CN112751544A - 具有锚点辅助结构的微机械谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有锚点辅助结构的微机械谐振器及其制备方法，通过对微机械谐振器锚点结构的几何尺寸进行优化设计，并在锚点结构的末端添加锚点辅助结构来调整谐振振子振动节点位置，从而约束锚点的振动来减小微机械谐振器的锚点损耗，提高微机械谐振器的Q值。锚点辅助结构的长度优选为具有特定的几何尺寸，即对于特定频率、特定厚度、特定锚点结构、特定材料和特定尺寸的微机械谐振器，锚点辅助结构的长度为一优化值。在锚点辅助结构的长度为优选值时，谐振振子与锚点结构边界处的机械振幅最小，谐振器向衬底传播的能量消耗最小。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种具有锚点辅助结构的微机械谐振器及其制备方法。
背景技术
微机电***(Micro-electro-mechanical Systems，MEMS)是基于先进半导体加工技术制造出来的一种微型化机械器件或***，具有体积小、重量轻、功耗低、价格低廉、性能稳定和集成度高等优点。随着各种电子设备和***小型化的发展趋势，MEMS技术和器件已经被广泛应用于诸如传感器、电子设备、无线通信***和可穿戴电子产品等多个领域。MEMS技术交叉了微电子学、机械学、材料学、力学、化学等多学科技术，涵盖了微纳尺度下的力、声、电、磁等物理理论。
MEMS谐振器是一种基于谐振效应的部件，其是构成MEMS振荡器和时钟发生器的最基本部件，广泛的应用于各种涉及频率发射和接收的电子产品中。MEMS谐振器主要的性能参数包括谐振频率、品质因数(Q)、动态阻抗以及频率温度系数等。其中Q值是MEMS谐振器最主要的性能参数。高的Q值可与降低谐振器的动态阻抗，减小***的相位噪声以及提高振荡器的频率稳定性。MEMS谐振器Q值的能量损耗机制主要有五部分：空气阻尼损耗(Qair)，热弹性损耗(QTED)，材料损耗(Qmaterial)，锚点损耗(Qanchor)和电学负载损耗(Qload)，即：
其中锚点损耗是MEMS谐振器能量损耗的一种重要机制。锚点损耗是指微机械谐振器的机械振动能量在微机械谐振器边界处没有被完全反射回来，而是通过支撑锚点结构传输到了支撑衬底，从而引起能量的散耗。
目前常用的优化锚点损耗的方式是通过优化设计将锚点位置恰好设计在微机械谐振器振动的节点处，这样就可以减小锚点损耗引起的能量散耗。另外可以通过将锚点结构设计为微机械谐振器谐振波长的1/4长度，利用增强锚点结构末端声学波的反射来减小锚点损耗，但是这种设计的锚点尺寸会达到几十到几百微米，影响谐振器尺寸的小型化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是优化微机械谐振器的锚点损耗，提高谐振器的Q值；通过优化谐振器的锚点几何结构并添加锚点辅助结构来减少机械波通过锚点向衬底的传播，从而减小谐振器的锚点损耗。本发明优化锚点损耗的方法是改变锚点的结构并在锚点的末端添加锚点辅助结构，从而能有效减小锚点损耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述的微机械谐振器包含衬底硅片和谐振器结构层；其中：
所述衬底硅片正面具有空腔结构；
所述谐振器结构层包含谐振振子、锚点结构和锚点辅助结构：所述谐振振子通过锚点结构与衬底硅片连接，且所述的谐振振子、锚点结构和锚点辅助结构都悬空在衬底空腔上方；且所述衬底硅片正面的空腔结构位置分别与谐振器谐振振子和锚点结构以及锚点辅助结构相对应；所述锚点辅助结构位于锚点结构的末端；
所述谐振振子对应的空腔结构为长方体、圆柱体、棱柱体或棱锥体结构中任一种；
根据振动模态的不同，所述锚点结构能位于谐振振子振动节点位置，所述锚点结构的数目为一个或者多个。
作为优选方案，所述锚点辅助结的长度为具有特定的几何尺寸，所述具有特定的几何尺寸是指即对于特定频率、特定厚度、特定锚点结构、特定材料和特定尺寸的微机械谐振器，锚点辅助结构的长度为一优化值，在锚点辅助结构的长度为优选值时，谐振振子与锚点结构边界处的机械振幅最小，谐振器向衬底传播的能量消耗最小。
进一步地，所述谐振振子结构包括矩形板、圆形板和环形板结构。
更进一步地，所述锚点结构包括T形梁、L形梁和折叠梁结构；所述锚点结构的尾部对应的空腔结构为长方体。
更进一步地，所述锚点辅助结构包括长条、方板或者圆盘，以及长条、方板或者圆盘中任两种以上形状的组合。
进一步地，所述微机械谐振器为压电式谐振器、和电容式谐振器或压阻式谐振器中任一种。
第二方面，本发明提供一种制备上述的具有锚点辅助结构的压电式微机械谐振器的方法，当制备压电式微机械谐振器，所述方法包括如下步骤：
(1.1)提供一带空腔的SOI圆片；
(1.2)在SOI圆片上依次沉积下电极、压电薄膜和上电极，并对上电极图形化，然后沉积一层氧化物；
(1.3)刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
(1.4)沉积铝并图形化形成金属焊盘；
(1.5)刻蚀对谐振器结构进行释放，得到微机械谐振器。
或者，当制备电容式或者压阻式微机械谐振器，所述方法包括如下步骤：
(2.1)提供一带空腔的SOI圆片；
(2.2)沉积铝并图形化形成金属焊盘；
(2.3)刻蚀得到谐振器结构。
更进一步地，所述压电式谐振器的压电薄膜材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅中任一种。
作为优选方案，所述谐振器结构层为单晶硅、多晶硅或锗化硅中任一种单一薄膜材料，或者为单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属复合薄膜材料。
具体地说：
上述锚点结构为T形梁、L形梁和折叠梁等结构，且不限于上述结构。
上述锚点辅助结构可以是长条、方板或者圆盘以及上述形状的组合，且不限于上述结构及其组合。
上述锚点辅助结的长度优选为具有特定的几何尺寸，即对于特定频率、特定厚度、特定锚点结构、特定材料和特定尺寸的微机械谐振器，锚点辅助结构的长度为一优化值。
上述衬底硅片正面的空腔位置分别与谐振器谐振振子和锚点结构相对应。谐振振子对应的空腔结构可以为长方体、圆柱体、棱柱体，也可以是棱锥体结构，锚点结构的尾部结构对应的空腔结构为长方体。
上述微机械谐振器谐振振子为矩形板、圆形板和环形板结构，且不限于上述结构。
上述谐振振子通过锚点结构与衬底连接，根据振动模态的不同，锚点结构可以位于谐振振子振动节点位置，锚点结构的数目为一个或者多个。
上述微机械谐振器可以是压电式谐振器，也可以是电容式谐振器或者压阻式谐振器。
上述压电式谐振器的压电薄膜优选为压电薄膜材料可以为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或者锆钛酸铅(PZT)。
上述谐振器结构层可以是单晶硅、多晶硅、锗化硅等单一薄膜材料，也可以是单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属复合薄膜材料。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过在微机械谐振器的锚点结构末端添加锚点辅助结构来调整谐振振子振动节点位置，从而约束锚点的振动来减小微机械谐振器的锚点损耗提高微机械谐振器的Q值。在锚点辅助结构的长度为优选值时，谐振振子与锚点结构边界处的机械振幅最小，谐振器向衬底传播的能量消耗最小。
附图说明
图1为微机械谐振器的三维结构示意图。
图2-a至2-f为谐振振子加上不同锚点结构和锚点辅助结构的俯视图；
其中：图2-a为宽度伸张模态谐振器加T形梁以及长条锚点辅助结构；图2-b为宽度伸张模态谐振器加L形梁以及长条锚点辅助结构；图2-c为宽度伸张模态谐振器加蛇形梁以及长条锚点辅助结构；图2-d为宽度伸张模态谐振器加T形梁以及宽长条锚点辅助结构；图2-e为宽度伸张模态谐振器加T形梁以及长条加质量块锚点辅助结构；图2-f为Lamé模态或者方板伸张模态谐振器加T形梁以及长条加质量块锚点辅助结构。
图3为不同锚点尾部结构长度对微机械压电谐振器的归一化Qanchor的影响。
图4为在大气中测量得到的不同锚点辅助结构长度对微机械压电谐振器的Q值的影响。
图5-a至5-f为压电式微机械谐振器的制备工艺流程；
其中：图5-a为带空腔SOI；图5-b为沉积上电极/压电层/下电极结构，并对上电极图形化；图5-c为沉积氧化物；图5-d为刻蚀出上下电极通孔；图5-e为沉积铝形成金属焊盘；图5-f为释放谐振器结构。
图6-a至6-c为电容式微机械谐振器的制备工艺流程；
其中：图6-a为带空腔SOI；图6-b为沉积铝并图形化形成金属焊盘；图6-c为释放谐振器结构。
图中：1-谐振振子，2-锚点结构，3-锚点辅助结构，4-衬底硅片，5-埋氧层，6-器件层硅，7-下电极，8-压电材料，9-上电极，10-顶层氧化物，11-金属焊盘。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
本发明具有锚点辅助结构的微机械谐振器，对微机械谐振器的锚点结构的几何尺寸进行优化，并在锚点结构的末端添加锚点辅助结构来调整谐振振子振动节点位置，从而约束锚点的振动来减小微机械谐振器的锚点损耗，提高微机械谐振器的Q值。微机械谐振器的工作模态可以为宽度伸张模态、宽度伸张高阶模态、方板伸张模态和Lamé模态，且不限于上述模态。锚点结构为T形梁、L形梁和折叠梁等结构，且不限于上述结构；锚点辅助结构可以是长条、方板或者圆盘以及上述形状的组合，且不限于上述结构及其组合。
如图1所示，为一种锚点结构为T形梁，锚点辅助结构为长条的宽度伸张模态压电式微机械谐振器结构图。图2所示，为谐振振子加上不同锚点结构和锚点辅助结构的俯视图；图2-a为宽度伸张模态谐振器加T形梁以及长条锚点辅助结构；图2-b为宽度伸张模态谐振器加L形梁以及长条锚点辅助结构；图2-c为宽度伸张模态谐振器加蛇形梁以及长条锚点辅助结构；图2-d为宽度伸张模态谐振器加T形梁以及宽长条锚点辅助结构；图2-e为宽度伸张模态谐振器加T形梁以及长条加质量块锚点辅助结构；图2-f为Lamé模态或者方板伸张模态谐振器加T形梁以及长条加质量块锚点辅助结构。锚点辅助结构的长度或质量块的尺寸优选为具有特定的几何尺寸，即对于特定频率、特定厚度、特定锚点结构、特定材料和特定尺寸的微机械谐振器，锚点辅助结构的长度为一优化值。在锚点辅助结构的长度为优选值时，谐振振子与锚点结构边界处的机械振幅最小，谐振器向衬底传播的能量消耗最小。
例如，对于沿<110>晶向的氮化铝-单晶硅宽度伸张模态微机械谐振器，单晶硅厚度为5μm，氮化铝厚度为1μm，上电极钼层厚度为0.15μm，埋氧层和顶层氧化物的厚度分别为1μm和1.8μm，谐振振子的长度和宽度分别为280μm和157μm。锚点结构为T形梁加尾部结构，T形梁的直梁长度为10μm、与直梁垂直的梁的长度为20μm时，尾部结构的长度可以为60-100μm、优选为70μm；即对于上述特定频率、特定厚度、特定T形梁结构、特定材料和特定尺寸的微机械谐振器，锚点结构T形梁的尾部结构的长度为特定值60-100μm，优化为70μm时，微机械谐振器的锚点损耗最小，对应的Q值最大。
如图3所示，通过有限元仿真计算发现当锚点辅助结构的长度为优选值时，带有T形梁锚点结构加长条锚点辅助结构的微机械谐振器的Qanchor比带有直梁和单纯的T形梁的微机械谐振器高。并且在尾部结构的长度为优选值70μm时，谐振振子与锚点结构边界处的机械振幅最小，谐振器向衬底传播的能量消耗最小。如图4所示为在大气中测量得到的不同锚点辅助结构长度对微机械压电谐振器的Q值的影响。谐振器为图1所示的结构。测量结果表明锚点辅助结构长度为70μm时谐振器的Q值最大，与仿真结果符合。
实施例1：
本发明提供一种压电式微机械谐振器的制备方法如图5所示，具体步骤如下：
(1.1)提供一带空腔的SOI圆片；
(1.2)在SOI圆片上依次沉积下电极、压电薄膜和上电极，并对上电极图形化；
(1.3)在圆片上沉积一层氧化物；
(1.4)刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
(1.5)沉积铝并图形化形成金属焊盘；
(1.6)刻蚀对谐振器结构进行释放。
实施例2：
本发明提供另一种压电式微机械谐振器的制备方法，具体步骤如下：
(1.1)在SOI圆片上依次沉积下电极、压电薄膜和上电极，并对上电极图形化，然后沉积一层氧化物；
(1.2)刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
(1.3)沉积铝并图形化形成金属焊盘；
(1.4)从圆片的背面刻蚀出空腔；
(1.5)正面刻蚀谐振器结构。
实施例3：
本发明提供一种电容式或者压阻式微机械谐振器的制备方法如图6所示，具体步骤如下：
(2.1)提供一带空腔的SOI圆片；
(2.2)沉积铝并图形化形成金属焊盘；
(2.3)刻蚀得到谐振器结构。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。
Claims (10)
1.一种具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述的微机械谐振器包含衬底硅片和谐振器结构层；其中：
所述衬底硅片正面具有空腔结构；
所述谐振器结构层包含谐振振子、锚点结构和锚点辅助结构：所述谐振振子通过锚点结构与衬底硅片连接，且所述的谐振振子、锚点结构和锚点辅助结构都悬空在衬底空腔上方；所述衬底硅片正面的空腔结构位置分别与谐振器谐振振子和锚点结构以及锚点辅助结构相对应；所述锚点辅助结构位于锚点结构的末端；
所述谐振振子对应的空腔结构为长方体、圆柱体、棱柱体或棱锥体结构中任一种；
根据振动模态的不同，所述锚点结构能位于谐振振子振动节点位置，所述锚点结构的数目为一个或者多个。
2.根据权利要求1所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述锚点辅助结的长度为具有特定的几何尺寸，所述具有特定的几何尺寸是指即对于特定频率、特定厚度、特定锚点结构、特定材料和特定尺寸的微机械谐振器，锚点辅助结构的长度为一优化值，在锚点辅助结构的长度为优选值时，谐振振子与锚点结构边界处的机械振幅最小，谐振器向衬底传播的能量消耗最小。
3.根据权利要求1或2所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子结构包括矩形板、圆形板和环形板结构。
4.根据权利要求1或2所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述锚点结构包括T形梁、L形梁和折叠梁结构；所述锚点结构的尾部对应的空腔结构为长方体。
5.根据权利要求3所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述锚点结构包括T形梁、L形梁和折叠梁结构；所述锚点结构的尾部对应的空腔结构为长方体。
6.根据权利要求1或2或5所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述锚点辅助结构包括长条、方板或者圆盘，以及长条、方板或者圆盘中任两种以上形状的组合。
7.根据权利要求6所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器，其特征在于：所述微机械谐振器为压电式谐振器、和电容式谐振器或压阻式谐振器中任一种。
8.根据权利要求7所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于：所述压电式谐振器的压电薄膜材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅中任一种。
9.一种制备如权利要求1或2或5或7或8所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于：当制备压电式微机械谐振器，所述方法包括如下步骤：
(1.1)提供一带空腔的SOI圆片；
(1.2)在SOI圆片上依次沉积下电极、压电薄膜和上电极，并对上电极图形化，然后沉积一层氧化物；
(1.3)刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
(1.4)沉积铝并图形化形成金属焊盘；
(1.5)刻蚀得到谐振器结构；
或者，当制备电容式或者压阻式微机械谐振器，所述方法包括如下步骤：
(2.1)提供一带空腔的SOI圆片；
(2.2)沉积铝并图形化形成金属焊盘；
(2.3)刻蚀得到谐振器结构。
10.根据权利要求9所述的具有锚点辅助结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于：所述谐振器结构层为单晶硅、多晶硅或锗化硅中任一种单一薄膜材料，或者为单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属复合薄膜材料。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011540039.4A Pending CN112751544A (zh) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | 具有锚点辅助结构的微机械谐振器及其制备方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112751544A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023245612A1 (zh) * | 2022-06-24 | 2023-12-28 | 深圳市韶音科技有限公司 | 一种耳机 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102680917A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-09-19 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 一种微机械磁场传感器及其制备方法 |
| CN102868384A (zh) * | 2012-10-18 | 2013-01-09 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 微机械谐振器 |
| CN110266285A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-20 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器、其制备及频率微调校正方法 |
| CN110289823A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-27 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器 |
| CN110868182A (zh) * | 2019-04-23 | 2020-03-06 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 谐振器和滤波器 |
-
2020
- 2020-12-23 CN CN202011540039.4A patent/CN112751544A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN102680917A (zh) * | 2012-04-28 | 2012-09-19 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 一种微机械磁场传感器及其制备方法 |
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| CN110868182A (zh) * | 2019-04-23 | 2020-03-06 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 谐振器和滤波器 |
| CN110266285A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-20 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器、其制备及频率微调校正方法 |
| CN110289823A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-27 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张文明;闫寒;彭志科;孟光;: "微纳机械谐振器能量耗散机理研究进展", 科学通报, no. 19 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023245612A1 (zh) * | 2022-06-24 | 2023-12-28 | 深圳市韶音科技有限公司 | 一种耳机 |
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