一种MEMS谐振器及其制备方法技术

本发明专利技术申请公开了一种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。可广泛应用于微电子技术领域。可广泛应用于微电子技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS谐振器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及微电子
，尤其是一种MEMS谐振器及其制备方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]微机电系统(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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术实施例的目的在于：提供一种MEMS谐振器及其制备方法。
[0006]本专利技术实施例一方面所采取的技术方案是：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]可选地，本专利技术一种MEMS谐振器，还包括激励电容换能器。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本专利技术实施例另一方面所采取的技术方案是：
[0017]一种MEMS谐振器的制备方法，包括：
[0018]对SOI进行离子注入，所述SOI包括底层硅、埋氧层和顶层硅；
[0019]在所述SOI上制备金属电极；
[0020]对所述顶层硅进行刻蚀；
[0021]对所述底层硅进行刻蚀；
[0022]释放所述埋氧层。
[0023]相较于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0024]本专利技术实施例的一种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。
[0025]本专利技术实施例的一种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
[0026]图1为本专利技术实施例MEMS谐振器截面的一种结构示意图；
[0027]图2为本专利技术实施例MEMS谐振器的压阻换能器结构示意图；
[0028]图3为本专利技术实施例MEMS谐振器的方形伸缩模态下的结构与激励方式示意图；
[0029]图4为本专利技术实施例MEMS谐振器的方形伸缩模态下的传感方式与模态示意图；
[0030]图5为本专利技术实施例MEMS谐振器的方形拉梅模态下的结构与激励方式示意图；
[0031]图6为本专利技术实施例MEMS谐振器的方形拉梅模态下的传感方式与模态示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。5.根据权利要求4所述的一种MEMS谐振器，其特征在于，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。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱浩慎，田钰鹏，薛泉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：