣列式諧振器的品質因數近似等于多個儲能平板諧振器12中單個諧振單元品質因數的陣列子單元個數倍。本發(fā)明的陣列式MEMS諧振器的諧振結構由多個相同的子諧振單元通過邊角直接接觸連接，構成陣列的形式組成。子諧振單元可以采用全對稱諧振結構，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是一個正方形子單元構成的陣列式MEMS諧振器的諧振結構，圖2是一個圓形子單元構成的陣列式MEMS諧振器的諧振結構。構成的陣列的大小決定了陣列式MEMS諧振器品質因數，對于一個2乘以2結構的MEMS陣列式諧振器，其輸入平板諧振器11具有一個諧振子單元，輸出平板諧振器13具有一個諧振子單元，多個儲能平板諧振器12具有兩個諧振單元，這里假設輸入平板諧振器11和輸出平板諧振器13的品質因數為Q1，單個儲能平板諧振器12的品質因數為Q2，那么總的陣列諧振器的品質因數為2Q1Q2/(Q1+Q2);對于一個3乘以3結構的MEMS陣列式諧振器，其輸入平板諧振器11具有一個諧振子單元，輸出平板諧振器13具有一個諧振子單元，多個儲能平板諧振器12具有七個諧振單元，那么總的陣列諧振器的品質因數為9Q1Q2/(7Q1+2Q2);對于一個n乘以n結構的MEMS陣列式諧振器，其輸入平板諧振器11具有一個諧振子單元，輸出平板諧振器13具有一個諧振子單元，儲能平板諧振器12具有n2-2個諧振單元，那么總的陣列諧振器的品質因數約為n2Q2，整個陣列諧振器的品質因數提高了約n2倍。本發(fā)明的陣列式MEMS諧振器的諧振結構采用的制備材料為壓電材料，該種材料可以在電學激勵下產生應變，也會在機械振動引起應變時，在表面積累電荷，形成電勢差，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，使得從諧振結構傳遞到錨點的能量能夠大部分被反射，從而降低能量的耗散，提高整個陣列式MEMS諧振其的品質因數。以上所述，僅是本發(fā)明的實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的的限制，凡是依據本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案范圍之內，因此本發(fā)明的保護范圍當以權利要求書為準。
權利要求
1.一種采用壓電材料制備的陣列微機電諧振器結構，包括 一激勵平板諧振器； 一輸出平板諧振器； 多個儲能平板諧振器，該多個儲能平板諧振器為菱形矩陣式疊置，其是通過邊角直接互相接觸連接，其中最上面的兩個儲能平板諧振器與激勵平板諧振器通過邊角直接接觸連接，最下面的兩個儲能平板諧振器與輸出平板諧振器通過邊角直接接觸連接； 一輸入電極對，該輸入電極對覆蓋在激勵平板諧振器上下表面； 一輸出電極對，該輸出電極對覆蓋在輸出平板諧振器上下表面； 一支撐錨點對，該支撐錨點對分別與激勵平板諧振器和輸出平板諧振器的外邊角相連接，該支撐錨點對將激勵平板諧振器、輸出平板諧振器、多個儲能平板諧振器、輸入電極對和輸出電極對支撐起，為懸空狀； 一襯底，所述支撐錨點對固定在該襯底上。
2.根據權利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列微機電諧振器結構，其中所述的多個儲能平板諧振器的數量大于7個。
3.根據權利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列微機電諧振器結構，其中所述的多個儲能平板諧振器與激勵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稱結構。
4.根據權利要求3所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結構，其中所述的儲能平板諧振器與激勵平板諧振器和輸出平板諧振器連接的接觸面積小于單個儲能平板諧振器面積的1/10。
5.根據權利要求4所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結構，其中所述的多個儲能平板諧振器與激勵平板諧振器和輸出平板諧振器的材料為壓電材料，陣列微機電諧振器的等效輸入阻抗小于1000 Ω。
6.根據權利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結構，其中所述的支撐錨點對與儲能平板諧振器、激勵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.根據權利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結構，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和輸出電極對之間電氣絕緣。
8.根據權利要求1所述的采用壓電材料制備的陣列MEMS諧振器結構，其中所述的輸入電極對和輸出電極對的材料為金、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電諧振器結構，包括一激勵平板諧振器；一輸出平板諧振器；多個儲能平板諧振器，其為菱形矩陣式疊置，其是通過邊角直接互相接觸連接，其中最上面的兩個儲能平板諧振器與激勵平板諧振器通過邊角直接接觸連接，最下面的兩個儲能平板諧振器與輸出平板諧振器通過邊角直接接觸連接；一輸入電極對，該輸入電極對覆蓋在激勵平板諧振器上下表面；一輸出電極對，該輸出電極對覆蓋在輸出平板諧振器上下表面；一支撐錨點對，該支撐錨點對分別與激勵平板諧振器和輸出平板諧振器的外邊角相連接，該支撐錨點對將激勵平板諧振器、輸出平板諧振器、多個儲能平板諧振器、輸入電極對和輸出電極對支撐起，為懸空狀；一襯底，所述支撐錨點對固定在該襯底上。
文檔編號H03H9/15GK103023454SQ20121053994
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權日2012年12月13日
發(fā)明者康中波, 司朝偉, 寧瑾, 韓國威 申請人:中國科學院半導體研究所