CN112838841A - 基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器，包括：谐振单元；电极，与谐振单元电连接；介质层，设于谐振单元与电极之间；支撑结构，支撑结构的一端与谐振单元相连，支撑结构的另一端固定在基底上；基底包括至少一个层状结构；周期性弹性波反射结构，设置在基底上；其中，周期性弹性波反射结构包括至少一个最小重复单元，最小重复单元为孔状结构。本公开的周期性弹性波反射结构能够在谐振器基底形成阻带，从而进一步降低谐振器锚点损耗，大幅度稳定提升谐振器品质因子。该谐振器具有普适性，解决了MEMS谐振器高频下保持较高的品质因子的瓶颈问题。
Description
技术领域
本公开涉及射频微机电***，尤其涉及一种基于周期性弹性波反射结构的静电式高品质因子谐振器。
背景技术
未来无线通信***呈现出集成化、小型化、低功耗、高频率、多模式的发展趋势，射频前端收发***具有对射频信号的预处理功能，是无线通信***的重要组成部分。传统射频前端收发***所采用的射频谐振器件主要包括石英晶振、声表面波(SAW)滤波器、薄膜体声波谐振器(FBAR)、陶瓷滤波器、LC谐振电路等。然而，该传统射频器件在体积、性能、功耗等方面存在诸多限制因素，如FBAR的谐振频率由厚度决定，难以实现多谐振模态，且薄膜厚度难以精确控制；石英晶振谐振频率低，需外加倍频电路，功耗较大。MEMS谐振器件具有高线性度、高Q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是未来无线通信***的理想选择之一，具有极大的应用潜力。
MEMS谐振器按照驱动方式可以分为电热式、电磁式、压电式以及静电式。静电式谐振器相较于其他三种驱动方式，具有结构简单、工艺难度低、与IC工艺兼容、功耗低、响应快、Q值高的特点，在实现全硅集成单片射频***方面具有广阔的应用前景。
高频率、高Q值是MEMS谐振器性能优化的主要目标之一。高Q值能够降低器件的***损耗，放宽后端电路的增益需求，从而降低***功耗；高频率能够满足无线通信***的频带要求。已知谐振器在机电转换过程中，会有大量的声波通过支撑梁传播到基底，产生严重的能量损耗，其被称为锚点损耗。锚点损耗会显著的降低器件Q值，从而严重的限制了静电式MEMS谐振器的实际应用。现有静电式谐振器常用缩小器件支撑结构几何尺寸来降低锚点损耗，提升品质因子。然而在较高频率下，器件几何尺寸较小，为实现更高品质因子，需进一步缩小支撑结构尺寸，这受光刻工艺精度限制。目前实现在高频下保持较高的品质因子仍然是MEMS谐振器发展的瓶颈问题。因此，迫切需要开发一种高频、高品质因子且不受工艺精度限制的静电式MEMS谐振器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于周期性弹性波反射结构的静电式高品质因子谐振器，以至少解决上述现有技术中存在的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本公开提供了一种基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器，包括：谐振单元、电极、介质层、支撑结构和周期性弹性波反射结构。其中，电极与谐振单元电连接；介质层设于谐振单元与电极之间；支撑结构的一端与谐振单元相连，另一端固定在基底上；基底包括至少一个层状结构；周期性弹性波反射结构设置在基底上，其中，周期性弹性波反射结构包括至少一个最小重复单元，该最小重复单元为孔状结构。
可选地，孔状结构的形状为方形、圆形或十字形中的一种或几种。
可选地，最小重复单元的排布形状为平面线性、多边形或其组合。
可选地，最小重复单元分别设置在每个层状结构上，且相邻层状结构上的最小重复单元轴线不相重合。
可选地，最小重复单元完全或部分填充有至少两种声学阻抗差异明显的材料。
可选地，谐振单元、支撑结构以及基底位于同一平面内或依次由上至下形成层间互连。
可选地，谐振单元振动模态为面内拉伸模态、面内剪切模态、面内弯曲模态、面外弯曲模态、面外剪切模态或面外扭转模态中的任一种。
可选地，支撑结构为直梁结构、弧形梁结构或框形梁结构中的一种或几种。
可选地，电极设置在谐振单元的侧面、上表面和/或下表面。
可选地，介质层的厚度范围为1nm～1000nm，介质层内部分或完全的填充固态介质材料。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开的有益效果是：
(1)本公开的周期性弹性波反射结构能够在谐振器基底形成阻带，从而进一步降低谐振器锚点损耗，大幅度稳定提升谐振器品质因子。该谐振器具有普适性，解决了MEMS谐振器高频下保持较高的品质因子的瓶颈问题。
(2)本公开的谐振器尺寸小且具有较高的品质因子，有效避免了光刻精度的限制，易于加工，有利于提高成品率，实现器件的大规模批量化生产，显著降低成本，推进MEMS谐振器实用化进程。
附图说明
图1是本公开实施例基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器结构示意图；
图2是图1中谐振单元的谐振模态示意图。
【符号说明】
1：谐振单元；
2：电极；
3：介质层；
4：基底；
5：支撑结构；
6：最小重复单元；
7：周期性弹性波反射结构。
具体实施方式
本公开提供了一种基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器，该谐振器包括谐振单元、电极、介质层、基底、支撑结构和周期性弹性波反射结构。通过在该基底上设置最小重复单元组成周期性弹性波反射结构，以使谐振器基底上形成阻带，从而进一步降低谐振器的锚点损耗，大幅度稳定提升谐振器品质因子。此外，该谐振器尺寸小且具有较高的品质因子，有效避免了光刻精度的限制，易于加工，有利于提高成品率，实现器件的大规模批量化生产，显著降低成本，推进MEMS谐振器实用化进程，本公开具有普适性，解决了现有MEMS谐振器高频下保持较高的品质因子的瓶颈问题。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
如图1所示，本实施例提供了一种基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器，如图1所示，基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器包括：一谐振单元1、两个电极2、两个介质层3、一基底4和一支撑结构5。
以下分别对本实施例基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器的各个组成部分及其连接关系进行详细描述。
谐振单元1与两个电极2为电连接，且两个电极2分别设于该谐振单元1相对的两个侧面，由此，电极2与谐振单元1形成两个间隙，两个介质层3分别布置于上述两个间隙内。该支撑结构5为直梁结构，作为谐振单元1的支撑锚点，其一端与谐振单元1相连，另一端固定在基底4上，使谐振单元1悬空布置。
谐振单元1的振动模态为面内剪切模态，其材料为多晶硅。电极2的材料为单晶硅。该电极2与谐振单元1之间的介质层3的材料为二氧化铪，其厚度为70nm。
该谐振单元1，是谐振器的主体部分，用于产生机械振动。
电极2与谐振单元1构成换能组件，为谐振器施加驱动激励，并完成谐振信号的提取。
该基底4为层状结构，用做谐振单元在芯片衬底上的锚定结构，其上设有最小重复单元6，如图1所示，该最小重复单元6为十字形通孔，该通孔内部分填充有二氧化硅，其通过平面矩形及线性排布的方式构成周期性弹性波反射机构7。该周期性弹性波反射机构7用于形成特定频率范围内的声波传输阻带，覆盖谐振器的工作频率，抑制阻带内弹性波在基底4内的扩散，使弹性波所携带能量反射回谐振单元1。
图2为上述实施例一中谐振单元1的谐振模态示意图，即引入周期性弹性波反射结构7后，谐振单元1的模态重分布效果图。图2中深色部分表示小位移，浅色部分表示大位移。由图2可以看出，该基底4引入周期性弹性波反射结构7后，位移分布发生变化，模态实现了重新分布，且其能量分布更加集中。
上述静电式谐振器品质因子比现有谐振器的品质因子可提升3-5倍，可应用于但不限于振荡器或滤波器装置中。
综上，本公开提供了一种基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器，该静电式谐振器具有较高的品质因子，有效避免了现有技术中光刻精度水平的限制，所以该静电式谐振器易于加工，且成品率高，可实现大规模批量化生产。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于周期性弹性波反射结构的静电式谐振器，包括：
谐振单元；
电极，与所述谐振单元电连接；
介质层，设于所述谐振单元与所述电极之间；
支撑结构，所述支撑结构的一端与所述谐振单元相连，所述支撑结构的另一端固定在基底上；所述基底包括至少一个层状结构；
周期性弹性波反射结构，设置在所述基底上；
其中，所述周期性弹性波反射结构包括至少一个最小重复单元，所述最小重复单元为孔状结构。
2.根据权利要求1所述的静电式谐振器，其中，所述孔状结构的形状为方形、圆形或十字形中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的静电式谐振器，其中，所述最小重复单元的排布形状为平面线性、多边形或其组合。
4.根据权利要求1所述的静电式谐振器，其中，所述最小重复单元分别设置在每个所述层状结构上，且相邻所述层状结构上的所述最小重复单元轴线不相重合。
5.根据权利要求1所述的静电式谐振器，其中，所述最小重复单元完全或部分填充有至少两种声学阻抗差异明显的材料。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的静电式谐振器，其中，所述谐振单元、所述支撑结构以及所述基底位于同一平面内或依次由上至下形成层间互连。
7.根据权利要求1所述的静电式谐振器，其中，所述谐振单元振动模态为面内拉伸模态、面内剪切模态、面内弯曲模态、面外弯曲模态、面外剪切模态或面外扭转模态中的任一种。
8.根据权利要求1所述的静电式谐振器，其中，所述支撑结构为直梁结构、弧形梁结构或框形梁结构中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的静电式谐振器，其中，所述电极设置在谐振单元的侧面、上表面和/或下表面。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的静电式谐振器，其中，所述介质层的厚度范围为1nm～1000nm，所述介质层内部分或完全的填充固态介质材料。
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