一种声学耦合模式的谐振结构及其制作工艺

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，尤其涉及一种声学耦合模式的谐振结构及其制作工艺。

背景技术

基于微机电系统(MEMS)技术的谐振器，MEMS谐振器具有高Q、低温度漂移、低功耗、低相位噪声及长期高稳定性等优点，特别是由于其制备工艺与CMOS工艺兼容性好，此通过适当的工艺，可以把MEMS传感器同微执行器、微电路等集成到同一片衬底上。同传统的机械加工技术相比，微机械加工技术能够更容易制造出很多高精度的微结构。谐振式MEMS微质量传感器是利用外界质量负载导致谐振子谐振频率的变化这一原理，通过测量频率来测量吸附质量。物体在做自由振动时，振动频率只与物体的一些固有属性相关，例如形状、质量、材料属性等等，这个自由振动的频率就被称为固有频率。当物体处于受迫振动下，若施加的激励频率达到了物体的固有频率时，就会发生共振现象，这时振幅最大。在电路中，这一现象则被称为谐振现象。当谐振器吸附质量时，谐振器其固有频率也就因此改变，所以测量谐振频率的变化就可以得到被测质量变化。谐振式MEMS微质量传感器输出的信号为频率信号，很容易和后期数字电路兼容，同电容、电阻等模拟信号相比，频率信号的抗干扰性要更好，不易受外界噪声的干扰。

根据激励方式不同，MEMS谐振式微质量传感器可以分为：1)静电激励/电容检测；(2)电磁激励/电磁检测；(3)压电激励/压电检测；(4)光激励/光检测；(5)电热激励/压阻检测。传统的压阻式硅MEMS谐振器是一种采用电热激励方式，利用硅材料的压阻特性检测谐振信号的谐振器。相比电磁、压电等激励方式，压阻式硅MEMS谐振器无需特殊材料，仅需IC基本材料硅即可，制备工艺简单；相比电容式谐振器，压阻式硅MEMS谐振器具有输出电阻低、集成度高等优点。

但是传统的压阻式硅MEMS谐振器。非自激励谐振器在工作时，为了使得谐振器处于谐振状态，通常需要给它施加一个交流激励信号，从而使得谐振器产生受迫振动。谐振器微质量传感器的工作频率通常在10KHz～100MHz之间，首先本身产生频控元件会增加额外的成本和体积；其次对于谐振式传感器而言，本身的频率会因为质量吸附发生漂移，因此需要通过在中心频率附近进行高精度的频率扫描，因此会进一步增加频率发生器和扫描系统的成本。

自激振动是机械系统内部流体由非振动性的激发转变为振动性激发而引起的振动。对于本发明中的谐振器结构，当直流偏置电压信号满足条件的时候，热阻激励方式使得系统本身产生自激励振动。这种效应还确保了谐振器在不需要特定产生的外部交变信号的情况下以其固有频率振动，因此被称为“物理闭环”系统。

另一方面，作为谐振式微传感器的敏感元件，对微小质量扰动进行监测需要非常高灵敏度。传统的MEMS微质量传感器通常为了实现高灵敏度的主要途径是提高结构的品质因数Q值。对于声学MEMS谐振器来说，增加Q值得途径第一是通过真空封装来减小振动元件在空气中的阻尼，第二是通过更精密的MEMS加工工艺。当Q值到达一定值后，这两种方法明显会增加传感器的制作复杂度，并导致成本的增加。因此当谐振器的Q值达到瓶颈时，亟需另一种机理来提高微质量传感器的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种声学耦合模式的谐振结构及其制作工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明第一方面提供一种声学耦合模式的谐振结构，包括第一固定桩、第二固定桩、悬臂梁和纳米连接杆；所述第一固定桩上设置有第一电极，所述第二固定桩上设置有第二电极，所述悬臂梁的固定端与所述第一电极固定连接，所述悬臂梁的自由端通过所述纳米连接杆与所述第二电极连接。

进一步地，所述谐振结构通过SOI基片制备，所述SOI基片包括由上至下依次分层设置的表层硅、二氧化硅绝缘层和底硅；所述第一电极和所述第二电极分别设置于对应的所述表层硅上。

进一步地，所述表层硅的掺杂浓度为10

进一步地，所述表层硅厚度设置为5-20um。

进一步地，所述二氧化硅绝缘层厚度设置为400nm-3um。

进一步地，所述底硅厚度设置为300-500um。

进一步地，所述SOI基片顶侧还设置有紫外光刻胶。

进一步地，所述SOI基片底侧还设置有深硅刻蚀专用胶。

进一步地，所述纳米连杆的宽度设置为500-1500nm，长度设置为4-10um。

本发明第二方面提供一种声学耦合模式的谐振结构的制作工艺，包括以下步骤：

S1.获取由第一无掺杂硅层、二氧化硅绝缘层和第二无掺杂硅层依次层叠组成的SOI基片；

S2.离子注入第一无掺杂硅层，获得掺杂浓度为10

S3.通过标准的lift off工艺在SOI基片表面电极区域淀积Al；

S4.通过紫外曝光工艺，将谐振结构的整体图像转移到SOI基片上；

S5.通过电子束(E-beam)曝光工艺，并结合套刻工艺，将纳米连接杆的图形转移到SOI基片上；

S6.通过双面对准的光刻机，对SOI基片底面进行旋胶、光刻、显影，形成背面刻蚀的空腔区域；

S7.通过深硅刻蚀(DRIE)工艺对SOI基片背面进行刻蚀形成空腔；

S8.通过等离子体刻蚀(RIE)工艺刻蚀掉二氧化硅部分，获得谐振结构。

本发明的有益效果在于：本发明的声学耦合模式的谐振结构利用机械-电-热多场耦合原理，通过纳米连接杆的膨胀与伸缩来实现悬臂梁的振动，可以将传统声学MEMS微质量传感器的灵敏度提高2～3个数量级，还可以消除外界环境的干扰(温度，压力变化等)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的声学耦合模式的谐振结构的结构示意图。

图2为本发明的声学耦合模式的谐振结构中悬臂梁和纳米连接杆的结构示意图。

图3为本发明的声学耦合模式的谐振结构的机械-电-热多场耦合原理示意图。

图4为本发明的声学耦合模式的谐振结构的激励与信号检测示意图。

图5为本发明的声学耦合模式的谐振结构的剖面示意图。

图6为本发明的声学耦合模式的谐振结构的制作工艺的流程框图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图1所示，本申请实施例第一方面提供一种声学耦合模式的谐振结构，包括第一固定桩1、第二固定桩2、悬臂梁3和纳米连接杆4；第一固定桩1上设置有第一电极5，第二固定桩2上设置有第二电极6，悬臂梁3的固定端与第一电极5固定连接，悬臂梁3的自由端通过纳米连接杆4与第二电极6连接。如图2所示，纳米连接杆4可以连接于悬臂梁3自由端的中部一侧，如图2中的(a)结构；或连接于悬臂梁3自由端的端部一侧，如图2中的(b)结构。

如图3和图4所示，本申请实施例中，基本结构采用火柴棒形状的悬臂梁+纳米连接杆+固定桩组成，在工作状态下，悬臂梁的振动通过纳米连接杆的膨胀与伸缩来实现。具体如下：

1.当在纳米连接杆上施加一个直流电流(Idc)的时候，由于纳米连接杆本身的固有电阻存在，故在纳米连接杆上会产生焦耳热，从而导致纳米连接杆膨胀，推动谐振单元远离固定桩。

2.由于纳米连接杆的拉伸，会引起纳米连接杆内部产生张力，由于压阻效应造成N型硅电阻变小，因此会导致纳米连接杆的温度下降，纳米连接杆收缩，所以纳米连接杆会向靠近固定桩方向运动。

3.纳米连接杆收缩导致其内部处于压缩力的状态，由于压阻效应造成N型硅电阻变大，焦耳热因此会导致纳米连接杆的温度上升，纳米连接杆再次膨胀。

4.因为纳米连接杆的伸缩反复，从而导致谐振单元本身会产生一个相应的振荡，其对于的本征频率模态产生拾振，开始自激振动。

进一步地，谐振结构通过SOI基片制备，SOI基片包括由上至下依次分层设置的表层硅、二氧化硅绝缘层和底硅；第一电极和第二电极分别设置于对应的表层硅上。

进一步地，表层硅的掺杂浓度为10

进一步地，表层硅厚度设置为5-20um。

进一步地，二氧化硅绝缘层厚度设置为400nm-3um。

进一步地，底硅厚度设置为300-500um。

进一步地，SOI基片顶侧还设置有紫外光刻胶。

进一步地，SOI基片底侧还设置有深硅刻蚀专用胶。

进一步地，纳米连杆的宽度设置为500-1500nm，长度设置为4-10um。

本发明的声学耦合模式的谐振结构利用机械-电-热多场耦合原理，通过纳米连接杆的膨胀与伸缩来实现悬臂梁的振动，可以将传统声学MEMS微质量传感器的灵敏度提高2～3个数量级，还可以消除外界环境的干扰(温度，压力变化等)。

如图5和图6所述，本申请实施例第二方面提供一种声学耦合模式的谐振结构的制作工艺，包括以下步骤：

S1.获取由第一无掺杂硅层、二氧化硅绝缘层和第二无掺杂硅层依次层叠组成的SOI基片；

S2.离子注入第一无掺杂硅层，获得掺杂浓度为10

S3.通过标准的lift off工艺在SOI基片表面电极区域淀积Al；

S4.通过紫外曝光工艺，将谐振结构的整体图像转移到SOI基片上；

S5.通过电子束(E-beam)曝光工艺，并结合通过套刻工艺，将纳米连接杆的图形转移到SOI基片上；

S6.通过双面对准的光刻机，对SOI基片底面进行旋胶、光刻、显影，形成背面刻蚀的空腔区域；

S7.通过深硅刻蚀(DRIE)工艺对SOI基片背面进行刻蚀形成空腔；

S8.通过等离子体刻蚀(RIE)工艺刻蚀掉二氧化硅部分，获得谐振结构。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。