一种基于类蜂窝声子晶体结构的压电薄膜微机电谐振器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于类蜂窝声子晶体结构的压电薄膜微机电谐振器，属于MEMS压电式传感器技术领域。该器件包括支撑台、外接电极、声子晶体矩阵、支撑梁、谐振体；其中声子晶体阵列由若干类蜂窝状晶胞周期排布组成；类蜂窝状晶胞通过在正八面体内刻蚀一个大圆柱孔和四个小圆柱孔得到。本发明专利技术通过在传统压电薄膜微机电支撑梁两侧锚点处放置类蜂窝状的二维声子晶体阵列，形成声学反射区域；该类蜂窝状的二维声子晶体阵列具有从183MHz到264MHz的完全带隙，能够将谐振器振动时传播到基底的能量反射回收，最大效率激发主模能量从而减小锚点损耗提升Q值；对于机电耦合系数影响极小，并且减小了谐振器的插入损耗和动态电阻，提升了谐振器的性能。器的性能。器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于类蜂窝声子晶体结构的压电薄膜微机电谐振器


[0001]本专利技术属于MEMS压电式传感器
，具体涉及一种基于类蜂窝声子晶体结构的压电薄膜微机电谐振器。

技术介绍

[0002]无线通信领域的最新发展方向决定了对能够在同一硅片上进行多频率低损耗滤波和频率合成的新型微机械射频组件的需求。对新的功能和应用的日益增长的需求已经使频谱拥挤到几个射频频带现在紧密间隔在几MHz内的程度。这些需求转化为插入损耗、抑制、集成和质量因数方面的性能要求，而SAW和FBAR等最先进的谐振器技术很难完全满足这些要求。一种新型振动RF MEMS谐振器已成为下一代无线通信的潜在解决方案。这些装置，无论是静电或压电转换的，都是体声波谐振器，其基本频率由其平面内尺寸设定，因此被称为轮廓模式谐振器。他们已经证明了高质量因数(在GHz时高达10000)、小尺寸、良好的线性度，特别是在同一硅片上跨越从几MHz到GHz的频率的能力。
[0003]AlN是一种具有良好声学特性和压电特性的
Ⅲ‑
V族宽禁带化合物半导体，其c轴方向声速为10400m/s，面内声速为6000m/s；c轴方向压电系数d33约为5.5pm/V，面内压电系数d31约为－2.6pm/V；因而从其物理特性上看，压电式MEMS AlN谐振器具有广阔的应用前景。目前已经被广泛研究的是压电式AlN薄膜体声波谐振器(FBAR)，与硅基电容式谐振器相比，其在动态阻抗和机电耦合系数等方面具有更加优异的性能。但由于其谐振方向为c轴方向，因而谐振频率受薄膜厚度影响，从半导体工艺角度讲在一定程度上会限制其进一步发展。相比于纵向谐振的FBAR，轮廓式的面内伸缩模态谐振器(CMR)谐振频率仅由面内尺寸决定，与厚度无关，在高频和集成化方面具有更广阔的研究空间，因此成为近些年新的研究热点。
[0004]硅上压电薄膜谐振器在应用中存在的主要问题是品质因数较低，而谐振器品质因数的基本定义为：每个机电转换周期中，存储在谐振体中的能量与耗散掉的能量的比值。因此，可以通过减小谐振器的能量损耗来提升其品质因数。目前，国内外学者通过对硅上压电薄膜谐振器的能量损耗机理进行研究，认为锚点损耗是谐振器各种能量损耗中所占比重较大的，通过抑制锚点损耗，可以有效的提升谐振器的品质因数。锚点损耗的产生是由于谐振器在工作时会发生机械形变，从而产生向外传播的声波，如果声波通过支撑梁传播到基底，则这部分声波所携带的能量无法通过机电转换被利用，从而形成能量损耗。针对锚点损耗的抑制，国内外学者提出了大量的方法，其可以被归纳为两类：一类是优化谐振器本身的结构，另一类是在谐振器外围引入附加结构。
[0005]申请号为CN201710725973.5的专利技术公开了一种基于X型声子晶体的无线无源MEMS传感器，包括：谐振器体、链以及锚；锚上刻蚀有X型声子晶体阵列，用于反射顺着链传播来的声波信号，以使声波信号在谐振器体中产生谐振；解决现有MEMS传感器一方面难以减小其传播损耗，难以提高Q值，另一方面其工作频段仅可在低频段工作，难以根据用户所需频段进行调节，无法应用到无线无源
的技术问题；但是由于现实工艺因素的影响，X型声子晶体微观细节复杂导致并不易制造。
[0006]申请号为CN201910618049.6的专利技术公开了一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器，所述微机电谐振器包括支撑台、位于支撑台上面的外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、支撑梁、谐振体以及声子晶体矩阵；外接输入电极和外接输出电极对称放置在支撑台顶端的两侧，且其两侧均对称设置有外接地电极；谐振体通过两根支撑梁的固定悬浮在支撑台顶端的中心处，其两侧对称的放置有声子晶体矩阵，且其上面的叉指电极通过对应的金属导线与外接输入电极和外接输出电极电性连接；声子晶体矩阵具有3
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12个晶胞和频率范围从127MHz到216MHz的完全带隙。该申请解决了现有微机电谐振器在实际应用中存在的锚点损耗较大、品质因数较低以及稳定性低的问题；但是由于谐振体上集成二维声子晶体阵列后，由于改变了谐振体的等效密度，会导致其谐振频率发生偏移。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术中，压电薄膜微机电谐振器品质因数较低的问题，提出一种基于类蜂窝状声子晶体的压电薄膜微机电谐振器。本专利技术通过在传统压电薄膜微机电谐振器支撑梁两侧锚点处放置类蜂窝状的二维声子晶体阵列，形成声学反射区域；该类蜂窝状的二维声子晶体阵列具有从183MHz到264MHz的完全带隙，其带隙宽度较大，能够将谐振器振动时传播到基底的能量反射回收，最大效率激发主模能量从而减小锚点损耗提升Q值。对于机电耦合系数影响极小，并且减小谐振器的插入损耗和动态电阻，提升了谐振器的性能。
[0008]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种基于类蜂窝状声子晶体的压电薄膜微机电谐振器，包括：支撑台，位于支撑台上的外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、声子晶体矩阵，支撑梁，谐振体；其特征在于，所述谐振体位于支撑台顶部中部区域；所述支撑梁对称设置于谐振体两侧；所述声子晶体阵列对称设置于支撑梁的外侧，用于反射泄露出来的声波；所述声子晶体阵列与支撑梁之间存在间距，该间距用于布置谐振体与外接输入电极/外接输出电极的金属导线。
[0010]所述声子晶体阵列由若干类蜂窝状晶胞周期排布组成；所述类蜂窝状晶胞通过在正八面体内刻蚀一个大圆柱孔和四个小圆柱孔得到，其中所述大圆柱孔位于正八面体的中心位置，四个小圆柱孔的中心连线为正方形且正方形的边平行于正八面体的边。
[0011]进一步地，所述正八面体的边长取值范围为6.6
‑
7um。
[0012]进一步地，所述大圆柱孔的半径取值范围为3.2
‑
3.5um；所述小圆柱孔的半径小于大圆柱孔的半径1
‑
1.4um。
[0013]进一步地，所述声子晶体阵列N*M，N的取值范围为1
‑
3，M的取值范围为5
‑
8。
[0014]进一步地，所述支撑台包括从上至下依次设置的硅基底、第一埋氧化层以及背衬底硅。
[0015]进一步地，所述外接输入电极和外接输出电极与硅基底的接触部分均设置有第二埋氧化层。
[0016]进一步地，所述谐振体包括谐振体基底、位于谐振体基底上表面的压电薄膜、位于压电薄膜上表面的输入金属电极和输出金属电极；所述输入金属电极通过金属导线与外接输入电极电性连接，输出金属电极通过金属导线与外接输出电极电性连接。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0018]本专利技术提供一种基于类蜂窝状声子晶体的压电薄膜微机电谐振器，通过在传统压
电薄膜微机电谐振器的锚点处增加类蜂窝状的二维声子晶体阵列，使得该区域形成声学反射区域，将通过支撑梁泄露出来的声波反射回去；最大效率地激发主模能量，并减小锚点损耗提升Q值；可以在不影响谐振器机电耦合系数的前提下减小谐振器的插入损耗和动态电阻，提升谐振器的性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于类蜂窝状声子晶体的压电薄膜微机电谐振器，包括：支撑台，位于支撑台上的外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、声子晶体矩阵，支撑梁，谐振体；其特征在于，所述谐振体位于支撑台顶部中部区域；所述支撑梁对称设置于谐振体两侧；所述声子晶体阵列对称设置于支撑梁的外侧，用于反射泄露出来的声波；所述声子晶体阵列与支撑梁之间存在间距，该间距用于布置谐振体与外接输入电极/外接输出电极的金属导线；所述声子晶体阵列由若干类蜂窝状晶胞周期排布组成；所述类蜂窝状晶胞通过在正八面体内刻蚀一个大圆柱孔和四个小圆柱孔得到，其中所述大圆柱孔位于正八面体的中心位置，四个小圆柱孔的中心连线为正方形且正方形的边平行于正八面体的边。2.如权利要求1所述的一种基于类蜂窝状声子晶体的压电薄膜微机电谐振器，其特征在于，所述正八面体的边长取值范围为6.6
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7um。3.如权利要求2所述的一种基于类蜂窝状声子晶体的压电薄膜微机电谐振器，其特征在于，所述大圆柱孔的半径取值范围为3.2
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【专利技术属性】
技术研发人员：鲍景富，冯俊瑾，石斌，陈平静，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：