[发明专利]基于绝缘材料振动块的MEMS谐振器

说明书

技术领域

本发明属于电子科学技术领域，涉及微机械系统(MEMS)器件，尤其是MEMS谐振器。

背景技术

目前研究较广也较为成熟的MEMS谐振器类型为静电驱动电容式MEMS谐振器。它具有体积小、低功耗、与IC工艺兼容的特点，使得在小型化系统中呈现极好的发展前景。这种MEMS谐振器的振动块通常采用导电材料(主要为掺杂多晶硅)制造，谐振器的输入能量转换结构(电容)和输出能量转换结构(电容)都与导电材料振动块直接相连，因此谐振器的输入与输出之间直接存在着一个可传输信号的电容结构(通常称之为直通电容)，它的存在会使得部分输入的电能信号，未经过谐振器转换为机械能而后再转化为电能信号输出，而是直接从输入端经过直通电容被传递到输出端，降低了谐振器工作的能量转换效率；同时由于直通电容的存在，谐振器几乎允许输入信号的各频率分量大部分通过，这样的结果使谐振器的选频特性变差，导致输出的杂散量增多。当这种谐振器作为振荡器的一部分来工作时，一旦直通电容大到一定程度，未经选频的信号会淹没系统所需要的选频信号，导致振荡器无法工作。若采用上述的谐振器来构造通信系统或者雷达系统中常用的振荡器和滤波器等器件，势必会对系工作性能造极其不利的影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有静电驱动电容式MEMS谐振器采用导电材料制作振动块，输入输出端之间存在直通电容，从而导致的谐振器能量转换效率较低、选频特性较差的技术问题，提供一种基于绝缘材料振动块的MEMS谐振器。本发明提供的MEMS谐振器从器件结构的物理实现上尽量降低输入输出端之间直通电容的影响，能够提高谐振器的能量转换效率，使其具有更好的选频特性，并抑制谐振器的输出杂散。

本发明技术方案如下：

基于绝缘材料振动块的MEMS谐振器，其结构如图1至图3所示，包括一个绝缘材料制作的振动块1，所述振动块1采用四个对角旋转对称分布的支撑锚点2-1、2-2、2-3和2-4架空设置在衬底基片上；任意两个支撑锚点之间的振动块1的侧面沉积有金属层作为谐振器输入输出端换能电容的一个内电极3-1、3-2、3-3和3-4，每个支撑锚点2-1、2-2、2-3或2-4表面设置有一个谐振器直流驱动电压输入端5-1、5-2、5-3或5-4，每个谐振器直流驱动电压输入端5-1、5-2、5-3或5-4与对应谐振器输入输出端换能电容内电极3-1、3-2、3-3或3-4电气连接；与每个谐振器输入输出端换能电容内电极3-1、3-2、3-3或3-4对应位置的基片表面设置有一个谐振器输入输出端换能电容外电极4-1、4-2、4-3或4-4，每个谐振器输入输出端换能电容内电极3-1、3-2、3-3或3-4与对应一个谐振器输入输出端换能电容外电极4-1、4-2、4-3或4-4形成一个换能电容；所述谐振器还包括四个输入输出端口7-1、7-2、7-3和7-4，每个输入输出端口7-1、7-2、7-3或7-4各自对应采用一段导电材料6-1、6-2、6-3或6-4与对应的谐振器输入输出端换能电容外电极4-1、4-2、4-3或4-4电气连接。

进一步的，本发明提供的绝缘材料振动块的MEMS谐振器，为了跟IC工艺兼容，所述绝缘材料振动块可采用二氧化硅或氮化硅材料制作，其形状可以是方块状或圆盘状；所述四个对角旋转对称分布的支撑锚点2-1、2-2、2-3和2-4可采用二氧化硅或氮化硅材料制作。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于绝缘材料振动块的MEMS谐振器，其实质是摒弃MEMS谐振器振动块采用导电材料制作的常规思路，将振动块采用绝缘材料制作，在这种情况下，谐振器输入的电信号无法直接经由直通电容而传输至输出端，而是通过谐振器先转换为机械信号，再通过能量转换结构(电容)转换为电信号输出，从而尽量降低输入输出端之间直通电容的影响，提高谐振器的能量转换效率，使其具有更好的选频特性，并抑制谐振器的输出杂散。同时，每个谐振器直流驱动电压输入端5-1、5-2、5-3或5-4为对应的谐振器输入输出端换能电容内电极3-1、3-2、3-3或3-4提供单独的驱动电压，使驱动电压分布更均匀，其产生的作用力可更匀称的作用于绝缘振动块。

附图说明

图1为本发明提供的基于绝缘材料振动块的MEMS谐振器的俯视结构示意图。

图2为图1中A-A连线截面示意图。

图3为图1中B-B连线截面示意图。

图4为本发明提供的基于绝缘材料振动块的MEMS谐振器能量转换电路图。

图5为传统谐振器等效电路图。