[發明專利]一種方塊式微機械諧振器

有效

• 申請號: 201210527711.5
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103036527A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 鮑景富;蔣俊文;杜亦佳;凌源
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03H9/24
• 分類號: H03H9/24
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 詹福五

技術領域

本發明屬于射頻通信及微機電系統（MEMS）技術領域中的元器件技術領域，特別是涉及一種帶十字支撐梁的微機械平面內彎曲振動方塊式諧振器。

背景技術

諧振器廣泛應用于濾波器、振蕩器等射頻電路的核心器件中，是射頻電路的基本元件之一。微機械諧振器具有高Q值、小型化、輕量化、低功耗、低成本、與CMOS（互補金屬氧化物半導體）工藝兼容等特點，成為近年來諧振器研究的熱點之一。經過二十年左右的研究，微機械諧振器構成的振蕩器在國外已經進入批量生產并逐漸產業化，其性能可以滿足通信系統、雷達系統等得應用。微機械方塊諧振器是近幾年提出的一種諧振器結構，它主要用絕緣體上硅（SOI）工藝實現。與梁式諧振器相比他具有更高的Q值，更小的動態阻抗，所以與圓盤諧振器一樣成為微機械諧振器比較理想的應用結構。近幾年國外對方塊諧振器的平面外振動以及側向振動中的Lamé模態研究的比較多，其中新加坡國立大學設計的Lamé模態方塊諧振器中諧振頻率為6.35MHz的，Q值達到1700000，這已經接近晶體諧振器的Q值（參見：High-Qbulk-mode?SOI?square?resonators?with?straight-beam?anchors?L?Khine?and?Palaniapan2008）。雖然方塊有幾種振動模態可以用于諧振器設計，但是設計者都選用Lamé模態作為諧振器的諧振模態，這是由于Lamé模態振動時四個角是零振動點，這樣只要在這四個點進行支撐就可以很好的降低錨點損耗，用SOI（絕緣體上硅）工藝實現可以達到很高的Q值。在單諧振器，比如振蕩器的設計中當然這種模態是最合適的，但是對于具有多個諧振器耦合設計（如濾波器設計）或者諧振器陣列的設計來說，這種模態并不理想，原因也正是四個角是振動零點，不適合作為耦合點，而如果在其它位置，比如四周的中點作為耦合的話就必須要將耦合梁接入處的電極分成兩塊，犧牲電極與諧振體的相對面積，這對輸出幅度的影響是很大的（參見：Low?Phase?Noise?Array-Composite?Micromechanical?Wine-Glass?Disk?Oscillator?Yu-Wen?Lin?etc.2005），彎曲振動模態錨點損耗是個重要的難題，這也是目前還沒有利用方塊的彎曲模態進行諧振器設計的原因。Seungbae?Lee等人在（United?States?Patent,Patent?No.:US7990232B1Aug.2,2011）公開了一種采用T形支撐梁或在T形支撐梁的基礎上附加一平衡梁作為諧振器的支撐梁，以此達到提高水平面內振動的諧振器Q值的目的，但是此類結構對于彎曲振動模態的Q值提高有限，這是因為上述結構支撐梁中的懸梁與固定梁之間的固定點（連接點）并非為諧振器平面內彎曲振動時的靜止點，因而使諧振器很大一部分振動能量經懸梁和固定梁及其支撐臺傳到基底從而引起能量損耗。

發明內容

本發明的目的是針對背景技術存在的缺陷，研究設計一種方塊式微機械諧振器，采用十字形支撐梁，并將十字形支撐梁的支撐點、即十字形的交叉點設于振動時的靜止點，以達到進一步提高平面內彎曲振動模態MEMS諧振器的Q值及方塊式微機械諧振器的性能，進而可有效提高采用該方塊式微機械諧振器的MEMS濾波器的性能等目的。

本發明的解決方案是在背景技術基礎上，針對因T形類支撐梁的固定點并非為平面內彎曲振動時的靜止點而引起能量的損耗，將各T形類支撐梁改為十字形支撐梁，并利用ANSYS軟件（有限元仿真軟件）進行仿真在懸梁上找出當諧振器處于平面內彎曲振動時的靜止點；并將懸梁上該靜止點作為十字形支撐梁中懸梁與固定梁的固定點（連接點），振動方塊通過十字形支撐梁固定于支撐臺上，從而實現其目的。因而本發明方塊式微機械諧振器包括振動方塊及分別固定于振動方塊四邊中點的由懸梁與固定梁組成的振動方塊支撐梁、支撐臺，輸入及輸出電極，二氧化硅層，基底，關鍵在于振動方塊支撐梁為十字形支撐梁，十字形支撐梁的固定點為振動方塊處于平面內彎曲振動時懸梁上的靜止點處（位置）；輸入電極、輸出電極、支撐臺分別與二氧化硅層固定成一體，二氧化硅層則緊固于基底上，而振動方塊及其十字形支撐梁均懸置于二氧化硅層和基底的內腔上。

上述十字形支撐梁的固定點為振動方塊處于平面內彎曲振動時懸梁上的靜止點處，該靜止點的位置通過ANSYS（有限元仿真）軟件仿真在懸梁上找出。