[发明专利]一种微机械谐振器、其制备及频率微调校正方法

说明书

本发明公开了一种微机械谐振器、其制备及频率微调校正方法。所述微机械压电谐振器包含带有空腔结构的衬底硅片、谐振振子、调频层、封装薄膜层和金属焊盘结构。采用圆片级真空封装方法，将衬底硅片凹腔、谐振振子、调频等结构密封在真空腔室中。本发明所提出的压电谐振器的频率微调方法，采用控制主机实时监测谐振器频率的变化，通过调节通入悬空调频层或者是辅助调频结构表面调频层电流的大小，将频率微调至目标频率；并通过自动测试探针台控制总线，自动移动探针台测试平台的位置，实现微机械谐振器的圆片级自动化频率微调。本发明实现了微机械谐振器的圆片级真空封装以及封装后频率的精确微调，方法简单且高效，为微机械谐振器的实用化和商业化提供了技术支撑。

技术领域

本发明属于微机械传感器领域，具体涉及一种压电微机械谐振器、其制备方法和频率微调校正方法。

背景技术

谐振器是指产生谐振频率和频率控制的电子元件。作为产生时间和频率的基准，谐振器在消费电子、汽车电子、工业控制以及无线通讯领域都有着广泛的应用。利用微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术制作的微机械谐振器具有尺寸小，功耗低，品质因子（Q值）高、与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS）电路制作工艺兼容性好等优点，在工业领域的需求与日俱增。

根据机电耦合换能方式不同，目前MEMS谐振器主要有电容式和压电式谐振器两类。与电容MEMS谐振器相比，压电式MEMS谐振器具有较高的机电耦合系数，较低的动态阻抗，不存在电容式MEMS谐振器所需要的窄的电容间隙，易于批量制造，工艺均匀性好等优点。因而，压电式MEMS谐振器具有良好的应用前景。近年来随着MEMS压电式谐振器技术的不断发展，特别是基于氮化铝薄膜材料MEMS技术的逐渐成熟，压电MEMS谐振器已成为研究的热点。

真空封装是MEMS谐振器的实用化和商业化的关键因素之一。真空封装不仅可以保护微机械谐振器的可动结构免受外界的物理损伤，保证器件的长期稳定性及可靠性，同时真空封装也可以消除空气阻尼引起的能量损耗，提高微机械谐振器的Q值。目前，MEMS谐振器的圆片级封装技术主要分为两类。一种是基于薄膜沉积和牺牲层腐蚀的薄膜封装技术；另一种是基于键合的真空封装技术。基于键合技术的封装方法是一种比较传统的真空封装技术，其工艺成熟，封装材料的选择性广，盖板圆片与器件圆片可以分开并同时加工，制作效率高，但是由于其成本高昂，且在MEMS器件结构和材料趋于复杂化和尺寸微型化的情况下，键合封装技术难以实现电学互联及重布线以及微小尺寸的封装。薄膜封装技术是另外一种比较成熟的圆片级真空封装方法，具有封装尺寸小、易于实现电学互联及重布线、可靠性稳定性好等优点，同时该封装技术可明显降低器件成本。

此外，初始频率的一致性是实现MEMS谐振器商业化的另一个关键要素。为保证MEMS谐振器初始频率的一致，提高MEMS谐振器的成品率，除了需要严格控制加工工艺外，还需要采用封装后频率微调的方法对MEMS谐振器的初始频率进行微调和补偿。

MEMS谐振器的谐振频率（f₀）主要由其几何尺寸、振动模态和结构材料特性(如杨氏模量E和密度ρ)所决定。从更基本的角度来看，谐振频率由MEMS谐振器的有效刚度k_eff与有效质量m_eff决定：

（1）

由于MEMS制造技术存在固有的制造公差，会引起谐振器构件尺寸以及结构产生微小变化，使得谐振器的有效质量和有效刚度发生变化，从而引起谐振频率的偏移。此外，由于器件层材料密度或杨氏模量不均匀，也会引起MEMS谐振器的初始谐振的变化。一般，由于加工误差或者材料特性差异等引起的MEMS谐振器的初始频率波动在1%左右。在MEMS谐振器实用化过程中需要其初始频率的波动在0.1%以内，甚至是0.01%以内。因此，频率微调是实现MEMS谐振器商业化的另一个关键技术。