CN116915209A - 一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法 - Google Patents
一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116915209A CN116915209A CN202310517385.8A CN202310517385A CN116915209A CN 116915209 A CN116915209 A CN 116915209A CN 202310517385 A CN202310517385 A CN 202310517385A CN 116915209 A CN116915209 A CN 116915209A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- resonator
- micromechanical
- piezoelectric
- plane bending
- mode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 76
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 27
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 6
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 4
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si].[Si] SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 239000010408 film Substances 0.000 description 13
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 12
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 5
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- OFZCIYFFPZCNJE-UHFFFAOYSA-N carisoprodol Chemical compound NC(=O)OCC(C)(CCC)COC(=O)NC(C)C OFZCIYFFPZCNJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/02393—Post-fabrication trimming of parameters, e.g. resonance frequency, Q factor
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
- H03H9/13—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H2009/155—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material using MEMS techniques
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
本发明涉及谐振器技术，具体涉及一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法，该微机械谐振器包括衬底硅片、谐振器结构；衬底硅片正面具有空腔结构；谐振器结构包含谐振振子、支撑梁结构和锚点结构；谐振振子通过支撑梁结构与锚点结构连接，锚点结构与衬底硅片连接，且谐振振子、支撑梁结构和锚点结构均悬空于衬底空腔上方；衬底硅片正面的空腔结构位置分别与谐振器谐振振子、支撑梁结构和锚点结构相对应；谐振振子位于支撑梁两侧，以支撑梁为中心，形成轴对称式的一组或多组。该微机械谐振器优化了微机械谐振器的结构，减小了微机械谐振器的锚点损耗，提高了器件的Q值；同时通过设计电极布局实现可调的激励和检测方式。
Description
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，特别涉及一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法。
背景技术
谐振器是用来产生谐振频率的器件。谐振器与外部振荡电路、放大电路以及滤波电路等可以构成振荡器。振荡器可以产生一个固定的频率信号。近年来，基于微电子机械***技术(Microelectromechanical systems，MEMS)的微机械谐振器以其体积小、重量轻、与集成电路制造工艺兼容、可靠性稳定性好等优点，已成为取代传统石英晶体振荡器的最佳选择，并已经开始实现了商业化量产。随着各种电子设备和***小型化的发展趋势，MEMS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谐振器的典型应用是实时时钟(Real Time Clock，RTC)，用于计算机、服务器和消费电子设备的电子***中的时钟***。传统的实时时钟***使用石英晶体振荡器，其中使用石英晶体的机械谐振来提供所需的参考频率，常用的石英晶体谐振频率为32.768kHz。石英晶体采用机械切割加工制备而成，体积较大；石英材料较脆，抗冲击和振动特性较差；此外，石英晶体制备工艺不易于与半导体制作工艺相兼容。因此，亟待新技术出现，突破目前石英晶体晶振面临的不足。MEMS谐振器采用半导体技术制备，成为取代石英晶振的最佳选择。
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：
目前常见的32.768kHz等低频率微机械谐振器的结构方案较为复杂、品质因数较低，影响谐振器尺寸的量产化与市场化。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及振动模态调节方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，微机械谐振器包含衬底硅片、谐振器结构；衬底硅片正面具有空腔结构；
谐振器结构包含谐振振子、支撑梁结构和锚点结构；谐振振子通过支撑梁结构与锚点结构连接，锚点结构与衬底硅片连接，且谐振振子、支撑梁结构和锚点结构均悬空于衬底空腔上方；衬底硅片正面的空腔结构位置分别与谐振器谐振振子、支撑梁结构和锚点结构相对应；
谐振振子位于支撑梁两侧，以支撑梁为中心，形成轴对称式的一组或多组。
在上述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器中，谐振器的振动模态为面内弯曲模态或者面外弯曲模态。
在上述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器中，谐振器振动模态为面内弯曲模态时，谐振振子上分布有贯穿厚度方向的热隔离槽；热隔离槽为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。
在上述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器中，谐振器振动模态为面外弯曲模态时，谐振器的器件层与下电极层之间设有缓冲层材料，缓冲层材料包括氮化硅、氧化铝和铂。
在上述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器中，谐振振子为矩形梁或末端有附加质量的矩形梁结构；支撑梁的结构为直梁结构、T型梁结构或者矩形外框。
在上述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器中，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中任一种。
在上述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器中，微机械谐振器为压电式谐振器时，谐振器包括压电叠层和器件层，压电叠层包括上电极、压电薄膜和下电极；微机械谐振器的谐振振子是单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属组成的复合薄膜材料；压电薄膜材料包括氮化铝AlN、氧化锌ZnO和锆钛酸铅PZT；
振动模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组长度与第二电极组长度比为1：0.7～0.9或相反；
振动模态为面外弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组长度与第二电极组长度比为1：0.8～1.2或相反。
在上述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器中，微机械谐振器为电容式谐振器，且振动模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组与第二电极组位于同一平面内；振动模态为面外弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组与第二电极组位于谐振振子的上、下平面。
一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器的制备方法，该方法基于CSOI工艺进行制备；包括：
提供一带空腔的SOI圆片；
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；
在圆片上沉积一层氧化物；
刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
沉积铝并图形化形成金属焊盘；
刻蚀对谐振器结构进行释放。
一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器的振动模态调节方法，包括压电式面内弯曲模态谐振器的调节方法和压电式面外弯曲模态谐振器的调节方法：
压电式面内弯曲模态谐振器的调节方法包括在第二电极组和接地电极之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电薄膜沿宽度方向产生面内弯曲振动，从而激励谐振器振动；连接第一电极组检测信号，当交流电信号的频率与压电谐振器面内弯曲模态的固有谐振频率一致时，谐振器的机械振幅达到最大值，激励谐振器工作在机械谐振模态；
压电式面外弯曲模态谐振器的调节方法包括在第二电极组和接地电极之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电薄膜沿宽度方向产生面外弯曲振动，从而激励谐振器振动；连接第一电极组检测信号，当交流电信号的频率与压电谐振器面外弯曲模态的固有谐振频率一致时，谐振器的机械振幅达到最大值，激励谐振器工作在机械谐振模态。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的微机械谐振器，相比于传统的实时时钟***使用的石英晶体振荡器，此方案采用半导体技术制备，器件体积小，工艺可以与成熟的半导体芯片技术相兼容，更有利于大规模工业化生产；
(2)设计了对称式的谐振振子结构，相比于非对称式的谐振振子结构，能够有效减少MEMS谐振器的锚点损耗，提高微机械谐振器的Q值；
(3)本发明的微机械谐振器的谐振振子以对称式的一组为单位，可以通过改变谐振振子的组数实现微机械谐振器的不同模态组合方案；
(4)本发明的微机械谐振器的电极布局实现了可调的激励模式和检测模式，同时可调节微机械谐振器的振动模态。
(5)本发明的微机械谐振器工作在面内弯曲模态时设计的热隔离槽结构，与面外弯曲模态设计的缓冲层结构，可以有效降低微机械谐振器的热弹性损耗，提高微机械谐振器的Q值。
附图说明
图1为本发明实施例具有对称式谐振振子的微机械谐振器的三维结构示意图；
图2-a为本发明实施例单组对称式谐振梁结构的示意图(支撑梁结构为矩形外框)；
图2-b为本发明实施例两组对称式谐振梁结构的示意图；
图2-c为本发明实施例非对称式谐振梁结构的示意图；
图2-d为本发明实施例支撑梁结构为直梁的谐振梁结构的示意图；
图2-e为本发明实施例支撑梁结构为T字梁的谐振梁结构的示意图；
图3为本发明实施例具有热隔离槽结构的谐振梁的示意图；
图4-a为本发明实施例面内弯曲模态的电极布局示意图；
图4-b为本发明实施例面外弯曲模态的电极布局示意图；
图5-a为本发明实施例压电式微机械谐振器的制备工艺流程带空腔SOI示意图；
图5-b为本发明实施例压电式微机械谐振器的制备工艺流程沉积上电极/压电层/下电极结构，并对上电极图形化示意图；
图5-c为本发明实施例压电式微机械谐振器的制备工艺流程沉积氧化物示意图；
图5-d为本发明实施例压电式微机械谐振器的制备工艺流程刻蚀出上下电极通孔示意图；
图5-e为本发明实施例压电式微机械谐振器的制备工艺流程沉积铝形成金属焊盘示意图；
图5-f为本发明实施例压电式微机械谐振器的制备工艺流程释放谐振器结构示意图；
图5-g为本发明实施例压电式微机械谐振器的制备工艺流程基于CSOI工艺制备结构示意图；
图6为本发明实施例具有缓冲层材料的谐振梁的示意图；
图7为本发明实施例面内弯曲模态的电容式谐振器电极布局示意图；
图8-a为本发明实施例面内弯曲模态的电容式谐振器结构截面示意图；
图8-b为本发明实施例面外弯曲模态的电容式谐振器结构截面示意图；
图9为本发明实施例仅考虑锚点损耗Qanchor，分别工作在面内弯曲模态与面外弯曲模态时，具有对称结构与非对称结构谐振振子对于压电式微机械谐振器的Q值影响曲线；
图中：101-谐振振子，102-支撑梁结构，103-锚点结构，201-对称式谐振梁结构单元，301-热隔离槽，302-缓冲层，401-电极组1，402-电级组2，403-接地电极，501-衬底硅片，502-埋氧层，503-器件层，504-下电极层，505-压电材料，506-上电极层，507-顶层氧化物，508-金属焊盘，509-氧化硅，510-多晶硅。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
针对现有技术品质因数低，结构设计复杂等不足，本实施例的目的是优化微机械谐振器的结构设计，减小微机械谐振器的锚点损耗，提高器件的Q值；简化结构设计的同时通过设计电极布局实现可调的激励和检测方式。本实施例振动结构的工作模态为弯曲模态(Flexural mode)，其工作频率为kHz级别，主要用于替代32.768kHz石英谐振器或类似频率的石英晶振。本实施例结构为对称式的谐振振子，相比于非对称式的谐振振子，可使锚点处的振幅左右平衡，从而约束锚点的振动，减少了谐振器的锚点损耗，提升了微机械谐振器的Q值。本实施例谐振振子可实现面内弯曲模态(左右弯曲)和面外弯曲模态(上下弯曲)两种运动方式，而在相同尺寸下，两种运动模态的频率不同，器件工作时，可以不改变器件的尺寸，仅改变电极的布局方案分别实现两种工作频率。通过阵列的方式排列，以组为单位，通过调整每组的尺寸设计，能够实现一组面内模态振动，另一组面外模态振动，或多组不同的模态组合，从而实现谐振器的频率调控。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，微机械谐振器包含衬底硅片、谐振器结构；其中：
衬底硅片正面具有空腔结构；
谐振器结构包含谐振振子、支撑梁结构和锚点结构：谐振振子通过支撑梁结构与锚点结构连接，锚点结构与衬底硅片连接，且的谐振振子、支撑梁结构和锚点结构都悬空在衬底空腔上方；衬底硅片正面的空腔结构位置分别与谐振器谐振振子、支撑梁结构和锚点结构相对应；
谐振振子位于支撑梁两侧，以支撑梁为中心，形成轴对称式的一组或多组。
并且，谐振器的振动模态为面内弯曲模态或者面外弯曲模态。
而且，微机械谐振器振动模态为面内弯曲模态时，谐振振子上分布有贯穿厚度方向的热隔离槽，微机械谐振器的热隔离槽为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。
而且，微机械谐振器工作模态为面外弯曲模态时，谐振器的器件层与下电极层之间设置有缓冲层材料，缓冲层材料包括氮化硅、氧化铝、铂。
以上设置都可以分隔谐振振子内部的一部分热量传导，有效减少热弹性损耗，提高微机械谐振器的Q值。
并且，微机械谐振器的谐振振子可以是矩形梁或末端有附加质量的矩形梁结构；支撑梁的结构可以是直梁结构、T型梁结构、或者矩形外框。
而且，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中任一种。
并且，微机械谐振器为压电式谐振器时，谐振器由压电叠层和器件层组成，压电叠层包括上电极、压电薄膜、下电极三层；微机械谐振器的谐振振子是单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属组成的复合薄膜材料；的压电薄膜材料包括氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)。
振动模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组长度与第二电极组长度比为1：0.7～0.9或相反。振动模态为面外弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组长度与第二电极组长度比为1：0.8～1.2或相反。
并且，微机械谐振器为电容式谐振器或压阻式谐振器时，微机械谐振器的谐振振子是包括单晶硅、多晶硅和锗化硅的单一薄膜材料。
微机械谐振器为电容式谐振器时，振动模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组与第二电极组位于同一平面内；振动模态为面外弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组与第二电极组位于谐振振子的上、下平面。
实施例1
一种面内弯曲模态的压电式微机械谐振器，如图1所示，包含衬底硅片501、谐振器结构；其中：
衬底硅片501正面具有空腔结构；
谐振器结构包含谐振振子101、支撑梁结构102和锚点结构103：谐振振子101通过支撑梁结构102与锚点结构103连接，锚点结构103与衬底硅片501连接，且的谐振振子101、支撑梁结构102和锚点结构103都悬空在衬底空腔上方；衬底硅片501正面的空腔结构位置分别与谐振振子101、支撑梁结构102和锚点结构103相对应；
如图2-b所示，谐振振子101位于支撑梁结构102两侧，以支撑梁结构102为中心，形成轴对称式的一组或多组。
如图4-a所示，谐振器的工作模态为面内弯曲模态。
如图2所示，微机械谐振器的谐振振子101可以是矩形梁或末端有附加质量的矩形梁结构；支撑梁结构102可以是直梁结构、T型梁结构、或者矩形外框。
如图1所示，微机械谐振器为压电式谐振器。
如图5所示，微机械谐振器为压电式谐振器时，谐振器由压电叠层和器件层组成，压电叠层包括上电极、压电薄膜、下电极三层；微机械谐振器的谐振振子是单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属组成的复合薄膜材料；的压电薄膜材料包括氮化铝AlN、氧化锌ZnO和锆钛酸铅PZT。工作模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第二电极组402长度与第一电极组401长度比为1：0.7～0.9或相反；
调节微机械谐振器的振动模态的方法：对于压电式面内弯曲模态谐振器，在其第二电极组402和接地电极403之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电薄膜沿宽度方向产生面内弯曲振动，从而激励谐振器振动。连接第一电极组401即可检测到信号，当交流电信号的频率与压电谐振器面内弯曲模态的固有谐振频率一样时，谐振器的机械振幅达到最大值，即激励谐振器工作在机械谐振模态。
本实施例1还提供一种压电式微机械谐振器的制备方法，具体步骤如下：
如图5-a所示，提供一带空腔的SOI圆片；
如图5-b所示，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；
如图5-c所示，在圆片上沉积一层氧化物；
如图5-d所示，刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
如图5-e所示，沉积铝并图形化形成金属焊盘；
如图5-f所示，刻蚀对谐振器结构进行释放。
如图5-g所示，本实施例1一种压电式微机械谐振器的制备方法，此结构基于CSOI工艺进行制备。
实施例2
如图4-b所示，一种面外弯曲模态的压电式微机械谐振器。
与实施例1的不同之处在于：实施例1中所述谐振器的振动模态为面内弯曲模态；实施例2中，所述谐振器的振动模态为面外弯曲模态。如图5所示，所述微机械谐振器为压电式谐振器时，振动模态为面外弯曲模态时，所述微机械谐振器的电极组2402长度与电极组1401长度比为1：0.8～1.2或相反。
调节微机械谐振器的振动模态的方法：对于压电式面外弯曲模态谐振器，在其电极组2402和接地电极403之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电薄膜沿宽度方向产生面外弯曲振动，从而激励谐振器振动。连接电极组1401即可检测到信号，当交流电信号的频率与压电谐振器面外弯曲模态的固有谐振频率一样时，谐振器的机械振幅达到最大值，即激励谐振器工作在机械谐振模态。
实施例3
如图3所示，一种具有热隔离槽的压电式微机械谐振器。
与实施例1的不同之处在于：实施例1中谐振器没有热隔离槽；实施例3中，谐振器具有热隔离槽。振动模态为面内弯曲模态时，谐振振子101上分布有贯穿厚度方向的热隔离槽301。微机械谐振器的热隔离槽301为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。
优势在于，微机械谐振器工作在面内弯曲模态时，谐振振子上的热隔离槽结构，可以有效减少热弹性损耗，提高微机械谐振器的Q值。
实施例4
如图6所示，一种具有缓冲层材料的压电式微机械谐振器。
与实施例2的不同之处在于：实施例2中谐振器没有缓冲层材料；实施例4中，振动模态为面外弯曲模态时，器件层503与下电极层504之间可以有缓冲层302材料，缓冲层302材料包括氮化硅、氧化铝、铂。
本实施例4提供一种具有缓冲层材料的压电式微机械谐振器的制备方法，具体步骤如下：
如图5-a所示，提供一带空腔的SOI圆片；
如图6所示，在SOI圆片上沉积缓冲层材料；
如图5-b所示，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；
如图5-c所示，在圆片上沉积一层氧化物；
如图5-d所示，刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
如图5-e所示，沉积铝并图形化形成金属焊盘；
如图5-f所示，刻蚀对谐振器结构进行释放。
实施例5
如图7所示，一种面内弯曲模态的电容式微机械谐振器。
与实施例1的不同之处在于：实施例1中谐振器为压电式微机械谐振器；实施例7中，谐振器为电容式微机械谐振器。振动模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第二电极组402与第一电极组401位于同一平面内；
如图8-a所示，微机械谐振器为电容式谐振器时，微机械谐振器的谐振振子是包括单晶硅、多晶硅和锗化硅的单一薄膜材料。
本实施例5还提供一种电容式微机械谐振器的制备方法，具体步骤如下：
如图8-a所示，提供一带空腔的SOI圆片；首先沉积铝并图形化形成金属焊盘；再进行刻蚀对谐振器结构进行释放。
实施例6
如图8-b所示，一种面外弯曲模态的电容式微机械谐振器。
与实施例5的不同之处在于：实施例5中谐振器为面内弯曲模态；实施例6中，谐振器为面外弯曲模态。如图8-b所示，微机械谐振器为面外弯曲模态的电容式谐振器时，微机械谐振器的第一电极组401/氧化硅509与第二电极组402/金属焊盘508位于谐振振子的上、下平面。
本实施例6还提供一种电容式微机械谐振器的制备方法，具体步骤如下：
如图8-b所示，提供一衬底硅圆片；首先在衬底硅表面沉积一层氧化物；然后采用外延生长的方法沉积多晶硅，利用厚多晶硅层作为谐振器的器件层，采用薄的多硅层实现电学互连并引出焊盘；背面刻蚀所述衬底硅片；采用气相氢氟酸完成谐振器结构释放。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，微机械谐振器包含衬底硅片、谐振器结构；衬底硅片正面具有空腔结构；
谐振器结构包含谐振振子、支撑梁结构和锚点结构；谐振振子通过支撑梁结构与锚点结构连接，锚点结构与衬底硅片连接，且谐振振子、支撑梁结构和锚点结构均悬空于衬底空腔上方；衬底硅片正面的空腔结构位置分别与谐振器谐振振子、支撑梁结构和锚点结构相对应；
谐振振子位于支撑梁两侧，以支撑梁为中心，形成轴对称式的一组或多组。
2.根据权利要求1所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，谐振器的振动模态为面内弯曲模态或者面外弯曲模态。
3.根据权利要求2所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，谐振器振动模态为面内弯曲模态时，谐振振子上分布有贯穿厚度方向的热隔离槽；热隔离槽为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。
4.根据权利要求2所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，谐振器振动模态为面外弯曲模态时，谐振器的器件层与下电极层之间设有缓冲层材料，缓冲层材料包括氮化硅、氧化铝和铂。
5.根据权利要求1所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，谐振振子为矩形梁或末端有附加质量的矩形梁结构；支撑梁的结构为直梁结构、T型梁结构或者矩形外框。
6.根据权利要求2所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，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中任一种。
7.根据权利要求6所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，微机械谐振器为压电式谐振器时，谐振器包括压电叠层和器件层，压电叠层包括上电极、压电薄膜和下电极；微机械谐振器的谐振振子是单晶硅/多晶硅-氧化硅-金属-压电薄膜-金属组成的复合薄膜材料；压电薄膜材料包括氮化铝AlN、氧化锌ZnO和锆钛酸铅PZT；
振动模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组长度与第二电极组长度比为1：0.7～0.9或相反；
振动模态为面外弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组长度与第二电极组长度比为1：0.8～1.2或相反。
8.根据权利要求6所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器，其特征在于，微机械谐振器为电容式谐振器，且振动模态为面内弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组与第二电极组位于同一平面内；振动模态为面外弯曲模态时，微机械谐振器的第一电极组与第二电极组位于谐振振子的上、下平面。
9.根据权利要求1-8任一项所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，该方法基于CSOI工艺进行制备；包括：
提供一带空腔的SOI圆片；
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；
在圆片上沉积一层氧化物；
刻蚀出上下电极通孔，露出上下电极；
沉积铝并图形化形成金属焊盘；
刻蚀对谐振器结构进行释放。
10.根据权利要求1-8任一项所述具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器的振动模态调节方法，其特征在于，包括压电式面内弯曲模态谐振器的调节方法和压电式面外弯曲模态谐振器的调节方法：
压电式面内弯曲模态谐振器的调节方法包括在第二电极组和接地电极之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电薄膜沿宽度方向产生面内弯曲振动，从而激励谐振器振动；连接第一电极组检测信号，当交流电信号的频率与压电谐振器面内弯曲模态的固有谐振频率一致时，谐振器的机械振幅达到最大值，激励谐振器工作在机械谐振模态；
压电式面外弯曲模态谐振器的调节方法包括在第二电极组和接地电极之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电薄膜沿宽度方向产生面外弯曲振动，从而激励谐振器振动；连接第一电极组检测信号，当交流电信号的频率与压电谐振器面外弯曲模态的固有谐振频率一致时，谐振器的机械振幅达到最大值，激励谐振器工作在机械谐振模态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310517385.8A CN116915209A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310517385.8A CN116915209A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116915209A true CN116915209A (zh) | 2023-10-20 |
Family
ID=88351734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310517385.8A Pending CN116915209A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116915209A (zh) |
-
2023
- 2023-05-06 CN CN202310517385.8A patent/CN116915209A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3210303B1 (en) | Compound spring mems resonator for oscillators and real-time clock applications | |
| US9071226B2 (en) | Micromechanical resonator and method for manufacturing thereof | |
| US9866200B2 (en) | Multiple coil spring MEMS resonator | |
| CN110289823B (zh) | 一种微机械谐振器 | |
| US20110284995A1 (en) | Micromechanical membranes and related structures and methods | |
| JP2008504771A (ja) | 変形量が大きな複合型微小共振器 | |
| CN106982042B (zh) | 一种支撑结构的mems压电谐振器 | |
| US20130130502A1 (en) | Micromechanical membranes and related structures and methods | |
| JP2022529131A (ja) | 微小電気機械共振器 | |
| CN115842531A (zh) | 一种微机械谐振器及其制备方法 | |
| CN115532572A (zh) | 一种多频压电微机械超声换能器及制备方法 | |
| Long et al. | A centrally-anchored high-Q tunable piezoelectric MEMS resonators FOR wide temperature range RTC | |
| JP4730383B2 (ja) | 薄膜音響共振器及びその製造方法 | |
| CN116505910A (zh) | 一种微机械谐振器及其制备方法、微机械振荡器 | |
| CN116915209A (zh) | 一种具有对称式谐振振子结构的微机械谐振器及调节方法 | |
| CN112751544A (zh) | 具有锚点辅助结构的微机械谐振器及其制备方法 | |
| CN114124025A (zh) | 一种微机械谐振器及其制备方法 | |
| JP2007500478A (ja) | 積層共振器及び前記共振器を内蔵するタイムベース | |
| JPS6281807A (ja) | 圧電薄膜共振子 | |
| CN114866059A (zh) | 一种具有耦合结构的微机械谐振器及其制备方法 | |
| Deng et al. | MEMS piezoelectric vibration energy harvesters | |
| JP2005072757A (ja) | マイクロ電気機械システムの共振器およびその駆動方法 | |
| CN117220633A (zh) | 一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法 | |
| WO2022206497A1 (zh) | Mems谐振器及其加工方法，时钟器件 | |
| JP2010145122A (ja) | 圧電振動子および振動ジャイロ装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |