一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器制造技术

本发明专利技术属于电子科学技术领域，具体提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，用以克服现有电容式谐振器输出电流小、带负载能力差的问题；本发明专利技术MEMS谐振器，包括1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点，通过对振动块进行分区掺杂、及输入输出电极掺杂的方法，构造四对驱动感应电极，使谐振器工作时的静电力大幅增加，从而使谐振器的输出电流和最大振动幅度也大幅增加，提高了谐振器的驱动能力。

【技术实现步骤摘要】
一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器
本专利技术属于电子科学
，涉及射频微机电系统(RFMEMS器件，尤其是电容式MEMS谐振器，具体提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器。
技术介绍
谐振器是电子设备中的关键器件之一，目前电子设备中使用的主要是石英晶体谐振器，但随着对电子设备高性能、小型化的进一步要求，石英晶体谐振器的大体积、高功耗和无法与IC工艺兼容等缺点变得非常凸显。静电驱动电容式MEMS谐振器是一种基于微机械工艺和微机械振动的高性能谐振器器件，它具有体积小、低功耗、与IC工艺兼容的优点，使得其在系统小型化发展过程中具有良好的前景。目前研究较多的MEMS谐振器主要是静电驱动电容式MEMS谐振器，这一类谐振器的工作过程是一个机械能和电能反复交换的过程，根据其工作过程，可以将其结构分为三部分：即输入变换器、机械振子及输出变换器组成；输入变换器将输入的电信号转换成机械信号，机械振子通过其机械振动频率滤出工作信号，输出变换器将机械信号再转换成电信号通过输出电极输出；输入换能和输出换能都是通过机械振子和电极之间的电容进行。上述结构的电容式谐振器的典型问题是振动块与电极间隙小，谐振器的动态阻抗大，导致谐振器的输出电流小，带负载能力差。若利用这种MEMS谐振器来构造振荡器与滤波器势必要采用多级放大电路，才能够构成具有振荡或者选频功能的电路网络，而多级放大电路的使用必然使整个系统的相位噪声和线性度恶化，这些都对MEMS谐振器的实用化形成了一定阻碍，限制了MEMS谐振器在通信和雷达系统中的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对背景技术中电容式谐振器输出电流小，带负载能力差的不足，提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，通过对振动块和电极掺杂的方法，构造四对驱动感应电极，在相同小信号激励下，提高了谐振器的输出电流，从而提高了谐振器的驱动能力。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块分割为1个正方形半导体区与4个梯形半导体区，所述正方形半导体区位于中心、且采用任意掺杂类型，所述4个梯形半导体区围绕正方形半导体区，相邻梯形半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个梯形半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块锚点与电极锚点上均设置外接金属电极、用于连接外部电路。进一步的，所述4个梯形半导体区为围绕正方形半导体区的环状区域沿振动块的对角线方向分割形成。一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块沿对角线方向分割为4个半导体区、且相邻半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块锚点与电极锚点上均设置外接金属电极、用于连接外部电路。需要说明的是，本专利技术中所述半导体区包括P型掺杂和N型掺杂两种掺杂类型，所述P型半导体区由多晶硅重掺杂三价元素形成、N型半导体区由多晶硅重掺杂五价元素形成。另外，由于谐振器的主要换能区域在振动块外围四个方向的区域，因此振动块中心区域的掺杂类型，即上述两个技术方案具备单一性。从工作原理上讲，本专利技术提供的具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器工作时，中心振动块的侧边分别与其对应的输入输出电极形成输入输出换能电容；如图5所示，直流驱动电压VDC分别加载于四个输入输出电极锚点的金属电极(6-1、6-2、6-3、6-4)上，中心振动块的四个锚点的金属电极(5-1、5-2、5-3、5-4)接地；交流信号通路上，四个N型掺杂区域(1-1、1-3、2-2、2-4)作为输入端，四个P型掺杂区域(1-2、1-4、2-1、2-3)作为输出端；电容式MEMS谐振器工作时，输入输出换能电容上，会产生一个交变的静电力Fe：其中，ε0为真空中介电常数，A为输入输出电极和中心振动块侧面重叠的面积，V为谐振器施加的外部电压，g为输入输出电极和中心振动块之间的间距。本专利技术提供的电容式谐振器构造了四个输入端四个输出端，因此，器件在工作时，产生的静电力Fe'为传统电容式谐振器的4倍：Fe'＝4Fe由于中心振动块的侧面分别与它们对应的输入输出电极形成输入输出换能电容，通过静电场对电容极板产生的静电力分析：由谐振器的工作状态可知，当Fe'变为Fe的4倍时，在每一个周期的单位时间Δt内，给谐振器施加的外部电压V和输入输出电极和中心振动块之间间距g的比值不变，因此在静电力增大为原来的4倍的情况下，产生的感应电荷量也增大为原来的4倍：根据电流的定义，通过导体横截面的电荷量ΔQ跟通过这些电荷量所用的时间Δt的比值称为电流；当Δt时间内的电荷量ΔQ变为原来的4倍时，通过导体横截面的电流也会变为原来的4倍：因此，由于四对输入输出电极使谐振器工作时的静电力变为原来的4倍，从而使输出电流也增大为原来的4倍，振动产生的信号幅值增加了6db，使得谐振器的驱动性能得到显著提高。综上所述，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，通过对多晶硅进行掺杂方式，使谐振器中心振动块和输入输出电极的相应位置形成相应类型掺杂的半导体区域；该结构为谐振器构造了四对输入输出电极，使谐振器工作时的静电力大幅增加，从而使谐振器的输出电流和最大振动幅度也大幅增加，提高了谐振器的驱动能力。附图说明图1为实施例1提供一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器的结构示意图(俯视图)；图2为实施例2提供的一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器的结构示意图(俯视图)；图3为图1中A-A’连线界面示意图；图4为图1中B-B’连线界面示意图；图5为实施例1具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器的驱动电路示意图；其中：1-1、1-3表示振动块N型掺杂区，1-2、1-4表示振动块P型掺杂区域，1-5表示振动块中心任意类型掺杂区域，2-1、2-3表示N型掺杂的输入/输出电极，2-2、2-4表示P型掺杂的输出/输入电极，3-1、3-3表示N型掺杂的振动块支撑梁，3-2、3-4表示P型掺杂的振动块支撑梁，4-1、4-3表示N型掺杂的输入/输出电极支撑梁，4-2、4-4表示P型掺杂的输出/输入电极支撑梁，5-1、5-2、5-3、5-4表示振动块锚点上的外接金属电极，6-1、6-2、6-3、6-4表示输入输出电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块分割为1个正方形半导体区与4个梯形半导体区，所述正方形半导体区位于中心、且采用任意掺杂类型，所述4个梯形半导体区围绕正方形半导体区，相邻梯形半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个梯形半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块锚点与电极锚点上均设置外接金属电极、用于连接外部电路。

【技术特征摘要】
1.一种具有多对驱动感应电极的电容式MEMS谐振器，包括：1个振动块、4个振动块支撑梁、4个振动块锚点、4个输入输出电极、4个电极支撑梁及4个电极锚点；其特征在于，所述振动块呈正方形、且通过分别设置于振动块四角的振动块支撑梁与振动块锚点相连，所述输入输出电极设置于振动块的外侧、分别对应振动块的四边、且通过电极支撑梁与电极锚点相连；所述振动块、振动块支撑梁、输入输出电极及电极支撑梁均由多晶硅重掺杂形成，所述振动块分割为1个正方形半导体区与4个梯形半导体区，所述正方形半导体区位于中心、且采用任意掺杂类型，所述4个梯形半导体区围绕正方形半导体区，相邻梯形半导体区采用相反类型掺杂，同时，每个梯形半导体区与相连的振动块支撑梁采用相同类型掺杂、且与对应的输入输出电极采用相反类型掺杂；所述振动块...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍景富，秦风，李昕熠，鲍飞鸿，张翼，张亭，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51