一种高品质因数的椭圆形谐振器的制作方法

本发明涉及射频微机电系统领域，特别是一种高品质因数的椭圆形谐振器。

背景技术：

相比于传统谐振器，mems谐振器具备高q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，在无线通信系统中具有广阔的应用前景。mems谐振器主要可分为两大类型：面外振动模态和面内振动模态。

其中，基于面外振动模态的盘形谐振器在低频时仍然具有较小的运动阻抗，因此在低频应用中具有优势，这类谐振器中的典型结构是圆盘形。支撑梁损耗是限制圆盘形谐振器品质因数的一种典型损耗机制，它是一种弹性波通过支撑梁从谐振子传导到基底产生的能量损耗。

为了抑制支撑梁损耗，一种典型有效的方法是将支撑梁安放于振动模态中的节点。节点处的位移和位移梯度均等于零，因而可以有效抑制支撑梁的弹性变形，进而抑制支撑梁损耗。在某些模态中，圆盘形谐振器的中心是一个理想节点，但是将支撑梁布置于圆盘中心需要较长的导线，从而需要较大的封装空间，并且导致较大的寄生电容。另外，对于节线小于两条的低频模态，不能将支撑梁损耗安放于圆盘中心，因为圆盘中心不是一个节点，这限制了低频谐振器的设计。另一种支撑梁的布置方法是将支撑梁布置在外圆周，并与节线共线，同时尽量减小支撑梁的宽度。这种支撑梁布置方式能够抑制支撑梁的伸缩变形和弯曲变形，但是支撑梁上仍然存在扭转变形引起的损耗，因而不是一种理想的支撑梁布置方式。基于此，迫切需要优化谐振器结构，降低支撑梁损耗。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高品质因数的椭圆形谐振器，解决了以往技术中由于支撑梁扭转变形导致的损耗问题。

本发明采用的技术方案是，一种高品质因数的椭圆形谐振器，包括：椭圆谐振子、压电驱动器、压电检测器、支撑梁、锚点、引脚、导线和衬底；支撑梁包括第一支撑梁和第二支撑梁；导线包括驱动信号导线、检测信号导线、第一接地信号导线和第二接地信号导线；锚点包括第一锚点和第二锚点；引脚包括第一接地信号引脚、第二接地信号引脚、检测信号引脚和驱动信号引脚；

衬底的顶面上设置有悬浮的椭圆谐振子，椭圆谐振子长轴的一端通过第一支撑梁连接第一锚点，椭圆谐振子长轴的另一端通过第二支撑梁连接第二锚点；第一锚点设置于衬底的顶面上，第一锚点和衬底之间设置有第一绝缘氧化层；第二锚点设置于衬底的顶面上，第二锚点和衬底之间设置有第二绝缘氧化层；第一锚点顶面上设置有驱动信号引脚和第一接地信号引脚，第二锚点顶面上设置有检测信号引脚和第二接地信号引脚；

椭圆谐振子上设置压电驱动器和压电检测器；压电驱动器依次由第一二氧化硅绝缘层、第一接地电极、第一pzt压电薄膜和驱动电极堆叠而成；

压电检测器依次由第二二氧化硅绝缘层、第二接地电极、第二pzt压电薄膜和检测电极堆叠而成；

压电驱动器和压电检测器的平面图形一样且为椭圆形。

优选地，驱动信号引脚与第一锚点之间铺依次设置有第一二氧化硅绝缘层、第一接地金属层和第一pzt压电薄膜；

检测信号引脚与锚点之间依次铺设有第二二氧化硅绝缘层、第二接地金属层和第二pzt压电薄膜。

优选地，第一接地金属层、第二接地金属层、第一pzt压电薄膜、第二而pzt压电薄膜用于保证驱动信号引脚与驱动电极、检测信号引脚与检测电极同时制作，从而避免额外制作工序的采用。

优选地，第一接地信号引脚与第一锚点之间铺设第一二氧化硅绝缘层；第二接地信号引脚与第二锚点之间铺设第二二氧化硅绝缘层。

优选地，驱动电极通过驱动信号导线与驱动信号引脚连接，检测电极通过检测信号导线与检测信号引脚连接，驱动器的第一接地电极通过第一接地信号导线与第一接地引脚连接，检测器的第二接地电极通过第二接地信号导线与第二接地引脚连接。

优选地，驱动信号导线与第一接地信号导线之间铺设有第一pzt压电薄膜，检测信号导线与第二接地信号导线之间铺设有第二pzt压电薄膜，第一pzt压电薄膜和第二pzt压电薄膜用于电绝缘，并且保证驱动信号导线与驱动电极、检测信号导线与检测电极同时制作，用于避免额外制作工序；

驱动信号导线与第一支撑梁之间铺设有第一二氧化硅绝缘层，第一二氧化硅绝缘层用于电绝缘；

检测信号导线与第二支撑梁之间铺设有第二二氧化硅绝缘层，第二二氧化硅绝缘层用于电绝缘。

优选地，椭圆形谐振器的工作模态为b(1,1)模态，b(1,1)模态包含一个节线和一个节圆，节线位于椭圆长轴上，节圆与节线的两个交点为b(1,1)模态的节点，在两个节点处，模态的振形位移等于零且振形位移关于3个空间坐标的梯度等于零；通过优化椭圆谐振器的长轴和短轴的比值，使两个节点被调节至长轴两端，因此使支撑梁与节点相连，从而起到抑制支撑梁的伸缩变形、弯曲变形及扭转变形的功能，最终达到抑制支撑梁损耗的目的，实现高品质因数的谐振器。

本发明高品质因数的椭圆形谐振器的有益效果如下：

本发明通过椭圆形谐振器设计，将谐振器的b(1，1)模态的两个节点调节至长轴两端，从而达到抑制支撑梁的伸缩变形、弯曲变形及扭转变形的目的，进而抑制支撑梁损耗，实现高品质因数的谐振器。

附图说明

图1为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的整体结构图。

图2为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的俯视图。

图3为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的a-a截面图。

图4为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的b-b截面图

图5为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的c-c截面图

图6为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的d-d截面图

图7为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的e-e截面图

图8为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的模态轴侧方向图。

图9为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆形谐振器的模态俯视方向图。

图10为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的椭圆谐振器的几何尺寸图。

图11为本发明高品质因数的椭圆形谐振器的支撑梁变形能随短轴长度的变化图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图7所示，一种高品质因数的椭圆形谐振器，包括：椭圆谐振子1、压电驱动器、压电检测器、支撑梁、锚点、引脚、导线和衬底11；支撑梁包括第一支撑梁4-1和第二支撑梁4-2；导线包括驱动信号导线9、检测信号导线10、第一接地信号导线16-1和第二接地信号导线16-2；锚点包括第一锚点8-1和第二锚点8-2；引脚包括第一接地信号引脚5-1、第二接地信号引脚5-2、检测信号引脚7和驱动信号引脚6；

衬底11的顶面上设置有悬浮的椭圆谐振子1，椭圆谐振子1长轴的一端通过第一支撑梁4-1连接第一锚点8-1，椭圆谐振子1长轴的另一端通过第二支撑梁4-2连接第二锚点8-2；第一锚点8-1设置于衬底11的顶面上，第一锚点8-1和衬底11之间设置有第一绝缘氧化层22-1；第二锚点8-2设置于衬底11的顶面上，第二锚点8-2和衬底11之间设置有第二绝缘氧化层22-2；第一锚点8-1顶面上设置有驱动信号引脚6和第一接地信号引脚5-1，第二锚点8-2顶面上设置有检测信号引脚7和第二接地信号引脚5-2；

椭圆谐振子1上设置压电驱动器和压电检测器；压电驱动器依次由第一二氧化硅绝缘层14-1、第一接地电极13-1、第一pzt压电薄膜12-1和驱动电极2堆叠而成；

压电检测器依次由第二二氧化硅绝缘层14-2、第二接地电极13-2、第二pzt压电薄膜12-2和检测电极3堆叠而成；

压电驱动器和压电检测器的平面图形一样且为椭圆形。

本实施方案的驱动信号引脚6与第一锚点8-1之间铺依次设置有第一二氧化硅绝缘层21-1、第一接地金属层20-1和第一pzt压电薄膜19-1；

检测信号引脚7与锚点8-2之间依次铺设有第二二氧化硅绝缘层21-2、第二接地金属层20-2和第二pzt压电薄膜19-2。

本实施方案的第一接地金属层20-1、第二接地金属层20-2、第一pzt压电薄膜19-1、第二而pzt压电薄膜19-2用于保证驱动信号引脚6与驱动电极2、检测信号引脚7与检测电极3同时制作，从而避免额外制作工序的采用。

本实施方案的第一接地信号引脚5-1与第一锚点8-1之间铺设第一二氧化硅绝缘层18-1；

第二接地信号引脚5-2与第二锚点8-2之间铺设第二二氧化硅绝缘层18-2。

本实施方案的驱动电极2通过驱动信号导线9与驱动信号引脚6连接，检测电极3通过检测信号导线10与检测信号引脚7连接，驱动器的第一接地电极13-1通过第一接地信号导线16-1与第一接地引脚5-1连接，检测器的第二接地电极13-2通过第二接地信号导线16-2与第二接地引脚5-2连接。

本实施方案的驱动信号导线9与第一接地信号导线16-1之间铺设有第一pzt压电薄膜15-1，检测信号导线10与第二接地信号导线16-2之间铺设有第二pzt压电薄膜15-2，第一pzt压电薄膜15-1和第二pzt压电薄膜15-2用于电绝缘，并且保证驱动信号导线9与驱动电极2、检测信号导线10与检测电极3同时制作，用于避免额外制作工序；

驱动信号导线9与第一支撑梁4-1之间铺设有第一二氧化硅绝缘层17-1，第一二氧化硅绝缘层17-1用于电绝缘；

检测信号导线9与第二支撑梁4-2之间铺设有第二二氧化硅绝缘层17-2，第二二氧化硅绝缘层17-2用于电绝缘。

本实施方案的椭圆形谐振器的工作模态为b(1,1)模态，b(1,1)模态包含一个节线和一个节圆，节线位于椭圆长轴上，节圆与节线的两个交点为b(1,1)模态的节点，在两个节点处，模态的振形位移等于零且振形位移关于3个空间坐标的梯度等于零；通过优化椭圆谐振器的长轴和短轴的比值，使两个节点被调节至长轴两端，因此支撑梁与节点相连，从而起到抑制支撑梁的伸缩变形、弯曲变形及扭转变形的功能，进而达到抑制支撑梁损耗的目的，实现高品质因数的谐振器。

本实施方案在实施时，交流驱动电压信号通过驱动信号引脚及驱动信号导线引入到驱动电极上。驱动电压信号在pzt压电薄膜的极化方向(垂直于薄膜表面的法向)形成交变电场，由于pzt压电薄膜的逆压电效应，交变电场引起pzt压电薄膜的变形，从而导致pzt压电薄膜在平面内的交变伸缩，交变伸缩在椭圆谐振子上产生交变弯矩，交变弯矩驱动椭圆谐振子以b(1,1)模态周期振动。

椭圆谐振子的周期振动在检测器的pzt压电薄膜内引起变形，由于pzt压电薄膜的正压电效应，变形引起检测电极上的电荷集聚，电荷经过检测信号导线及检测信号引脚引出到外部电路中，从而形成输出电流信号，输出电流信号的频率与椭圆谐振子的振动频率相同，输出电流信号的幅度正比于椭圆谐振子的振动幅度。

b(1,1)模态包含一个节线和一个节圆，节线位于椭圆长轴上，节圆与节线的两个交点称为b(1,1)模态的节点。本发明通过优化椭圆盘的长轴和短轴的比值，将两个节点调节至长轴两端，从而使支撑梁与节点相连，两个节点具有两个重要特性：节点处的模态振形位移等于零；节点处的模态振形位移关于3个空间坐标的梯度等于零。节点的两个重要特性起到抑制支撑梁的伸缩变形、弯曲变形及扭转变形的功能，从而达到抑制支撑梁损耗的目的，实现高品质因数的谐振器。

例如，如图10所示，椭圆谐振器的谐振子厚度h1＝35μm，压电驱动器及检测器的总厚度h2＝2.7μm，长轴长度a＝700μm，短轴长度b＝[700μm,650μm,600μm,550μm,500μm,450μm,400μm,350μm]，支撑梁宽度c＝10μm，长度d＝100μm。

本发明通过计算支撑梁的变形能评估支撑梁损耗对品质因数的影响，具体方法为：将椭圆谐振器的短轴长度b设置为变量，取值[700μm,650μm,600μm,550μm,500μm,450μm,400μm,350μm]；由于压电驱动器及检测器的总厚度远小于谐振子厚度，因此有限元模型忽略压电驱动器及检测器对模态的影响；通过有限元仿真得到不同短轴长度对应的椭圆谐振器的b(1,1)模态，并将模态振型函数归一化(振型位移的最大值等于1m)；计算两根支撑梁包含的变形能总和。

支撑梁变形能反比于品质因数，即支撑梁变形能越小，则椭圆谐振器的品质因数越大，不同短轴长度对应的支撑梁变形能如图11所示。图11中的数据表明：当短轴长度为700μm，支撑梁变形能等于41.1j，即圆形谐振器的支撑梁变形能等于41.1j；短轴长度等于350μm的椭圆谐振器的支撑梁变形能等于0.125j，是圆形谐振器的支撑梁变形能的0.3％；换言之，短轴长度等于350μm的椭圆谐振器的品质因数是圆形谐振器的品质因数的329倍。基于此可知，本发明提出的椭圆谐振器结构能够有效抑制支撑梁损耗，从而显著提高谐振器的品质因数。