本發(fā)明屬于電子科學技術(shù)領(lǐng)域，涉及射頻微機電系統(tǒng)(rfmems器件，尤其是電容式mems諧振器，具體提供一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器。

背景技術(shù)：

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ic工藝兼容等缺點變得非常凸顯。靜電驅(qū)動電容式mems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ic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。

目前研究較多的mems諧振器主要是靜電驅(qū)動電容式mems諧振器，這一類諧振器的工作過程是一個機械能和電能反復交換的過程，根據(jù)其工作過程，可以將其結(jié)構(gòu)分為三部分：即輸入變換器、機械振子及輸出變換器組成；輸入變換器將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成機械信號，機械振子通過其機械振動頻率濾出工作信號，輸出變換器將機械信號再轉(zhuǎn)換成電信號通過輸出電極輸出；輸入換能和輸出換能都是通過機械振子和電極之間的電容進行。上述結(jié)構(gòu)的電容式諧振器的典型問題是振動塊與電極間隙小，諧振器的動態(tài)阻抗大，導致諧振器的輸出電流小，帶負載能力差。若利用這種mems諧振器來構(gòu)造振蕩器與濾波器勢必要采用多級放大電路，才能夠構(gòu)成具有振蕩或者選頻功能的電路網(wǎng)絡(luò)，而多級放大電路的使用必然使整個系統(tǒng)的相位噪聲和線性度惡化，這些都對mems諧振器的實用化形成了一定阻礙，限制了mems諧振器在通信和雷達系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對背景技術(shù)中電容式諧振器輸出電流小，帶負載能力差的不足，提供一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，通過對振動塊和電極摻雜的方法，構(gòu)造四對驅(qū)動感應(yīng)電極，在相同小信號激勵下，提高了諧振器的輸出電流，從而提高了諧振器的驅(qū)動能力。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，包括：1個振動塊、4個振動塊支撐梁、4個振動塊錨點、4個輸入輸出電極、4個電極支撐梁及4個電極錨點；其特征在于，所述振動塊呈正方形、且通過分別設(shè)置于振動塊四角的振動塊支撐梁與振動塊錨點相連，所述輸入輸出電極設(shè)置于振動塊的外側(cè)、分別對應(yīng)振動塊的四邊、且通過電極支撐梁與電極錨點相連；所述振動塊、振動塊支撐梁、輸入輸出電極及電極支撐梁均由多晶硅重摻雜形成，所述振動塊分割為1個正方形半導體區(qū)與4個梯形半導體區(qū)，所述正方形半導體區(qū)位于中心、且采用任意摻雜類型，所述4個梯形半導體區(qū)圍繞正方形半導體區(qū)，相鄰梯形半導體區(qū)采用相反類型摻雜，同時，每個梯形半導體區(qū)與相連的振動塊支撐梁采用相同類型摻雜、且與對應(yīng)的輸入輸出電極采用相反類型摻雜；所述振動塊錨點與電極錨點上均設(shè)置外接金屬電極、用于連接外部電路。

進一步的，所述4個梯形半導體區(qū)為圍繞正方形半導體區(qū)的環(huán)狀區(qū)域沿振動塊的對角線方向分割形成。

一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，包括：1個振動塊、4個振動塊支撐梁、4個振動塊錨點、4個輸入輸出電極、4個電極支撐梁及4個電極錨點；其特征在于，所述振動塊呈正方形、且通過分別設(shè)置于振動塊四角的振動塊支撐梁與振動塊錨點相連，所述輸入輸出電極設(shè)置于振動塊的外側(cè)、分別對應(yīng)振動塊的四邊、且通過電極支撐梁與電極錨點相連；所述振動塊、振動塊支撐梁、輸入輸出電極及電極支撐梁均由多晶硅重摻雜形成，所述振動塊沿對角線方向分割為4個半導體區(qū)、且相鄰半導體區(qū)采用相反類型摻雜，同時，每個半導體區(qū)與相連的振動塊支撐梁采用相同類型摻雜、且與對應(yīng)的輸入輸出電極采用相反類型摻雜；所述振動塊錨點與電極錨點上均設(shè)置外接金屬電極、用于連接外部電路。

需要說明的是，本發(fā)明中所述半導體區(qū)包括p型摻雜和n型摻雜兩種摻雜類型，所述p型半導體區(qū)由多晶硅重摻雜三價元素形成、n型半導體區(qū)由多晶硅重摻雜五價元素形成。另外，由于諧振器的主要換能區(qū)域在振動塊外圍四個方向的區(qū)域，因此振動塊中心區(qū)域的摻雜類型，即上述兩個技術(shù)方案具備單一性。

從工作原理上講，本發(fā)明提供的具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器工作時，中心振動塊的側(cè)邊分別與其對應(yīng)的輸入輸出電極形成輸入輸出換能電容；如圖5所示，直流驅(qū)動電壓vdc分別加載于四個輸入輸出電極錨點的金屬電極(6-1、6-2、6-3、6-4)上，中心振動塊的四個錨點的金屬電極(5-1、5-2、5-3、5-4)接地；交流信號通路上，四個n型摻雜區(qū)域(1-1、1-3、2-2、2-4)作為輸入端，四個p型摻雜區(qū)域(1-2、1-4、2-1、2-3)作為輸出端；電容式mems諧振器工作時，輸入輸出換能電容上，會產(chǎn)生一個交變的靜電力fe：

其中，ε0為真空中介電常數(shù)，a為輸入輸出電極和中心振動塊側(cè)面重疊的面積，v為諧振器施加的外部電壓，g為輸入輸出電極和中心振動塊之間的間距。

本發(fā)明提供的電容式諧振器構(gòu)造了四個輸入端四個輸出端，因此，器件在工作時，產(chǎn)生的靜電力fe'為傳統(tǒng)電容式諧振器的4倍：

fe'＝4fe

由于中心振動塊的側(cè)面分別與它們對應(yīng)的輸入輸出電極形成輸入輸出換能電容，通過靜電場對電容極板產(chǎn)生的靜電力分析：

由諧振器的工作狀態(tài)可知，當fe'變?yōu)閒e的4倍時，在每一個周期的單位時間δt內(nèi)，給諧振器施加的外部電壓v和輸入輸出電極和中心振動塊之間間距g的比值不變，因此在靜電力增大為原來的4倍的情況下，產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量也增大為原來的4倍：

根據(jù)電流的定義，通過導體橫截面的電荷量δq跟通過這些電荷量所用的時間δt的比值稱為電流；當δt時間內(nèi)的電荷量δq變?yōu)樵瓉淼?倍時，通過導體橫截面的電流也會變?yōu)樵瓉淼?倍：

因此，由于四對輸入輸出電極使諧振器工作時的靜電力變?yōu)樵瓉淼?倍，從而使輸出電流也增大為原來的4倍，振動產(chǎn)生的信號幅值增加了6db，使得諧振器的驅(qū)動性能得到顯著提高。

綜上所述，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供的一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，通過對多晶硅進行摻雜方式，使諧振器中心振動塊和輸入輸出電極的相應(yīng)位置形成相應(yīng)類型摻雜的半導體區(qū)域；該結(jié)構(gòu)為諧振器構(gòu)造了四對輸入輸出電極，使諧振器工作時的靜電力大幅增加，從而使諧振器的輸出電流和最大振動幅度也大幅增加，提高了諧振器的驅(qū)動能力。

附圖說明

圖1為實施例1提供一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；

圖2為實施例2提供的一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；

圖3為圖1中a-a’連線界面示意圖；

圖4為圖1中b-b’連線界面示意圖；

圖5為實施例1具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的驅(qū)動電路示意圖；

其中：1-1、1-3表示振動塊n型摻雜區(qū)，1-2、1-4表示振動塊p型摻雜區(qū)域，1-5表示振動塊中心任意類型摻雜區(qū)域，2-1、2-3表示n型摻雜的輸入/輸出電極，2-2、2-4表示p型摻雜的輸出/輸入電極，3-1、3-3表示n型摻雜的振動塊支撐梁，3-2、3-4表示p型摻雜的振動塊支撐梁，4-1、4-3表示n型摻雜的輸入/輸出電極支撐梁，4-2、4-4表示p型摻雜的輸出/輸入電極支撐梁，5-1、5-2、5-3、5-4表示振動塊錨點上的外接金屬電極，6-1、6-2、6-3、6-4表示輸入輸出電極錨點上外接金屬電極，7-1、7-3表示n型摻雜的振動塊錨點，7-2、7-4表示p型摻雜的振動塊錨點，8-1、8-3表示n型摻雜的輸入輸出電極錨點，8-2、8-4表示p型摻雜的輸入輸出電極錨點。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1

本實施例提供一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，如圖1、圖3、圖4所示，包括：振動塊、振動塊支撐梁、振動塊錨點、輸入輸出電極、電極支撐梁及電極錨點；所述振動塊呈正方形、被分割為1個正方形半導體區(qū)1-5與4個梯形半導體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4，其中梯形半導體區(qū)1-1、1-3采用n型摻雜、梯形半導體區(qū)1-2、1-4采用p型摻雜、正方形半導體區(qū)1-5采用任一類型摻雜，梯形半導體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4分別通過對應(yīng)的振動塊支撐梁3-1、3-2、3-3、3-4與振動塊錨點5-1、5-2、5-3、5-4相連，振動塊支撐梁與對應(yīng)的梯形半導體區(qū)采用相同類型摻雜；輸入輸出電極2-1、2-2、2-3、2-4分別對應(yīng)設(shè)置于梯形半導體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4外側(cè)、且輸入輸出電極與對應(yīng)的梯形半導體區(qū)采用相反類型摻雜；輸入輸出電極2-1、2-2、2-3、2-4分別通過電極支撐梁4-1、4-2、4-3、4-4與電極錨點6-1、6-2、6-3、6-4相連。

上述具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的制備過程如下：

首先在高溫環(huán)境的n型雜質(zhì)氛圍中，通過熱擴散對硅片進行摻雜并達到一定濃度，使整個多晶硅結(jié)構(gòu)成為n型半導體；

然后在硅基片上沉積一層二氧化硅作為掩膜，將二氧化硅刻蝕出需要摻雜為p型半導體區(qū)域的圖形；并在強電場中，采用離子注入的方式對刻蝕圖形化的區(qū)域進行高濃度p型離子摻雜，使圖形化的區(qū)域成為p型半導體區(qū)域；再去除表面的二氧化硅掩膜；在硅摻雜工藝完成后，利用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)在摻雜后的硅片上刻蝕出振動塊、支撐梁、輸入輸出電極和錨點；然后利用反應(yīng)濺射得到金屬薄膜，刻蝕后得到輸入輸出電極錨點和振動塊錨點上的外接金屬電極；

最后再利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)從底部將基片二氧化硅絕緣層和基底刻蝕得到基底內(nèi)腔，使整個結(jié)構(gòu)懸空，最后經(jīng)封裝即成。

mems諧振器整體結(jié)構(gòu)采用多晶硅摻雜制作。由于上述諧振器中振動塊的尺寸直接決定了諧振器的振動頻率，因此，振動塊尺寸(長×寬×厚)、支撐梁尺寸(長×寬×厚)、輸入輸出電極尺寸(長×寬×厚)，以及振動塊與輸入輸出電極的間距，需要根據(jù)實際使用需求來確定具體相關(guān)尺寸。

實施例2

本實施例提供一種具有多對驅(qū)動感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，如圖2所示，其中振動塊呈正方形、沿對角線方向分割為4個半導體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4，其中半導體區(qū)1-1、1-3采用n型摻雜、半導體區(qū)1-2、1-4采用p型摻雜，其他結(jié)構(gòu)與實施例1相同。

以上所述，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以替換；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/或步驟以外，均可以任何方式組合。