一种微机电声波谐振器

1.本发明涉及射频微机电系统领域，特别是涉及一种微机电声波谐振器。


背景技术：

2.射频微机电系统(micro-electro-mechanical systems，mems)技术是一种新兴的快速发展的技术，它广泛地应用于提高无线通信系统的性能和集成度。对于无线通信系统而言，其前端即发射通路和接收通路处理的是射频信号，其电路尺寸必须与信号的波长相当。为了使射频前端小型化，近年来广泛地采用了基于射频rf-mems工艺的声学器件，其工作原理是将电磁波信号转换为机械波信号，由于机械波在固体中的传播速度(例如：单晶硅中波速为8,500m/s)比电磁波(例如：光速为299,792,458m/s)速度小5个数量级，对于相同频率的射频信号，声学器件的体积就可以远小于传统射频器件。
3.目前，研究较多的声学器件主要分为声表面波(surface acoustic wave，saw)器件和体声波(bulk acoustic wave，baw)器件两大类。baw器件是另一种广泛使用的声学器件，体声波与声表面波最大的不同是它在器件的内部传播而不是表面。由于体声波的能量被限制在压电层附近且与外界保持声学隔离，所以通常体声波器件的品质因数(q)会优于声表面波器件。又因为体声波器件具有一整块电极，在器件工作过程中振动对体波电极的影响远小于声表面波器件中振动对指条的影响，所以体波器件通常具有更高的功率容量。因此，通常采用体波器件制作谐振器。
4.现有的谐振器有硅上薄膜压电式体声波(tpos)谐振器。tpos谐振器具有尺寸小、功率容量高、插入损耗小、可在单片上实现多种频率输出以及合适的机电耦合系数等优点。然而，这种谐振器在进行机械振动时，会有很多的声波能量耗散到支撑台上去，使得谐振器的能量损耗较大，从而严重限制了该谐振器品质因数q的提高。因此，如何减小tpos谐振器的能量损耗，从而有效提高硅上薄膜压电式谐振器的品质因数，成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.基于此，本发明实施例提供一种微机电声波谐振器，以减小谐振器的能量损耗，提高谐振器的品质因数。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种微机电声波谐振器，包括：支撑台、绕线型减振外框、谐振体、输入电极和输出电极；
8.所述支撑台的上表面开设有台阶沉孔，下表面开设有与所述台阶沉孔贯通的镂空结构；所述镂空结构在所述上表面上的投影能够覆盖所述台阶沉孔；
9.所述绕线型减振外框位于所述台阶沉孔内且与所述支撑台固定；所述绕线型减振外框为封闭线框；
10.所述谐振体位于所述绕线型减振外框内且与所述绕线型减振外框固定；
11.所述输入电极和所述输出电极设置于所述支撑台的上表面，并分别通过金属导线
与所述谐振体连接；
12.所述金属导线沿着所述绕线型减振外框的轮廓布设。
13.可选地，所述谐振体，具体包括：谐振基底、压电薄膜、输入金属电极薄膜和至少两个输出金属电极薄膜；
14.所述输入金属电极薄膜和各所述输出金属电极薄膜均位于所述谐振基底上；所述输入金属电极薄膜与所述谐振基底的接触部分、所述输出金属电极薄膜与所述谐振基底的接触部分均设有所述压电薄膜；
15.所述输入金属电极薄膜通过第一金属导线与所述输入电极连接；各所述输出金属电极薄膜通过第二金属导线与所述输出电极连接；所述第一金属导线和所述第二金属导线均沿着所述绕线型减振外框的轮廓布设。
16.可选地，所述支撑台的上表面包括依次相接的第一台面、第二台面、第三台面和第四台面；
17.所述第一台面和所述第二台面相对设置；所述第三台面和所述第四台面相对设置；
18.所述输入电极设置于所述第一台面上；所述输出电极设置于所述第三台面上；
19.所述第一金属导线从所述输入金属电极薄膜靠近所述第二台面的一侧引出，沿所述绕线型减振外框的轮廓延伸，并与所述输入电极连接；
20.所述第二金属导线从各所述输出金属电极薄膜靠近所述第四台面的一侧引出，沿所述绕线型减振外框的轮廓延伸，并与所述输出电极连接。
21.可选地，所述支撑台，具体包括：由上到下依次设置的支撑基底、第一埋氧化层和衬底；
22.所述支撑基底开设有台阶沉孔；所述输入电极和所述输出电极均设置在所述支撑基底上。
23.可选地，所述绕线型减振外框的材质为p型掺杂硅。
24.可选地，所述谐振基底的材质为p型掺杂硅。
25.可选地，所述支撑基底的材质为p型掺杂硅；所述衬底的材质为纯净硅。
26.可选地，所述输入电极与所述支撑基底的接触部分、所述输出电极与所述支撑基底的接触部分均设置第二埋氧化层。
27.可选地，所述微机电声波谐振器，还包括：设置在所述支撑台上的地电极。
28.可选地，所述地电极包括第一地电极、第二地电极、第三地电极和第四地电极；
29.所述第一地电极和所述第二地电极设置在所述输入电极的两侧；所述第三地电极和所述第四地电极设置在所述输出电极的两侧。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.本发明实施例提出了一种微机电声波谐振器，通过设置封闭的绕线型减振外框，使得输入电极和输出电极均通过沿着绕线型减振外框布设的金属导线与谐振体连接，也即，本发明实施例中的走线方式为曲线型走线方式。相比现有技术中电极与谐振体之间采用直线型的走线方式，本发明实施例所提供的曲线型走线方式，使绕线型减振外框内存储更多的能量，减小谐振器的能量损耗，提高谐振器的品质因数。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明实施例提供的微机电声波谐振器的结构图；
34.图2为本发明实施例提供的微机电声波谐振器的俯视图；
35.图3为本发明实施例提供的数值方向的层结构示意图；
36.图4为现有的直线型的走线方式示意图。
37.符号说明：1、支撑台；1-1、衬底；1-2第一埋氧化层；1-3、支撑基底；2-1、第一地电极；2-2、第二地电极；2-3、第三地电极；2-4、第四地电极；3、输入电极；3-1、第二埋氧化层；4、绕线型减振外框；4-1、第一金属导线；4-2、第二金属导线；5、谐振体；5-1、输出金属电极薄膜；5-2、输入金属电极薄膜；5-3、谐振基底；5-4、压电薄膜；6、输出电极；7、谐振体电极。
具体实施方式
38.为了便于清楚描述本技术实施例的技术方案，在本技术的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一导电体和第二导电体仅仅是为了区分不同的导电体，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
39.需要说明的是，本技术中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
40.本发明的目的是提供微机电声波谐振器，以减小谐振器的能量损耗，提高谐振器的品质因数。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.实施例1
43.本实施例对微机电声波谐振器进行介绍。
44.请参见图1-图3，微机电声波谐振器示例性的包括：支撑台1、绕线型减振外框4、谐振体5、输入电极3和输出电极6。
45.支撑台1的一表面开设有台阶沉孔，与之相对的表面开设有与台阶沉孔贯通的镂空结构；可将开设有台阶沉孔的表面称为上表面，开设有镂空结构的表面，称为下表面。镂空结构在上表面上的投影能够覆盖台阶沉孔。
46.绕线型减振外框4位于台阶沉孔内且与支撑台1固定；绕线型减振外框4为封闭线框。
47.谐振体5位于绕线型减振外框4内且与绕线型减振外框4固定。
48.输入电极3和输出电极6设置于支撑台1的上表面，并分别通过金属导线与谐振体5连接；
49.金属导线沿着绕线型减振外框4的轮廓布设。
50.在一个示例中，绕线型减振外框4的材质可以选择《100》晶向的p型掺杂低阻硅。本领域技术人员可根据需要灵活设计绕线型减振外框4厚度的具体取值或取值范围，例如，绕线型减振外框4的厚度为10μm，或者其他值，在此不作赘述。
51.本领域技术人员还可根据需要灵活设计绕线型减振外框4宽度的具体取值或取值范围，例如，绕线型减振外框4的宽度可以为微机电声波谐振器产生的声波波长的1/16～1/4波长，或者其他范围，在此不作赘述。
52.在另一个示例中，本领域技术人员还可根据需要灵活设计谐振体5的宽度，例如，谐振体5的宽度可设置为420μm，谐振体5的长度可根据工艺和性能参数进行折衷选择，例如，长度可设置为180μm。
53.本实施例的微机电声波谐振器的实现原理为：利用压电层材料的压电特性，将电能转化为声能，为了产生声波的谐振，需将声波绝大部分限制在谐振体5生成的压电谐振堆中。根据传输线理论，当负载为无穷大或零时，入射波将产生全反射。在谐振体5上表面与空气交界，空气的声阻抗近似等于零，能自然形成良好的声波限制边界，谐振体5下表面因置于支撑台1的镂空结构上，形成悬空，构成了下表面声波限制边界。因此，声波在这两个界面之间发生反射，形成驻波振荡，此时的声波损耗最小，并由逆压电效应转化为电能。
54.通过设置封闭的绕线型减振外框4，使得输入电极3和输出电极6均通过沿着绕线型减振外框4布设的金属导线与谐振体5连接，实现了曲线型走线方式，相比现有技术中电极与谐振体5之间采用直线型的走线方式，用于实现曲线型走线方式的绕线型减振外框4内存储更多的能量，减小了谐振器的能量损耗，提高了谐振器的品质因数。
55.实施例2
56.本实施例重点介绍谐振体5。
57.请参见图1-图3，谐振体5示例性的包括：谐振基底5-3、压电薄膜5-4、输入金属电极薄膜5-2和至少两个输出金属电极薄膜5-1。其中，输入金属电极薄膜5-2和输出金属电极薄膜5-1构成谐振体电极7。
58.输入金属电极薄膜5-2和各输出金属电极薄膜5-1均位于谐振基底5-3上；输入金属电极薄膜5-2与谐振基底5-3的接触部分、输出金属电极薄膜5-1与谐振基底5-3的接触部分均设有压电薄膜5-4。
59.在本实施例中，前述的金属导线包括第一金属导线4-1和第二金属导线4-2。输入金属电极薄膜5-2通过第一金属导线4-1与输入电极3连接；各输出金属电极薄膜5-1通过第二金属导线4-2与输出电极6连接；第一金属导线4-1和第二金属导线4-2均沿着绕线型减振外框4的轮廓布设。
60.在一个示例中，输出金属电极薄膜5-1可为两个，其中一个输出金属电极薄膜5-1位于输入金属电极薄膜5-2的一侧，另一个输出金属电极薄膜5-1位于输入金属电极薄膜5-2的另一侧，这种排布方式便于走线。
61.本实施例中谐振体5形成金属电极薄膜-压电薄膜-谐振基底的压电谐振堆，输入金属电极薄膜5-2与输入电极3连接，能够基于逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振，输出金属电极薄膜5-1与输出电极6电连接，能够基于正压电效应将产生的声波信号转换成电信号进行输出。绕线型减振外框4可以有效地吸收从谐振体5耗散出来的声波能量，从而
减少声波能量传播到谐振基底5-3中去。
62.在另一个示例中，为了保证输入金属电极薄膜5-2与谐振基底5-3的接触部分具有压电薄膜5-4，可以在输入金属电极薄膜5-2的下底面设置压电薄膜5-4，也可以在谐振基底5-3的上表面设置压电薄膜5-4，压电薄膜5-4的设置方式不做限定，只要保证输入金属电极薄膜5-2与谐振基底5-3相接触的部分具有压电薄膜5-4即可。
63.在又一个示例中，为了保证输出金属电极薄膜5-1与谐振基底5-3的接触部分具有压电薄膜5-4，可以在输出金属电极薄膜5-1的下底面设置压电薄膜5-4，也可以在谐振基底5-3的上表面设置压电薄膜5-4，压电薄膜5-4的设置方式不做限定，只要保证输出金属电极薄膜5-1与谐振基底5-3相接触的部分具有压电薄膜5-4即可。
64.另外，谐振基底5-3的材质可以选择材质为《100》晶向的p型掺杂低阻硅；金属电极薄膜的长度方向对准晶圆的《110》晶向，本领域技术人员可根据需要灵活设计谐振基底5-3厚度的具体取值或取值范围，例如谐振基底5-3的厚度为10μm，或者其他值，在此不作赘述。
65.压电薄膜5-4的材质可以为任何合适的压电材料，本领域技术人员可根据工艺和性能参数进行选择，例如，压电薄膜5-4可采用氮化铝；本领域技术人员可根据需要灵活设计压电薄膜5-4厚度的具体取值或取值范围，例如，厚度为0.5μm。
66.金属电极薄膜可以为任何合适的金属材料，本领域技术人员可根据工艺和性能参数进行选择，例如，金属电极薄膜采用掺杂的金属铝和金属铬，其中金属铝薄膜厚1μm，金属铬薄膜厚0.02μm。
67.实施例3
68.本实施例重点介绍输入电极3、输出电极6及金属导线的分布。
69.支撑台1的上表面示例性的包括依次相接的第一台面、第二台面、第三台面和第四台面。
70.第一台面和第二台面相对设置；第三台面和第四台面相对设置。
71.输入电极3设置于第一台面上；输出电极6设置于第三台面上。
72.第一金属导线4-1从输入金属电极薄膜5-2靠近第二台面的一侧引出沿绕线型减振外框4的轮廓与输入电极3连接。
73.第二金属导线4-2从各输出金属电极薄膜5-1靠近第四台面的一侧引出沿绕线型减振外框4的轮廓与输出电极6连接。
74.在一个示例中，支撑台1上还设有地电极。
75.请参见图2，地电极可示例性的包括第一地电极2-1、第二地电极2-2、第三地电极2-3和第四地电极2-4。
76.第一地电极2-1和第二地电极2-2设置在输入电极3的两侧；第三地电极2-3和第四地电极2-4设置在输出电极6的两侧。
77.具体的，输入电极3的一侧设有第一地电极2-1，另一侧设有第二地电极2-2；输出电极6的一侧设有第三地电极2-3，另一侧设有第四地电极2-4。
78.实施例4
79.本实施例重点介绍支撑台1。
80.支撑台1示例性的包括：由上到下依次设置的支撑基底1-3、第一埋氧化层1-2和衬底1-1。
81.支撑基底1-3开设有台阶沉孔；第一埋氧化层1-2和衬底1-1开设有与台阶沉孔贯通的镂空结构；镂空结构在上表面上的投影能够覆盖台阶沉孔。输入电极3和输出电极6均设置在支撑基底1-3上。
82.在一个示例中，输入电极3与支撑基底1-3的接触部分、输出电极6与支撑基底1-3的接触部分均设置第二埋氧化层3-1。
83.具体的，为了保证输入电极3与支撑基底1-3的接触部分具有第二埋氧化层3-1，可以在输入电极3的下底面设置第二埋氧化层3-1，也可以在支撑基底1-3的上表面设置第二埋氧化层3-1，第二埋氧化层3-1的设置方式不做限定，只要保证输入电极3与支撑基底1-3相接触的部分具有第二埋氧化层3-1即可。
84.为了保证输出电极6与支撑基底1-3的接触部分均设置第二埋氧化层3-1，可以在输出电极6的下底面设置第二埋氧化层3-1，也可以在支撑基底1-3的上表面设置第二埋氧化层3-1，第二埋氧化层3-1的设置方式不做限定，只要保证输出电极6与支撑基底1-3相接触的部分具有第二埋氧化层3-1即可。
85.在另一个示例中，支撑基底1-3的材质可以选择材质为《100》晶向的p型掺杂低阻硅；p型掺杂低阻硅作为信号接地层与地电极直接连接，本领域技术人员可根据需要灵活设计支撑基底1-3厚度的具体取值或取值范围，例如支撑基底1-3的厚度为10μm，或者其他值，在此不作赘述。
86.衬底1-1的材质可以选择具有良好稳定性的纯净硅，本领域技术人员可根据需要灵活设计衬底1-1厚度的具体取值或取值范围，例如衬底1-1的厚度为400μm，或者其他值，在此不作赘述。
87.第一埋氧化层1-2和第二埋氧化层3-1的材质可以为任何合适的绝缘材料，本领域技术人员可根据工艺和性能参数进行选择，例如，第一埋氧化层1-2和第二埋氧化层3-1的材质可采用二氧化硅；此外，第一埋氧化层1-2和第二埋氧化层3-1的厚度也可灵活选择，例如厚度为1μm。
88.上述所有实施例均具有如下优点：
89.传统的微机电声波谐振器，电极与谐振体之间采用直线型的走线方式，如图4所示，这样会造成很强的声波能量损耗。而本实施例设置绕线型减振外框，采用绕线型减振外框进行走线，如图2所示，这种曲线型走线方式，根据隔振原理可以更加有效地存储谐振体耗散出来的机械能量，以减少谐振器的能量损耗，进而增强谐振器的可靠性和品质因数。并且，仅设置一个绕线型减振外框即可实现，加工工艺也更加简单。
90.实施例5
91.本实施例对微机电声波谐振器的制备方法进行介绍。
92.具体制备过程如下：
93.a、准备支撑台1，由底层到顶层包含400μm厚的衬底1-1、1μm厚的第一埋氧化层1-2和10μm厚的支撑基底1-3；其中，衬底1-1采用硅，第一埋氧化层1-2采用二氧化硅薄膜；支撑基底1-3采用p型掺杂硅。
94.b、最顶层的支撑基底1-3掺杂磷形成导电层，可做为地电极使用。
95.c、热氧化支撑基底1-3，光刻加热形成1μm厚的第二埋氧化层3-1，光刻成形得到绝缘层。
96.d、在支撑基底1-3上沉积金属电极薄膜：沉积0.02μm厚的铬和1μm厚的铝，光刻得到金属走线、输入电极3和输出电极6；金属电极薄膜采用铝和铬掺杂的薄膜。
97.e、对沉积有金属电极薄膜的支撑基底1-3刻蚀光刻得到输入金属电极薄膜5-2和输出金属电极薄膜5-1，输入金属电极薄膜5-2和输出金属电极薄膜5-1之间具有压电薄膜5-4，得到谐振器；压电薄膜5-4的材质采用氮化铝。
98.f、对支撑基底1-3进行光照和刻蚀，得到绕线型减振外框4；绕线型减振外框4为封闭线框。
99.g、涂抹顶层保护层聚酰亚胺作为底部沟槽刻蚀时的前端保护材料。
100.h、支撑台1刻蚀：采用深反应离子刻蚀法(deep reactive ion etching，drie)刻蚀衬底1-1，采用反应离子刻蚀法(reactive ion etching，rie)刻蚀第一埋氧化层1-2，使谐振器悬空。
101.i、释放保护层和去除氧化硅层，得到硅上薄膜压电式体声波谐振器，即微机电声波谐振器。
102.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
103.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。