[发明专利]一种微机械谐振器及其制备方法

说明书

本发明属于微电子技术领域，公开了一种微机械谐振器及其制备方法。微机械谐振器包括衬底硅片和谐振器结构，谐振器结构包含谐振振子和支撑梁，衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接，支撑梁与谐振振子的边界连接，支撑梁与谐振振子的连接部分是在厚度方向上尺寸变化的结构。本发明能够有效减少锚点损耗，提高谐振器的Q值。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更具体地，涉及一种微机械谐振器及其制备方法。

背景技术

微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)是基于半导体微纳加工技术制造出来的一种微型化机械器件或系统，具有体积小、重量轻、功耗低、价格低廉、与集成电路制造工艺兼容等优点。微机械谐振器是一种以微机械结构为主体的器件，其工作方式是当谐振器受到外界物理信号的激励时，驱动信号频率与系统固有频率相等时，系统的机械结构就会在其固有频率附近发生谐振，系统振幅达到最大，所产生的谐振信号再转换成其他物理信号输出。由于微机械谐振器在固有频率处的振幅最大，能量转换效率最高，微谐振器通过机械振动实现了机械选频。近年来，基于微机械谐振器的振荡器、滤波器、双工器已经广泛应用于无线通信领域。此外，在精密检测领域，微机械谐振器也有着广阔的应用市场。

微机械谐振器主要的性能参数包括谐振频率、品质因数(Q值)、动态阻抗以及频率温度系数等。Q值是用来衡量微机械谐振器的能量损耗情况的主要性能参数，高Q值可以提高微机械谐振器的频率选择性，同时降低动态阻抗，减小系统的相位噪声，从而提高微机械谐振器的频率稳定性，是高性能微机械谐振器实用化和商业化的核心要素。

影响微机械谐振器Q值的能量损耗机制主要有四部分：空气阻尼损耗(Q_air)，热弹性损耗(Q_TED)，材料损耗(Q_material)，锚点损耗(Q_anchor)，即

其中，空气阻尼损耗是指微机械谐振器振动过程中受到空气的粘滞阻尼而引起的能量耗散。空气阻尼损耗可以通过圆片级或者芯片级真空封装的方法消除。材料损耗是由于材料内部的声子-声子以及声子-电子相互作用引起的能量损耗，对于理想的单晶硅材料，其材料损耗可忽略不计。热弹性损耗是由谐振器振动过程中产生的热梯度引起的，热梯度导致谐振器材料中产生热量流动，从而引起机械能量损耗。锚点损耗是影响微机械谐振器Q值的重要能量损耗机制，微机械谐振器谐振时的横向机械波在谐振器边界处没有被完全反射回来，而是通过支撑结构传输到了衬底，从而引起能量损耗。如何减少锚点损耗，进而提高谐振器的Q值是本领域需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微机械谐振器及其制备方法，以有效地减少锚点损耗，进而提高谐振器的Q值。

本发明提供一种微机械谐振器，包括：衬底硅片和谐振器结构，所述谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；所述衬底硅片具有空腔结构，所述谐振振子悬空于所述衬底硅片的所述空腔结构的上方，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接；所述支撑梁与所述谐振振子的边界连接，所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分是在厚度方向上尺寸变化的结构。

优选的，所述支撑梁与所述谐振振子的连接部分在厚度方向上是渐变的结构；所述支撑梁的上表面、所述支撑梁的下表面，或者所述支撑梁的上表面和下表面，相对于所述谐振振子的表面具有非平面的几何结构，所述非平面的几何结构为凹陷或凸起的几何结构。

优选的，所述支撑梁的横截面为矩形、梯形、圆形、椭圆形、弓形中的一种或者多种的任意组合；所述谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合。

优选的，所述支撑梁位于振动节点的位置，所述支撑梁的数目为一个或多个。

优选的，所述微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。