一种基于SOI-MEMS的温控隔振平台及系统技术方案

本发明专利技术属于MEMS器件核心结构设计领域，并具体公开了一种基于SOI‑MEMS的温控隔振平台，其从下至上依次设置有锚定结构层、隔振悬臂结构层、温控平台层和MEMS振荡器连接层，隔振悬臂结构层与温控平台层之间、温控平台层和MEMS振荡器连接层之间设置有绝缘层；温控平台层包括加热单元、温度传感单元、焊盘及互连导线，MEMS振荡器连接层包括MEMS振荡器结合焊盘、焊盘以及两者之间的输出互连导线。本发明专利技术适用于MEMS振荡器等器件的温度控制与隔振，具有整体体积小、频率输出稳定、功耗低、结构简单、适用性强等优点，特别适合小型化、高稳定频率基准的应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SOI-MEMS的温控隔振平台及系统
本专利技术属于MEMS器件核心结构设计领域，更具体地，涉及一种基于SOI-MEMS的温控隔振平台及系统。
技术介绍
基准频率是所有现代电子设备的核心，并为数字设备提供脉冲。目前，石英晶体用于大多数定时源，以提供稳定的信号，确保高性能和可靠性。由于石英晶体加工与半导体加工工艺的不兼容，振荡器行业一直无法受益于硅基电子技术的指数发展。由于MEMS谐振器/振荡器只有约几百微米，可以以兆赫兹频率振动，其制造可与半导体器件制造兼容，从而便于实现振荡器的小型化和与集成电路一体化。因此，基于微机电系统(MEMS)技术的振荡器正在定时应用中逐步替代石英振荡器。石英晶体的性能易受温度变化和外界振动的影响。为了在高精度基准频率应用中使用石英振荡器，需要某种形式的温度补偿和隔振处理。美国专利US5530408A公布了一种恒温槽控制晶体振荡器(OCXO,ovencontrolledcrystaloscillator)技术，通过控制振荡器环境温度而极大地提高输出频稳定性的方法。该方法将谐振器置于高稳定性，高热增益恒温箱中，恒温箱的温度上限与下限设置在石英晶体谐振器的拐点温度或接近谐振器的拐点温度，保持恒温槽内温度，防止由于环境变化引起的谐振频率的变化。和石英晶体一样，MEMS谐振子结构也亦受环境温度变化和外界振动冲击的影响而导致MEMS振荡器的输出频率上下漂移。振荡器是高空和空间高速飞行器中不可缺少的高稳定频率基准，无论是石英晶体振荡器还是MEMS振荡器，由于其机械结构的本质，都不可避免外界振动和冲击对其的影响。外界振动和冲击导致的频率漂移和相位噪声将可能严重影响其精度和可靠性，进而导致整个系统的失效，甚至产生灾难性的后果。例如，使用低噪声晶振的雷达处于飞机或导弹上时，受随机振动的影响其相位噪声变差。因此，为了提高系统精度和可靠性，必须对振荡器采取隔振措施，以提高其适应各种恶劣环境条件下工作的能力。传统的振荡器隔振是通过特殊设计的PCB结构或外置的机械结构，存在尺寸较大、能耗高的缺陷。
技术实现思路
针对现有的温控晶体振荡器体积大、耗能多、无法与现代微电子加工工艺兼容的缺点，本专利技术提供了一种适用于MEMS振荡器的基于SOI-MEMS的温控隔振平台及系统，其中结合MEMS振荡器的小型化趋势和应用特点，采用MEMS加工工艺制造小型化的隔振平台和恒温温控平台，利用MEMS封装工艺实现频率基准器件的小型化，系统可以在不降低频率输出性能的条件下，极大程度地缩小传统温控振荡器体积和重量，降低器件功耗，为高性能装备，特别是高性能移动装备，提供小型、低功耗高稳定频率基准。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种基于SOI-MEMS的温控隔振平台，其包括从下至上依次设置的锚定结构层、隔振悬臂结构层、温控平台层和MEMS振荡器连接层，其中：所述锚定结构层和隔振悬臂结构层之间设置有二氧化硅埋氧层，所述隔振悬臂结构层与温控平台层之间设置有第一绝缘层，所述温控平台层和MEMS振荡器连接层之间设置有第二绝缘层；所述温控平台层包括加热单元、第一焊盘、加热单元与第一焊盘之间的互连导线、温度传感单元、第二焊盘以及温度传感单元与第二焊盘之间的互连导线，所述MEMS振荡器连接层包括MEMS振荡器结合焊盘、第三焊盘以及MEMS振荡器结合焊盘与第三焊盘之间的输出互连导线。作为进一步优选的，所述锚定结构层和隔振悬臂结构层由硅材料制成。作为进一步优选的，所述加热单元与温度传感单元优选由铂金制成，所述加热单元与温度传感单元整体呈蛇形结构，所述加热单元的电阻优选0℃时为100欧姆，温度传感单元的电阻优选0℃时为100欧姆。作为进一步优选的，所述第一焊盘、加热单元与第一焊盘之间的互连导线、第二焊盘、温度传感单元与第二焊盘之间的互连导线、MEMS振荡器结合焊盘、第三焊盘以及输出互连导线优选由黄金制成。作为进一步优选的，所述光刻胶沟槽优选为顶部开口尺寸小于底部尺寸的凹槽。作为进一步优选的，所述温控平台层采用如下方式制备：(21)在所述第一绝缘层的上表面制备第一光刻胶层，根据所述加热单元和温度传感单元的图案刻蚀所述第一光刻胶层形成光刻胶沟槽，在所述第一光刻胶层上制备第一金属薄膜层，然后剥离所述第一光刻胶层及其上的第一金属薄膜层，保留填充在所述光刻胶沟槽中的第一金属薄膜层，以制备获得加热单元和温度传感单元；(22)在所述第一绝缘层的上表面制备第二光刻胶层，根据所述第一焊盘、第二焊盘、加热单元与第一焊盘之间的互连导线以及温度传感单元与第二焊盘之间的互连导线的图案刻蚀所述第二光刻胶层形成光刻胶沟槽，在所述第二光刻胶层上制备第二金属薄膜层，然后剥离所述第二光刻胶层及其上的第二金属薄膜层，保留填充在光刻胶沟槽中的第二金属薄膜层，以制备获得第一焊盘、第二焊盘、互连导线和互连导线。作为进一步优选的，所述MEMS振荡器连接层采用如下方式制备：(31)在已制备加热单元、第一焊盘、温度传感单元、第二焊盘、互连导线和互连导线的所述第一绝缘层上制备第二绝缘层；(32)在所述第二绝缘层的上表面制备第三光刻胶层，根据所述MEMS振荡器结合焊盘、第三焊盘以及两者之间的输出互连导线的图案刻蚀所述第三光刻胶层以形成光刻胶沟槽，在所述第三光刻胶层上制备第三金属薄膜层，然后剥离所述第三光刻胶层及其上的第三金属薄膜层，保留填充在光刻胶沟槽中的第三金属薄膜层，以制备获得MEMS振荡器结合焊盘、第三焊盘以及两者之间的输出互连导线。按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于SOI-MEMS的温控隔振系统，其包括封装壳体以及封装在该封装壳体内的所述温控隔振平台。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术研究设计的温控隔振平台从下至上依次设置有锚定结构层、隔振悬臂结构层、温控平台层和MEMS振荡器连接层，通过锚定结构层提供对隔振悬臂的支撑，通过隔振悬臂结构层实现MEMS振荡器的隔振，通过位于温控平台层的温控单元实现平台的温度测量与控制，通过MEMS振荡器连接层用于安置MEMS振荡器/谐振子晶粒，并为之提供电源与频率输出通路，本专利技术具有结构简单、适用性强等优点。2.本专利技术研究设计的温控隔振平台为小型化振荡器隔振结构，确切的说直接制备了基于SOI的温控隔振MEMS振动器结构，而现有的产品只有MEMS振荡器和温控晶体振荡器，并没有温控隔振MEMS振动器，且传统的温控振荡器隔振结构是在其外部附加机械隔振结构或在PCB板电路设计时保留部分空隙，通过切除电路空隙材料实现隔振结构，这些设计均是基于传统的材料去除方法，无法实现隔振结构的小型化。本专利技术则结合小型化的MEMS振荡器或直接利用谐振子晶粒，利用MEMS加工工艺，加工小型化的隔振平台，实现隔振结构的小型化，减少外界振动引起的相位噪声。3.本专利技术通过将MEMS振荡器置于小型化的温控传感和加热单元中，可使MEMS振荡器保持温度恒定，可将由周围温度变化引起的输出频率漂移量削减到最小，平台及器件的小型化有助于降低整个温控振荡器能耗，通过悬臂结构的隔离作用，进一步降低器件平台与锚定结构间的热传导，减少器件使用过程中的热损耗。4.本专利技术还对温控隔振平台的具体制备工艺进行了研究与设计，利用MEMS加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SOI‑MEMS的温控隔振平台，其特征在于，该温控隔振平台包括从下至上依次设置的锚定结构层(11)、隔振悬臂结构层(12)、温控平台层和MEMS振荡器连接层，其中：所述锚定结构层(11)和隔振悬臂结构层(12)之间设置有二氧化硅埋氧层(102)，所述隔振悬臂结构层(12)与温控平台层之间设置有第一绝缘层(105)，所述温控平台层和MEMS振荡器连接层之间设置有第二绝缘层(115)；所述温控平台层包括加热单元(21)、第一焊盘(23)、加热单元(21)与第一焊盘(23)之间的互连导线(22)、温度传感单元(24)、第二焊盘(26)以及温度传感单元(24)与第二焊盘(26)之间的互连导线(25)，所述MEMS振荡器连接层包括MEMS振荡器结合焊盘(31)、第三焊盘(33)以及MEMS振荡器结合焊盘(31)与第三焊盘(33)之间的输出互连导线(32)。

【技术特征摘要】
1.一种基于SOI-MEMS的温控隔振平台，其特征在于，该温控隔振平台包括从下至上依次设置的锚定结构层(11)、隔振悬臂结构层(12)、温控平台层和MEMS振荡器连接层，其中：所述锚定结构层(11)和隔振悬臂结构层(12)之间设置有二氧化硅埋氧层(102)，所述隔振悬臂结构层(12)与温控平台层之间设置有第一绝缘层(105)，所述温控平台层和MEMS振荡器连接层之间设置有第二绝缘层(115)；所述温控平台层包括加热单元(21)、第一焊盘(23)、加热单元(21)与第一焊盘(23)之间的互连导线(22)、温度传感单元(24)、第二焊盘(26)以及温度传感单元(24)与第二焊盘(26)之间的互连导线(25)，所述MEMS振荡器连接层包括MEMS振荡器结合焊盘(31)、第三焊盘(33)以及MEMS振荡器结合焊盘(31)与第三焊盘(33)之间的输出互连导线(32)。2.如权利要求1所述的基于SOI-MEMS的温控隔振平台，其特征在于，所述锚定结构层和隔振悬臂结构层由硅材料制成。3.如权利要求1或2所述的基于SOI-MEMS的温控隔振平台，其特征在于，所述加热单元(21)与温度传感单元(24)优选由铂金制成，所述加热单元(21)与温度传感单元(24)整体呈蛇形结构，所述加热单元(21)的电阻优选0℃时为100欧姆，温度传感单元的电阻优选0℃时为100欧姆。4.如权利要求3所述的基于SOI-MEMS的温控隔振平台，其特征在于，所述第一焊盘(23)、加热单元(21)与第一焊盘(23)之间的互连导线(22)、第二焊盘(26)、温度传感单元(24)与第二焊盘(26)之间的互连导线(25)、MEMS振荡器结合焊盘(31)、第三焊盘(33)以及输出互连导线(32)优选由黄金制成。5.如权利要求4所述的基于SOI-MEMS的温控隔振平台，其特征在于，加工制备过程中所述光刻胶沟槽(107)优选为顶部开口尺寸小于底部尺寸的凹槽。6.如权利要求5所述的基于SOI-MEMS的温控隔振平台，其特征在于，所述温控平台层采用如下方式制备：(21)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘炎，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42