一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法，包括衬底

【技术实现步骤摘要】
一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及谐振器
，特别涉及一种具有中心锚点结构的微机械谐振器
。

技术介绍

[0002]谐振器是用来产生谐振频率的器件
。
谐振器与外部振荡电路
、
放大电路以及滤波电路等可以构成振荡器
。
振荡器可以产生一个固定的频率信号
。
近年来，基于微电子机械系统技术
(Microelectromechanical systems
，
MEMS)
的微机械谐振器以其体积小
、
重量轻
、
与集成电路制造工艺兼容
、
可靠性稳定性好等优点，已成为取代传统石英晶体振荡器的最佳选择，并已经开始实现了商业化量产
。
随着各种电子设备和系统小型化的发展趋势，
MEMS
器件已经被广泛应用于诸如传感器
、
电子设备
、
无线通信系统和可穿戴电子产品等多个领域
。
[0003]MEMS
谐振器是一种基于谐振效应的部件，其是构成
MEMS
振荡器和时钟发生器的最基本部件，广泛的应用于各种涉及频率发射和接收的电子产品中
。MEMS
谐振器主要的性能参数包括谐振频率
、
品质因数
(Q)、
动态阻抗以及频率温度系数等
。
其中
Q
值是
>MEMS
谐振器最主要的性能参数
。
高的
Q
值可与降低谐振器的动态阻抗，减小系统的相位噪声以及提高振荡器的频率稳定性
。MEMS
谐振器
Q
值的能量损耗机制主要有五部分：空气阻尼损耗
(Q
air
)
，热弹性损耗
(Q
TED
)
，材料损耗
(Q
material
)
，锚点损耗
(Q
anchor
)
和电学负载损耗
(Q
load
)
，即：
[0004][0005]锚点损耗是指微机械谐振器的机械振动能量在谐振器边界处没有被完全反射回来，而是通过支撑锚点结构传输到了支撑衬底，从而引起能量的损耗
。
锚点损耗的基本物理机制是
:
当弹性体振动时，其固支端产生振动剪切力和弯矩，它们作为激励源在锚点上激发出弹性波，并通过衬底传播到无穷远处耗散掉
。
造成锚点损耗的关键是锚点的非固支性，理想的锚点模型是假定其位移为零，因此能量不会传导到基底上
。
而非理想的锚点模型，谐振器的能量可以通过锚点耦合到支撑结构和衬底，引起“软弹簧”振动，支撑结构吸收了谐振器的部分振动能量，造成了谐振器的能量损耗
。
一般来讲，通过优化设计将锚点位置恰好设计在微机械谐振器振动的节点处，就可以减小锚点损耗
。
当前降低锚点损耗的主要技术方案可通过四分之一波长尺寸设计
、
材料复合设计
、
声波反射器和声子晶体的设计等来实现
。
[0006]影响
MEMS
谐振器性能的另一个重要因素是寄生电容
。
寄生电容是指在谐振器结构中，由于电场的存在而形成的电容效应
。
这种电容是非本意产生的，通常是由于谐振器的不同部分之间的电介质分布引起的
。
具体来说，谐振器的机械结构和电极之间的物理隔离并不完全，导致机械运动产生电场变化，从而引发电容效应
。
这一现象可在谐振器的运行过程中，使得电荷在机械振动中积累和重新分布，进而引起电势变化，最终导致谐振器的振动能量逐渐耗散，影响其性能的稳定性和精确性
。
[0007]寄生电容可能导致频率的偏移
、
谐振幅度的减小以及相位噪声的增加，从而限制了谐振器在精密频率控制和信号处理等应用中的可靠性和准确性
。
因此，在设计
MEMS
谐振器时，需要充分考虑和抑制寄生电容效应，采取一系列手段来减少电场的影响，例如优化电
极结构屏蔽层
、
采用特定的材料和几何结构等
。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种具有中心锚点结构的微机械谐振器，包括衬底
、
谐振振子结构
、
真空封装结构
、
引出电极；所述衬底的顶部有凹槽，或所述衬底的顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起；
[0009]所述谐振振子结构包括内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述带有中心锚点的谐振振子是谐振振子的中心由所述凸起支撑或谐振振子的中心由引出电极支撑，所述谐振振子或所述支撑部上设置有接触电极；
[0010]所述引出电极设置于所述真空封装结构内部，所述引出电极与所述接触电极连接；所述凸点可以为圆柱体
、
立方体等结构，凸点的个数可以设置一个或多个
。
[0011]所述真空封装结构的顶部有凹槽，所述真空封装结构与所述衬底将所述谐振振子结构封装时形成真空腔室，所述谐振振子被封装在所述真空腔室中
。
[0012]进一步地，衬底顶部的凹槽可以为长方体
、
圆柱体
、
棱柱体，也可以是棱锥体等结构
。
[0013]进一步地，谐振振子可以为矩形板
、
圆形板
、
矩形与圆形耦合板，且不限于上述结构
。
[0014]进一步地，所述引出电极周围还设置有电学屏蔽结构
。
[0015]进一步地，所述衬底包括底层硅和顶层的氧化硅
。
[0016]进一步地，所述谐振振子为单层或多层结构，每层材料包括单晶硅
、
多晶硅
、
锗化硅
、
氧化硅
、
金属
、
压电材料中的一种
。
[0017]所述压电材料包括氮化铝
、
氧化锌和锆钛酸铅等
。
根据谐振振子的材料的不同，可以被构建为电容式谐振器
、
压阻式谐振器或者电容
‑
压电式谐振器
。
[0018]进一步地，引出电极的截面可以为同心圆柱体
、
也可以是方槽结构，还可以是其它可选结构，引出电极的数目不做限定，可以设置一个或多个
。
[0019]进一步地，所述引出电极远离所述衬底一端还设置有金属焊盘
。
[0020]本专利技术也提供了上述的具有中心锚点结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，包括衬底
、
谐振振子结构
、
真空封装结构
、
引出电极；所述衬底的顶部有凹槽，或所述衬底的顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起；所述谐振振子结构包括内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述带有中心锚点的谐振振子是谐振振子的中心由所述凸起支撑或谐振振子的中心由引出电极支撑，所述谐振振子或所述支撑部上设置有接触电极；所述引出电极设置于所述真空封装结构内部，所述引出电极与所述接触电极连接；所述真空封装结构的顶部有凹槽，所述真空封装结构与所述衬底将所述谐振振子结构封装时形成真空腔室，所述谐振振子被封装在所述真空腔室中
。2.
根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述引出电极周围还设置有电学屏蔽结构
。3.
根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述衬底包括底层硅和顶层的氧化硅
。4.
根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述谐振振子的为单层或多层结构，每层材料包括单晶硅
、
多晶硅
、
锗化硅
、
氧化硅
、
金属
、
压电材料中的一种
。5.
根据权利要求4所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述压电材料包括氮化铝
、
氧化锌和锆钛酸铅
。6.
根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述引出电极远离所述衬底一端还设置有金属焊盘
。7.
一种如权利要求1～6任一项所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、
提供顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起的衬底；
S2、
在衬底顶部制备谐振振子材料层，并刻蚀得到电极接触孔，随后制备电极层；
S3、
刻蚀得到内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部的谐振振子结构，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述谐振振子被所述凸起支撑，电极层被刻蚀后在谐振振子或支撑部顶部形成接触电极；

【专利技术属性】
技术研发人员：吴国强，华兆敏，肖宇豪，韩金钊，朱科文，李灿，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：