面内拉伸模态射频微机电谐振器

摘要

本公开提供了一种面内拉伸模态射频微机电谐振器，包括：谐振单元，工作于面内拉伸模态下；定义谐振单元由在面内拉伸模态下的谐振振动而产生位移量变化的边缘位置为振动部；支撑单元，包括支撑梁和基座；支撑梁包括形成复合结构的直梁和框型梁；支撑梁用于支撑谐振单元；基座与支撑梁相连，用于维持谐振单元的悬空；电极，设置于谐振单元的振动部处，用于驱动和检测谐振单元进行谐振振动的换能结构。本发明提供的面内拉伸模态射频微机电谐振器基于面内拉伸模态，热弹性损耗和介质损耗低；支撑梁为复合结构，减小了谐振器的支撑损耗，进一步提高Q值，可用于构建多种高性能射频器件。

说明书

技术领域

本公开涉及射频微机电系统(RF-MEMS，Radio Frequency-Micro-Electro-Mechanical System)领域，尤其涉及一种面内拉伸模态射频微机电谐振器。

背景技术

无线通信系统有高频率、多模式、小型化、集成化、低功耗的发展趋势。传统的谐振器无法完全满足未来无线通讯系统在频率、Q值、体积、功耗方面的要求。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，拥有广阔的应用前景。

品质因子(Q值)是MEMS谐振器重要的性能指标。高Q值谐振器具有更高的精度和频率稳定性，易于实现高性能的振荡器。高Q值谐振器组成的滤波器具有插入损耗低、带外抑制比高、陡峭度大的出色窄带滤波性能，可降低系统对后端放大器的增益要求，能够在无线通信技术信号通路增加、频谱间隔变窄的趋势下实现有效的通带选择。

在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：现有技术中的谐振器的Q值难以满足实际需求，影响其应用。

发明内容

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供了一种面内拉伸模态射频微机电谐振器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。

本公开提供了一种面内拉伸模态射频微机电谐振器，其特征在于，包括：

谐振单元，工作于面内拉伸模态下；其中，定义上述谐振单元由在上述面内拉伸模态下的谐振振动而产生位移量变化的边缘位置为振动部；

支撑单元，包括支撑梁和基座；其中，上述支撑梁包括形成复合结构的直梁和框型梁；其中，上述支撑梁用于支撑上述谐振单元；其中，上述基座与上述支撑梁相连，用于维持上述谐振单元的悬空；

电极，设置于上述谐振单元的振动部处，用于驱动和检测上述谐振单元进行谐振振动的换能结构。

根据本公开的实施例，上述谐振单元包括多个；

上述面内拉伸模态射频微机电谐振器还包括：

耦合梁，用于耦合相邻两个上述谐振单元；其中，上述耦合梁连接于上述谐振单元的振动部上。

根据本公开的实施例，上述耦合梁与上述谐振单元呈线性排布，形成一维拓扑结构；其中，上述直梁的一端连接于上述谐振单元上；上述直梁的另一端与上述框型梁相连；上述框型梁与上述基座相连。

根据本公开的实施例，上述耦合梁与上述谐振单元呈非线性排布，形成二维拓扑结构；其中，上述直梁的一端连接于上述耦合梁上；上述直梁的另一端与上述框型梁相连；上述框型梁与上述基座相连。

根据本公开的实施例，上述耦合梁连接于上述谐振单元的振动部的中心位置上。

根据本公开的实施例，上述谐振单元为轴对称结构；其中，上述谐振单元的面内形状包括圆形、椭圆形、圆角化的偶数多边形中的至少一种。

根据本公开的实施例，上述支撑梁为轴对称结构；其中，上述支撑梁的框型结构包括矩形框结构、弧形框结构、梯形框结构中的至少一种；其中，上述支撑梁的材料包括金属、硅基材料、SiC、金刚石、Ⅲ-Ⅴ族半导体、压电材料中的至少一种；其中，上述基座为轴对称结构；其中，上述基座的面内几何形状包括多边形、弧形、框形中的至少一种。

根据本公开的实施例，上述谐振单元的非振动部上包括位移节点；其中，上述支撑梁的上述直梁连接于上述谐振单元的位移节点上。

根据本公开的实施例，上述耦合梁包括直耦合梁和/或弯曲耦合梁；

其中，上述直耦合梁的面内几何形状包括正方形、矩形、环形中的至少一种；

其中，上述弯曲耦合梁是由直耦合梁以与上述直梁的连接点为弯折点经过弯曲形成的；

其中，上述弯曲耦合梁的弯曲夹角包括0°到180°；其中，上述耦合梁的材料包括硅基材料、金刚石、SiC、Ⅲ-Ⅴ族半导体、压电材料中的至少一种。

根据本公开的实施例，上述电极形状包括平板、叉指、梳齿、锯齿中的至少一种；其中，上述电极的材料包括硅基材料、AlN、ZnO、LiNbO

根据本公开的实施例，由于面内拉伸模态射频微机电谐振器实现面内拉伸模态，且上述支撑梁采用直梁和框型梁组成的复合结构。因此，相比于现有技术的谐振器，Q值更高，热弹性损耗和介质损耗更低、支撑损耗更低。

综上所述，上述面内拉伸模态射频微机电谐振器可用于构建高性能振荡器、滤波器等射频器件，具备实用化潜力。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的一种面内拉伸模态射频微机电谐振器结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例提供的面内拉伸模态射频微机电谐振器的一阶面内拉伸模态示意图；

图3示意性示出了图1中的面内拉伸模态射频微机电谐振器工作在面内拉伸模态下的三阶面内拉伸模态示意图；

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的一种面内拉伸模态射频微机电谐振器结构示意图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1.谐振单元；2.支撑梁；3.基座；4.直耦合梁；5.电极；6.介质层；7.弯曲耦合梁；8.弯曲夹角；9.一阶面内拉伸模态；10.三阶面内拉伸模态。

具体实施方式

品质因子(Q值)是MEMS谐振器重要的性能指标。高Q值谐振器具有更高的精度和频率稳定性，易于实现高性能的振荡器。而Q值反映了谐振器能量耗散的程度，按照能量损耗的产生机理可分为热弹性损耗(TED)、支撑损耗、介质损耗等。因此，从热弹性损耗、支撑损耗、介质损耗等方面来抑制MEMS谐振器的能量损耗，能够有效提高Q值。

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分而非全部结构。

本公开提供了一种面内拉伸模态射频微机电谐振器，包括：

谐振单元，工作于面内拉伸模态下；其中，定义谐振单元由在面内拉伸模态下的谐振振动而产生位移量变化的边缘位置为振动部；支撑单元，包括支撑梁和基座；其中，支撑梁包括形成复合结构的直梁和框型梁；其中，支撑梁用于支撑谐振单元；其中，基座与支撑梁相连，用于维持谐振单元的悬空；电极，设置于谐振单元的振动部处，用于驱动和检测谐振单元进行谐振振动的换能结构。

利用本公开提供的面内拉伸模态射频微机电谐振器，工作在面内拉伸模态下，并采用由直梁和框型梁复合而成的支撑梁，能够实现高Q值，低热弹性损耗、低介质损耗和低支撑损耗的效果。

综上所述，上述高Q值得面内拉伸模态射频微机电谐振器可用于构建高性能振荡器、滤波器等射频器件，具备实用化潜力。

根据本公开的实施例，谐振单元为轴对称结构；其中，谐振单元的面内几何形状包括圆形、椭圆形、圆角化的偶数多边形中的至少一种。

根据本公开的实施例，谐振单元的材料包括金属、硅基材料、金刚石、Ⅲ族半导体、Ⅴ族半导体、压电材料中的至少一种。

图1示意性示出了根据本公开实施例的一种面内拉伸模态射频微机电谐振器结构示意图。

如图1所示，面内拉伸模态射频微机电谐振器包括有两个谐振单元1。

如图1所示，谐振单元1的面内几何形状呈圆角化的矩形，且两个谐振单元1的结构和尺寸均相同。

根据本公开的实施例，对谐振单元的四个角进行圆角化处理能够优化能量分布，降低支撑损耗。需要说明的是，谐振单元的结构和尺寸定义了谐振器的谐振频率，其尺寸和结构可根据实际情况进行设定，在此不再赘述。

图2示意性示出了根据本公开实施例的一种一阶面内拉伸模态示意图。

如图2所示，单个的谐振单元工作在一阶面内拉伸模态9下，从图2中可以看出，谐振单元的截面形状为矩形，谐振单元包括两个对称的长侧部和两个对称的短侧部；其中，谐振单元在与短侧部平行的方向上做压缩和扩张运动，即两个对称的长侧部产生较大的位移量，定义两个对称的长侧部为振动部。而谐振单元在与短侧部垂直的方向上位移量变化较小。谐振单元1的位移节点位于谐振单元1短侧部的对称中心。

图3示意性示出了图1中的面内拉伸模态射频微机电谐振器工作在面内拉伸模态下的三阶面内拉伸模态示意图。

如图1和3所示，图1中的两个谐振单元1工作在三阶面内拉伸模态10下，图3中两个谐振单元1发生谐振振动的方式与图2中单个的谐振单元1的振动方式相同，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，支撑单元包括有支撑梁和基座；其中，支撑梁为轴对称结构，由直梁和框型梁复合而成；其中，支撑梁的框型结构包括矩形框结构、弧形框结构、梯形框结构中的至少一种；其中，基座为轴对称结构；其中，基座的面内几何形状包括多边形、扇形、框形中的至少一种。

如图1所示，支撑单元包括支撑梁2和基座3；其中，支撑梁2是由面内几何形状分别为矩形的直梁和梯形的框型梁复合而成；其中，直梁的一端连接谐振单元1的位移节点，另一端连接梯形的框型梁的一梯形底边，例如梯形上底边，梯形的框型梁的另一梯形底边，例如梯形下底边与基座3连接。

需要说明的是，支撑梁与谐振单元的位移节点相连，与谐振单元的振动频率相同，且与谐振单元的模态相匹配，以减少连接处的能量损耗，提高Q值。

根据本公开的实施例，相比于现有技术中支撑梁的单梁结构，本公的支撑梁采用直梁与框型梁组成的复合结构，由于从复合结构的支撑梁到谐振单元和基座的路径上的声阻抗的不连续性，一部分弹性波在复合结构的支撑梁上被反射并返回到谐振单元中，减小了耗散到支撑基座的能量，使得支撑损耗更低。

如图1所示，基座3的面内几何形状为半圆形。

需要说明的是，基座3需要足够大的体积，以具有足够高的稳固性。

根据本公开的实施例，支撑梁和基座的材料包括金属、硅基材料、金刚石、Ⅲ族半导体、Ⅴ族半导体、压电材料中的至少一种。

根据本公开的实施例，谐振单元包括多个；面内拉伸模态射频微机电谐振器还包括：耦合梁，用于耦合相邻两个谐振单元；其中，耦合梁连接于谐振单元的振动部上。

根据本公开的实施例，耦合梁与谐振单元呈线性排布，形成一维拓扑结构；其中，直梁的一端连接于谐振单元上；直梁的另一端与框型梁相连；框型梁与基座相连。

根据本公开的实施例，耦合梁与谐振单元呈非线性排布，形成二维拓扑结构；其中，直梁的一端连接于耦合梁上；直梁的另一端与框型梁相连；框型梁与基座相连。

根据本公开的实施例，耦合梁连接于谐振单元的振动部的中心位置上。

根据本公开的实施例，耦合梁包括直耦合梁和/或弯曲耦合梁；其中，直耦合梁的面内几何形状包括正方形、矩形、环形中的至少一种；其中，弯曲耦合梁是由直耦合梁以与直梁的连接点为弯折点经过弯曲形成的；其中，弯曲耦合梁的弯曲夹角包括0°到180°；其中，耦合梁的材料包括硅基材料、金刚石、SiC、Ⅲ-Ⅴ族半导体、压电材料中的至少一种。

如图1所示，相邻的两个谐振单元1由一面内几何形状为矩形的直耦合梁4连接于该相邻两谐振单元1的长边所在的振动部的中心位置；其中，直耦合梁4与谐振单元1呈线性排布，形成一维拓扑结构。

需要说明的是，相邻两个谐振单元之间的耦合梁的数量还可以是2根、3根或者更多。

需要说明的是，直耦合梁工作在长度拉伸模态下，与谐振单元的振动频率相同，以实现弹性波的有效传递。

根据本公开的实施例，电极形状包括平板、叉指、梳齿、锯齿中的至少一种；其中，电极的材料包括硅基材料、AlN、ZnO、LiNbO

如图1所示，电极5为面内几何形状为矩形的平板；其中，电极5设置于谐振单元1长边所在振动部的外侧并与谐振单元1的长边保持平行；其中，有直耦合梁4连接谐振单元1振动部的一侧有两个电极5，且分布于直耦合梁4的两侧。

需要说明的是，当由多个谐振单元呈一维线性排布时，两端的谐振单元的振动部所在的侧面的电极数量为一个，之间由耦合梁连接的谐振单元的振动部所在侧面的电极的数量为两个，且设置于耦合梁的两侧。

需要说明的是，电极设置在谐振单元振动部的侧面能够对谐振单元进行有效的驱动和检测。

根据本公开的实施例，面内拉伸模态的射频微机电谐振器采用阵列式的排布方式增大了电极覆盖面积，大幅度提升了机电转换效率，降低插入损耗，提高Q值检测上限。

根据本公开的实施例，如图1所示，电极5与谐振单元1采用静电换能机制；其中，电极5与谐振单元1之间存在一介质层6。

需要说明的是，电极与谐振单元之间的介质层的厚度在零至几微米的范围内。

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的一种面内拉伸模态射频微机电谐振器结构示意图。

如图1和4所示，图4中根据本公开另一实施例的面内拉伸模态射频微机电谐振器与图1中根据本公开实施例的面内拉伸模态射频微机电谐振器的部件和材料相同或雷同的部分，在此不再赘述。其不同之处在于：连接相邻两谐振单元1之间的耦合梁还可以是弯曲耦合梁7。

根据本公开的实施例，耦合梁与谐振单元呈非线性排布，形成二维拓扑结构；其中，直梁的一端连接于耦合梁上；直梁的另一端与框型梁相连；框型梁与基座相连。

如图4所示，弯曲耦合梁7的两端连接相邻两个谐振单元1振动部的中心位置，两个谐振单元1呈非线性排布，形成二维拓扑结构。

如图4所示，支撑梁2的直梁的一端与弯曲耦合梁的弯折点处相连，直梁的另一端连接梯形框型结构的上底边的中点，梯形框型梁的下底边连接基座3。

如图4所示，弯曲耦合梁7存在一弯曲夹角8。

需要说明的是，弯曲耦合梁的弯曲夹角的角度范围包括0°到180°。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。