专利名称：一种固体介质层谐振器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统谐振器，特别涉及一种固体介质层谐振器及其制备方法。
背景技术：
采用微机械加工技术制作的MEMS谐振器由于具有低功耗、高Q值、宽频带、体积 小、以及能与CMOS工艺兼容等优点，因此人们正逐步采用MEMS谐振器代替传统的片下、大 体积频率选择器件，以满足低功耗、低成本、高性能、高集成度无线通讯技术的需求。另一方 面，由于谐振器的谐振频率对环境参数具有非常高的灵敏度，所以MEMS谐振器在高灵敏度 谐振传感检测方面也极具潜力，如生化传感器、压力传感器、加速度计、陀螺等器件均可采 用谐振方式检测信号。目前，具有无线通讯功能的集成单芯片最大障碍是需要在RF滤波和 储能电路中配置高Q值的谐振器，而谐振传感检测方面需要有效提高其谐振频率和Q值，以 改善传感器的灵敏度和分辨率，因此提高MEMS谐振器的动态特性是目前研究的关键。目前，微机械谐振器主要有梳状结构谐振器、悬臂梁谐振器、表面和体声波谐振器 等。表面和体声波谐振器技术在通信系统中已有实际应用，但这类器件的功耗和体积比较 大，并受集成电路制造工艺兼容性限制，不能实现与IC集成；梳状结构和悬臂梁式谐振器 采用多晶硅或单晶硅材料，利用牺牲层工艺或体硅工艺制造，提高其谐振频率的一种手段 是减小几何尺寸。悬臂梁谐振器的应用研究目前主要集中在谐振传感检测，在真空环境下， 动态模式工作的纳机械悬臂梁传感器的质量灵敏度达到10_18g/HZ，Q值可以达到4500，但 在大气环境下，工作在IOkHz-IMHz频率范围内谐振器的Q值仅介于50-200之间。在液态环 境下，由于受到巨大粘滞阻尼的作用，悬臂梁传感器的质量探测灵敏度降低了几个数量级， 典型Q值仅为2-5。谐振损耗限制了挠性纳机械谐振器Q值的提高，而制备工艺、制备成本 等问题限制了其广泛应用。利用电容驱动和传感的换能方式工作的纳隙电容式谐振器[Siavash
Pourkamali, High-Q crystal silicon HARPSS capacitive beam resonators with
self-alighed sub-IOOnmtransduction gaps，J. Microelectromechanical Syatem，
Vol. 12， No.4，2003， pp.487-496. ；SiavashPourkamali, VHF single-crystal
silicon resonators capacitive elliptic bulk-mode disk resonators-part II
implementation and characterization, J. Microelectromechanical Syatem, Vol.13，
No. 6,2004, pp. 10M-1062.]，驱动电极加交流信号，在谐振体上加直流偏置，则传感电极输
出一个交流电流信号。在交流信号和直流偏置的共同作用下，传感和驱动电极信号通过电
容耦合到谐振体，在谐振体上施加静电力，当输入信号频率与谐振频率一致时发生共振。谐
振信号通过谐振子和多晶硅输出电极间的电容耦合到输出电极上，驱动力和输出电流信号
可分别表示为
权利要求
1.一种固体介质层谐振器，包括谐振体、驱动电极、传感电极、偏置电极，相应的支撑锚 点和硅衬底，所述谐振体、驱动电极、传感电极、偏置电极通过锚点支撑于硅衬底上，其中 谐振体是悬空的结构；驱动电极和传感电极均由极板、焊盘和连接极板与焊盘的连接线构 成，所述极板为梳齿状结构，内嵌在谐振体中，谐振体与极板通过固体绝缘介质层隔离，所 述焊盘位于谐振体外，焊盘上设有金属电极；偏置电极一端与谐振体电连接，另一端为焊 盘，焊盘上设有金属电极。
2.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，谐振体材料为多晶硅、SiGe或SiC ’传 感电极和驱动电极材料为多晶硅、SiGe或SiC;固体绝缘介质层材料为氮化硅，厚度在 20-200nm。
3.如权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述驱动电极和传感电极的数目相等，为 一个或多个；多个驱动电极和多个传感电极的情况下，驱动电极极板和传感电极极板相间 排列在谐振体中，且呈中心对称分布。
4.如权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述谐振体为方形，四个角连接支撑锚 点，其边长为20μπι 1mm，厚度为2μπι IOym ；谐振体中内嵌两个驱动电极极板和两 个传感电极极板，四个极板结构相同，相间分布在谐振体的四个象限中，每个极板的梳齿方 向平行于谐振体的一条边而垂直于相邻极板的梳齿方向，四个极板分别由连接线引出谐振 体。
5.如权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述谐振体为圆盘形，直径为20μ m 1mm，厚度为2μπι ΙΟμπι，在谐振体的圆周上等间距设置四个支撑锚点；四个相同的梳齿 状极板分别内嵌在四分之一个谐振体的扇形区域中；每个极板由若干个圆心角为90°的 同心圆弧状梳齿构成，各极板的梳齿均为为顺时针或逆时针方向，其中两个极板为驱动电 极极板，另两个极板为传感电极极板，四个极板分别由连接线从谐振体引出。
6.如权利要求4或5所述的谐振器，两个驱动电极和两个传感电极分别相邻，驱动电极 施加相位相反的交流信号，谐振器工作在体模式下，两个传感电极输出位相相反的电流信 号。
7.如权利要求4或5所述的谐振器，两个驱动电极和两个传感电极分别相对，驱动电极 施加相位相同的交流信号，谐振器工作在体模式下，两个传感电极输出位相相同的电流信号。
8.一种制备权利要求1所述固体介质层谐振器的方法，依次包括下列步骤1)在硅基片上依次形成第一氧化硅层、第一氮化硅层和第二氧化硅层，然后进行第一 次光刻并湿法腐蚀第二氧化硅层，形成后续用于释放谐振体结构的氧化硅牺牲层；2)在第一氮化硅层上和氧化硅牺牲层上淀积第一多晶硅层，并化学机械抛光使其表面 平整，然后进行第二次光刻，图形化出驱动电极和传感电极的形状，并以光刻胶为掩膜干法 刻蚀第一多晶硅层至氧化硅牺牲层，形成一系列深槽，氧化硅牺牲层上的深槽即为驱动和 传感电极极板的生长位置；3)在第一多晶硅层和深槽上先淀积第二氮化硅层，再淀积第二多晶硅层填满深槽，然 后刻蚀表面的第二多晶硅层和第二氮化硅层，至第一多晶硅层露出，保留在深槽侧壁的第 二氮化硅层即为驱动电极和传感电极与谐振体间的绝缘介质层，保留在深槽中的第二多晶 硅层即为驱动和传感电极；然后对多晶硅进行离子注入并退火；4)溅射金属层，进行第三次光刻并腐蚀金属，在驱动电极、传感电极和偏置电极的焊盘 部位形成金属电极；5)进行第四次光刻图形化出整个谐振器，光刻后划片，然后以带有图形的光刻胶为掩 膜刻蚀多晶硅至第一氮化硅层，湿法腐蚀氧化硅牺牲层，直到谐振体结构释放，得到所述固 体介质层谐振器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤1)中通过热氧化形成第一氧化硅层，采 用低压化学气相沉积淀积第一氮化硅层和第二氧化硅层；步骤幻中采用低压化学气相沉 积淀积第一多晶硅层，采用感应耦合等离子体干法刻蚀第一多晶硅层形成深槽；步骤3)采 用低压化学气相沉积淀积第二氮化硅层和第二多晶硅层，然后反应离子刻蚀表面的第二多 晶硅层和第二氮化硅层，露出第一多晶硅层后进行离子注入，并在氮气气氛中退火激活注 入的离子。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤幻第四次光刻后坚膜，在有光刻图形 的光刻胶上再涂另外一层光刻胶作为保护层，然后划片，划片后去掉上层光刻胶，余下下层 的有光刻图形的光刻胶作为掩膜，感应耦合等离子体干法刻蚀第一多晶硅层至第一氮化硅 层，随后氢氟酸腐蚀氮化硅牺牲层释放谐振体。
全文摘要
本发明公开了一种固体介质层谐振器及其制备方法，该固体介质层谐振器的驱动电极和传感电极的极板为梳齿状结构，内嵌在谐振体结构中，谐振体与极板通过固体绝缘介质层隔离。该谐振器的制备基于微机械加工工艺，与IC工艺兼容；梳齿状的极板结构增大了传感和驱动电极的面积，从而减小了其输入输出阻抗，增加了器件的匹配能力和信噪比；固体介质层的应用使电容极板间隙宽度容易控制，避免了空气介质造成的阻尼；本发明的固体介质层谐振器工作在体模态，在空气中即可高频、高Q值工作。
文档编号H03H9/24GK102148613SQ201010107920
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者于晓梅, 刘毅 申请人:北京大学