專利名稱：一種采用繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器的制作方法
技術領域：
本發明屬于射頻通信及微電子機械(MEMS)技術，特別是一種采用繞軸芯線扭轉 振動、電容換能的射頻微機電結構的諧振器，該諧振器尤其適合用于射頻/微波波段，與現 有的電子通信設備配套用于移動通訊、全球定位等高頻波段的無線通信系統。
背景技術：
諧振器是通信系統設備中的基本部件，射頻諧振器更是組成頻率合成器和濾波器 的關鍵部件。傳統諧振器主要采用LC (電感，電容)諧振回路，石英晶體或介質腔來實現，體 積較大、功耗高，難以適應現代無線通信系統發展的要求。近年來，微電子機械系統(MEMS) 技術的迅猛發展，促進了射頻微機電(RF MEMS)諧振器的發展，采用MEMS技術制得的諧振 器具有低功耗、高品質因數、高隔離度、與IC(集成電路)工藝兼容和體積小等特點。此類 諧振器主要分為懸臂梁諧振器(機電換能諧振器)及薄膜體聲波諧振器(FBAR)。其中傳統 的薄膜體聲波諧振器是采用諸如氮化鋁、氧化鋅、鐵氧體等具有壓電特性材料作為電介質 制作的平板電容陣列組成；此類諧振器工作時，交變電壓激勵信號加于平板電容上、導致上 下極板間距周期性變化，而設于上下兩極板間的壓電材料受到與該平板電容的固有頻率相 同的周期作用力、從而產生最大的交變電流，實現諧振；但此類諧振器一是激勵電壓信號 的大小對壓電介質層厚薄的精度要求非常高、需要復雜的工藝來實現；二是制造工藝與當 前集成電路的CMOS工藝不能完全兼容、其壓電材料不能集成于CMOS工藝中；因此該諧振器 存在生產工藝復雜、成本高，可靠性低、易損壞、維護困難，加之其加工精度要求高、難以與 設計頻率相匹配，導致其品質因數偏低(小于1000)等諸多缺陷；因而，該類諧振器的出現 雖然已有數十年歷史，至今仍未能在商業領域得到廣泛應用。而懸臂梁諧振器雖然可以達到較高的品質因數，但當諧振頻率在IGHz以上時、品 質因數會急劇惡化，因此不能滿足當前移動通訊的要求；此外，對諧振器本身的容差性(即 溫飄)不具有自我校準功能、且因溫度影響易老化。此類諧振器按振動模態的不同又分為 彎曲振動，橫向振動，放射狀輪廓擠壓振動模態等。其中彎曲振動是通過諧振梁的彎曲形 變，利用其與驅動極板之間距離變化、進而導致換能電容變化而產生最大幅度輸出電流，實 現諧振；采用這種振動模態的諧振器工作頻率一般低于10MHz，而且損耗很大，品質因數僅 為40-450 ；而橫向振動模態則是利用與諧振梁橫向振動固有頻率相同的驅動電壓信號加 于諧振梁上、與兩端的電極進行機電換能，輸出最大幅度的交變電流信號，實現諧振；這種 諧振器雖然可在450MHz頻率下工作，但由于懸臂梁的橫截面小，導致該振動模態的換能電 容的面積很小，需要在換能電容間隙填充氮化硅介質(介電常數為7)、以提高換能效率， 但對換能效率的提高有限；此外，該諧振器生產工藝復雜，且與MEMS標準生產工藝的兼容 性差，制造成本高昂，難以滿足小型化的要求等缺陷。而采用放射狀輪廓擠壓振動模態的 諧振器，其諧振梁均采用圓盤形或方框形結構，通過沿徑向的擠壓導致諧振器振動，從而使 得換能電容兩極板的間距變化，輸出最大幅度的交變電流信號，實現諧振；其中公告號為 CN101223691，發明名稱為《微機電諧振器結構及其設計、操作和使用方法》的專利技術與器》(J. Wang，Ζ. Renand C. Τ. -C. Nguyen, “1. 156-GHz self-aligned vibrating micromechanical diskresonator，，，IEEE Trans. Ultrason.，Ferroelect, Freq. Contr,51, pp. 1607-1628(2004))的技術即為此類諧振器的 典型結構。對于前者，其諧振器的錨點位于環心，由環心伸出四條支撐梁連接矩形環狀諧振 梁，在矩形邊諧振梁四條邊的兩側設有驅動電極與感測電極，通過給驅動電極加載激勵電 壓、在感測電極(輸出端)上就會產生最大幅度的交變電流信號，實現諧振；該專利技術中， 通過在環狀諧振梁上打孔以降低對溫度變化的敏感性、通過在支撐梁上附加應力應變消除 機構以增加隔離度及降低損耗；這些措施雖然可在一定程度上解決現有諧振器損耗大、品 質因數低的問題，但由于該專利技術是針對傳感器領域所進行的改進，諧振器的工作頻率 較低(低于100MHz)，因而不能應用于射頻/微波等高頻領域。而對于后者(圖4即為該 技術省略基板后的結構示意圖)，該諧振器雖然可在高頻率下工作，但由于其結構是采用在 盤體中心設置錨點(中心支撐軸)的盤式諧振梁，并在盤式諧振梁外圍設置環繞式驅動電 極的輸入端及輸出端、而在位于盤式諧振梁頂部的支撐軸上向設置起定位作用的環體；工 作時，在驅動電極的輸入端加上激勵電壓以驅動盤式諧振梁作徑向擠壓式振動，從而導致 驅動電極輸出端的換能電容變化，產生最大幅度的輸出交變電流信號，實現諧振；這種諧振 器由于采用中心支撐的方案，因此對盤式諧振梁與中心支撐軸(錨點)的同心度及中心支 撐軸的直徑要求極高，同心度差及中心支撐軸(錨點)直徑過大將會產生雜散振動模態， 導致諧振器的頻率穩定性變差、能量損耗加大、品質因數下降；而中心支撐軸(錨點)直徑 過小又會因其軸向剛性差，振動時盤式諧振梁將在水平位置上發生傾斜、嚴重時甚至造成 諧振梁與設于其下部的偏置電極接觸而喪失諧振功能；因而此類諧振器又存在加工工藝復 雜、加工難度大、生產成本高，且諧振器品質因數、工作的穩定性及可靠性差，使用中維護困 難等弊病。
發明內容
本發明的目的是針對背景技術存在的缺陷，研究設計一種采用繞軸芯扭轉振動的 射頻微機電式諧振器，以減小諧振器的體積、簡化生產工藝，降低能量損耗及驅動電壓，有 效提高品質因數、工作頻率和頻率的穩定性、通信設備的可靠性，滿足現代無線通信系統發 展的要求，以及降低成本、提高成品率等目的。本發明的解決方案是針對背景技術存在的缺陷，將圓盤式諧振梁(盤)改為底部 為圓柱的“扇葉”型諧振梁，并采用帶圓柱形凹槽的基座與諧振梁通過面接觸式配合(支 承)、代替背景技術所采用的支撐軸(錨點)作支承，以有效克服背景技術加工工藝復雜、生 產成本高，諧振器工作的穩定性及可靠性差等弊端，同時將各驅動電極工作面與對應扇葉 的工作面(端面)組成換能電容變化，以使其在工作產生最大幅度的輸出交變電流信號，通 過繞軸芯扭轉振動實現諧振。因此，本發明諧振器包括基板，含輸入端電極和輸出端電極的 驅動電極，偏置電極，設于驅動電極的輸入端與輸出端之間及偏置電極上部的諧振梁，接地 電極，關鍵在于基板包括位于頂層且設有圓柱形凹槽的抗干擾絕緣層、(絕緣層)以下依次 為接地電容上極板、電介(質)層、接地電容下極板及底板，以上各層依次緊密連接成一體； 偏置電極設于抗干擾絕緣層圓柱形凹槽的底部、并通過其導線與設于該絕緣層頂部的偏置 導線接頭連接成一體，諧振梁則為底部設有圓柱型底座的“扇葉”型諧振梁、該諧振梁通過其上的圓柱型底座嵌入抗干擾絕緣層上的圓柱形凹槽內、與凹槽的圓環面及設于其底部的 偏置電極緊貼并可相對軸芯線扭轉式連接，驅動電極的輸入端電極和輸出端電極均分別由 兩個以諧振梁中心為對稱設置的柱狀電極組成、各柱狀電極順軸芯線方向至少有一個面為 平面，同組電極之間由導線連接成一體，而輸入端電極及輸出端電極的設置采用兩輸入端 電極與兩輸出端電極之間相互間隔90°交叉設置，且各輸入端及輸出端電極的工作面與諧 振梁上對應扇葉的工作面(端面)相互平行、以使兩者工作時組成換能電容；各驅動電極導 線及偏置電極導線均分別設于基板內、各對應電極(導線)接頭則固定于抗干擾絕緣層上 部，而接地電極則與接地電容下極板連接后其上部接頭亦固定于抗干擾絕緣層頂部。上述基板中抗干擾絕緣層為二氧化硅(SiO2),而底板為高阻抗單晶硅。而所述接 地電容上極板、電介(質)層、接地電容下極板，分別為氮化硅、二氧化硅、η型重摻雜多晶 硅。所述底部設有圓柱型底座的“扇葉”型諧振梁，諧振梁上部以其中心為對稱設置4個葉 片，同組電極所對應的兩個葉片工作面(端面)位于同一軸截面上。而所述驅動電極中的 輸入端電極和輸出端電極的頂部與諧振梁的頂部位于同一水平面。所述各輸入端及輸出端 電極的工作面與諧振梁對應扇葉上的工作面相互平行所組成的換能電容、在加上激勵電壓 后產生最大幅度的輸出交變電流信號，通過繞軸芯扭轉振動實現諧振。本發明由于在基板頂層的抗干擾絕緣層設置圓柱形凹槽與偏置電極及諧振梁底 座通過面接觸配合，盤式諧振梁的上部設置一組“扇葉”作為致動件、其工作面與對應的驅 動電極在工作時組成換能電容，以實現諧振；從而克服了背景技術盤式諧振梁通過中心支 撐軸(錨點)支承，對兩者的同心度及中心支撐軸的直徑要求極高，加工工藝復雜、加工難 度大、生產成本高，且諧振器品質因數、工作的穩定性及可靠性差等弊病；因此，本發明具有 工作頻率高，能量損耗小，品質因數、工作頻率和頻率的穩定性高，加工工藝簡單可靠，使用 維護方便，可與現有的電子通信設備配套用于移動通訊、全球定位系統等高頻波段無線通 信等特點。
圖1為本發明諧振器結構示意圖(軸測圖)；圖2為圖1的俯視圖；圖3為A-A剖視圖；圖4為背景技術《1. 156-GHz自校準工藝微機械盤式諧振器》結構示意圖(軸測 圖)，圖中缺少基板部分。圖中1.基板，2.諧振梁、2-1.諧振梁底座，3.接地電極，4.(驅動電極)輸入端 電極、4-1.輸入電極接頭、4-2.輸入電極導線，5.(驅動電極)輸出端電極、5-1.輸出電極 接頭、5-2.輸出電極導線，6.偏置電極、6-1.偏置電極導線、6-2.偏置電極接頭，7.抗干擾 絕緣層，8-1.接地電容上極板，8-2.接地電容下極板，9.電介(質)層，10.底板。
具體實施例方式以頻率為123MHz的繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器為例基板1 (長X 寬X厚)100 X 100 X 406 μ m，其中抗干擾絕緣層7厚1. 0 μ m、材質為二氧化硅(SiO2)，其 上與諧振梁底座2-1及偏置電極6配合的圓柱形凹槽(半徑X深)10Χ0.8μπι;接地電容上極板8-1厚1.2 μ m、材質為氮化硅(Si3N4),接地電容下極板8-2厚1.0 μ m、材質為η型 重摻雜硅，電介層9厚3 μ m、材質為二氧化硅(SiO2)；底板10厚400 μ m、材質為高阻抗單晶 硅(Si)；諧振梁2最大半徑為15 μ m、軸向高3. 5 μ m、材質為多晶硅，諧振梁底座2_1及諧振 梁2上扇葉根部半徑為10 μ m，扇葉厚2. 0 μ m、其上的工作面(端面)面積為10 μ m2 ；偏置 電極6厚0.2 μ m、其半徑亦為ΙΟμπι;驅動電極的輸入端電極4、輸出端電極5均為(長X 寬X高)4. 5X4. 5X3 μ m的立方體電極、材質均為多晶硅，兩輸入端電極4及兩輸出端電 極5相互交叉、間隔90°設置，各電極工作面正對扇葉工作面且與諧振梁2上的扇葉工作面 (端面)平行、間距為200nm ；接地電極(頭)3本實施方式采用凹槽體、槽體底部與接地電 容下極板8-2固定、凹槽內腔(長X寬X厚)為4. 8X4. 8X4. 9 μ m、壁厚均為0.3 μ m，接 地電極(頭)上口部外側(長X寬)6. 0X6. Ομπι;兩輸入端電極4通過其導線4-2、兩輸 出電極5通過其導線5-2連接，導線4-2及5-2分設于接地電容上極板8_1及抗干擾絕緣 層7內，偏置電極導線6-1亦設于抗干擾絕緣層7內、兩端分別與偏置電極6及偏置電極接 頭6-2連接成一體，各導線(寬X厚)均為3.5Χ0.2μπι;輸入電極接頭4-1、輸入電極導 線4-2、輸出電極接頭5-1、輸出電極導線5-2、偏置電極6、偏置導線6-1、偏置電極接頭6_2 及接地電極3，材質均為金(Au)；本實施方式諧振器采用常規微電子機械(MEMS)技術加工 制作。
權利要求
一種采用繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器，包括基板，含輸入端電極和輸出端電極的驅動電極，偏置電極，設于驅動電極的輸入端與輸出端之間及偏置電極上部的諧振梁，接地電極，其特征在于基板包括位于頂層且設有圓柱形凹槽的抗干擾絕緣層、以下依次為接地電容上極板、電介層、接地電容下極板及底板，以上各層依次緊密連接成一體；偏置電極設于抗干擾絕緣層圓柱形凹槽的底部、并通過其導線與設于該絕緣層頂部的偏置導線接頭連接成一體，諧振梁則為底部設有圓柱型底座的“扇葉”型諧振梁、該諧振梁通過其上的圓柱型底座嵌入抗干擾絕緣層上的圓柱形凹槽內、與凹槽的圓環面及設于其底部的偏置電極緊貼并可相對軸芯線扭轉式連接，驅動電極的輸入端電極和輸出端電極均分別由兩個以諧振梁中心為對稱設置的柱狀電極組成、各柱狀電極順軸芯線方向至少有一個面為平面，同組電極之間由導線連接成一體，而輸入端電極及輸出端電極的設置采用兩輸入端電極與兩輸出端電極之間相互間隔90°交叉設置，且各輸入端及輸出端電極的工作面與諧振梁上對應扇葉的工作面相互平行、以使兩者工作時組成換能電容；各驅動電極導線及偏置電極導線均分別設于基板內、各對應電極接頭則固定于抗干擾絕緣層上部，而接地電極則與接地電容下極板連接后其上部接頭亦固定于抗干擾絕緣層頂部。
2.按權利要求1所述繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器，其特征在于所述基板中 抗干擾絕緣層為二氧化硅，而底板為高阻抗單晶硅。
3.按權利要求1所述繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器，其特征在于所述接地電 容上極板、電介層、接地電容下極板，分別為氮化硅、二氧化硅、η型重摻雜多晶硅。
4.按權利要求1所述繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器，其特征在于所述底部設 有圓柱型底座的“扇葉”型諧振梁，諧振梁上部以其中心為對稱設置4個葉片，同組電極所 對應的兩個葉片工作面位于同一軸截面上。
5.按權利要求1所述繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器，其特征在于所述驅動電 極中的輸入端電極和輸出端電極的頂部與諧振梁的頂部位于同一水平面。
6.按權利要求1所述繞軸芯扭轉振動的射頻微機電式諧振器，其特征在于所述各輸入 端及輸出端電極的工作面與諧振梁對應扇葉上的工作面相互平行所組成的換能電容、在加 上激勵電壓后產生最大幅度的輸出交變電流信號，通過繞軸芯扭轉振動實現諧振。
全文摘要
該發明屬于射頻通信及微電子機械技術中采用繞軸芯線扭轉振動的射頻微機電式諧振器，包括在頂層設有圓柱形凹槽的抗干擾絕緣層及接地電容上極板、電介層、接地電容下極板、底板的基板，含輸入端和輸出端的驅動電極，設于圓柱形凹槽底部的偏置電極、設于該凹槽內及偏置電極上的“扇葉”型諧振梁，接地電極；驅動電極中各輸入和輸出電極的工作面與諧振梁對應扇葉上的工作面平行設置、兩者在工作時組成換能電容產生最大幅度的輸出交變電流信號，實現諧振。該發明具有工作頻率高，能量損耗小，品質因數、工作頻率及其穩定性高，加工工藝簡單可靠，使用維護方便，可與現有的電子通信設備配套用于移動通訊、全球定位系統等高頻波段無線通信等特點。
文檔編號H01P7/00GK101895003SQ20101021445
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者杜亦佳, 牟鵬飛, 鮑景富 申請人:電子科技大學