基于压阻检测的谐振器单元及系统

技术领域

本公开涉及射频微机电技术领域，尤其涉及一种基于压阻检测的谐振器单元及系统。

背景技术

未来无线通信系统正朝着高频率、多模式、小型化、集成化、低功耗的方向发展，射频超外差接收机由多种射频器件构成，对射频信号作预处理，是射频前端系统的核心部件。传统射频超外差接收机主要包含石英晶振、陶瓷谐振器、声表面波(SAW)谐振器、薄膜体声波谐振器(FBAR)、LC谐振器等传统的射频器件。然而，传统射频器件在Q值、体积、集成度、功耗等方面存在一些限制因素，无法完全满足下一代无线通信系统的发展需求，比如石英晶振谐振频率低，需外加倍频电路，功耗较大；陶瓷谐振器体积大，难以实现单片集成；LC谐振电路和SAW谐振器Q值低，插入损耗大；FBAR的谐振频率由厚度决定，难以通过单步光刻在同一晶圆上定义多种谐振频率的器件，且难以精确控制薄膜厚度。MEMS谐振器件具有高Q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是未来无线通信系统的理想选择之一，拥有良好的应用前景。

高频率、高Q值、低动态电阻是MEMS谐振器主要的性能目标。高频率有利于缓解低频段拥挤的现状；高Q值能够实现低插入损耗的谐振器件，放宽后级放大电路的增益需求，降低系统功耗及噪声；低动态电阻是谐振器件与射频电路阻抗匹配、单片集成，向实际应用迈进的重要性能指标。

硅基式MEMS谐振器具有高Q值、与IC工艺兼容等优势，但动态电阻大，甚至高达几千欧，难以与射频电路阻抗匹配，虽可通过提高偏置电压、电容间隙填充固态电介质等方式降低动态电阻，但会增大系统复杂度，提高工艺制备难度。此外，馈通电容所引起的馈通信号会淹没谐振信号，导致频谱失真。消除馈通是谐振器性能改善的难点。因此，迫切需要开发高Q值、高频率、低阻抗、低馈通的高性能硅基MEMS谐振器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于压阻检测的谐振器单元及系统，以缓解现有技术中机电转换效率低，插入损耗大等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种基于压阻检测的谐振器单元，包括：

谐振体；

电极，设置于所述谐振体外围，通过机电转换介质层与所述谐振体相隔；

多个压力敏感电阻，分别对称设置于所述谐振体边缘应力最大处的上表面；以及

支撑梁，一端对应所述压力敏感电阻连接于所述谐振体的边缘；

所述支撑梁的另一端连接至固定的基座，使得所述谐振体处于悬空状态，因此在谐振器单元工作时，通过电极驱动所述谐振体在所在平面内收缩和扩张振动，使得所述压力敏感电阻的阻值因应力变化而改变，从而通过阻值的改变表征所述谐振器的振动情况。

在本公开实施例中，所述介质层为设置于所述谐振体与所述电极之间的纳米尺度介质层，作为所述谐振体与所述电极之间的机电转换介质。

在本公开实施例中，所述谐振体的几何形状为轴对称或中心对称结构，材料为硅基、SiC、金刚石、III-V族半导体。

在本公开实施例中，所述电极配置为单端或差分模式，分别为谐振体提供单端或差分模式驱动。

在本公开实施例中，所述压敏电阻是通过在n型或p型掺杂的谐振体上表面注入III族或V族离子形成，所述压敏电阻和谐振结构能够形成反偏的p-n结，使两者绝缘。

在本公开实施例中，所述压力敏感电阻的压阻系数最大的晶向排布在谐振体振动时应力最大的方向上。

在本公开实施例中，所述介质层为不填充，或部分填充、全部填充的其中一种形式的固态电介质材料，所述固态电介质包括HfO

在本公开实施例中，所述支撑梁结构为单梁结构或复合梁结构，平面形状是框架形、矩形、梳齿形与弧形中一种或上述形状的组合。

本公开还提供了一种基于压阻检测的谐振器系统，包括：

多个如权利要求1-8任一项所述的谐振单元；

耦合梁，用于连接相邻所述谐振单元，工作在长度拉伸模态下，能够传递弹性波；

其中，连接相邻所述谐振单元的多个耦合梁与多个所述谐振单元共同构成阵列式谐振结构。

在本公开实施例中，所述阵列式谐振结构包括谐振单元和耦合梁线性排布的一维拓扑结构；或由一维拓扑结构通过耦合梁拓展而成的二维拓扑结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于压阻检测的谐振器单元及系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)实现了高Q值谐振器，大幅提升了机电转换效率，降低插入损耗；

(2)可用于构建多种高性能射频器件，具备实用化潜力；

(3)提高机电转换效率，降低插入损耗，增大输出信号强度，输出信号强度不受尺寸的影响，扩大工作频率范围；以及

(4)可应用于多种射频信号处理模块中，显著降低射频接收机系统的复杂度，进一步提高射频前端系统的集成度。

附图说明

图1为本公开实施例基于压阻检测的谐振器单元组成的单端驱动单端压阻检测一阶径向伸缩模态谐振器结构示意图。

图2为本公开实施例基于压阻检测的谐振器单元的一阶径向伸缩模态示意图。

图3为本公开实施例基于压阻检测的谐振器单元的三阶径向伸缩模态示意图。

图4为本公开实施例基于压阻检测的谐振器单元的径向伸缩模态应力分布示意图。

图5为本公开实施例基于压阻检测的谐振器系统的差分驱动压阻检测检测一阶径向伸缩模态谐振器二维阵列示意图。

图6为本公开实施例压阻检测径向伸缩模态射频微机电谐振器系统的阵列的模态图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1 谐振体；

2 支撑梁；

3 基座；

4 介质层；

5 电极；

6 压力敏感电阻；

7 耦合梁；

8 谐振结构；

9 一阶径向伸缩模态；

10 三阶径向伸缩模态；

11 应力最大位置；

12 阵列一阶径向伸缩模态。

具体实施方式

本公开提供了一种基于压阻检测的谐振器单元及系统，所述基于压阻检测的谐振器单元及系统实现了高Q值谐振器，大幅提升了机电转换效率，降低插入损耗；可用于构建多种高性能射频器件，具备实用化潜力；提高机电转换效率，降低插入损耗，增大输出信号强度，输出信号强度不受尺寸的影响，扩大工作频率范围；可应用于多种射频信号处理模块中，显著降低射频接收机系统的复杂度，进一步提高射频前端系统的集成度。可克服现有的谐振器的主要缺点和不足之处。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种阻检测径向伸缩模态射频微机电谐振器，如图1至4所示，所述制备方法，包括：谐振体1；电极5，设置于所述谐振体1外围，通过机电转换介质层4与所述谐振体1相隔；多个压力敏感电阻6，分别对称设置于所述谐振体1边缘应力最大处的上表面；支撑梁2，一端对应所述压力敏感电阻6连接于所述谐振体1的边缘；所述支撑梁2的另一端连接至固定的基座，使得所述谐振体1处于悬空状态，因此在谐振器单元工作时，通过电极5驱动所述谐振体1在所在平面内收缩和扩张振动，使得所述压力敏感电阻6的阻值因应力变化而改变，从而通过阻值的改变表征所述谐振器的振动情况。

在本公开实施例中，所述介质层4为设置于所述谐振体1与所述电极5之间的纳米尺度介质层4，作为所述谐振体1与所述电极5之间的机电转换介质。

在本公开实施例中，所述谐振体1的几何形状为轴对称或中心对称结构，材料为硅基、SiC、金刚石、III-V族半导体。

在本公开实施例中，所述电极5配置为单端或差分模式，分别为谐振体1提供单端或差分模式驱动。

在本公开实施例中，所述压力敏感电阻6是通过在n型或p型掺杂的谐振体1上表面注入III族或V族离子来定义的。上述压力敏感电阻6和谐振体1可形成反偏的p-n结，使两者绝缘。

进一步的，压力敏感电阻6数量为一个及以上，当压力敏感电阻6分布在谐振体1应力最大的位置11，且把压阻系数最大的晶向排布在振动时应力最大的方向时，可获得最高的压阻检测信号强度。上述压力敏感电阻6接入惠斯通电桥后，谐振结构的振动表征为受压力敏感电阻6调制的电信号。

在本公开实施例中，所述介质层4为不填充、部分填充、全部填充的其中一种形式的固态电介质材料，所述固态电介质包括HfO

在本公开实施例中，所述支撑梁2结构为单梁结构或复合梁结构，平面形状是框架形、矩形、梳齿形与弧形中一种或上述形状的组合。

具体地，在本公开实施例中，如图1至4所示，谐振体1为本实施例谐振器的谐振结构，谐振体1是谐振器的关键组件，决定谐振器的工作频率；谐振体1的一阶径向伸缩模态9和三阶径向伸缩模态10，请参照图2和图3所示，该工作在径向伸缩模态下的谐振体1，其中径向伸缩模态的特征是在平面内做收缩和扩张运动，谐振体1和支撑梁2连接处的应力最大。径向伸缩模态在振动过程中热弹性损耗低，Q值高且刚度大，可实现高谐振频率，是构建谐振结构的绝佳选择。

可选地，谐振体1的结构是方板、圆盘、圆环、方环等其中一种或上述形状组成的轴对称结构，材料可以是为硅基、SiC、金刚石、III-V族半导体等。

其中，支撑梁2与谐振体1模态相匹配，其中一端与谐振体1边缘处的位移节点相连，另一端固定在基座3上，使谐振结构1悬空。支撑梁2频率与谐振体1一致，以减少连接处的能量损耗，提高Q值。

可选地，该支撑梁2结构可以是单梁结构或复合梁结构，形状是矩形、框架形、弧形与梳齿形等中一种或上述形状的组合。

可选地，电极5配置为单端模式驱动。单端模式驱动具有较大的驱动面积，可实现低插入损耗的谐振器。

可选地，根据谐振器动态电阻指标要求及谐振体1振幅范围，介质层4的厚度可以是在零至几百纳米的范围内，填充状态可以是不填充、部分填充或全部填充，填充材料可以是HfO

可选地，压力敏感电阻6是通过在n型或p型掺杂的谐振体1上表面注入III族或V族离子来定义的。p型的压力敏感电阻6和n型的谐振体1可形成反偏的p-n结，使两者绝缘。如图4所示，谐振体1与支撑梁2连接处为应力最大的位置11。为了充分利用应力最大的点，压力敏感电阻6配置于应力最大的位置11，并按照图1所示长边与y轴平行的方式排布在谐振单元1上。对于p型100面的的硅，把压阻系数最大的110晶向排布在谐振体1振动时应力最大的x轴方向时，可获得最高的压阻检测信号强度。压力敏感电阻6接入惠斯通电桥后，谐振体1的振动表征为受压力敏感电阻调制的电信号。压阻检测提高了谐振器的能量转换效率，减小动态电阻，且输出信号强度不受尺寸缩小的影响。

在本公开实施例中，谐振结构可以是单个谐振体，无耦合梁7参与构建谐振结构；也可以是一维拓扑结构，即谐振单元和耦合梁7线性排布；也可以是二维拓扑结构，由一维拓扑结构通过耦合梁7拓展而成。

本公开还提供了一种基于压阻检测的谐振器系统，包括：

多个所述谐振单元；

耦合梁7，用于连接相邻所述谐振单元，工作在长度拉伸模态下，能够传递弹性波；

其中，连接相邻所述谐振单元的多个耦合梁7与多个所述谐振单元共同构成阵列式谐振结构。

在本公开实施例中，一种压阻检测径向伸缩模态射频微机电谐振器系统为一维拓扑结构系统，包括：

多个所述谐振单元，呈线性排布；

耦合梁7，用于连接相邻所述谐振单元，工作在长度拉伸模态下，能够传递弹性波；

其中，连接相邻所述谐振单元的多个耦合梁7与多个所述谐振单元共同构成一维阵列式谐振结构。

在本公开实施例中，一种基于压阻检测的谐振器系统为二维拓扑结构系统，包括：

多个所述一维阵列式谐振结构，以垂直于所述一维阵列式谐振结构的所述谐振单元线性排布方向对齐排布；

多个所述耦合梁7，用于连接相邻所述一维阵列式谐振结构中位置相对应的所述谐振单元，构成二维阵列式谐振结构。

且每两个相对应的所述谐振单元通过一个耦合梁7连接。

在本公开实施例中，所述相邻两个所述谐振单元通过大于等于一个所述耦合梁7连接。

在本公开实施例中，所述耦合梁7平面形状为矩形、弧形、框形、环形中一种或上述形状的组合，材料为硅基、SiC、金刚石、III-V族半导体中一种。

具体地，在本公开实施例中，如图1至6所示提供了另一种差分驱动压阻检测的二维阵列径向伸缩模态射频微机电谐振器，如图5和图6所示，为本实施例提供的一种差分驱动压阻检测二维的径向伸缩模态射频微机电谐振器，结构如图5所示，阵列一阶径向伸缩模态12如图6所示。

其中，两个谐振体1、一个耦合梁7构成谐振结构8，谐振体1工作在径向伸缩模态下，材料为单晶硅。

其中，耦合梁7与该方板谐振体1边缘中心相连接，以实现弹性波的传递，并减小模态畸变，以二维排布实现阵列式谐振结构8，增大了电极与谐振结构8之间的驱动面积，提高了机电转换效率，从而减小动态电阻。为了保持模态的完整性，耦合梁耦合在谐振体1边缘中心。耦合梁7振动频率与谐振体1匹配，以减小模态失真，确保机械结构之间能量的高效传递。耦合梁7长度为四分之一谐振波长的整数倍。

可选地，耦合梁7平面形状为矩形、弧形、框形、环形等中一种或上述形状的组合，硅基、SiC、金刚石、III-V族半导体，等。

可选地，谐振结构8中谐振体1和耦合梁7可具有多种形状、多种尺寸、多种模态，两个谐振体1之间的耦合梁7的个数为一个及以上。在一个谐振结构8中，耦合梁7的材料与谐振体1相同或不同。

其中，支撑梁2一端与谐振体1位移节点位置相连，另一端与基座3相连，结构为矩形，模态为一阶弯曲模态，材料与谐振单元1相同。

其中，介质层4填充HfO

其中，电极5配置为差分模式驱动。差分模式驱动可减小由于电极与谐振单元之间电容间隙的工艺误差带来起的馈通信号。

其中，通过在n型掺杂的谐振结构上表面注入B离子来定义压力敏感电阻6。为了与压力敏感电阻6形成电绝缘，谐振结构8仍采用n型硅。如图4所示，压力敏感电阻6排布在两个谐振体1上的应力最大的位置11，并使100面的110晶向排布在x轴方向。图5所示的位于两个谐振体1上的压力敏感电阻6接入惠斯通电桥后，可获得相比于实施例一中谐振器更高的压阻检测信号强度。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于压阻检测的谐振器有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于压阻检测的谐振器及谐振器系统，该压阻检测径向伸缩模态射频微机电谐振器的径向伸缩模态刚度高、损耗低，可实现高频高Q值；基于多种结构的谐振单元及耦合梁间的模态耦合，实现径向伸缩模态谐振器的大规模阵列化，大幅提高机电转换效率，降低动态电阻，减小插入损耗；压阻检测方式能提高谐振器输出信号强度，且输出信号强度不受器件尺寸缩小的影响，工作频率范围大；根据阵列拓扑结构利用谐振结构上多个应力最大的位置，可进一步提高压阻检测信号强度。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。