專利名稱：一種電極與振動(dòng)圓盤間隙可調(diào)的微機(jī)械諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻通信及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域中的元器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤之間的間隙可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的MEMS諧振器。
背景技術(shù)：
微機(jī)械圓盤諧振器(Micromechanical Disk Resonator),簡(jiǎn)稱MEMS圓盤諧振器)是近年來正在迅猛發(fā)展的ー種射頻諧振器，可以廣泛運(yùn)用于振蕩器、濾波器等射頻電路中。MEMS圓盤諧振器小體積、高Q (儲(chǔ)能與耗能之比)值、低功耗、易集成等優(yōu)點(diǎn)，使其在與傳統(tǒng)的諧振器相比起來時(shí)有著巨大的優(yōu)勢(shì)和前景。在圓盤諧振器中，輸入、輸出電極和振動(dòng)圓盤之間的距離以及交疊面積直接決定著諧振器的動(dòng)態(tài)電阻，從而直接影響著諧振器Q值和功耗。但調(diào)整交疊面積的效果遠(yuǎn)不如調(diào)整間隙的效果明顯，因?yàn)镸EMS圓盤諧振器的串聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻Rx由下式?jīng)Q定
「ハハハ。 R H 1dO4, I , jj % 7
Q V #2 (一)即動(dòng)態(tài)電阻Rx值是隨輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤之間間隙(CU的四次方成正比，因此降低圓盤與輸入輸出電極之間的縫隙寬度Cltl可以大幅降低圓盤諧振器的動(dòng)態(tài)電阻Rx。上式中Otl是放射狀等高線模態(tài)諧振角頻率，!^表示圓盤質(zhì)量，Q表示諧振器的諧振頻率，Vp表不圓盤的偏置電壓，dQ表不圓盤與輸入輸出電極之間的縫隙寬度，Φρ 分別表不輸入電極與輸出電極內(nèi)側(cè)弧度，ε ^表不空氣的相對(duì)介電常數(shù)，R表不振動(dòng)圓盤的半徑，t表不振動(dòng)圓盤的厚度。而增大交疊面積會(huì)帶來圓盤質(zhì)量的増加，這樣會(huì)使諧振器的諧振頻率下降。因此，減少圓盤和電極之間的距離成為了一種降低諧振器動(dòng)態(tài)電阻從而提高諧振器Q值的最為有效的途徑。在MEMS諧振器エ藝中，使用常見的光刻、刻蝕等方法得到的最窄縫隙寬度為IOOnm左右,動(dòng)態(tài)電阻在2. 6k Ω左右。在2009年Nguyen等人用原子層沉積系統(tǒng)(atomiclayer deposition),通過在電極與圓盤之間沉積電介質(zhì),實(shí)現(xiàn)了縫隙的調(diào)整，將縫隙縮短到32nm。此后康乃爾大學(xué)也用同樣的儀器在電極內(nèi)側(cè)沉積ニ氧化鉿，得到了 IOnm的縫隙；但是，原子層沉積系統(tǒng)的設(shè)備售價(jià)昂貴、諧振器的制作成本高。在公開號(hào)為CN102280682A、名稱為《一種微機(jī)械圓盤諧振器》的專利文件中公開了ー種包括基片、設(shè)于基片上的帶直流偏置導(dǎo)線的振動(dòng)圓盤，設(shè)于振動(dòng)圓盤兩則的環(huán)片式交流輸入電極和交流輸出電極，以及一對(duì)用于輸入電極及輸出電極定位的固定條和ー對(duì)懸置式波紋梁的微機(jī)械圓盤諧振器；該諧振器通過波紋梁將傳統(tǒng)微機(jī)械圓盤諧振器中固定于諧振器基片上的固定式輸入、輸出電極改為懸置式，利用直流偏置電壓將電極拉向振動(dòng)圓盤，再通過定位條將輸入、輸出電極進(jìn)行固定；但該技術(shù)雖然在一定程度上可提高諧振器的換能效率、降低生產(chǎn)成本等特點(diǎn)，但卻存在生產(chǎn)過程中要求定位條與電極之間的初始縫(間)隙應(yīng)<振動(dòng)圓盤與電極之間的初始縫(間)隙，且該專利中提及的間隙寬度已經(jīng)是常見エ藝所能達(dá)到的最窄寬度(lOOnm)，由于兩初始間隙雖采用相同エ藝同時(shí)經(jīng)光刻(或刻蝕)等加工成，如果定位條與電極之間的初始縫隙由于エ藝(光刻、刻蝕等)精度的原因大于振動(dòng)圓盤與電極之間的初始縫隙，就會(huì)造成輸入、輸出電極與定位條尚未接觸，而輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤接觸短路，造成諧振器失效；且該技術(shù)要求輸入、輸出電極的內(nèi)側(cè)弧度須大于圓盤的弧度，這也將增大諧振器的動(dòng)態(tài)電阻。因而該 技術(shù)仍存在制造エ藝要求高，在現(xiàn)有常規(guī)エ藝條件下難以進(jìn)一歩縮小輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤間隙的寬度，以及輸入、輸出電極內(nèi)側(cè)的弧度與振動(dòng)圓盤弧度不一致造成的動(dòng)態(tài)電阻較高，從而限制了諧振器綜合性能的進(jìn)ー步提高等弊病。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是計(jì)對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，改進(jìn)設(shè)計(jì)ー種電極與振動(dòng)圓盤間隙可調(diào)的微機(jī)械諧振器，以達(dá)到在降低諧振器加工エ藝的難度的基礎(chǔ)上，有效減小輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤之間的間隙和圓盤諧振器工作時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻，提高諧振器Q值和諧振器性能等目的。本發(fā)明的解決方案是在諧振器的基片上增設(shè)ー兩端帶定位頭的靜電電極，同時(shí)在輸入、輸出電極的后端各設(shè)置ー包括與之連接的電極桿、電極臂和彈性導(dǎo)向臂在內(nèi)的移動(dòng)定位組件，電極臂既作為交流電的輸入或輸出、又作為相應(yīng)電極移動(dòng)的杠桿式カ臂；彈性導(dǎo)向臂對(duì)稱設(shè)于電極桿兩側(cè)，既確保相應(yīng)電極沿軸線移動(dòng)、又可與電極臂及靜電電極頭配合，使到位后的電極懸置式定位并維持其工作狀態(tài)；振動(dòng)圓盤的結(jié)構(gòu)及其與基片的連接關(guān)系仍與背景技術(shù)相同。因此，本發(fā)明微機(jī)械諧振器包括基片、設(shè)于基片上的振動(dòng)圓盤，位于振動(dòng)圓盤兩則的環(huán)片式交流輸入電極和交流輸出電極及其交流輸入接頭、交流輸出接頭，關(guān)鍵在于在基片上還設(shè)有ー兩端帶定位頭的靜電電極、在兩定位頭的端面均設(shè)有絕緣片，而在交流輸入電極與交流輸入接頭之間、交流輸出與交流輸出接頭之間均分別設(shè)有包含電極桿、電極臂和彈性導(dǎo)向臂在內(nèi)的電極移動(dòng)定位組件；兩端帶定位頭的靜電電極固定于基片上、各絕緣片則平整地固定于定位頭的表面，電極移動(dòng)定位組件通過兩電極桿分別與對(duì)應(yīng)的交流輸入電極及交流輸出電極后端緊固連接、而通過兩電極臂的一端分別與對(duì)應(yīng)的交流輸入電接頭及交流輸出電接頭連接，電極桿的外端則分別與相應(yīng)電極臂的中部固定連接，兩電極臂的另一端則分別懸置于正對(duì)靜電電極定位頭端面的外側(cè)、并與定位頭端面上的絕緣片間隔ー設(shè)定的距離，兩彈性導(dǎo)向臂的對(duì)稱中心分別與相應(yīng)的電極桿中部固定連接、而兩端則分別與對(duì)應(yīng)的支承柱及交流輸入電接頭、交流輸出電接頭連接。上述彈性導(dǎo)向臂為波紋臂。所述電極桿的外端則分別與相應(yīng)電極臂的中部固定連接，其連接部位為電極臂中部距固定端三分之一或二分之ー處。而所述兩電極臂的另一端則分別與定位頭端面上的絕緣片間隔ー設(shè)定的距離，其距離的設(shè)定為當(dāng)電極臂與電極桿的連接部位距電極臂固定端三分之ー處或二分之ー處時(shí)、在同等條件下電極臂的另一端與定位頭端面上絕緣片間隔為兩電極與振動(dòng)圓盤之間最小間隙的3倍或2. 2倍。本發(fā)明由于在基片上增設(shè)了兩端帶定位頭的靜電電極，同時(shí)在輸入、輸出電極的后端各設(shè)置ー包括與之連接的電極桿、電極臂和彈性導(dǎo)向臂在內(nèi)的移動(dòng)定位組件，電極臂既作為交流電的輸入或輸出、又作為相應(yīng)電極移動(dòng)的杠桿式カ臂，該杠桿式カ臂將電極臂與定位頭端面上絕緣片之間的初始間隔成倍地放大了，從而采用光刻、刻蝕等エ藝很容易控制其加工精度；彈性導(dǎo)向臂對(duì)稱設(shè)于電極桿兩側(cè)，既確保相應(yīng)電極沿軸線移動(dòng)、又可與電極臂及靜電電極頭配合，使到位后的電極懸置式定位并維持其工作狀態(tài)。本發(fā)明可將輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤之間工作時(shí)的間隙(即帶電間隙)控制在IOnm左右并不會(huì)形成楔子形間歇，從而可防止輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤接觸短路。因而本發(fā)明具有諧振器加工エ藝的難度低，可有效減小輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤之間的間隙和圓盤諧振器工作時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻，提高諧振器Q值和諧振器性能等特點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明諧振器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；圖2為A-A剖視圖(半剖視圖)。圖中1.振動(dòng)圓盤，2. I.輸入電極，2. 2.交流輸入接頭，2. 3,3. 3:(波紋)彈性導(dǎo)向臂，2. 4、3. 4 :電極臂，2. 5、3. 5 :電極桿，2. 6、3. 6 :支承柱，3. I.輸出電極，3. 2.交流輸出接頭，4. I.靜電電極、4. 2.定位頭，4. 3.絕緣片，5.點(diǎn)狀支承，6.基片，7.(封裝后的)真空
腔。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :基片6的材質(zhì)為硅(長(zhǎng)X寬X厚=25μπιΧ18μπιΧ5μπι);振動(dòng)圓盤I采用多晶硅制作，半徑R為I. 9 μ m、厚度為I μ m、盤體底面與基片的距離為O. 8 μ m ;輸入、輸出電極2. 1、3. I均為摻雜多晶硅，各電極與基片的距離亦為O. 8 μ m、厚度均為I μ m，電極內(nèi)側(cè)圓弧曲率半徑R為2μπι，弧度為Ji/2 ;交流輸入、輸出接頭2. 2、3. 2亦摻雜多晶娃，(長(zhǎng)X寬X高=4μπιΧ3μπιΧ1.8μπι);輸入、輸出電極臂2. 4、3. 4材質(zhì)為多晶硅，(長(zhǎng)X寬X高=12“!1^14 11^14 111);輸入、輸出電極桿2. 5、3. 5采用摻雜多晶硅制作，寬度均為O. 5 μ m，離基片的距離為O. 8 μ m，厚度均為I μ m ;以及彈性導(dǎo)向臂2. 3、3· 3本實(shí)施方式采用波紋臂、波峰高2. 5μπκ離基片的距離為O. 8μπι;支承柱2. 6,3. 6 (長(zhǎng)X寬X高=3 4111\2リ111\1.8リ111)、材質(zhì)多晶娃；靜電電極4.1為摻雜多晶娃、(長(zhǎng)X寬X高=4 μ mX2. 5 μ mX I. 8 μ m),定位頭4. 2為摻雜多晶硅、端面與絕緣片4. 3配合部分體積為(長(zhǎng) X 厚 X ill]) 3umXl umXl. 8um,4. 3 _■氧化娃、(長(zhǎng) X 厚 X 尚)3ロ111\0.1レ111\1.8レ111)，整個(gè)諧振器采用真空封裝。本實(shí)施例輸入、輸出電極2. 1,3. I與振動(dòng)圓盤I之間的初始間隙為lOOnm、輸入、輸出電極臂2. 4,3. 4與絕緣片4. 3之間的初始距離為300nm，電極臂與電極桿的連接部位距電極臂固定端三分之一處；電極移動(dòng)定位組件中電極臂2. 4,3. 4以及波紋彈性導(dǎo)向臂2. 3,3. 3的彈性系數(shù)k由下式?jīng)Q定1< = 16/r；vv(y)'其中，E為電極臂的楊氏模量，w為電極臂的寬度，t為電極臂的厚度，I為電極臂的長(zhǎng)度。本實(shí)施方式電極臂2. 4、3. 4彈性系數(shù)為1^=3950 μ N/ μ m,通過Ansys仿真得出波紋彈性導(dǎo)向臂2. 3,3. 3的彈性系數(shù)k2=308 μ N/μ m，在本實(shí)施方式條件下波紋彈性導(dǎo)向臂2. 3,3. 3在工作(帶電)狀態(tài)下該波紋彈性導(dǎo)向臂2. 3,3. 3所具有的反向拉カ(相對(duì)電極臂2. 4、3. 4推力而言)可確保振動(dòng)圓盤I與輸入、輸出電極2. 1、3. I之間的間隙為10nm。本實(shí)施例諧振器的制作方法本實(shí)施例采用SOI (Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上硅)エ藝并結(jié)合DRIE (深反應(yīng)離子刻蝕)和濕法化學(xué)腐蝕的方法，對(duì)諧振器進(jìn)行加工。SOI基片主要包括絕緣基片6、犧牲層ニ氧化硅層(該層被腐蝕的部分形成真空腔7。具體的加工方法首先，采用深反應(yīng)離子刻蝕方法對(duì)多晶硅層進(jìn)行刻蝕，得到包括振動(dòng)圓盤I、輸入電極2. I、交流輸入接頭2. 2、輸入電極臂2. 4、輸入電極桿2. 5、波紋彈性導(dǎo)向臂2. 3、支承柱2. 6、輸出電極3. I、交流輸出接頭3. 2、輸出電極臂3. 4、輸出電極桿3. 5、波紋、彈性導(dǎo)向臂3. 3、支承柱3. 6的結(jié)構(gòu)層(其中，2. 2,3. 2,2. 6,3. 6,4. 1,4. 2通過ニ氧化硅層與基底相連，振動(dòng)圓盤I通過點(diǎn)狀支承5與基底相連，2. 1,2. 3,2. 4,2. 5,3. 1,3. 3,3. 4,3. 5在結(jié)構(gòu)上是懸空的)；然后，采用濕法化學(xué)腐蝕的方法，用氫氟酸將振動(dòng)圓盤1，輸入、輸出電極2. 1,3. I及電極移動(dòng)定位組件(2. 3,2. 4,2. 5,3. 3,3. 4,3. 5)下面的ニ氧化硅層腐蝕掉，使他們懸空，在振動(dòng)圓盤和基底之間形成空腔，最后經(jīng)真空封裝、抽真空后該空腔成為真空腔7，即成。實(shí)施例2 :本實(shí)施例輸入、輸出電極2. 1,3. I與振動(dòng)圓盤I之間的初始間隙仍為lOOnm、電極臂與電極桿的連接部位距電極臂固定端二分之ー處，輸入、輸出電極臂2. 4,3. 4 與絕緣片4. 3之間的初始距離為220nm，其余均與實(shí)施例I相同；在在工作(帶電)狀態(tài)下振動(dòng)圓盤I與輸入、輸出電極2. 1,3. I之間的間隙亦為10nm。
權(quán)利要求
1.一種電極與振動(dòng)圓盤間隙可調(diào)的微機(jī)械諧振器，包括基片、設(shè)于基片上的振動(dòng)圓盤，位于振動(dòng)圓盤兩則的環(huán)片式交流輸入電極和交流輸出電極及其交流輸入接頭、交流輸出接頭，其特征在于在基片上還設(shè)有ー兩端帶定位頭的靜電電極、在兩定位頭的端面均設(shè)有絕緣片，而在交流輸入電極與交流輸入接頭之間、交流輸出與交流輸出接頭之間均分別設(shè)有包含電極桿、電極臂和彈性導(dǎo)向臂在內(nèi)的電極移動(dòng)定位組件；兩端帶定位頭的靜電電極固定于基片上、各絕緣片則平整地固定于定位頭的表面，電極移動(dòng)定位組件通過兩電極桿分別與對(duì)應(yīng)的交流輸入電極及交流輸出電極后端緊固連接、而通過兩電極臂的一端分別與對(duì)應(yīng)的交流輸入電接頭及交流輸出電接頭連接，電極桿的外端則分別與相應(yīng)電極臂的中部固定連接，兩電極臂的另一端則分別懸置于正對(duì)靜電電極定位頭端面的外側(cè)、并與定位頭端面上的絕緣片間隔ー設(shè)定的距離，兩彈性導(dǎo)向臂的對(duì)稱中心分別與相應(yīng)的電極桿中部固定連接、而兩端則分別與對(duì)應(yīng)的支承柱及交流輸入電接頭、交流輸出電接頭連接。
2.按權(quán)利要求I所述電極與振動(dòng)圓盤間隙可調(diào)的微機(jī)械諧振器，其特征在于所述弾性導(dǎo)向臂為波紋臂。
3.按權(quán)利要求I所述電極與振動(dòng)圓盤間隙可調(diào)的微機(jī)械諧振器，其特征在于所述電極桿的外端則分別與相應(yīng)電極臂的中部固定連接，其連接部位為電極臂中部距固定端三分之一或二分之ー處。
4.按權(quán)利要求I所述電極與振動(dòng)圓盤間隙可調(diào)的微機(jī)械諧振器，其特征在于所述兩電 極臂的另一端與絕緣片之間的間隔為兩電極與振動(dòng)圓盤之間最小間隙的3倍或2. 2倍。
全文摘要
該發(fā)明屬于射頻通信及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域中的電極與振動(dòng)圓盤間隙可調(diào)的微機(jī)械諧振器。包括基片、設(shè)于基片上的振動(dòng)圓盤，位于振動(dòng)圓盤兩則的環(huán)片式交流輸入、輸出電極及其接頭，帶定位頭的靜電電極及位于兩端面上的絕緣片，含電極桿、電極臂和彈性導(dǎo)向臂在內(nèi)的輸入、輸出電極移動(dòng)定位組件；該發(fā)明由于在基片上增設(shè)了帶定位頭的靜電電極及輸入、輸出電極移動(dòng)定位組件，從而可將輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤之間工作時(shí)的間隙(即帶電間隙)控制在10nm左右并不會(huì)形成楔子形間歇。因而本發(fā)明具有諧振器加工工藝的難度低，可有效減小輸入、輸出電極與振動(dòng)圓盤之間的間隙和圓盤諧振器工作時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻，諧振器Q值高，諧振器性能好等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03H3/02GK102857192SQ20121033760
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者鮑景富, 何宗郭, 蔣俊文, 杜亦佳 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)