CN114172487B - 一种mems谐振器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明申请公开了一种MEMS谐振器及其制备方法，采用由直流偏置、T型锚结构和压阻梁组合的压阻换能器，具有锚损耗低的优势，同时使得用于压阻换能的压阻梁不作支撑功能，能通过减小压阻梁的宽度提高压阻换能效率；通过T型锚结构的横梁连接两个负电极，并通过压阻梁与正电极连通，使得设置于谐振体上的压阻换能器中的偏置电流不会流经谐振体，防止焦耳热效应导致的谐振体温度升高，从而避免了因温度升高导致的谐振体弹性系数改变，缓解了谐振频率的偏移程度；同时，由于偏置电流不会流经谐振体，使得电流通路的长度较短，进而降低了总功耗，可广泛应用于微电子技术领域。

Description

一种MEMS谐振器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其是一种MEMS谐振器及其制备方法。
背景技术
随着无线通信领域的急速发展，时钟和频率控制成为热门的研究方向。石英谐振器凭借优秀的温度稳定性和相噪特性主导了半个多世纪的时钟和频率控制市场。然而，随着微型化与可集成化的需求日益增长，石英谐振器体积大、与集成电路工艺不兼容等缺点日益突出。
微机电***(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是近年来迅猛发展的一门技术，已被广泛应用到各个物理领域(包括机械、电气、热、化学和磁性等)。任何包含由微加工工艺制造的部件或结构(可移动或固定)的设备通常都被称为MEMS设备。采用特定微纳工艺制造的MEMS谐振器可以缩小到微米尺寸且与集成电路工艺兼容，该类MEMS谐振器正展现取代石英谐振器成为时钟和频率控制市场主导的趋势。MEMS谐振器是谐振式MEMS传感器的核心敏感单元，硅基MEMS谐振器高Q值的特点进一步提升了MEMS传感器的灵敏度和分辨率。然而，MEMS谐振器也面临着不少难题，包括微型化所导致的储能低下问题，以及传统换能器效率较低下导致振荡器动态电阻高的问题等。现有技术通常采用以下方案分别应对上述问题：(1)采用体模态MEMS谐振器代替传统的弯曲模态MEMS谐振器。与弯曲模态MEMS谐振器相比，体模态MEMS谐振器，尤其是方形体模态谐振器，拥有更高的等效刚度，因此储能能力远超弯曲模态MEMS谐振器；(2)采用压阻换能器代替传统的电容式换能器输出传感信号。所谓压阻换能，是指半导体在受到应力时载流子迁移率发生变化，最终表现为电阻的变化。对于MEMS谐振器，压阻效应可以将谐振体的振动转化为周期的电阻变化，在直流偏置下输出交流电信号。谐振器通过压阻式传感所得到的动态电阻通常比电容式传感低一个数量级以上，并且随着直流偏置的增大而进一步降低。
对于方形体模态的MEMS谐振器，为了减小锚损耗，通常采用T型锚支撑谐振体。后续研究发现，T型锚除了起支撑作用，还能作为压阻换能器应用于方形体模态谐振器。然而，目前在方形体模态谐振器的各模态中，仅方形伸缩模态有应用该T型压阻换能器的报道，其他模态诸如方形拉梅模态以及方形剪切模态均无合适的压阻换能器。其次，虽然T型压阻换能器相较于静电式换能器在换能效率上有所提高，但由于该结构同时也起支撑功能，需保证一定的宽度，因而难以进一步提高换能效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例的目的在于：提供一种MEMS谐振器及其制备方法。
本发明实施例一方面所采取的技术方案是：
一种MEMS谐振器，包括谐振体和压阻换能器，所述谐振体为方形平板结构，所述谐振体上设置有四个所述压阻换能器，所述压阻换能器包括直流偏置、第一锚结构和压阻梁，所述直流偏置包括正电极和两个负电极，所述第一锚结构为T型锚结构，所述第一锚结构包括横梁和连杆，所述连杆的一端与所述横梁垂直连接，所述横梁将两个负电极连接，所述连杆的另一端与所述谐振体连接，所述压阻梁的一端与所述横梁连接，所述压阻梁的另一端与正电极连接。
可选地，所述谐振体、所述第一锚结构和所述压阻梁采用掺杂单晶硅制备而成。
可选地，当所述掺杂单晶硅为p型掺杂时，所述压阻梁的伸缩方向沿<110>方向；当所述掺杂单晶硅为n型掺杂时，所述压阻梁的伸缩方向沿<100>方向。
可选地，本发明一种MEMS谐振器，还包括激励电容换能器。
进一步，所述激励电容换能器包括激励电极和激励槽，所述激励电极设置在所述谐振体的四周，所述激励槽形成于所述激励电极与所述谐振体之间。
进一步，所述压阻换能器适用于方形伸缩模态谐振器、方形拉梅模态谐振器和方形剪切模态谐振器。
可选地，当所述压阻换能器应用于方形伸缩模态谐振器时，四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体的四个角上，四个所述激励电极分别与所述谐振体的四条边平行并形成四个所述激励槽。
可选地，当所述压阻换能器应用于方形拉梅模态谐振器时，四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体四条边的中点上，所述激励电极设置在各个所述压阻换能器的两侧，所述激励电极与所述谐振体的边平行并形成所述激励槽。
可选地，当所述压阻换能器应用于方形剪切模态谐振器时，所述四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体四个角上，所述激励电极设置在各个所述压阻谐振器的两侧，所述激励电极与所述谐振体的边平行并形成所述激励槽。
本发明实施例另一方面所采取的技术方案是：
一种MEMS谐振器的制备方法，包括：
对SOI进行离子注入，所述SOI包括底层硅、埋氧层和顶层硅；
在所述SOI上制备金属电极；
对所述顶层硅进行刻蚀；
对所述底层硅进行刻蚀；
释放所述埋氧层。
相较于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明实施例的一种MEMS谐振器，采用由直流偏置、T型锚结构和压阻梁组合的压阻换能器，具有锚损耗低的优势，同时使得用于压阻换能的压阻梁不作支撑功能，能通过减小压阻梁的宽度提高压阻换能效率；通过T型锚结构的横梁连接两个负电极，并通过压阻梁与正电极连通，使得设置于谐振体上的压阻换能器中的偏置电流不会流经谐振体，防止焦耳热效应导致的谐振体温度升高，从而避免了因温度升高导致的谐振体弹性系数改变，缓解了谐振频率的偏移程度；同时，由于偏置电流不会流经谐振体，使得电流通路的长度较短，进而降低了总功耗。
本发明实施例的一种MEMS谐振器的制备方法，通过对SOI进行离子注入、在SOI上制备金属电极、对顶层硅和底层硅进行刻蚀以及释放埋氧层来得到MEMS谐振器，通过采用离子注入实现了局部高浓度掺杂。其中，谐振体结构部分不掺杂，保证了谐振体的晶格不受破坏从而获得高Q值及高压阻系数，降低了非线性影响，达到了保证谐振器的功率容量进而保证振荡器的相位噪声的目的；直流偏置的电极部分高掺杂以形成良好的欧姆接触并进一步降低电阻率。
附图说明
图1为本发明实施例MEMS谐振器截面的一种结构示意图；
图2为本发明实施例MEMS谐振器的压阻换能器结构示意图；
图3为本发明实施例MEMS谐振器的方形伸缩模态下的结构与激励方式示意图；
图4为本发明实施例MEMS谐振器的方形伸缩模态下的传感方式与模态示意图；
图5为本发明实施例MEMS谐振器的方形拉梅模态下的结构与激励方式示意图；
图6为本发明实施例MEMS谐振器的方形拉梅模态下的传感方式与模态示意图；
图7为本发明实施例MEMS谐振器的方形剪切模态下的结构与激励方式示意图；
图8为本发明实施例MEMS谐振器的方形剪切模态下的传感方式与模态示意图；
图9为本发明实施例MEMS谐振器的制备方法流程图；
图10为含传统T型压阻换能器的MEMS压阻谐振器的结构与电流通路示意图；
图11为含传统T型压阻换能器的MEMS压阻谐振器在通入1mA直流电时的温度分布及等温线示意图；
图12为本发明实施例MEMS谐振器在通入1mA直流电时的温度分布及等温线示意图；
图13为含传统T型压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器与含本发明所述压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器的谐振频率随直流偏置变化对比图；
图14为含传统T型压阻换能器的方形拉梅模态MEMS压阻谐振器与含本发明所述压阻换能器的方形拉梅模态MEMS压阻谐振器的谐振频率随直流偏置变化对比图；
图15为含传统T型压阻换能器的方形剪切模态MEMS压阻谐振器与含本发明所述压阻换能器的方形剪切模态MEMS压阻谐振器的谐振频率随直流偏置变化对比图；
图16为含传统T型压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器与含本发明所述压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器在不同压阻梁宽度下的输出电压幅值对比图；
图17为含传统T型压阻换能器的方形拉梅模态MEMS压阻谐振器与含本发明所述压阻换能器的方形拉梅模态MEMS压阻谐振器在不同压阻梁宽度下的输出电压幅值对比图；
图18为含传统T型压阻换能器的方形剪切模态MEMS压阻谐振器与含本发明所述压阻换能器的方形剪切模态MEMS压阻谐振器在不同压阻梁宽度下的输出电压幅值对比图；
图19为含本发明所述压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器在不同宽度压阻梁下与含传统T型压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器的优值比示意图；
图20为含本发明所述压阻换能器的方形拉梅模态MEMS压阻谐振器在不同宽度压阻梁下与含传统T型压阻换能器的方形拉梅模态MEMS压阻谐振器的优值比示意图；
图21为含本发明所述压阻换能器的方形剪切模态MEMS压阻谐振器在不同宽度压阻梁下与含传统T型压阻换能器的方形剪切模态MEMS压阻谐振器的优值比示意图。
附图标记：101、谐振体；102、第一锚结构；103、压阻梁；104、正电极；105、负电极；201、横梁；202、连杆；301、激励电极；302、激励槽；901、底层硅；902、埋氧层；903、顶层硅；904、金属电极；905、背腔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
面对MEMS谐振器面临的微型化所导致的储能低下以及传统换能器效率较低下导致振荡器动态电阻高的问题，现有技术通常采用体模态MEMS谐振器代替传统的弯曲模态MEMS谐振器以及采用压阻换能器代替传统的电容式换能器输出传感信号的方式。其中，对于方形体模态的MEMS谐振器，为了减小锚损耗，通常采用T型锚支撑谐振体。后续研究发现，T型锚除了起支撑作用，还能作为压阻换能器应用于方形体模态谐振器。然而，目前在方形体模态谐振器的各模态中，仅方形伸缩模态有应用该T型压阻换能器的报道，其他模态诸如方形拉梅模态以及方形剪切模态均无合适的压阻换能器。其次，虽然T型压阻换能器相较于静电式换能器在换能效率上有所提高，但由于该结构也起到支撑作用，需要保证一定的宽度，因而难以进一步提高换能效率。
为此，本发明实施例提出了一种MEMS谐振器，采用由直流偏置、T型锚结构和压阻梁组合的压阻换能器，具有锚损耗低的优势，同时使得用于压阻换能的压阻梁不作支撑功能，能通过减小压阻梁的宽度提高压阻换能效率；通过T型锚结构的横梁连接两个负电极，并通过压阻梁与正电极连通，使得设置于谐振体上的压阻换能器中的偏置电流不会流经谐振体，防止焦耳热效应导致的谐振体温度升高，从而避免了因温度升高导致的谐振体弹性系数改变，缓解了谐振频率的偏移程度；同时，由于偏置电流不会流经谐振体，使得电流通路的长度较短，进而降低了总功耗。此外，本发明实施例的一种MEMS谐振器的制备方法，通过对SOI进行离子注入、在SOI上制备金属电极、对顶层硅和底层硅进行刻蚀以及释放埋氧层来得到MEMS谐振器，通过采用离子注入实现了局部高浓度掺杂。其中，谐振体结构部分不掺杂，保证了谐振体的晶格不受破坏从而获得高Q值及高压阻系数，降低了非线性影响，达到了保证谐振器的功率容量进而保证振荡器的相位噪声的目的；直流偏置的电极部分高掺杂以形成良好的欧姆接触并进一步降低电阻率。
参照图1和图2，本发明实施例提出了一种MEMS谐振器，包括谐振体101和压阻换能器，所述谐振体101为方形平板结构，所述谐振体101上设置有四个所述压阻换能器，所述压阻换能器包括直流偏置、第一锚结构102和压阻梁103，所述直流偏置包括正电极104和两个负电极105，所述第一锚结构102为T型锚结构，所述第一锚结构102包括横梁201和连杆202，所述连杆202的一端与所述横梁201垂直连接，所述横梁201将两个负电极105连接，所述连杆202的另一端与所述谐振体101连接，所述压阻梁103的一端与所述横梁201连接，所述压阻梁103的另一端与正电极104连接。
其中，谐振体101在外加激励下产生模态位移(振动)。
第一锚结构102，为T型锚结构，用于将谐振体101支撑于两个负电极105上。具体地，第一锚结构102包括包括横梁201和连杆202，横梁201为偏置电流通路的一部分，用于将从压阻梁103中流出的偏置电流引向负电极105，避免了偏置电流流经谐振体101，防止焦耳热效应导致的谐振体温度升高，从而避免了因温度升高导致的谐振体弹性系数改变，缓解了谐振频率的偏移程度；同时，由于偏置电流不会流经谐振体，使得电流通路的长度较短，进而降低了总功耗；此外，横梁201能作为声波反射结构，在一定程度上防止谐振体101的声波泄漏到衬底中，降低了锚损耗从而提高了MEMS谐振器的整体Q值。
压阻梁103，为压阻换能器的核心结构，用于将谐振体的振动转化为周期电阻变化。通过调整压阻梁103的粗细能够控制压阻换能效率，具体地压阻梁103越细，压阻换能效率越高。在本发明的实施例中，可以理解的是，通过细化压阻梁103提高输出信号幅值，但考虑过细的压阻梁103不易加工并且容易在冲击中损毁，因此需要在设计上进行折中考虑。
作为一种可选的实施方式，所述谐振体101、所述第一锚结构102和所述压阻梁103采用掺杂单晶硅制备而成。其中，当所述掺杂单晶硅为p型掺杂时，所述压阻梁的伸缩方向沿<110>方向；当所述掺杂单晶硅为n型掺杂时，所述压阻梁的伸缩方向沿<100>方向。
参照图3，作为一种可选的实施方式，本发明一种MEMS谐振器还包括激励电容换能器。
其中，激励电容换能器用于驱动谐振体101，控制谐振体101振动时的模态。
作为一种可选的实施方式，所述激励电容换能器包括激励电极301和激励槽302，所述激励电极301设置在所述谐振体101的四周，所述激励槽302形成于所述激励电极301与所述谐振体101之间。
其中，激励电极301，包括顶层的硅和硅上的金属，用于与外部仪器的电气接口连接，给谐振体101施加激励。具体地，激励电极301通过金线键合或者探针与外部仪器连接。
激励槽302，与谐振体101和激励电极301形成平板电容结构，用于将激励电极301上的交流电压转换成交流静电力，从而实现对谐振体101的驱动。
作为一种可选的实施方式，所述压阻换能器适用于各种方形体模态MEMS谐振器，包括方形伸缩模态谐振器、方形拉梅模态谐振器和方形剪切模态谐振器。
参照图3和图4，作为一种可选的实施方式，当所述压阻换能器应用于方形伸缩模态谐振器时，四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体101的四个角上，四个所述激励电极301分别与所述谐振体101的四条边平行并形成四个所述激励槽302。
其中，四个激励电极301与网络分析仪连接，网络分析仪向四个激励电极301通入同相交流激励信号。激励信号通过激励电容换能器产生四个同相交变力作用在谐振体101上，将谐振体101振动时的模态控制为方形伸缩模态。如图4所示，在方形伸缩模态下谐振体101的各处位移同相，压阻效应所得的交变电阻也同相。可以理解的是，通过四个压阻换能器的传感信号叠加得到输出信号，实现输出信号的最大化。
参照图5和图6，作为一种可选的实施方式，当所述压阻换能器应用于方形拉梅模态谐振器时，四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体101四条边的中点上，所述激励电极301设置在各个所述压阻换能器的两侧，所述激励电极301与所述谐振体101的边平行并形成所述激励槽302。
在本发明的一个实施例中，在谐振体101的四个角上分别设置锚结构作为支撑。
其中，，八个激励电极301通过差分巴伦与网络分析仪连接，网络分析仪向八个激励电极301通入不同相交流激励信号，各个激励电极301上的激励信号的相位关系如图5所示。参照图6，在方形拉梅模态下谐振体101四条边的中点处的位移量最大，因此将压阻换能器设置在谐振体101四条边的中点处能够产生最强的压阻效应。将谐振体101的不相邻的边的中点归为一组，即将最大位移点分为两组。由于在该模态下同组的两个最大位移点的位移同相，不同组的最大位移点的位移存在180°的相位差，因此形成了两组反相的传感信号。可以理解的是，先分别对两组同相位的输出信号进行合成，形成两个反相的输出信号，再通过合路器将两个反相的输出信号进行差分合成后得到输出信号，实现输出信号的最大化。
参照图7和图8，作为一种可选的实施方式，当所述压阻换能器应用于方形剪切模态谐振器时，所述四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体101四个角上，所述激励电极301设置在各个所述压阻换能器的两侧，所述激励电极301与所述谐振体101的边平行并形成所述激励槽302。
在本发明的一个实施例中，在谐振体101的四条边的中点上分别设置锚结构作为支撑。
其中，八个激励电极301通过差分巴伦与网络分析仪连接，网络分析仪向八个激励电极301通入不同相交流激励信号，各个激励电极301上的激励信号的相位关系如图7所示。参照图8，在方形剪切模态下谐振体101四个角的位移量最大，因此将压阻换能器设置在谐振体101四个角上能够产生最强的压阻效应。将谐振体101的对角归为一组，即将最大位移点分为两组。由于在该模态下同组的两个最大位移点的位移同相，不同组的最大位移点的位移存在180°的相位差，因此形成了两组反相的传感信号。可以理解的是，先分别对两组同相位的输出信号进行合成，形成两个反相的输出信号，再通过合路器将两个反相的输出信号进行差分合成后得到输出信号，实现输出信号的最大化.
基于图1的一种MEMS谐振器，本发明实施例提供了一种MEMS谐振器的制备方法，如图9所示，该制备方法包括以下步骤S201-S205：
S201、对SOI进行离子注入，所述SOI包括底层硅901、埋氧层902和顶层硅903；
其中，为了形成欧姆接触并且使得接触电阻足够低，需要控制离子注入的剂量。
具体地，在本发明的实施例中，在所述顶层硅903上涂一层光刻胶并通过掩模版进行光刻，形成掩膜层，通过离子注入实现对顶层硅903的选择性掺杂。在本发明的一个实施例中，n型掺杂时的离子注入采用剂量大于2*1015ion/cm2的磷，p型掺杂时的离子注入采用剂量大于2*1015ion/cm2的硼。
设定较低的离子注入能量(约40eV)，并设定注入角度为7°进行离子注入。在温度为1050℃、时长为90s的激活条件下激活之后，测得P型硅方块电阻低于63Ω/□，N型硅方块电阻低于43Ω/□。
通过离子注入，给顶层硅903引入杂质离子形成高掺杂的顶层硅903，进一步降低金属与衬底形成欧姆接触后的接触电阻的大小。与传统的热扩散掺杂相比，离子注入工艺对掺杂深度和剂量的控制更精确，并且离子注入时的温度接近常温，可以采用光刻胶作为掩膜实现选择性掺杂。通过选择性掺杂既可以实现低接触电阻的欧姆接触，又可以使得压阻梁保持较低的掺杂浓度，避免高掺杂浓度导致的压阻系数降低；选择性掺杂可防止谐振体结构的晶格被离子注入破坏，从而保证较高的Q值。其三，选择性掺杂可避免由于高掺杂浓度造成的材料非线性程度上升，降低MEMS谐振器的功率容量，避免了MEMS振荡器的相位噪声恶化。
S203、在所述SOI上制备金属电极904；
具体地，采用双层胶工艺，在所述顶层硅上涂一层LOR10光刻胶并进行温度为140℃、时长为150s的前烘，并在所述LOR10光刻胶上涂一层Az5214光刻胶并进行温度为95℃、时长为90s的前烘，形成双层胶。
对所述LOR10光刻胶和所述Az5214光刻胶进行曝光显影，通过曝光显影的光刻技术得到沉积金属所需的图形区域，并采用电子束蒸发在曝光显影后的光刻胶上沉积金属层。
其中，金属层的选择需要考虑金属是否与后续的制备工艺兼容。
具体地，钛铝可以在较低的退火温度下能与硅形成性能较好的合金，但在后续埋氧层902的释放过程中(步骤S206)的气态氢氟酸会腐蚀金属铝，导致器件结构的损坏。因此，一般来说，金属层选择钛金或铬金。采用电子束蒸发沉积20nm铬加200nm金或20nm钛加200nm金。其中，钛金与硅形成欧姆接触条件为450℃～550℃，10min；铬金与硅形成欧姆接触条件为800℃～850℃，5min。在本发明的实施例中，金属层采用铬金，与顶层硅903形成欧姆接触。
在本发明的实施例中，对所述金属层进行温度为800℃～850℃、时长为5min的退火处理，使金属层与高掺杂的顶层硅903形成欧姆接触，并且接触面的电阻远小于顶层硅903自身的电阻，使得接触电阻不会影响器件的电流-电压特性。
最后，采用光刻胶剥离，得到所述金属电极904。
S204、对所述顶层硅903进行刻蚀；
先在在所述顶层硅903上涂一层光刻胶，并通过掩模版进行光刻，对所述顶层硅903上的光刻胶进行曝光显影，得到覆盖所述顶层硅903上器件区域的掩膜层，实现对顶层硅903局部区域的刻蚀。
采用深反应离子刻蚀，对所述顶层硅903上未被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀形成所述顶层硅903的刻蚀腔，并采用钝化循环保护所述顶层硅903的刻蚀腔的侧壁。
S205、对所述底层硅901进行刻蚀；
在进行底层硅901的刻蚀之前，先在所述顶层硅903和所述底层硅901上涂一层光刻胶。
其中，顶层硅903上的光刻胶用于保护顶层硅903上的器件，防止器件被磨损。
通过掩模版对所述底层硅901上的光刻胶进行光刻，对所述底层硅901上的光刻胶进行曝光显影，溶解所述谐振体101正下方的光刻胶，得到掩膜层。
其中，掩模版用于对底层硅901上的光刻胶进行局部光刻，形成掩膜层，保护底层硅901不处于谐振体101正下方的区域，实现后续对底层硅901局部区域的刻蚀。
采用深反应离子刻蚀，对所述底层硅901上未被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀(刻蚀谐振体101正下方的底层硅901)形成所述底层硅901的刻蚀腔，并采用钝化循环保护所述底层硅901的刻蚀腔的侧壁，得到背腔905，使得谐振体101悬空。
S206、释放所述埋氧层。
具体地，采用气态的氢氟酸腐蚀所述背腔905中裸露的所述埋氧层902，在背腔905中的埋氧层902被腐蚀完全后停止气态氢氟酸的释放。
参照图10，传统含T型压阻换能器的MEMS谐振器受直流偏置影响导致压阻变换效率降低，传统含T型压阻换能器的MEMS谐振器与含本发明所述压阻换能器的MEMS谐振器可通过有限元仿真进行分析对比。本发明所述压阻换能器仿真二维几何形状如图2所示，横梁201宽6μm，长120μm，连杆202宽20μm，长60μm，压阻梁103长10μm，宽度可变；直流偏置的正电极104和负电极105为边长80μm的正方形。含本发明所述压阻换能器的MEMS压阻谐振器仿真二维几何形状如图1所示，谐振体101为边长600μm的正方形。含传统T型压阻换能器的MEMS压阻谐振器仿真二维几何形状如图10所示，由于方形拉梅模态MEMS谐振器与方形剪切模态MEMS谐振器此前并无压阻换能的相关报道，故将传统T型压阻换能器置于该两模态下本发明所述压阻换能器的位置构成含传统T型压阻换能器的方形拉梅、方形剪切模态MEMS谐振器以形成对比，其中传统T型压阻换能器的连杆202、横梁201和电极的几何尺寸均与本发明所述压阻换能器相同以对比性能。谐振器厚度均为15μm，电阻率为0.01Ω·m。
含传统T型压阻换能器的MEMS压阻谐振器在施加直流偏置时的有限元仿真温度分布及等温线分布如图11所示，其中初始温度为室温300K，通入电流大小为1mA。由仿真结果可得，含传统T型压阻换能器的MEMS压阻谐振器在施加直流偏置时最高温度上升至316.38K。而相同条件下，含本发明所述压阻换能器的MEMS压阻谐振器最高温度只有309.49K(图12)。温度升高导致的弹性系数改变及产生的热膨胀效应会一定程度地影响谐振频率，其中温度变化越大谐振频率的偏移也越大。各种模态下含传统T型压阻换能器的MEMS压阻谐振器与含本发明所述压阻换能器的MEMS压阻谐振器的谐振频率随直流偏置的变化如图13、图14和图15所示。可见本发明所述压阻换能器能大大缓解直流偏置对谐振频率偏移的影响。
定义压阻换能效率：
Figure BDA0003339858720000111
其中Rsense为由压阻效应产生的总电阻变化，xmax为谐振器最大位移的大小，若同一模态不同换能结构的MEMS压阻谐振器最大位移近似相等，则η越大表明传感电阻越大，换能效率也就越高。通过定义压阻换能效率比较同一模态下不同换能器的输出幅值。通过有限元仿真得到，含本发明所述压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器随压阻梁103宽度从2μm缩小至0.25μm，压阻换能效率从26.22Ω/m提升至368.97Ω/m，含传统压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器换能效率仅为3.74Ω/m。含本发明所述压阻换能器的方形拉梅模态MEMS压阻谐振器随压阻梁宽度从2μm缩小至0.25μm，压阻换能效率从10.67Ω/m提升至129.83Ω/m，含传统压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器换能效率仅为1.36Ω/m。含本发明所述压阻换能器的方形剪切模态MEMS压阻谐振器随压阻梁103宽度从2μm缩小至0.25μm，压阻换能效率从23.76Ω/m提升至370.68Ω/m，含传统压阻换能器的方形伸缩模态MEMS压阻谐振器换能效率仅为2.15Ω/m。
为了进一步直观地表现本发明所述压阻换能器相较于传统压阻换能器的效率优势，将MEMS压阻谐振器采用等效电路模型表示，压阻换能器转能成等效电阻，固定的驱动直流电压50V，交流功率0.05mW，所有激励电极301都参与驱动，激励槽宽度2μm，Q值为2.4*105，最后得到不同模态的压阻谐振器在不同压阻梁宽度下的输出电压幅值。方形伸缩模态的输出幅值对比如图16，方形拉梅模态的输出幅值对比如图17，方形剪切模态的输出幅值对比如图18。可见在相同条件下，本发明所述压阻换能器输出幅值高于传统T型压阻换能器。
对于压阻换能器，换能效率并非唯一指标，由于存在直流通路，因此功耗也是压阻换能器的一个重要考虑指标。相同直流偏置及相同电阻率下，由于本发明的偏置电流不会流经谐振体101，而传统T型压阻换能器的偏置电流需要经过谐振体101，使得本发明的直流电流通路的长度较短，因此本发明所述压阻换能器功耗低于传统T型压阻换能器。为了直观并综合地对比本发明所述压阻换能器及传统T型换能器的性能，定义优值(FOM)：
Figure BDA0003339858720000121
其中Psense为输出信号的功率，Pdc为换能器功耗。优值表征单位直流功耗单位谐振器最大位移下的输出信号功率，优值越高压阻换能器性能越优异。将本发明所述压阻换能器的优值除以传统T型压阻换能器的优值得到优值比，该比值表征相同功耗相同最大谐振位移(相同模态)下本发明所述压阻换能器输出幅值与传统T型换能器输出幅值的比值。方形伸缩模态压阻谐振器、方形伸拉梅态压阻谐振器与方形剪切模态压阻谐振器的优值比分别见图19、20、21。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种MEMS谐振器，其特征在于，包括谐振体和压阻换能器，所述谐振体为方形平板结构，所述谐振体上设置有四个所述压阻换能器，所述压阻换能器包括直流偏置、第一锚结构和压阻梁，所述直流偏置包括正电极和两个负电极，所述第一锚结构为T型锚结构，所述第一锚结构包括横梁和连杆，所述连杆的一端与所述横梁垂直连接，所述横梁将两个负电极连接，所述连杆的另一端与所述谐振体连接，所述压阻梁的一端与所述横梁连接，所述压阻梁的另一端与正电极连接。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，所述谐振体、所述第一锚结构和所述压阻梁采用掺杂单晶硅制备而成。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，当所述掺杂单晶硅为p型掺杂时，所述压阻梁的伸缩方向沿<110>方向；当所述掺杂单晶硅为n型掺杂时，所述压阻梁的伸缩方向沿<100>方向。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，还包括激励电容换能器，所述激励电容换能器包括激励电极和激励槽，所述激励电极设置在所述谐振体的四周，所述激励槽形成于所述激励电极与所述谐振体之间。
5.根据权利要求4所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，所述压阻换能器适用于方形伸缩模态谐振器、方形拉梅模态谐振器和方形剪切模态谐振器。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，当所述压阻换能器应用于方形伸缩模态谐振器时，四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体的四个角上，四个所述激励电极分别与所述谐振体的四条边平行并形成四个所述激励槽。
7.根据权利要求5所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，当所述压阻换能器应用于方形拉梅模态谐振器时，四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体四条边的中点上，所述激励电极设置在各个所述压阻换能器的两侧，所述激励电极与所述谐振体的边平行并形成所述激励槽。
8.根据权利要求5所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，当所述压阻换能器应用于方形剪切模态谐振器时，所述四个所述压阻换能器分别设置在所述谐振体四个角上，所述激励电极设置在各个所述压阻换能器的两侧，所述激励电极与所述谐振体的边平行并形成所述激励槽。
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