基于絕緣材料振動塊的mems諧振器的制造方法
【專利摘要】基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器，屬于電子科學【技術領域】。包括一個絕緣材料振動塊，振動塊采用四個支撐錨點架空于基片上，任意兩個支撐錨點之間的振動塊側邊沉積導電材料形成換能電容內電極，四個支撐錨點上分別具有一個直流驅動電壓輸入端，四個輸入輸出端口分別通過一段導電材料與一個換能電容外電極相連。本發明采用絕緣材料制作振動塊，使得諧振器輸入的電信號無法直接經由直通電容而傳輸至輸出端，而是經過電-機-電的轉換過程，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，每個諧振器換能電容內電極具有單獨的驅動電壓，使得驅動電壓分布更均勻。
【專利說明】基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子科學【技術領域】，涉及微機械系統(MEMS)器件，尤其是MEMS諧振器。
【背景技術】
[0002]目前研究較廣也較為成熟的MEMS諧振器類型為靜電驅動電容式MEMS諧振器。它具有體積小、低功耗、與IC工藝兼容的特點，使得在小型化系統中呈現極好的發展前景。這種MEMS諧振器的振動塊通常采用導電材料(主要為摻雜多晶硅)制造，諧振器的輸入能量轉換結構(電容)和輸出能量轉換結構(電容)都與導電材料振動塊直接相連，因此諧振器的輸入與輸出之間直接存在著一個可傳輸信號的電容結構(通常稱之為直通電容)，它的存在會使得部分輸入的電能信號，未經過諧振器轉換為機械能而后再轉化為電能信號輸出，而是直接從輸入端經過直通電容被傳遞到輸出端，降低了諧振器工作的能量轉換效率；同時由于直通電容的存在，諧振器幾乎允許輸入信號的各頻率分量大部分通過，這樣的結果使諧振器的選頻特性變差，導致輸出的雜散量增多。當這種諧振器作為振蕩器的一部分來工作時，一旦直通電容大到一定程度，未經選頻的信號會淹沒系統所需要的選頻信號，導致振蕩器無法工作。若采用上述的諧振器來構造通信系統或者雷達系統中常用的振蕩器和濾波器等器件，勢必會對系工作性能造極其不利的影響。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對現有靜電驅動電容式MEMS諧振器采用導電材料制作振動塊，輸入輸出端之間存在直通電容，從而導致的諧振器能量轉換效率較低、選頻特性較差的技術問題，提供一種基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器。本發明提供的MEMS諧振器從器件結構的物理實現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]本發明技術方案如下:
[0005]基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器,其結構如圖1至圖3所示,包括一個絕緣材料制作的振動塊1，所述振動塊I采用四個對角旋轉對稱分布的支撐錨點2-1、2-2、2-3和
2-4架空設置在襯底基片上；任意兩個支撐錨點之間的振動塊I的側面沉積有金屬層作為諧振器輸入輸出端換能電容的一個內電極3-1、3-2、3-3和3-4，每個支撐錨點2_1、2-2、2-3或2-4表面設置有一個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5_4，每個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5-4與對應諧振器輸入輸出端換能電容內電極3_1、3_2、3_3或3-4電氣連接；與每個諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1、3-2、3-3或3_4對應位置的基片表面設置有一個諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4,每個諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1、3-2、3-3或3-4與對應一個諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4形成一個換能電容；所述諧振器還包括四個輸入輸出端口 7_1、7-2、7-3和7-4，每個輸入輸出端口 7-1、7-2、7-3或7_4各自對應采用一段導電材料6_1、6-2、6-3或6-4與對應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]進一步的，本發明提供的絕緣材料振動塊的MEMS諧振器，為了跟IC工藝兼容，所述絕緣材料振動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狀；所述四個對角旋轉對稱分布的支撐錨點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]本發明的有益效果是:
[0008]本發明提供的基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器，其實質是摒棄MEMS諧振器振動塊采用導電材料制作的常規思路，將振動塊采用絕緣材料制作，在這種情況下，諧振器輸入的電信號無法直接經由直通電容而傳輸至輸出端，而是通過諧振器先轉換為機械信號，再通過能量轉換結構(電容)轉換為電信號輸出，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，每個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5-4為對應的諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1、3-2、3-3或3-4提供單獨的驅動電壓，使驅動電壓分布更均勻，其產生的作用力可更勻稱的作用于絕緣振動塊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明提供的基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器的俯視結構示意圖。
[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為本發明提供的基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器能量轉換電路圖。
[0013]圖5為傳統諧振器等效電路圖。
[0014]圖6為提供的基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器的等效電路圖。
[0015]圖中:I表示絕緣振動塊，2-1、2-2、2-3和2_4表示四個支撐錨點，3_1、3_2、3-3和
3-4表不四個諧振器輸入輸出端換能電容內電極，4-1、4-2、4-3和4_4表不四個諧振器輸入輸出端換能電容外電極，5-1、5-2、5_3和5-4表不四個諧振器直流驅動電壓輸入端，6_1、
6-2、6-3和6-4表示四段導電材料，7-1、7-2、7-3和7_4表示四個諧振器輸入輸出端(諧振器具體使用時，四個輸入輸出端成對組合使用，即兩個相對的端口作為諧振器輸入端，另外兩個相對的端口作為諧振器輸出端)。
【具體實施方式】
[0016]基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器,其結構如圖1至圖3所示,包括一個絕緣材料制作的振動塊1，所述振動塊I采用四個對角旋轉對稱分布的支撐錨點2-1、2-2、2-3和
2-4架空設置在襯底基片上；任意兩個支撐錨點之間的振動塊I的側面沉積有金屬層作為諧振器輸入輸出端換能電容的一個內電極3-1、3-2、3-3和3-4，每個支撐錨點2-1、2-2、2-3或2-4表面設置有一個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5_4，每個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2、5-3或5-4與對應諧振器輸入輸出端換能電容內電極3_1、3_2、3_3或3-4電氣連接；與每個諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1、3-2、3-3或3_4對應位置的基片表面設置有一個諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4,每個諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1、3-2、3-3或3-4與對應一個諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1、4-2、4-3或4-4形成一個換能電容；所述諧振器還包括四個輸入輸出端口 7_1、
7-2、7-3和7-4，每個輸入輸出端口 7-1、7-2、7-3或7_4各自對應采用一段導電材料6_1、6-2、6-3或6-4與對應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，首先在硅基片上沉積一層絕緣層和一層阻擋層，使上層機械元件與基片絕緣；然后沉積摻雜導電材料層，用第一層掩膜形成四個輸入輸出端口 7-1至7-4、四段導電材料6-1至6-4以及四個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支撐錨點，沉積犧牲層、在犧牲層表秒沉積絕緣層形成絕緣材料振動塊，錨點表面和振動快側面沉積導電材料形成四個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2,5-3和5-4以及四個諧振器輸入輸出端換能電容內電極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諧振器振動塊及其錨點采用絕緣材料制作，其余部分采用導電材料制作；定義振動塊I尺寸(長X寬X厚)為IsX IsXh1 μ m ;振動塊的錨點2-1至2-4尺寸(長X寬X厚)為IsaXwsaXh2 μ m(其中Ii1 <h2);四個諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1至3-4尺寸(長X寬XX厚UtXwtX Xh3Um(其中Ii1 <h3);四個諧振器輸入輸出端換能電容外電極4-1至4-4(長X寬X厚)均為IeXweXh2Um;四個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1至5-4尺寸(長X寬XX厚)lbXwbX XhbUm(其中Ib = IJ ;四個輸入輸出端口 7-1至7-4(長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塊的尺寸直接決定了諧振器的振動頻率，上故可根據實際使用需求來具體設定相關尺寸。
[0019]本發明技術方案的實質是采用絕緣材料替代傳統MENS諧振器中的導電材料來制作靜電驅動型MEMS諧振器的振動塊及其支撐錨點，關鍵在于諧振器的振動塊材料由導體變成了絕緣材料，其呈現的阻抗變大，此時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。在這種情況下，輸入的電信號無法直接經由直通電容而傳輸至輸出端，而是通過諧振器先轉換為機械信號，再通過能量轉換結構(電容)轉換為電信號輸出，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，每個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2,5-3或5-4為對應的諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1、3-2、3-3或3_4提供單獨的驅動電壓，使驅動電壓分布更均勻，其產生的作用力可更勻稱的作用于絕緣振動塊。
[0020]器件工作時，四個諧振器直流驅動電壓輸入端5-1、5-2、5_3或5_4為對應的諧振器輸入輸出端換能電容內電極3-1、3-2、3-3或3-4提供單獨的直流驅動電壓；交流激勵小信號加載在相對的兩個輸入輸出端口 7-2與7-4上；直流驅動電壓和交流激勵小信號共同形成諧振器的驅動電壓，產生交變的電場力F:
[0021]
【權利要求】
1.基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器,其結構包括一個絕緣材料制作的振動塊(I),所述振動塊(I)采用四個對角旋轉對稱分布的支撐錨點(2-1、2-2、2-3和2-4)架空設置在襯底基片上；任意兩個支撐錨點之間的振動塊(I)的側面沉積有金屬層作為諧振器輸入輸出端換能電容的一個內電極(3-1、3-2、3-3和3-4)，每個支撐錨點(2_1、2_2、2_3或2_4)表面設置有一個諧振器直流驅動電壓輸入端(5-1、5-2、5-3或5-4)，每個諧振器直流驅動電壓輸入端(5-1、5-2、5-3或5-4)與對應諧振器輸入輸出端換能電容內電極(3_1、3_2、3_3或3-4)電氣連接；與每個諧振器輸入輸出端換能電容內電極(3-1、3-2、3-3或3-4)對應位置的基片表面設置有一個諧振器輸入輸出端換能電容外電極(4-1、4-2、4-3或4-4)，每個諧振器輸入輸出端換能電容內電極(3-1、3-2、3-3或3-4)與對應一個諧振器輸入輸出端換能電容外電極(4-1、4-2、4-3或4-4)形成一個換能電容；所述諧振器還包括四個輸入輸出端口(7-1、7-2、7-3和7-4)，每個輸入輸出端口(7_1、7_2、7_3或7_4)各自對應采用一段導電材料(6-1、6-2、6-3或6-4)與對應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.根據權利要求1所述的基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器，其特征在于，所述絕緣材料振動塊采用二氧化硅或氮化硅材料制作。
3.根據權利要求1所述的基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器，其特征在于，所述絕緣材料振動塊的形狀為方塊狀或圓盤狀。
4.根據權利要求1所述的基于絕緣材料振動塊的MEMS諧振器，其特征在于，所述四個對角旋轉對稱分布的支撐錨點(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】H03H9/02GK104202011SQ201410439227
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】鮑景富, 李昕熠, 王秋蘋, 黃裕霖 申請人:電子科技大學