一种抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器制造技术

本发明专利技术属于射频通信及微机电系统中的元器件技术领域，涉及一种抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，包括差分输入结构、差分输出结构和偶数阶侧向伸缩振动模态MEMS压电谐振器，所述偶数阶侧向伸缩振动模态MEMS压电谐振器包括基底、支撑台、支撑梁、振动块，振动块的振动模态阶数为2N，压电薄膜上设置2N个电极，均分为两组，每组电极中将同相电极互连、形成一对驱动电极及感应电极，两对驱动电极及感应电极对应连接外部互连金属区，形成谐振器两个输入端及输出端，将输入信号经过差分输入结构产生两路差分信号，分别输入谐振器上两个输入端，两个输出端产生两路输出信号，经差分输出结构进行差分处理后输出，能够有效抑制杂散模态及馈通，提升谐振器性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于射频通信及微机电系统(MEMS)中的元器件
，特别涉及一种抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器。
技术介绍
随着电子设备对高性能、微小型化的进一步要求，电子元器件都在向高性能、低成本、低功耗的方向发展。高Q值，小型化的谐振器成为未来电子通信系统片上化和小型化的瓶颈。MEMS压电谐振器是一种使用MEMS技术制作的基于机械振动的高性能RF压电谐振器器件，输入的电信号通过机电耦合转化为机械振动，滤波功能在机械域完成，之后再将机械信号转化为电信号输出，因而具有非常好的频率选择特性。这种MEMS谐振器的振动块大多采用半导体材料制造，谐振器的输入能量转换结构、输出能量转换结构都与振动块直接相连，在谐振器的输入与输出之间存在着一个可传输信号的寄生馈通电容，它的存在使部分输入的电能信号，未经过谐振器转换为机械能而后再转化为电能信号输出，而是直接从输入端经过馈通电容被传递到输出端，降低了谐振器工作的能量转换效率；同时由于该寄生电容的存在，谐振器几乎允许输入信号的各频率分量大部分通过，这样的结果使谐振器的选频特性变差，导致输出的杂散模态增多。当这种谐振器作为振荡器的一部分来工作时，一旦该馈通电容大到一定程度，未经选频的信号会淹没系统所需要的选频信号，导致振荡器无法工作；若采用上述的谐振器来构造通信系统或者雷达系统中常用的振荡器和滤波器等器件，势必会对系统工作性能造极其不利的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对
技术介绍
存在的不足提供一种抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，采用差分输入结构产生两路等功率差分信号输入偶数阶振动模态的MEMS压电谐振器，经过谐振器输出两路信号通过差分输出结构进行差分处理得到最终输出信号，用以实现抑制杂散模态及馈通的目的。本专利技术采用的技术方案为：一种抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，包括差分输入结构、差分输出结构和偶数阶振动模态MEMS压电谐振器，其中，所述偶数阶振动模态MEMS压电谐振器包括基底、设置在基底上的支撑台、与支撑台连接的支撑梁以及通过支撑梁与支撑台连接为一体的振动块、所述振动块上设置压电薄膜；其特征在于，所述振动块工作于偶数阶侧向伸缩振动模态，振动模态阶数为2N、N≥2，相邻振动区域之间反相；所述压电薄膜上设置有依次分布于振动块各振动区域的2N个电极，将2N个电极均分为两组，每组电极中将同相电极互连、形成一对驱动电极及感应电极，并保证两个驱动电极之间以及两个感应电极之间均反相；所述支撑台上对应于两对驱动电极及感应电极设置四个外部互连金属区，分别通过位于支撑梁上的金属走线与驱动电极及感应电极对应相连，形成两个输入端及两个输出端；输入信号通过差分输入结构产生两路差分信号分别输入两个输入端，两个输出端输出两路信号经差分输出结构差分处理后输出。进一步的，所述基底与支撑台之间、支撑梁与金属走线之间、外部互连金属区与支撑台之间均设置有二氧化硅绝缘层。从原理上说明：上述抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，采用单晶硅层制作振动块、支撑梁以及各个电极结构层，谐振频率f由单晶硅振动块的长度L和谐振模态阶数n决定，因为需要振动块工作于偶数阶振动模态，所以n为大于2的偶数，因此谐振频率f与长度L和谐振模态阶数n的关系式为：f=n2LEρ]]>其中，ρ为材料密度、E为材料的杨氏模量；根据设计的中心频率不同，谐振块的设计长度可以在数微米至数百微米内自由选择。谐振器的能量转换将主要通过金属电极与其下方的压电层及单晶硅振动块共同构成的输入与输出换能器进行转换。金属电极按照振动块的工作模态，依次铺设在振动块不同的振动区域上。从而抑制了谐振器杂散模态的能量传递。本专利技术提供抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，其振动块工作于偶数阶侧向伸缩振动模态；工作状态下，将输入信号经过差分输入电路产生两路等功率的差分信号，分别输入到谐振器上反相振动的两个输入端，产生两路输出信号，其中，输出信号Im与Im'的相位互为反相，而通过输入电极到达输出电极的馈通量If与If'由于不为机械振动产生而是通过介电耦合到达输出端因此为同相信号，因此处于反相振动区域的两个输出电极上产生的输出信号通过差分输出电路完成相减之后，输出信号得到放大，馈通信号通过相减后相互抵消。此外，对于被视为无用杂散的其他振动模态(多为沿中轴线左右对称)产生的输出信号同样是同相的，经差分放大后被抑制，机理与耦合的馈通量类似。因此，本专利技术MEMS压电谐振器能够实现抑制杂散模态及馈通的目的，提升谐振器性能。附图说明图1为实施例1中4阶振动模态的MEMS压电谐振器结构示意图；图2为图1的A-A剖视图；图3为实施例2中6阶振动模态的MEMS压电谐振器结构示意图；图4为实施例1中谐振器的4阶振动模态图；图5为实施例2中谐振器的6阶振动模态图；图6为实施例1中抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器的电路原理图。图7为实施例1中抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器的等效电路图。图中：1为振动方块，2为压电薄膜，3-1、3-4、3-5、3-6为输出端压电换能器上电极，3-2、3-3为输入端压电换能器上电极，4-1、4-2、4-3、4-4为金属连接走线，5-1、5-2、5-3、5-4为外部互连金属区，6-1、6-2、6-3、6-4为支撑梁，7-1、7-2、7-3、7-4为二氧化硅绝缘层，8-1、8-2为支撑台，9-1、9-2、9-3、9-4为体硅层刻蚀区域，10-1、10-2为基底二氧化硅绝缘层，11-1、11-2为(绝缘)基底，12为二氧化硅层内腔，13为基底内腔。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例1本实施例中提供抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，包括差分电路和4阶振动模态MEMS压电谐振器，其中4阶振动模态MEMS压电谐振器的结构俯视如图1所示、剖视如图2所示：所述4阶振动模态MEMS压电谐振器包括基底11，设置在基底上的支撑台8-1、8-2，基底与支撑台之间设置基底二氧化硅绝缘层10-1、10-2，支撑台8-1上设置外部互连金属区5-2及外部互连金属区5-3、作为输入端，支撑台8-2上设置外部互连金属区5-1及外部互连金属区5-4、作为输出端，振动方块1通过支撑梁6-1、6-2、6-3、6-4与支撑台连接为一体的振动块，振动方块1上覆盖压电薄膜2，振动方块1工作于4阶振动模态、相邻振动模态之间反相，压电薄膜2上设置依次分布于振动块各振动模态区域的4个电极3-1、3-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，包括差分输入结构、差分输出结构和偶数阶振动模态MEMS压电谐振器，其中，所述偶数阶振动模态MEMS压电谐振器包括基底、设置在基底上的支撑台、与支撑台连接的支撑梁以及通过支撑梁与支撑台连接为一体的振动块、所述振动块上设置压电薄膜；其特征在于，所述振动块工作于偶数阶侧向伸缩振动模态，振动模态阶数为2N、N≥2，相邻振动区域之间反相；所述压电薄膜上设置有依次分布于振动块各振动区域的2N个电极，将2N个电极均分为两组，每组电极中将同相电极互连、形成一对驱动电极及感应电极，并保证两个驱动电极之间以及两个感应电极之间均反相；所述支撑台上对应于两对驱动电极及感应电极设置四个外部互连金属区，分别通过位于支撑梁上的金属走线与驱动电极及感应电极对应相连，形成两个输入端及两个输出端；输入信号通过差分输入结构产生两路差分信号分别输入两个输入端，两个输出端输出两路信号经差分输出结构差分处理后输出。

【技术特征摘要】
1.一种抑制杂散模态及馈通的MEMS压电谐振器，包括差分输入结构、差分输出结构
和偶数阶振动模态MEMS压电谐振器，其中，所述偶数阶振动模态MEMS压电谐振器包括
基底、设置在基底上的支撑台、与支撑台连接的支撑梁以及通过支撑梁与支撑台连接为一体
的振动块、所述振动块上设置压电薄膜；其特征在于，所述振动块工作于偶数阶侧向伸缩振
动模态，振动模态阶数为2N、N≥2，相邻振动区域之间反相；所述压电薄膜上设置有依次分
布于振动块各振动区域的2N个电极，将2N个电极均分为两组，每组电极中将同相电极互连、
形成一对驱动电极及...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍景富，李昕熠，张超，陈兆隽，黄裕霖，张翼，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51