[发明专利]一种频率可切换的微机械谐振器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种频率可切换的微机械谐振器及制备方法，属于射频微机电(RF MEMS)技术领域。 

背景技术

现代数字系统朝着小尺寸低功耗的方向发展，要求可集成的谐振器取代传统石英作为时钟源(RTC)。通常，高品质因子(Q)的微机电(MEMS)谐振器被认为是未来理想的时钟器件【参见“C.T.-C.Nguyen，MEMS Technology for Timing and Frequency Control，IEEE Trans.Ultrason.，Ferroelect.，Freq.Contr.，Vol.54，no.2，pp.251-270，Dec.2007”】。近年来，国内外微机械谐振器研究取得了一些突破，其中微机械圆盘谐振器的谐振频率达到特(超)高频中段(UHF range)，Q值也已经超过了10000，这使它能够应用于无线通信系统的滤波电路和高Q值参考振荡电路【参见“J.R.Clark，W.T.Hsu，M.A.Abdelmoneum，and C.T.-C.Nguyen，High-Q UHF Micromechanical Radial-Contour Mode Disk Resonators，J.Microelectromech.Syst.，Vol.14，pp.1298-1310，2005”】。 

射频谐振器是射频电路的基本元件，广泛应用于滤波、振荡和可调放大等电路以及频率计中。像其它射频谐振器一样，它可以应用在无线通信领域中，如射频收发系统、卫星定位系统以及雷达通信系统等。相比其它射频谐振器，微机械圆盘谐振器具有高Q(储能与耗能之比)值、小型化、轻量化、智能化、低功耗和低成本特点，满足目前的移动通信手机、英特网商务无线接入系统、蓝牙系统、全球定位系统等提出的要求。近年来，国内外微机械圆盘谐振器研究取得了一些突破，振动微机械圆盘谐振器的谐振频率被提高到特(超)高频中段(mid-UHF range)，Q值也已经超过了10000，这使它能够应用于无线通信手持设备的滤波电路和高Q值参考振荡电路。 

目前微机械谐振器主要采用电容式的工作方式，通过驱动电极的静电力来驱动谐振结构，并通过检测电极感应输出来实现信号的处理。为了实现更高频率，减小谐振器尺寸是常用的方法。小尺寸结构将导致电容式谐振器的驱动力和感应力变小，对谐振器的信号强度造成不利影响，带来很大的插入损耗。另一方面小尺寸的器件结构要求很高的加工精度，特别是目前器件的工艺要求降低到亚微米级及纳米级尺度，传统的加工手段如光刻等难以满足要求。如多次套刻带来的精度偏差将使谐振器锚点位置产生偏差，这将带来很大的能量损耗，而电极和谐振盘的纳米级间距也难以通过普通光刻精度控制，而离子束曝光等亚微米尺度加工技术的成本太高，急需一种有助于克服上述缺点的谐振器结构和加工技术。当谐振频率在数百MHz至数GHz时，谐振子的尺寸将减小到亚微米、甚至纳米尺度，维度和尺度效应会导致很多限制：(1)严重的表面效应，(2)锚点不理想产生的支撑端损失，等等。因此，在提高谐振频率的同时如何保持高Q是微纳谐振器件研究的首要问题。 

另外，为降低功耗，数字系统在空闲时切换至低功耗或者休眠模式，需要系统时钟可快速切换频率。目前的技术是通过PLL电路倍频实现调节，系统复杂，成本高。本发明提出了一种新型圆盘谐振器，利用其面内振动的多种模态，实现频率快速切换。回音壁模态(Whisperinggallerymodes，WGM)是圆盘结构的一种高阶振动模态，声波只在圆周的边缘反弹，不进入圆心，大幅降低了锚点损耗，提高了Q值【参见“L.Rayleigh，The Problem ofthe Whispering Gallery，Philos.Mag.20，pp.1001，1910”】。因此，采用这种具有高频高Q值的新型谐振器构成的振荡器，相位噪声小，频率切换可通过改变电极连接方式实现，不需要PLL电路，大幅降低了系统功耗。 

与传统CVD生长结构层的材料的制作工艺相比，采用SOI硅片制造MEMS谐振器，可以减少材料本证损耗，提高谐振器Q值；而且可以弥补CVD无法生长较厚薄膜的缺陷；另外还使工艺的复杂程度大幅降低，成本下降。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种频率可切换的圆盘谐振器，通过改变驱动电极的连接方式，改变谐振频率；同时提出这种谐振器基于SOI的制作方法。 

为达到上述目的，本发明提出一种频率可切换的微机械谐振器，其包括： 

中柱； 

可动结构，其由连接至其质心的中柱支撑；