基于絕緣材料振動(dòng)塊的mems諧振器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器，屬于電子科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。包括一個(gè)絕緣材料振動(dòng)塊，振動(dòng)塊采用四個(gè)支撐錨點(diǎn)架空于基片上，任意兩個(gè)支撐錨點(diǎn)之間的振動(dòng)塊側(cè)邊沉積導(dǎo)電材料形成換能電容內(nèi)電極，四個(gè)支撐錨點(diǎn)上分別具有一個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端，四個(gè)輸入輸出端口分別通過(guò)一段導(dǎo)電材料與一個(gè)換能電容外電極相連。本發(fā)明采用絕緣材料制作振動(dòng)塊，使得諧振器輸入的電信號(hào)無(wú)法直接經(jīng)由直通電容而傳輸至輸出端，而是經(jīng)過(guò)電-機(jī)-電的轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而盡量降低了直通電容的影響，提高了諧振器的能量轉(zhuǎn)換效率，使其具有更好的選頻特性，并抑制諧振器的輸出雜散。同時(shí)，每個(gè)諧振器換能電容內(nèi)電極具有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電壓，使得驅(qū)動(dòng)電壓分布更均勻。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS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】，涉及微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件，尤其是MEMS諧振器。

【背景技術(shù)】
[0002]目前研究較廣也較為成熟的MEMS諧振器類(lèi)型為靜電驅(qū)動(dòng)電容式MEMS諧振器。它具有體積小、低功耗、與IC工藝兼容的特點(diǎn)，使得在小型化系統(tǒng)中呈現(xiàn)極好的發(fā)展前景。這種MEMS諧振器的振動(dòng)塊通常采用導(dǎo)電材料(主要為摻雜多晶硅)制造，諧振器的輸入能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(電容)和輸出能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(電容)都與導(dǎo)電材料振動(dòng)塊直接相連，因此諧振器的輸入與輸出之間直接存在著一個(gè)可傳輸信號(hào)的電容結(jié)構(gòu)(通常稱(chēng)之為直通電容)，它的存在會(huì)使得部分輸入的電能信號(hào)，未經(jīng)過(guò)諧振器轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而后再轉(zhuǎn)化為電能信號(hào)輸出，而是直接從輸入端經(jīng)過(guò)直通電容被傳遞到輸出端，降低了諧振器工作的能量轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)由于直通電容的存在，諧振器幾乎允許輸入信號(hào)的各頻率分量大部分通過(guò)，這樣的結(jié)果使諧振器的選頻特性變差，導(dǎo)致輸出的雜散量增多。當(dāng)這種諧振器作為振蕩器的一部分來(lái)工作時(shí)，一旦直通電容大到一定程度，未經(jīng)選頻的信號(hào)會(huì)淹沒(méi)系統(tǒng)所需要的選頻信號(hào)，導(dǎo)致振蕩器無(wú)法工作。若采用上述的諧振器來(lái)構(gòu)造通信系統(tǒng)或者雷達(dá)系統(tǒng)中常用的振蕩器和濾波器等器件，勢(shì)必會(huì)對(duì)系工作性能造極其不利的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有靜電驅(qū)動(dòng)電容式MEMS諧振器采用導(dǎo)電材料制作振動(dòng)塊，輸入輸出端之間存在直通電容，從而導(dǎo)致的諧振器能量轉(zhuǎn)換效率較低、選頻特性較差的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器。本發(fā)明提供的MEMS諧振器從器件結(jié)構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)上盡量降低輸入輸出端之間直通電容的影響，能夠提高諧振器的能量轉(zhuǎn)換效率，使其具有更好的選頻特性，并抑制諧振器的輸出雜散。
[0004]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0005]基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器,其結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示,包括一個(gè)絕緣材料制作的振動(dòng)塊1，所述振動(dòng)塊I采用四個(gè)對(duì)角旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布的支撐錨點(diǎn)2-1、2-2、2-3和
2-4架空設(shè)置在襯底基片上；任意兩個(gè)支撐錨點(diǎn)之間的振動(dòng)塊I的側(cè)面沉積有金屬層作為諧振器輸入輸出端換能電容的一個(gè)內(nèi)電極3-1、3-2、3-3和3-4，每個(gè)支撐錨點(diǎn)2_1、2-2、2-3或2-4表面設(shè)置有一個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5_4，每個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5-4與對(duì)應(yīng)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3_1、3_2、3_3或3-4電氣連接；與每個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3_4對(duì)應(yīng)位置的基片表面設(shè)置有一個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4,每個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3-4與對(duì)應(yīng)一個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4形成一個(gè)換能電容；所述諧振器還包括四個(gè)輸入輸出端口 7_1、7-2、7-3和7-4，每個(gè)輸入輸出端口 7-1、7-2、7-3或7_4各自對(duì)應(yīng)采用一段導(dǎo)電材料6_1、6-2、6-3或6-4與對(duì)應(yīng)的諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4_4電氣連接。
[0006]進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器，為了跟IC工藝兼容，所述絕緣材料振動(dòng)塊可采用二氧化硅或氮化硅材料制作，其形狀可以是方塊狀或圓盤(pán)狀；所述四個(gè)對(duì)角旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布的支撐錨點(diǎn)2-1、2-2、2-3和2-4可采用二氧化硅或氮化硅材料制作。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:
[0008]本發(fā)明提供的基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器，其實(shí)質(zhì)是摒棄MEMS諧振器振動(dòng)塊采用導(dǎo)電材料制作的常規(guī)思路，將振動(dòng)塊采用絕緣材料制作，在這種情況下，諧振器輸入的電信號(hào)無(wú)法直接經(jīng)由直通電容而傳輸至輸出端，而是通過(guò)諧振器先轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)，再通過(guò)能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(電容)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，從而盡量降低輸入輸出端之間直通電容的影響，提高諧振器的能量轉(zhuǎn)換效率，使其具有更好的選頻特性，并抑制諧振器的輸出雜散。同時(shí)，每個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5-4為對(duì)應(yīng)的諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3-4提供單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電壓，使驅(qū)動(dòng)電壓分布更均勻，其產(chǎn)生的作用力可更勻稱(chēng)的作用于絕緣振動(dòng)塊。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明提供的基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為圖1中A-A連線截面示意圖。
[0011]圖3為圖1中B-B連線截面示意圖。
[0012]圖4為本發(fā)明提供的基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器能量轉(zhuǎn)換電路圖。
[0013]圖5為傳統(tǒng)諧振器等效電路圖。
[0014]圖6為提供的基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器的等效電路圖。
[0015]圖中:I表示絕緣振動(dòng)塊，2-1、2-2、2-3和2_4表示四個(gè)支撐錨點(diǎn)，3_1、3_2、3-3和
3-4表不四個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極，4-1、4-2、4-3和4_4表不四個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極，5-1、5-2、5_3和5-4表不四個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端，6_1、
6-2、6-3和6-4表示四段導(dǎo)電材料，7-1、7-2、7-3和7_4表示四個(gè)諧振器輸入輸出端(諧振器具體使用時(shí)，四個(gè)輸入輸出端成對(duì)組合使用，即兩個(gè)相對(duì)的端口作為諧振器輸入端，另外兩個(gè)相對(duì)的端口作為諧振器輸出端)。

【具體實(shí)施方式】
[0016]基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器,其結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示,包括一個(gè)絕緣材料制作的振動(dòng)塊1，所述振動(dòng)塊I采用四個(gè)對(duì)角旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布的支撐錨點(diǎn)2-1、2-2、2-3和
2-4架空設(shè)置在襯底基片上；任意兩個(gè)支撐錨點(diǎn)之間的振動(dòng)塊I的側(cè)面沉積有金屬層作為諧振器輸入輸出端換能電容的一個(gè)內(nèi)電極3-1、3-2、3-3和3-4，每個(gè)支撐錨點(diǎn)2-1、2-2、2-3或2-4表面設(shè)置有一個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5_4，每個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5-4與對(duì)應(yīng)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3_1、3_2、3_3或3-4電氣連接；與每個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3_4對(duì)應(yīng)位置的基片表面設(shè)置有一個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4,每個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3-4與對(duì)應(yīng)一個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4形成一個(gè)換能電容；所述諧振器還包括四個(gè)輸入輸出端口 7_1、
7-2、7-3和7-4，每個(gè)輸入輸出端口 7-1、7-2、7-3或7_4各自對(duì)應(yīng)采用一段導(dǎo)電材料6_1、6-2、6-3或6-4與對(duì)應(yīng)的諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4電氣連接。
[0017]器件制作時(shí)，首先在硅基片上沉積一層絕緣層和一層阻擋層，使上層機(jī)械元件與基片絕緣；然后沉積摻雜導(dǎo)電材料層，用第一層掩膜形成四個(gè)輸入輸出端口 7-1至7-4、四段導(dǎo)電材料6-1至6-4以及四個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4_4 ；然后沉積絕緣材料形成四個(gè)支撐錨點(diǎn)，沉積犧牲層、在犧牲層表秒沉積絕緣層形成絕緣材料振動(dòng)塊，錨點(diǎn)表面和振動(dòng)快側(cè)面沉積導(dǎo)電材料形成四個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2,5-3和5-4以及四個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3-4 ;最后釋放犧牲層，完成器件制作并封裝。
[0018]MEMS諧振器振動(dòng)塊及其錨點(diǎn)采用絕緣材料制作，其余部分采用導(dǎo)電材料制作；定義振動(dòng)塊I尺寸(長(zhǎng)X寬X厚)為IsX IsXh1 μ m ;振動(dòng)塊的錨點(diǎn)2-1至2-4尺寸(長(zhǎng)X寬X厚)為IsaXwsaXh2 μ m(其中Ii1 <h2);四個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1至3-4尺寸(長(zhǎng)X寬XX厚UtXwtX Xh3Um(其中Ii1 <h3);四個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1至4-4(長(zhǎng)X寬X厚)均為IeXweXh2Um;四個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1至5-4尺寸(長(zhǎng)X寬XX厚)lbXwbX XhbUm(其中Ib = IJ ;四個(gè)輸入輸出端口 7-1至7-4(長(zhǎng)X寬X厚度)均為IeaXweaXh2Um;換能電容兩極間距為d。由于上述諧振器中振動(dòng)塊的尺寸直接決定了諧振器的振動(dòng)頻率，上故可根據(jù)實(shí)際使用需求來(lái)具體設(shè)定相關(guān)尺寸。
[0019]本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)是采用絕緣材料替代傳統(tǒng)MENS諧振器中的導(dǎo)電材料來(lái)制作靜電驅(qū)動(dòng)型MEMS諧振器的振動(dòng)塊及其支撐錨點(diǎn)，關(guān)鍵在于諧振器的振動(dòng)塊材料由導(dǎo)體變成了絕緣材料，其呈現(xiàn)的阻抗變大，此時(shí)換能電容的阻抗與其相比較小，理想情況下，換能電容阻抗甚至可忽略不計(jì)。在這種情況下，輸入的電信號(hào)無(wú)法直接經(jīng)由直通電容而傳輸至輸出端，而是通過(guò)諧振器先轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)，再通過(guò)能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(電容)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，從而盡量降低輸入輸出端之間直通電容的影響，提高諧振器的能量轉(zhuǎn)換效率，使其具有更好的選頻特性，并抑制諧振器的輸出雜散。同時(shí)，每個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2,5-3或5-4為對(duì)應(yīng)的諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3_4提供單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電壓，使驅(qū)動(dòng)電壓分布更均勻，其產(chǎn)生的作用力可更勻稱(chēng)的作用于絕緣振動(dòng)塊。
[0020]器件工作時(shí)，四個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端5-1、5-2、5_3或5_4為對(duì)應(yīng)的諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極3-1、3-2、3-3或3-4提供單獨(dú)的直流驅(qū)動(dòng)電壓；交流激勵(lì)小信號(hào)加載在相對(duì)的兩個(gè)輸入輸出端口 7-2與7-4上；直流驅(qū)動(dòng)電壓和交流激勵(lì)小信號(hào)共同形成諧振器的驅(qū)動(dòng)電壓，產(chǎn)生交變的電場(chǎng)力F:
[0021]

【權(quán)利要求】
1.基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器,其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕緣材料制作的振動(dòng)塊(I),所述振動(dòng)塊(I)采用四個(gè)對(duì)角旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布的支撐錨點(diǎn)(2-1、2-2、2-3和2-4)架空設(shè)置在襯底基片上；任意兩個(gè)支撐錨點(diǎn)之間的振動(dòng)塊(I)的側(cè)面沉積有金屬層作為諧振器輸入輸出端換能電容的一個(gè)內(nèi)電極(3-1、3-2、3-3和3-4)，每個(gè)支撐錨點(diǎn)(2_1、2_2、2_3或2_4)表面設(shè)置有一個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端(5-1、5-2、5-3或5-4)，每個(gè)諧振器直流驅(qū)動(dòng)電壓輸入端(5-1、5-2、5-3或5-4)與對(duì)應(yīng)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極(3_1、3_2、3_3或3-4)電氣連接；與每個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極(3-1、3-2、3-3或3-4)對(duì)應(yīng)位置的基片表面設(shè)置有一個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極(4-1、4-2、4-3或4-4)，每個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容內(nèi)電極(3-1、3-2、3-3或3-4)與對(duì)應(yīng)一個(gè)諧振器輸入輸出端換能電容外電極(4-1、4-2、4-3或4-4)形成一個(gè)換能電容；所述諧振器還包括四個(gè)輸入輸出端口(7-1、7-2、7-3和7-4)，每個(gè)輸入輸出端口(7_1、7_2、7_3或7_4)各自對(duì)應(yīng)采用一段導(dǎo)電材料(6-1、6-2、6-3或6-4)與對(duì)應(yīng)的諧振器輸入輸出端換能電容外電極(4_1、4_2、4_3或4-4)電氣連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器，其特征在于，所述絕緣材料振動(dòng)塊采用二氧化硅或氮化硅材料制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器，其特征在于，所述絕緣材料振動(dòng)塊的形狀為方塊狀或圓盤(pán)狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于絕緣材料振動(dòng)塊的MEMS諧振器，其特征在于，所述四個(gè)對(duì)角旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布的支撐錨點(diǎn)(2-1、2-2、2-3和2-4)采用二氧化硅或氮化硅材料制作。
【文檔編號(hào)】H03H9/02GK104202011SQ201410439227
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】鮑景富, 李昕熠, 王秋蘋(píng), 黃裕霖 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)