CN114124025A - 一种微机械谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子技术领域，公开了一种微机械谐振器及其制备方法。微机械谐振器包括衬底硅片和谐振器结构，谐振器结构包含谐振振子和支撑梁，衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接，支撑梁与谐振振子的边界连接，支撑梁与谐振振子的连接部分是在厚度方向上尺寸变化的结构。本发明能够有效减少锚点损耗，提高谐振器的Q值。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，更具体地，涉及一种微机械谐振器及其制备方法。
背景技术
微机电***(Microelectromechanical Systems，MEMS)是基于半导体微纳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、与集成电路制造工艺兼容等优点。微机械谐振器是一种以微机械结构为主体的器件，其工作方式是当谐振器受到外界物理信号的激励时，驱动信号频率与***固有频率相等时，***的机械结构就会在其固有频率附近发生谐振，***振幅达到最大，所产生的谐振信号再转换成其他物理信号输出。由于微机械谐振器在固有频率处的振幅最大，能量转换效率最高，微谐振器通过机械振动实现了机械选频。近年来，基于微机械谐振器的振荡器、滤波器、双工器已经广泛应用于无线通信领域。此外，在精密检测领域，微机械谐振器也有着广阔的应用市场。
微机械谐振器主要的性能参数包括谐振频率、品质因数(Q值)、动态阻抗以及频率温度系数等。Q值是用来衡量微机械谐振器的能量损耗情况的主要性能参数，高Q值可以提高微机械谐振器的频率选择性，同时降低动态阻抗，减小***的相位噪声，从而提高微机械谐振器的频率稳定性，是高性能微机械谐振器实用化和商业化的核心要素。
影响微机械谐振器Q值的能量损耗机制主要有四部分：空气阻尼损耗(Qair)，热弹性损耗(QTED)，材料损耗(Qmaterial)，锚点损耗(Qanchor)，即
其中，空气阻尼损耗是指微机械谐振器振动过程中受到空气的粘滞阻尼而引起的能量耗散。空气阻尼损耗可以通过圆片级或者芯片级真空封装的方法消除。材料损耗是由于材料内部的声子-声子以及声子-电子相互作用引起的能量损耗，对于理想的单晶硅材料，其材料损耗可忽略不计。热弹性损耗是由谐振器振动过程中产生的热梯度引起的，热梯度导致谐振器材料中产生热量流动，从而引起机械能量损耗。锚点损耗是影响微机械谐振器Q值的重要能量损耗机制，微机械谐振器谐振时的横向机械波在谐振器边界处没有被完全反射回来，而是通过支撑结构传输到了衬底，从而引起能量损耗。如何减少锚点损耗，进而提高谐振器的Q值是本领域需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微机械谐振器及其制备方法，以有效地减少锚点损耗，进而提高谐振器的Q值。
本发明提供一种微机械谐振器，包括：衬底硅片和谐振器结构，所述谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；所述衬底硅片具有空腔结构，所述谐振振子悬空于所述衬底硅片的所述空腔结构的上方，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接；所述支撑梁与所述谐振振子的边界连接，所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分是在厚度方向上尺寸变化的结构。
优选的，所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分在厚度方向上是渐变的结构；所述支撑梁的上表面、所述支撑梁的下表面，或者所述支撑梁的上表面和下表面，相对于所述谐振振子的表面具有非平面的几何结构，所述非平面的几何结构为凹陷或凸起的几何结构。
优选的，所述支撑梁的横截面为矩形、梯形、圆形、椭圆形、弓形中的一种或者多种的任意组合；所述谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合。
优选的，所述支撑梁位于振动节点的位置，所述支撑梁的数目为一个或多个。
优选的，所述微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。
优选的，所述谐振振子为单一薄膜结构、金属-压电层-金属的复合薄膜结构、金属-压电层-单晶硅/多晶硅的复合薄膜结中的一种；所述单一薄膜结构为单晶硅、多晶硅或者锗化硅；所述压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
另一方面，本发明提供一种微机械谐振器的制备方法，支撑梁与谐振振子的连接部分利用激光直写工艺或热回流工艺通过光刻工艺制成，或者，利用激光或者离子束无掩膜刻蚀制成；采用所述微机械谐振器的制备方法制备得到上述的微机械谐振器。
优选的，制备得到的所述微机械谐振器为电容式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、在衬底硅片上刻蚀出空腔结构，并在所述衬底硅片的表面生长埋氧层；
步骤2、光刻并图形化器件层硅的下表面，形成器件层硅下表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤3、所述器件层硅的下表面与所述衬底硅片熔融键合，并将所述器件层硅抛光研磨至所需厚度；
步骤4、沉积顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤5、光刻并图形化所述器件层硅的上表面，形成器件层硅上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤6、刻蚀出谐振器结构。
优选的，制备得到的所述微机械谐振器为金属-压电层-金属复合薄膜结构的压电式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、衬底硅片上刻蚀出凹腔；
步骤2、化学气相沉积第一牺牲层；
步骤3、溅射底部电极，光刻并图形化所述底部电极；
步骤4、化学气相沉积第二牺牲层，光刻并图形化所述第二牺牲层，形成牺牲层非平面的结构；
步骤5、沉积压电层，光刻并图形化所述压电层，形成压电层上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤6、刻蚀出电极通孔；
步骤7、溅射顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤8、刻蚀释放孔；
步骤9、刻蚀所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，形成压电层下表面在厚度方向上尺寸变化的结构以及所述衬底硅片的空腔结构。
优选的，制备得到的所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅/多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、衬底硅片上刻蚀出空腔结构，并在所述衬底硅片的表面生长埋氧层；
步骤2、光刻并图形化器件层硅的下表面，形成器件层硅下表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤3、所述器件层硅的下表面与所述衬底硅片熔融键合，并将所述器件层硅抛光研磨至所需厚度；
步骤4、光刻并图形化所述器件层硅的上表面，形成器件层硅上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤5、沉积压电层，光刻并图形化所述压电层；
步骤6、沉积顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤7、沉积钝化层，光刻并图形化所述钝化层；
步骤8、刻蚀出上、下电极通孔；
步骤9、沉积引出电极，光刻并图形化所述引出电极；
步骤10、刻蚀出谐振器结构。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接；支撑梁与谐振振子的边界连接，支撑梁与谐振振子的连接部分是在厚度方向上尺寸变化的结构。本发明主要利用谐振器的谐振振子与支撑梁在厚度方向上尺寸变化的连接，例如支撑梁的上表面、下表面或者上下表面相对于谐振振子的表面具有凹陷或凸起的几何结构，从而使得谐振振子与支撑梁之间存在高声阻抗失配，减少机械波通过锚点向衬底传播，因此可以有效地减少锚点损耗，进而提高谐振器的Q值。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种微机械谐振器的三维示意图；
图2为图1所示的微机械谐振器的截面示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种微机械谐振器的三维示意图；
图4为图3所示的微机械谐振器的截面示意图；
图5为本发明实施例3提供的一种微机械谐振器的三维示意图；
图6为图5所示的微机械谐振器的截面示意图；
图7-1至图7-4为微机械谐振器中几种典型的谐振器结构的截面形状示意图；
图7-1为支撑梁上、下表面相对于谐振振子的表面具有凹陷的谐振器结构，且支撑梁的表面为弧面；
图7-2为支撑梁上、下表面相对于谐振振子的表面具有凸起的谐振器结构，且支撑梁的表面为弧面；
图7-3为支撑梁上、下表面相对于谐振振子的表面具有凹陷的谐振器结构，且支撑梁的表面部分为平面部分为弧面；
图7-4为支撑梁上、下表面相对于谐振振子的表面具有凸起的谐振器结构，且支撑梁的表面部分为平面部分为弧面；
图8为仅考虑锚点损耗时，谐振振子的长度对具有不同支撑梁的单晶硅电容式微机械谐振器的Q值影响；
图9为考虑热弹性损耗和锚点损耗时，谐振振子的长度对具有不同支撑梁的单晶硅电容式微机械谐振器的Q值影响。
其中，1-衬底硅片，2-支撑梁，3-谐振振子；
201-衬底硅片，202-埋氧层，203-器件层硅，204-顶部电极，205-压电层，206-底部电极，207-钝化层，208-引出电极；
301-凹陷，302-凸起，303-厚度变化区域。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
第一方面，本发明提供一种微机械谐振器，包括：衬底硅片和谐振器结构，所述谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；所述衬底硅片具有空腔结构，所述谐振振子悬空于所述衬底硅片的所述空腔结构的上方，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接；所述支撑梁与所述谐振振子的边界连接，所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分是在厚度方向上尺寸变化的结构。
所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分在厚度方向上是渐变的结构；所述支撑梁的上表面、所述支撑梁的下表面，或者所述支撑梁的上表面和下表面，相对于所述谐振振子的表面具有非平面的几何结构，所述非平面的几何结构为凹陷或凸起的几何结构。
具体的，所述支撑梁与所述谐振振子的连接处可以是沿厚度方向渐变的平面、曲面或者是平面和曲面的组合。例如，所述支撑梁的上表面、下表面或者上下表面相对于谐振振子的表面具有一个或者多个凹陷或凸起的几何结构。
所述支撑梁的横截面为矩形、梯形、圆形、椭圆形、弓形等形状中的一种或者多种的任意组合；所述谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合，但不限于此。所述支撑梁位于振动节点的位置，所述支撑梁的数目为一个或多个。
所述微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。所述谐振振子为单一薄膜结构、金属-压电层-金属的复合薄膜结构、金属-压电层-单晶硅/多晶硅的复合薄膜结中的一种；所述单一薄膜结构为单晶硅、多晶硅或者锗化硅；所述压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
第二方面，本发明提供一种微机械谐振器的制备方法，支撑梁与谐振振子的连接部分利用激光直写工艺或热回流工艺通过光刻工艺制成，或者，利用激光或者离子束无掩膜刻蚀制成；采用所述微机械谐振器的制备方法制备得到上述的微机械谐振器。
(1)制备得到的所述微机械谐振器为电容式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、在衬底硅片上刻蚀出空腔结构，并在所述衬底硅片的表面生长埋氧层；
步骤2、光刻并图形化器件层硅的下表面，形成器件层硅下表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤3、所述器件层硅的下表面与所述衬底硅片熔融键合，并将所述器件层硅抛光研磨至所需厚度；
步骤4、沉积顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤5、光刻并图形化所述器件层硅的上表面，形成器件层硅上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤6、刻蚀出谐振器结构。
需要说明的是，步骤2和步骤5可以同时存在，形成上、下表面两个厚度尺寸变化的结构，或者可以只保留步骤2形成器件层硅下表面在厚度方向上尺寸变化的结构，或者可以只保留步骤5形成器件层硅上表面在厚度方向上尺寸变化的结构。
(2)制备得到的所述微机械谐振器为金属-压电层-金属复合薄膜结构的压电式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、衬底硅片上刻蚀出凹腔；
步骤2、化学气相沉积第一牺牲层；
步骤3、溅射底部电极，光刻并图形化所述底部电极；
步骤4、化学气相沉积第二牺牲层，光刻并图形化所述第二牺牲层，形成牺牲层非平面的结构；
步骤5、沉积压电层，光刻并图形化所述压电层，形成压电层上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤6、刻蚀出电极通孔；
步骤7、溅射顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤8、刻蚀释放孔；
步骤9、刻蚀所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，形成压电层下表面在厚度方向上尺寸变化的结构以及所述衬底硅片的空腔结构。
与(1)类似，可以同时形成上、下表面两个厚度尺寸变化的结构，或者只形成其中一个表面的厚度尺寸变化的结构。制备方法进行适应性调整即可。
(3)制备得到的所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅/多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、衬底硅片上刻蚀出空腔结构，并在所述衬底硅片的表面生长埋氧层；
步骤2、光刻并图形化器件层硅的下表面，形成器件层硅下表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤3、所述器件层硅的下表面与所述衬底硅片熔融键合，并将所述器件层硅抛光研磨至所需厚度；
步骤4、光刻并图形化所述器件层硅的上表面，形成器件层硅上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤5、沉积压电层，光刻并图形化所述压电层；
步骤6、沉积顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤7、沉积钝化层，光刻并图形化所述钝化层；
步骤8、刻蚀出上、下电极通孔；
步骤9、沉积引出电极，光刻并图形化所述引出电极；
步骤10、刻蚀出谐振器结构。
与(1)类似，可以同时形成上、下表面两个厚度尺寸变化的结构，或者只形成其中一个表面的厚度尺寸变化的结构。制备方法进行适应性调整即可。
下面给出几个具体的实施例，以便更好地理解本发明。
实施例1：
图1示出了实施例1提供的谐振振子为单晶硅薄膜结构的电容式谐振器。
具体的，一种微机械谐振器，包含衬底硅片1、谐振器结构，所述衬底硅片1的正面设置有空腔结构；所述谐振器结构包括谐振振子3和支撑梁2。
所述谐振振子3悬空于所述空腔结构的上方，所述谐振振子3通过所述支撑梁2与所述衬底硅片1连接。
所述支撑梁2位于所述谐振振子3的边界处，所述支撑梁2与所述谐振振子3在连接处的厚度方向是渐变的，具体为所述支撑梁2的上下表面具有凹陷的几何结构。
所述支撑梁2的横截面是矩形与弓形的布尔运算相减图形。所述支撑梁2位于振动节点的位置，所述支撑梁2的数目为两个。所述谐振振子3是包括单晶硅的单一薄膜结构。所述谐振振子3为矩形板。
图2为实施例1所制备的微机械谐振器的横截面示意图，具体的加工步骤如下：
(1)衬底硅片201上利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀出凹腔，并利用热氧化工艺在衬底硅片表面生长二氧化硅作为埋氧层202。
(2)光刻并图形化器件层硅203的下表面：在光刻步骤中利用热回流工艺，使光刻胶缓坡化，形成一定倾角的斜坡，并通过硅刻蚀工艺形成支撑梁下表面凹陷结构。此外，也可以采用常规光刻以及单晶硅各向同性刻蚀工艺形成支撑梁下表面凹陷结构。
(3)器件层硅203的下表面与衬底硅片201熔融键合，并将器件层硅203抛光研磨至所需厚度。
(4)沉积顶部电极204后，光刻并图形化顶部电极204。
(5)光刻并图形化器件层硅203的上表面：在光刻步骤中利用热回流工艺，使光刻胶缓坡化，形成一定倾角的斜坡，并通过硅刻蚀工艺形成支撑梁上表面凹陷结构。此外，也可以采用常规光刻以及单晶硅各向同性刻蚀工艺形成支撑梁上表面凹陷结构。
(6)利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出谐振器结构。
实施例2：
图3示出了实施例2提供的谐振振子为金属-压电层-金属复合薄膜结构的压电式谐振器。
与实施例1的不同之处在于：实施例1中的谐振振子3是包括单晶硅的单一结构，谐振振子3是矩形板，微机械谐振器为电容式谐振器。实施例2中，谐振振子3是包括金属-压电层-金属的复合薄膜结构，所述谐振振子3是多边形板，支撑梁2位于振动节点的位置，支撑梁2的数目为多个，谐振振子3通过支撑梁2与衬底硅片1连接；所述微机械谐振器为压电式谐振器，所述压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的任意一种。
图4为实施例2所制备的微机械谐振器的横截面示意图，具体的加工步骤如下：
(1)衬底硅片201上利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出凹腔。
(2)化学气相沉积第一牺牲层，并利用化学机械抛光工艺将多余的材料去除。
(3)溅射底部电极206后，光刻并图形化底部电极206。
(4)化学气相沉积第二牺牲层后，光刻并图形化第二牺牲层：在光刻步骤中利用热回流工艺，使光刻胶缓坡化，形成一定倾角的斜坡，并通过刻蚀工艺形成牺牲层凸起结构。
(5)沉积压电层205后，光刻并图形化压电层205：在光刻步骤中利用热回流工艺，使光刻胶缓坡化，形成一定倾角的斜坡，并通过刻蚀工艺形成压电层205上表面凹陷结构。
(6)利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出电极通孔。
(7)溅射顶部电极204后，光刻并图形化顶部电极204。
(8)刻蚀释放孔。
(9)刻蚀第一牺牲层和第二牺牲层，形成压电层205下表面凹陷结构以及衬底硅片的空腔结构。
实施例3：
图5示出了实施例3提供的谐振振子为金属-压电层-单晶硅/多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器。
与实施例2的不同之处在于：实施例2中的谐振振子3是包括金属-压电层-金属的复合薄膜结构，谐振振子3是多边形板，支撑梁2的数目为多个。实施例3中，谐振振子3是包括金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构，谐振振子3是矩形板，支撑梁2的数目为两个，谐振振子3通过支撑梁2与衬底硅片1连接。
图6为实施例3所制备的微机械谐振器的横截面示意图，具体的加工步骤如下：
(1)衬底硅片201上利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀出凹腔，并利用热氧化工艺在衬底硅片表面生长二氧化硅作为埋氧层202。
(2)光刻并图形化器件层硅203的下表面：在光刻步骤中利用热回流工艺，使光刻胶缓坡化，形成一定倾角的斜坡，并通过硅刻蚀工艺形成支撑梁下表面凹陷结构。此外，也可以采用常规光刻以及单晶硅各向同性刻蚀工艺形成支撑梁下表面凹陷结构。
(3)器件层硅203的下表面与衬底硅片201熔融键合，并将器件层硅203抛光研磨至所需厚度。
(4)光刻并图形化器件层硅203的上表面：在光刻步骤中利用热回流工艺，使光刻胶缓坡化，形成一定倾角的斜坡，并通过硅刻蚀工艺形成支撑梁上表面凹陷结构。此外，也可以采用常规光刻以及单晶硅各向同性刻蚀工艺形成支撑梁上表面凹陷结构。
(5)沉积压电层205后，光刻并图形化所述压电层205。
(6)沉积顶部电极204后，光刻并图形化所述顶部电极204。
(7)沉积二氧化硅作为钝化层207后，光刻并图形化所述钝化层207。
(8)利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出上、下电极通孔。
(9)沉积引出电极208后，光刻并图形化所述引出电极208。
(10)利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出谐振器结构。
图7-1至图7-4为微机械谐振器中几种典型的谐振器结构的截面形状示意图。其中，图7-1为支撑梁上、下表面相对于谐振振子3的表面具有凹陷301的谐振器结构(厚度变化区域记为303)，且支撑梁的表面为弧面，图7-2为支撑梁上、下表面相对于谐振振子3的表面具有凸起302的谐振器结构(厚度变化区域记为303)，且支撑梁的表面为弧面；图7-3为支撑梁上、下表面相对于谐振振子3表面具有凹陷301的谐振器结构(厚度变化区域记为303)，且支撑梁的表面部分为平面部分为弧面(方形虚线框内的结构)；图7-4为支撑梁上、下表面相对于谐振振子3具有凸起302的谐振器结构(厚度变化区域记为303)，且支撑梁的表面为部分为平面部分为弧面(方形虚线框内的结构)。
对于微机械谐振器，影响谐振器Q值的主要因素是热弹性损耗与锚点损耗。其中热弹性损耗是与谐振振子结构材料类型、厚度以及谐振器尺寸相关；锚点损耗与谐振器的尺寸以及支撑梁的尺寸、形状相关。图8给出了仅考虑锚点损耗时，谐振振子的长度对具有不同支撑梁的单晶硅电容式微机械谐振器的Q值影响；图9给出了考虑热弹性损耗和锚点损耗时，谐振振子的长度对具有不同支撑梁的单晶硅电容式微机械谐振器的Q值影响。其中，图8至图9中的凹陷结构为图7-1所示，凸起结构为图7-2所示。对于沿<100>晶向的单晶硅电容式微机械谐振器，单晶硅厚度为20μm，支撑梁长度为10μm，宽度为5μm时，谐振振子的长度的优化值为210μm。从图8、图9可以看出，当谐振振子为最优尺寸时，支撑梁具有凹陷结构或凸起结构的谐振器的Q值相比支撑梁不具有凹陷或凸起结构的谐振器的Q值有明显的提升。谐振振子与支撑梁在厚度方向上尺寸渐变地连接，能够减小谐振器振动对支撑梁的影响，进一步通过在支撑梁的上表面、下表面或者上下表面设计凹陷或凸起的几何结构，造成谐振振子与支撑梁之间高声阻抗失配，在谐振振子长度为优化值时，谐振振子与支撑梁边界处的机械振幅最小，谐振器向外的能量散耗最小。
本发明实施例提供的一种微机械谐振器及其制备方法至少包括如下技术效果：
本发明提供一种能有效提高Q值的微机械谐振器及其制造方法，本发明主要利用谐振器的谐振振子与支撑梁在厚度方向上渐变地连接，支撑梁的上表面、下表面或者上下表面相对于谐振振子表面具有凹陷或凸起的几何结构，从而使得谐振振子与支撑梁之间存在高声阻抗失配，减少机械波通过锚点向衬底传播，因此可以有效地减少锚点损耗，进而提高谐振器的Q值。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种微机械谐振器，其特征在于，包括：衬底硅片和谐振器结构，所述谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；所述衬底硅片具有空腔结构，所述谐振振子悬空于所述衬底硅片的所述空腔结构的上方，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接；所述支撑梁与所述谐振振子的边界连接，所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分是在厚度方向上尺寸变化的结构。
2.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于，所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分在厚度方向上是渐变的结构；所述支撑梁的上表面、所述支撑梁的下表面，或者所述支撑梁的上表面和下表面，相对于所述谐振振子的表面具有非平面的几何结构，所述非平面的几何结构为凹陷或凸起的几何结构。
3.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于，所述支撑梁的横截面为矩形、梯形、圆形、椭圆形、弓形中的一种或者多种的任意组合；所述谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合。
4.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于，所述支撑梁位于振动节点的位置，所述支撑梁的数目为一个或多个。
5.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于，所述微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。
6.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于，所述谐振振子为单一薄膜结构、金属-压电层-金属的复合薄膜结构、金属-压电层-单晶硅/多晶硅的复合薄膜结中的一种；所述单一薄膜结构为单晶硅、多晶硅或者锗化硅；所述压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
7.一种微机械谐振器的制备方法，其特征在于，支撑梁与谐振振子的连接部分利用激光直写工艺或热回流工艺通过光刻工艺制成，或者，利用激光或者离子束无掩膜刻蚀制成；
采用所述微机械谐振器的制备方法制备得到如权利要求1-6中任一项所述的微机械谐振器。
8.根据权利要求7所述的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，制备得到的所述微机械谐振器为电容式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、在衬底硅片上刻蚀出空腔结构，并在所述衬底硅片的表面生长埋氧层；
步骤2、光刻并图形化器件层硅的下表面，形成器件层硅下表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤3、所述器件层硅的下表面与所述衬底硅片熔融键合，并将所述器件层硅抛光研磨至所需厚度；
步骤4、沉积顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤5、光刻并图形化所述器件层硅的上表面，形成器件层硅上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤6、刻蚀出谐振器结构。
9.根据权利要求7所述的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，制备得到的所述微机械谐振器为金属-压电层-金属复合薄膜结构的压电式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、衬底硅片上刻蚀出凹腔；
步骤2、化学气相沉积第一牺牲层；
步骤3、溅射底部电极，光刻并图形化所述底部电极；
步骤4、化学气相沉积第二牺牲层，光刻并图形化所述第二牺牲层，形成牺牲层非平面的结构；
步骤5、沉积压电层，光刻并图形化所述压电层，形成压电层上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤6、刻蚀出电极通孔；
步骤7、溅射顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤8、刻蚀释放孔；
步骤9、刻蚀所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，形成压电层下表面在厚度方向上尺寸变化的结构以及所述衬底硅片的空腔结构。
10.根据权利要求7所述的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，制备得到的所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅/多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、衬底硅片上刻蚀出空腔结构，并在所述衬底硅片的表面生长埋氧层；
步骤2、光刻并图形化器件层硅的下表面，形成器件层硅下表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤3、所述器件层硅的下表面与所述衬底硅片熔融键合，并将所述器件层硅抛光研磨至所需厚度；
步骤4、光刻并图形化所述器件层硅的上表面，形成器件层硅上表面在厚度方向上尺寸变化的结构；
步骤5、沉积压电层，光刻并图形化所述压电层；
步骤6、沉积顶部电极，光刻并图形化所述顶部电极；
步骤7、沉积钝化层，光刻并图形化所述钝化层；
步骤8、刻蚀出上、下电极通孔；
步骤9、沉积引出电极，光刻并图形化所述引出电极；
步骤10、刻蚀出谐振器结构。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115156017A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-10-11 | 复旦大学 | 一种半固定的微机械超声换能器 |
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