基于体声波振动模态耦合的RF-MEMS谐振器的制作方法

本发明涉及射频微机电系统rf-mems领域，尤其涉及基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器。

背景技术：

下一代无线移动通信系统呈现出小型化、低功耗、多频带、多模式、多功能的特点。射频前端系统由多种射频器件组成，能够对射频信号进行预处理，是移动通信系统的重要核心结构。随着5g移动通信技术的运用，收发系统的射频前端需要覆盖多种不同的频带，以适应不同的应用标准，导致射频前端系统设计更为复杂，迫切需要大量高性能、高集成度和低功耗的的射频器件。传统射频前端收发系统所采用的射频谐振器件主要包括石英晶振、声表面波(saw)滤波器、薄膜体声波谐振器(fbar)、陶瓷滤波器、lc谐振电路等。然而，传统射频器件在体积、性能、功耗等方面存在诸多限制因素，无法满足未来无线通信系统的发展需求，如陶瓷滤波器为片外分立元件，占用空间大，难以实现单片集成；lc谐振电路和saw滤波器q值低，插入损耗大；fbar的谐振频率由厚度决定，难以实现多谐振模态，且薄膜厚度难以精确控制；石英晶振谐振频率低，需外加倍频电路，功耗较大。mems谐振器件具有高频率、高q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是未来无线通信系统的理想选择之一，具有极大的应用潜力。

高频率、高q值、低动态电阻、低驱动电压是mems谐振器的主要性能指标。高频率有助于开发更高的频段资源，适应移动通信技术的发展需求；高q值能够降低器件的插入损耗，放宽后端电路的增益需求，降低系统功耗；低动态电阻便于实现谐振器件与射频电路阻抗匹配、单片集成；低驱动电压可降低器件对外围电路的依赖，便于与其他模块集成，推动器件的实用化。

硅基mems谐振器具有高q值、与ic工艺兼容性好等优势，但机电耦合系数较低，动态电阻大，难以与射频网络相匹配，现有的提高偏置电压、采用固态介质等方法，存在容易击穿、工艺复杂等问题，改善程度有限。单一谐振结构下，机电转换面积有限，需要高驱动电压激励器件振动，阻碍了器件的实用化进展。此外，由于馈通信号所导致的寄生效应掩盖了真实的谐振信号，造成频谱失真。利用后端电路消除馈通、抑制寄生会增加电路复杂度，增加系统功耗。因此，迫切需要开发高频率、高q值、低阻抗、低馈通、低驱动电压的高性能硅基mems谐振器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明提出了基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器，包括：

至少两个呈环状的谐振单元，形成阵列化排布，工作在体声波振动模态；

耦合梁，所述耦合梁的两端分别与相邻两个所述谐振单元相连，所述耦合梁与所述谐振单元的连接点为耦合梁的最大振幅处；所述耦合梁工作在长度拉伸模态下，所述耦合梁的本征频率与所述谐振单元的本征频率相同，用于实现模态耦合及能量传递；

支撑结构，设置于所述耦合梁下方，且对应所述耦合梁最小振幅的位移节点处，使所述谐振单元处于悬空；

电极，设置于所述谐振单元环内侧和/或环外侧，对所述谐振单元进行驱动和检测；

介质层，设置于所述谐振单元与电极之间，作为机电转换的换能介质。

从上述技术方案可以看出，本发明的基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

1、基于体声波振动模态特点与模态耦合，实现高q值呼吸模态谐振器，提高机电转换效率，降低插入损耗，减小驱动电压，利用该谐振器可构建多种高性能谐振元件，提高rf-mems谐振器的实用性；

2、基于体声波振动模态特性，在该谐振器内可实现自差分驱动/检测功能，抑制馈通信号，提高信噪比，可应用于多种射频信号处理模块中，大幅简化射频收发端系统结构，进一步提升射频前端系统的微型化、集成化。

附图说明

图1为本发明实施例的基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器总体结构示意图；

图2为本发明谐振单元圆环呼吸模态示意图；

图3a为本发明实施例1差分驱动/差分检测的一维谐振器结构示意图；

图3b为本发明实施例1差分驱动/差分检测的一维谐振器模态示意图；

图4a为本发明实施例2单路驱动/单路检测的环状谐振器结构示意图；

图4b为本发明实施例2单路驱动/单路检测的环状谐振器模态示意图。

附图标记说明：

1.谐振单元；2.耦合梁；3.电极；4.介质层；5.支撑梁；6.基座；7.正相输入电极；8.反相输入电极；9.驱动电极；10.正相输出电极；11.反相输出电极；12.检测电极；13、14.谐振器的模态；15.圆环呼吸模态；16.bias-t结构。

具体实施方式

本发明提出的基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器，能够实现以下技术要求：

1、获得高频率和高q值的同时，提高机电转换效率，降低动态电阻，改善器件插入损耗，提高电极驱动面积，降低驱动电压；

2、实现馈通信号的器件内自消除，降低寄生所引起的频谱失真，提高信噪比。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器，其基本结构请参阅图1。基于体声波振动模态耦合的rf-mems谐振器包括：至少两个呈环状的谐振单元1，形成阵列化排布，工作在体声波振动模态；耦合梁2，耦合梁2的两端分别与相邻两个谐振单元1相连，耦合梁2与谐振单元1的连接点为耦合梁2的最大振幅处；耦合梁2工作在长度拉伸模态下，耦合梁2的本征频率与谐振单元1的本征频率相同，用于实现模态耦合及能量传递；支撑结构，设置于耦合梁2下方，且对应耦合梁2最小振幅的位移节点处，使谐振单元1处于悬空；电极3，设置于谐振单元1环内侧和/或环外侧，对谐振单元1进行驱动和检测；介质层4，设置于谐振单元1与电极3之间，作为机电转换的换能介质。

其中，工作在结构整体发生拉伸和/或挤压形变的体声波振动模态下的谐振单元1是谐振器的关键组件，其外形呈环状；谐振单元呈环状，增加了谐振单元1与电极3之间的作用面积，提高了机电耦合系数；更具体的，在不同实施例中，谐振单元1的几何结构可以是圆环、方形环、三角形环、多边形环中的至少一种；材料可选用多晶硅、单晶硅、sic、金刚石、iii-v族半导体、压电材料中的一种。

本发明的设计，谐振单元1工作在体声波振动模态下，具有高刚度，易于实现高频率；对空气阻尼不敏感，热弹性损耗效应不明显，易于实现高q值的效果。

其中，谐振单元1的体声波振动模态包括：

呼吸模态：环整体向同一方向振动；

轮廓模态：环外侧和环内侧振动方向相反，环中部存在位移节点区域；

回音壁模态：环内侧和环外侧均匀分布有多个位移节点，位移节点两侧区域的振动方向相反；

由于体声波振动模态的振动特点，可以通过环内外电极的设计增大电极驱动面积，降低驱动电压，并根据电极位置的灵活设置可实现谐振器自差分驱动和检测。体声波振动模态具有高刚度，可实现高谐振频率，且在振动过程中保持体积不变，热弹性损耗低，q值高，是构建谐振单元阵列的优良选择。图2给出了圆环呼吸模态15示意图。

其中，耦合梁2，为相邻谐振单元1之间的连接组件，与谐振单元1的连接位置对应耦合梁2的最大振幅处，用以实现模态耦合及能量传递；耦合梁2的振动模态为长度拉伸模式，属体声波振动模态，本征频率与谐振单元1相同；耦合梁2内存在位移节点，对应耦合梁2最小振幅处；耦合梁2的结构变量可以是直梁、弯曲梁、折叠梁、梁-框架复合结构中的至少一种；耦合梁2材料可选用多晶硅、单晶硅、sic、金刚石、iii-v族半导体、压电材料中的一种；

其中，耦合梁2与谐振单元1经由模态耦合，通过多种灵活的组合排布实现谐振单元1的阵列化，使得电极与谐振器之间的覆盖面积增加，机电转换系数提高，从而减小动态电阻。具体而言，谐振器所包含的谐振单元1和耦合梁2的结构变量(即几何结构)、尺寸参数(如圆环谐振单元对应的环内、外径，矩形耦合梁对应的长、宽)、体声波振动模态类型分别至少为一种；相邻两个谐振单元1之间的耦合梁2结构变量至少为一种，数量至少为一个，由此形成多种组合排布；

其中，谐振器的拓扑形状可以是：一维结构，谐振单元1和耦合梁2单向相连排布；二维结构，在一维结构的基础上，通过耦合梁2将不同一维结构中的相邻的谐振单元1相连拓展形成矩形阵列；环状结构，谐振单元1通过耦合梁2两两相连，首尾相接形成闭合环状；

其中，电极3分布在谐振单元1的环内侧或环外侧，二者之间存在纳米级介质层4。根据谐振单元1的模态分布特点，可在谐振单元1的环内、外侧均设置电极，从而增大电极3与谐振器之间的面积，降低驱动电压。结合谐振器的拓扑结构，在输入输出端可灵活选择电极的单路或差分模式。本发明可灵活选择电极的驱动/检测配置方案，实现低电压工作及器件内自差分驱动/检测功能，降低后端电路复杂度与功耗，消除馈通。

单路模式下，驱动电极和检测电极同时分布在谐振单元的同侧(环外侧或环内侧)；

差分模式下，驱动电极和检测电极分别同时分布在谐振单元环内侧和环外侧，且环内侧和环外侧的电极反相，将环内侧与环外侧的反相的机械信号转换为差分电学信号，抑制馈通，提高信噪比。

其中，纳米级介质层4配置为机电转换的换能介质。根据谐振器材质和动态电阻的需要，介质层的厚度可以在0至几百纳米的范围内进行调整，填充材料可以是空气、固态介质或者空气与固态介质形成的混合介质等，其中，固态介质为sinx、hfo2、复合介质材料等。

其中，模态匹配的支撑结构使整个阵列结构悬空，其中支撑梁5一端与耦合梁2的位移节点相连，另一端固定在基座6上。支撑梁5的数目至少为一个，分布在耦合梁2的单侧或对侧；支撑梁可以是单梁或复合梁，形状是矩形、环形、弧形中的至少一种。体声波振动模态下的谐振单元及耦合梁相耦合，所引起的模态畸变程度小，在耦合梁内引入位移节点即耦合梁的最小振幅处，便于支撑结构设计，降低支撑损耗；并能扩大谐振器规模，进一步提高机电耦合系数，大幅降低动态电阻，改善插入损耗。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

请参阅图3，本实施例提供一种一维的圆环呼吸模态rf-mems谐振器，结构如图3a所示，谐振器的模态13如图3b所示。

谐振单元1和耦合梁2组成一维阵列。

其中，谐振单元1工作在呼吸模态下，材料为单晶硅。

耦合梁2为长度拉伸模态，耦合梁2的材料与谐振单元1相同。

电极3配置为差分驱动/差分检测，包括驱动电极9与检测电极12。其中，驱动电极9由正相输入电极8和反相输入电极7构成；检测电极12由正相输出电极10和反相输出电极11构成，提取谐振器的机械差分信号。电极材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。

bias-t(t型偏置器)结构16用于为谐振器提供偏置电压，同时施加和提取交流信号。

介质层4的填充物为空气，厚度为80nm。

支撑结构5一端与耦合梁2的位移节点位置相连，另一端与基座6相连，结构为矩形，模态为一阶弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同，材料与之相同。

实施例二

请参阅图4，本实施例提供一种环状的圆环呼吸模态rf-mems谐振器，结构如图4a所示，谐振器的模态14如图4b所示。

谐振单元1和耦合梁2组成环状结构。

其中，谐振单元1工作在呼吸模态下，材料为sic。

耦合梁2工作在长度拉伸模态梁下，材料与1相同。

电极3配置为单路驱动/单路检测，包括驱动电极9与检测电极12。电极材料可以是金属、低阻的单晶硅、多晶硅等。

介质层4的填充物为sinx，厚度为40nm。

支撑结构5一端与耦合梁2的位移节点位置相连，另一端与基座6相连，结构为矩形，模态为一阶弯曲模态，谐振频率与谐振单元1相同，材料与之相同。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。