当前课程知识点：MEMS与微系统 > 第六章 RF MEMS > 第7小节 MEMS谐振器的制造 > MEMS谐振器的制造
下面我们接下来来看一个扭转梁式的谐振结构
这是由松下公司和安耐克合作开发的
一个器件结构
我们来看它是由一个三角形的一个扭转梁
那么两侧各有两个驱动的电极
那么这两个电极和扭转梁之间通过施加静电力
使扭转梁在静电力的作用下发生扭转
从而来实现谐振
对于这样的一个器件结构
由于扭转梁的弹性刚度很高
质量很小
因此
它的谐振频率很高
另外我们可以看出来
整个器件采用了一个氢氧化钾刻蚀的
工艺来制造
我们来看一下具体的
首先在一个SOI衬底上用氢氧化钾通过
晶向的刻蚀控制获得一个锥形的谐振梁
然后在谐振梁的左右两个倾斜的表面上
各制造一层牺牲层和驱动电极
然后将牺牲层刻蚀释放
我们就得到了一个由单晶硅所实现的
一个扭转梁
那么两侧各有两个电极
同时进一步采用外延的多晶锗硅可以将
整个器件实现器件的原位真空封装
那么进一步来提高器件的性能
那么除了我们前面提到的板式的谐振结构
另外一种常用的谐振结构是梁式的谐振结构
这个图给大家看到的是一个双端自由的
谐振梁结构
它也利用了将支撑梁固定在谐振梁的
振动节点上这样的一个特性
我们看这个模拟的振动过程
整个器件的两个节点两侧分别用来固定支撑梁
那么由此节点向外耗散的能量就得到了
最大的抑制
进一步的我们也可以采用更高谐振频率的
振动模式
比如说像这样的一个结构
那么它的振动模式就比前面的振动模式更高
这样能够获得的频率也更高
因此在选择支撑梁的节点位置的时候
我们需要对高阶振动模式的振动节点
或者振动模态进行分析
从而选择振动节点来固定支撑梁
下面我们来看一个圆盘式的谐振器
那么圆盘式谐振器与板式或者梁式的相比
它具有谐振质量可以很大
但是谐振刚度更大的这样的一些特性
从而使得谐振频率在不降低结构尺寸的情况下
得到一个提高
通常来讲一个圆盘式的谐振器
由中心点作为支撑点
这样整个振动的过程中 圆心刚好是振动的节点
因此作为支撑点的时候能量耗散最小
两侧各有驱动和测量电极
那么采用不同的频率就可以将谐振器
激励在不同的振动模式下
比如说对于一阶振动模式那么是整个圆盘
同相位的向外扩张或者收缩
而对于更高阶的振动模式是有些半径的位置
向外扩张而同时有些半径的位置也在向内收缩
那么这个图给大家看到的是由密西根大学
所开发的一个圆盘式谐振器
谐振圆盘和驱动电极之间的缝隙很小
通常在几百个纳米
那么可以用二氧化硅作为牺牲层来实现
那么驱动电极和谐振盘都可以用多晶硅来实现
甚至于可以用更高弹性模量的材料
比如说碳化硅这样的一些材料来实现谐振圆盘
以便能获得更高的谐振频率
下面我们来看一个圆环式的谐振器
圆环式的谐振器呢一般的采用酒杯式的
振动模式
也就是在圆环谐振器的两个垂直正交的轴上
一个方向在收缩
另一个方向在伸长
那么下一个振动周期刚好相反
工作在酒杯式振动模式上的圆环
电容相对来讲较小
驱动力要求较小
因此它动态阻抗可以降低到一定的程度
这幅图也是由密西根大学所开发的器件
那么它包括了在两个垂直方向上的两组电极
其中
垂直方向的一组电极施加同相位的激励
使其伸长
那么垂直方向的另一个相位是使其缩短
由于微机械谐振器整体的动态阻抗比较大
因此进行阻抗匹配有一定的难度
所以在谐振器的设计过程中需要考虑
如何来减小谐振器的动态阻抗
其中一个办法是把多谐振器进行并联
比如说这幅图我们看到的是把四个谐振梁式的
谐振器并列在一起
那每一个梁与外侧的驱动电极之间
构成一个电容
与内侧的测量电极之间也构成一个电容
四个梁通过连接成一个矩形
再采用四个悬空的支撑梁来支撑悬空
这是器件的照片
这是整个器件的结构示意图
这样的一个结构方式不但使驱动电容的面积
得到增加
同时通过多梁的串联可以有效的降低动态阻抗
这样的一个结构是SiTime公司所进行
量产的器件结构
那么
通过多谐振器的并联能够使频率的输出
得到一定的变化来解决MEMS谐振器
每一个结构一旦尺寸确定以后频率就确定
所导致的频率点比较少的一个缺点
在实际量产中由于硅的弹性模量
随着温度的变化比较显著
通常来讲谐振器的频率温度系数会达到
每摄氏度会有30ppm的变化
那么这样的一个显著的温度系数与石英谐振器
整个温度范围的频率变化都大体相等了
因此必须对硅的谐振器进行温度补偿
而温度补偿一般会采用PLL的电路
那么它会导致一个很大的相位噪声
并且会产生一个比较大的功耗
因此
对于硅谐振器来讲 如果想真正的量产
必须在补偿电路
如何去抑制相位噪声这样的一个问题上
做深入的研究
那么SiTime公司在这个方面
取得了很好的一个成果
SiT530x系列的谐振器整个全温度范围内
经过补偿以后
温度稳定性优于0.28个ppm
那么24小时的频率稳定性优于0.37个ppm
20年频率稳定性优于4.6个ppm
并且它的抗冲击能力比石英高将近一个数量级
那么工作寿命大概是5亿个小时
这已经完全满足它所需要的器件应用的场合
下面我们来看一下薄膜体声波的谐振器
薄膜体声波的谐振器是谐振器里边发展
比较早的一种类型
并且也是比较早的量产的类型
那么它的来源实际上是受
石英体声波谐振器的启发
对于石英体声波谐振器是由一个
中间石英层两侧两个驱动电极所构成的
一个三明治式的结构
那么在两侧电极上施加一个合适的激励电压
那么会产生一个正反馈的谐振
使得石英体本身产生剪切式
通常来讲是面内剪切式的振动
那么这个振动会稳定的维持住
因此
这是石英谐振器所工作的一个基本原理
如果我们把石英谐振器的结构
通过缩小仿制到硅谐振器上
那么就是一个薄膜体声波谐振器的结构
这个图给大家看到的是一个薄膜体声波
结构的一个示意图
它也由上下两个电极
中间的一层压电材料所构成
通常我们所采用的压电材料是氮化铝或者
氧化锌的材料
主要是这两种材料在溅射的过程中
比较容易控制性能
那么薄膜体声波谐振器最早在2001年
由安华高公司首先量产
那么目前飞利浦 ST 富士通 三星等
很多公司都在从事这方面的量产工作
这个照片看到的是一个由安华高公司
所生产的器件的表面照片
那么
为了降低谐振器过程中的能量损耗提高Q值
我们一般会采用两种模式
其中一种模式是把压电薄膜材料下方的
支撑衬底刻蚀掉
这样整个振动的能量不向衬底传输
或者我们可以在衬底和压电材料之间
增加一个声阻抗层
那么这一层把能量形成一个谐振反射回去
也能够降低能量向衬底的损耗
由于刻蚀的结构在制造的时候比较简单
所以我们通常来讲会采用一个刻蚀的结构
最后
我们来介绍一下谐振器的制造技术
谐振器通常是采用表面微加工技术
首先我们需要谐振器的结构是一个悬空的
其次我们希望获得高频的时候
器件通常质量会比较小
也就是它的厚度会比较低
那么这两点都适合采用表面微加工技术来实现
我们所采用的表面微加工技术一般是多晶硅的
作为结构层的材料
那么以二氧化硅作为牺牲层的材料
整个流程与我们前面介绍的表面微加工技术
没有什么大的不同
那么需要注意的就是需要控制
多晶硅的残余应力
并且在驱动电极采用多晶硅的时候
需要对某些特定的区域进行比较重的掺杂
下面我们来介绍一下
由SiTime公司所开发的一种基于SOI来制造
单晶硅谐振器并采用外延多晶硅
进行原位真空封装的一个技术
那么这种技术呢首先是在SOI的衬底上
刻蚀所需要的器件结构
刻蚀以后我们将整个器件包括刻蚀的
缝隙内填充上二氧化硅
在某些区域刻蚀一些诱导的孔
然后
我们以诱导的孔作为种子开始通过
外延的方式来沉积一层多晶硅的薄膜
那么这层结构通常来讲在两三微米左右
然后
我们在多晶硅的薄膜上刻蚀一些工艺窗口
通过工艺窗口将二氧化硅的干法刻蚀气体
比如说氢氟酸气体引入进来
将器件缝隙和SOI的埋层二氧化硅都刻蚀掉
刻蚀完毕以后
我们就得到了一个悬空的单晶硅结构
然后再对上表面进行进一步的外延
这个外延的过程中会将原来刻蚀的
一些工艺窗口全部封死
封死的过程中我们会把一部分的气体
残留在密封的结构内
那么最后再通过高温使气体向外扩散
我们就通过这样的一个工艺过程实现了
一个在原位对器件进行真空封装的一个制造
那么这样的一个制造过程不但具有
很好的真空密封性
同时它的制造成本与键合相比会大幅度的降低
-第1小节 MEMS的定义
--MEMS的定义
-第1小节 MEMS的定义--作业
-第2小节 MEMS的应用领域
-第2小节 MEMS的应用领域--作业
-第3小节 MEMS的发展
--MSMS的发展
-第3小节 MEMS的发展--作业
-第4小节 MEMS的发展（续）
-第4小节 MEMS的发展（续）--作业
-第1小节 应力和应变
--应力与应变
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--弹性梁
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-第3小节 弹性梁（续）
--弹性梁（续）
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-第4小节 薄板与流体的基本概念
-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业
-第5小节 流体的基本概念（续）
-第5小节 流体的基本概念（续）--作业
-第6小节 静电力
--静电力
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-第7小节 尺寸效应
--尺寸效应
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-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业
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-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业
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-- 体微加工技术—稳态深刻蚀
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