一种具有高轴向力灵敏度的压电式三音叉微机电谐振器制造技术

本发明专利技术属于微机电技术领域，具体为一种具有高轴向力灵敏度的压电式三音叉微机电谐振器

【技术实现步骤摘要】
一种具有高轴向力灵敏度的压电式三音叉微机电谐振器


[0001]本专利技术属于微机电
(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical Systems,MEMS)

，具体涉及一种具有高轴向力灵敏度的压电式三音叉微机电谐振器
。

技术介绍

[0002]MEMS
传感器凭借其尺寸小，可达微米至毫米量级
、
制造工艺兼容
COMS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)
电路加工工艺，从而便于集成，且具有成本低
、
性能优异等优势，无论是民用领域还是航空
、
军事领域都具有广泛的应用
。MEMS
谐振式传感器由于其特殊的工作原理，已经成为高精度
MEMS
传感器发展的热门方向之一
。
与一般
MEMS
传感器将所测物理量转化为输出电信号幅度不同，
MEMS
谐振式传感器是将所测物理量的变化转化为输出电信号频率的变化，因而具有准数字化输出以及连续自检能力等优点
。
此外，
MEMS
谐振式传感器还具有灵敏度高
、
动态范围大
、
功耗低等优点
。
[0003]谐振器作为
MEMS
谐振式传感器的核心敏感单元，决定了传感器的灵敏度
、
测量范围
、
分辨率等性能指标
。
压电式三音叉微机电谐振器是一种以轴向力敏感作为传感原理的敏感单元
。
为获得更高的品质因数
、
保证输出信号的纯净度
、
降低后端信号处理电路的设计难度，通常选取一阶面外振动模态，作为三音叉微机电谐振器的工作模态，但这会造成三音叉谐振器轴向力灵敏度和输出电流大小的矛盾
。
主要体现在：增加谐振梁的宽度会增大谐振梁表面压电薄膜的面积，从而增大输出电流，降低后端信号处理电路的设计难度，而梁宽度的增加会降低三音叉谐振器的轴向力灵敏度；减小谐振梁的宽度可以降低谐振梁的惯性矩，从而提高三音叉谐振器的轴向力灵敏度，但会导致三音叉微机电谐振器的输出电流降低
。
[0004]可见，设计一种同时兼顾轴向力灵敏度和输出电流，这两个关键指标的高轴向力灵敏度三音叉谐振器，对于
MEMS
谐振式传感器来说具有重要意义
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出了一种具有高轴向力灵敏度的压电式三音叉微机电谐振器，以解决现有压电式三音叉谐振器存在的问题，使其能够同时兼顾轴向力灵敏度和输出电流，实现应用于
MEMS
谐振式传感器的高性能核心敏感单元的目的
。
[0006]为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种具有高轴向力灵敏度的压电式三音叉微机电谐振器，包括
SOI
基底
、
和集成在
SOI
基底上的三音叉谐振器；
[0008]所述
SOI
基底为中间空间镂空的平板；
[0009]所述三音叉谐振器包括三音叉谐振器主体
、
金属电极；
[0010]所述三音叉谐振器主体位于
SOI
基底的镂空区域，包括三根谐振梁和两个耦合梁；三根谐振梁平行连接于两个耦合梁之间，分别为第一激励梁
、
第二激励梁和传感梁；传感梁设于第一激励梁和第二激励梁之间，其宽度
W2
为第一激励梁和第二激励梁宽度
W1
的两倍；
三根谐振梁结构相同，每根谐振梁自下而上由依次层叠的重掺杂单晶硅
、
金属传输线组成，沿信号传输方向依次将其分为输入端
、
过渡段和输出端，其中，输入端和输出端的金属传输线与重掺杂单晶硅之间层叠有压电薄膜层，以作为三音叉谐振器的有源部分，过渡段的金属传输线与重掺杂单晶硅之间层叠有氧化绝缘材料，以作为三音叉谐振器的无源部分；两个耦合梁上均设有锚点；远离金属电极一端的耦合梁上设有用于连接第一激励梁和第二激励梁的传输电极；传输电极与耦合梁之间通过氧化绝缘层进行电气隔离；三音叉谐振器主体通过耦合梁上的锚点与
SOI
基底相连；
[0011]所述金属电极设于三音叉谐振器主体一端，并放置在
SOI
基底的非镂空区域上；金属电极与
SOI
基底之间设有重掺杂单晶硅，包括输入电极
、
输出电极和两个接地电极，输入电极和输出电极位于两个接地电极之间，输入电极连接第一激励梁，输出电极连接传感梁；所述输入电极
、
输出电极与重掺杂单晶硅之间通过氧化绝缘层进行电气隔离
。
[0012]进一步的，所述谐振梁输入端的长度为谐振梁长度的
25
％～
35
％，输出端与输入端等长
。
通过控制有源部分压电薄膜的覆盖位置，保证三音叉谐振器在一阶面外模态下有源部分位于换能效率最大的位置，从而保证谐振器在固定输入电压激励下能够获得较大的输出电流
。
[0013]进一步的，所述谐振梁无源部分宽度小于有源部分宽度，这样设置能够减小谐振梁整体的惯性矩同时保持压电薄膜面积不变，实现在不影响谐振器电学性能前提下提高谐振器的轴向力灵敏度
。
[0014]进一步的，所述金属电极材料为金
、
铝或钼等金属，所述氧化绝缘层材料为二氧化硅，所述压电薄膜材料为
ZnO、PZT、AlN、PVDF、LiTaO3
或
LiNbO3。
[0015]进一步的，所述金属电极厚度为
0.5
μ
m
～2μ
m
；所述压电薄膜厚度为
0.5
μ
m
～2μ
m
；所述氧化绝缘层厚度为
0.5
～2μ
m
；重掺杂单晶硅厚度为5μ
m
～
15
μ
m。
[0016]本实施例的压电式三音叉微机电谐振器，其谐振梁由有源部分和无源部分组成，通过减小无源部分宽度，配合谐振梁中激励梁的宽度为传感梁宽度的一半，使三音叉谐振器能够在不牺牲输出电流的前提下，提高其轴向力灵敏度以及非线性振动阈值电压，从而能够承受更高的输入电压，实现应用于
MEMS
谐振式传感器的高性能核心敏感单元的目的
。
附图说明
[0017]为了更加清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有高轴向力灵敏度的压电式三音叉微机电谐振器，包括
SOI
基底
、
和集成在
SOI
基底上的三音叉谐振器，其特征在于：所述
SOI
基底为中间空间镂空的平板；所述三音叉谐振器包括三音叉谐振器主体
、
金属电极；所述三音叉谐振器主体位于
SOI
基底的镂空区域，包括三根谐振梁和两个耦合梁；三根谐振梁平行连接于两个耦合梁之间，分别为第一激励梁
、
第二激励梁和传感梁；传感梁设于第一激励梁和第二激励梁之间，其宽度
W2
为第一激励梁和第二激励梁宽度
W1
的两倍；三根谐振梁结构相同，每根谐振梁自下而上由依次层叠的重掺杂单晶硅
、
金属传输线组成，沿信号传输方向依次将其分为输入端
、
过渡段和输出端，其中，输入端和输出端的金属传输线与重掺杂单晶硅之间层叠有压电薄膜层，以作为三音叉谐振器的有源部分，过渡段的金属传输线与重掺杂单晶硅之间层叠有氧化绝缘材料，以作为三音叉谐振器的无源部分；两个耦合梁上均设有锚点；远离金属电极一端的耦合梁上设有用于连接第一激励梁和第二激励梁的传输电极；传输电极与耦合梁之间通过氧化绝缘层进行电气隔离；三音叉谐振器主体通过耦合梁上的锚点与
SOI
基底相连；所述金属电极设于三音叉谐振器主体一端，并放置在
SOI
基底的非镂空区域上；金属电极与
SOI
基底之间设有重掺杂单晶硅，包括输入电极
、...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂程，李磊，欧阳旭恒，张晓升，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：