环形结构酒杯模态射频微机电谐振器

摘要

本公开提供了一种环形结构酒杯模态射频微机电谐振器，包括：工作在酒杯模态下的呈环形结构的谐振单元；支撑单元，与所述谐振单元的位移节点耦合，用于支撑所述谐振单元悬空；电极，设置于所述谐振单元外围；其中，所述电极与所述谐振单元具有一间隙层，用于所述谐振单元与所述电极之间的机电转换。所述环形结构酒杯模态射频微机电谐振器相比于现有技术的谐振器，热弹性损耗更低，Q值更高，插入损耗更低、高频率稳定性更高，放宽了后级放大电路的增益需求，系统功耗及噪声更低，器件尺寸更小，更有利于器件大规模低成本生产，可用于构建射频系统中的多种高性能射频器件，具备广阔的应用前景。

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，尤其涉及一种环形结构酒杯模态射频微机电谐振器。

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。然而传统的谐振器因为各种限制因素不能完全满足未来无线通信系统的需求，具体从以下方面体现：石英晶振谐振器频率低，对热冲击敏感，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(Surface Acoustic Wave，表面声波)谐振器Q值低，插入损耗大；FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator，薄膜体声谐振器)的频率由薄膜厚度决定，而薄膜厚度难以得到精确控制。

MEMS谐振器相对于上述几种谐振器具有更优的性能，拥有广阔的应用前景。

而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：面外振动的弯曲模态的MEMS谐振器，热弹性损耗大，Q值低，导致谐振器插入损耗大，频率稳定性差；面内振动模态的MEMS谐振器频率取决于面内尺寸，占用面积较大，不利于器件大规模集成。

发明内容

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供了一种环形结构酒杯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的至少之一。

本公开提供了一种环形结构酒杯模态射频微机电谐振器，包括：谐振单元，呈环形结构；其中，上述谐振单元工作在面内酒杯模态下，做互为反相的收缩和扩张运动；

支撑单元，与上述谐振单元的位移节点耦合，用于支撑上述谐振单元悬空；

电极，设置于上述谐振单元外围；其中，上述电极与上述谐振单元具有一间隙层，用于上述谐振单元与上述电极之间的机电转换。

根据本公开的实施例，上述谐振单元包括外边缘和内边缘；其中，上述外边缘形状包括正多边形、圆形、椭圆形中的至少一种；其中，上述内边缘形状包括正多边形、圆形、椭圆形中的至少一种。

根据本公开的实施例，上述谐振单元的材料包括硅基材料、金刚石、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，上述谐振单元为圆环形结构或者方形环形结构；上述支撑单元包括4个，分别分布于上述谐振单元的位移节点上；其中，上述电极包括4个，每个上述电极分布于相邻两个上述支撑单元之间。

根据本公开的实施例，上述谐振单元上设置有呈轴对称分布的调节孔；其中，上述调节孔内不填充材料、部分填充材料或全部填充材料。

根据本公开的实施例，上述调节孔的形状包括多边形和/或圆形。

根据本公开的实施例，上述支撑单元包括支座和支撑梁；其中，上述支撑梁的一端与上述谐振单元的位移节点耦合，上述支撑梁的另一端固定在上述支座上。

根据本公开的实施例，上述支撑梁为直梁、弯曲梁、环形梁或者周期性结构中的至少一种；上述支撑梁的材料包括硅基材料、金刚石、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，上述电极配置为单端模式驱动-检测或双端模式驱动-检测；其中，上述电极的形状包括矩形、扇形、叉指、梳齿中的至少一种；上述电极的材料包括金属和/或半导体。

根据本公开的实施例，上述间隙层内配置为不填充电介质材料、部分填充电介质材料或全部填充电介质材料；其中，上述电介质的材料包括空气、HfO

根据本公开的实施例，由于环形结构酒杯模态射频微机电谐振器实现环形结构酒杯模态，因此，相比于现有技术的谐振器，热弹性损耗更低，Q值更高，插入损耗更低、高频率稳定性更高，放宽了后级放大电路的增益需求，系统功耗及噪声更低，器件体积更小，易于大规模集成。

综上所述，上述环形结构酒杯模态射频微机电谐振器可用于构建射频系统中的多种高性能射频器件，具备广阔的应用前景。

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圆环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的结构示意图；

图2示意性示出了图1中的圆环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的谐振单元工作在酒杯模态下的示意图；

图3示意性示出了现有技术中的一种圆盘形踏振单元示意图；

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的一种方形环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的结构示意图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1.谐振单元；2.内边缘；3.外边缘；4.调节孔；5.支撑梁；6.支座；7.电极8.间隙层；9.圆环形结构酒杯模态；10.圆盘形谐振单元。

具体实施方式

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。

本公开提供了一种环形结构酒杯模态射频微机电谐振器，包括：谐振单元，呈环形结构；其中，所述谐振单元工作在酒杯模态下，做互为反相的收缩和扩张运动；支撑单元，与所述谐振单元的位移节点耦合，用于支撑所述谐振单元悬空；电极，设置于所述谐振单元外围；其中，所述电极与所述谐振单元具有一间隙层，用于所述谐振单元与所述电极之间的机电转换。

利用本公开提供的环形结构酒杯模态射频微机电谐振器，在环形结构酒杯模态下工作，热弹性损耗低，Q值高，能够实现低插入损耗、高频率稳定性的效果，放宽后级放大电路的增益需求，降低系统功耗及噪声；相比于其他面内模态，本公开的环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的环形结构酒杯模态在相同频率下器件体积更小，易于大规模集成。

综上所述，本公开提供的环形结构酒杯模态射频微机电谐振器具备高Q值、小尺寸、高稳定性等优势。

根据本公开的实施例，谐振单元包括外边缘和内边缘；其中，外边缘形状包括正多边形、圆形、椭圆形中的至少一种；其中所述内边缘形状包括正多边形、圆形、椭圆形中的至少一种。

根据本公开的实施例，谐振单元的材料可以采用硅基材料(如多晶硅、单晶硅、SiC等)、金刚石、III-V族半导体或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圆环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的结构示意图。

根据本公开的实施例，如图1所示，谐振单元1包括内边缘2和外边缘3；其中，谐振单元1的内边缘2和外边缘3均为圆形。

根据本公开的实施例，如图1所示，谐振单元1呈圆环形，其由内边缘2围绕在中间形成一通孔。

根据本公开的实施例，如图1所示，谐振单元1的通孔分布于几何中心，用来构成圆环形结构。

图2示意性示出了图1中的圆环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的谐振单元工作在酒杯模态下的示意图。

根据本公开的实施例，如图1和图2所示，谐振单元1工作在酒杯模态9下，振动轴为x轴和y轴，以谐振单元1的几何中心为原点，谐振单元1在x轴和y轴上做互为反相的收缩和扩张运动，谐振单元1的位移节点位于y＝x和y＝-x的轴上，位移节点处的位移量最小。

图3示意性示出了现有技术中的一种圆盘形谐振单元示意图。

如图3所示，谐振单元10呈圆盘形。

需要说明的是，谐振单元10也可以采用硅基材料(如多晶硅、单晶硅、SiC等)、金刚石、III-V族半导体或压电材料等。但是现有技术中公开的例如圆盘形谐振单元10，不能形成环形结构酒杯模态工作态，只能形成酒杯模态工作态。

本公开提供的能够形成环形结构酒杯模态的射频微机电谐振器相比于现有技术中的射频微机电谐振器，能够既实现Q值更高，插入损耗更低、高频率稳定性更高的效果，还能使器件体积更小，易于大规模集成。

根据本公开的实施例，在谐振单元上还可以设置调节孔。其中，调节孔可以设置1个、2个或者更多。其设置为可根据实际情况进行调整，再此不做限定。

根据本公开的实施例，调节孔的形状可以为多边形(例如矩形或者菱形)、圆形或者椭圆形。

根据本公开的可选实施例，如图1所示，调节孔4的形状为矩形，且四角导圆。

根据本公开的实施例，圆角化(即导圆)设计能使能量更加集中在谐振单元的边缘，减小模态畸变带来的能量损耗。

根据本公开的实施例，调节孔能够改变结构刚度，调节谐振单元的谐振频率。

根据本公开的实施例，谐振单元上还可以设置有呈轴对称分布的调节孔；其中，调节孔内不填充材料、部分填充材料或全部填充材料。

根据本公开的实施例，在调节孔内填充刚度调节材料，能够改变谐振单元等效刚度，调节谐振器工作频率。

根据本公开的实施例，支撑单元包括支撑梁和支座；其中，支撑梁的一端与谐振单元的位移节点耦合，支撑梁的另一端固定在支座上。

根据本公开的实施例，如图1所示，谐振单元1为圆环形结构；支撑单元包括4个，分别分布于谐振单元1的位移节点上；支撑梁5的一端与谐振单元1的位移节点耦合，支撑梁5的另一端固定在支座6上。

根据本公开的实施例，支座6的厚度分别大于支撑梁5和谐振单元1的厚度，从而使谐振单元1保持悬空状态。

需要说明的是，支撑梁5与谐振单元1的模态相匹配，支撑梁5的振动频率与谐振单元1一致，以减少连接处的能量损耗，提高Q值。

根据本公开的实施例，支撑梁为直梁、弯曲梁、环形梁或者周期性结构中的至少一种。

根据本公开的实施例，如图1所示，4个支撑梁5均为直梁。

根据本公开的实施例，支撑梁的材料可以采用硅基材料、金刚石、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，如图1所示，电极7包括4个，每个电极7分布于相邻两个支撑单元之间。

根据本公开的实施例，电极的形状包括矩形、扇形、叉指、梳齿中的至少一种。

根据本公开的实施例，电极的材料包括金属和/或半导体。

根据本公开的实施例，如图1所示，电极7形状为扇形。

根据本公开的实施例，电极配置为单端模式驱动-检测或双端模式驱动-检测。

根据本公开的实施例，电极可以采用单端模式驱动-检测或者双端模式驱动-检测；当采用其中单端模式驱动-检测时，相对的两个电极同时作为驱动电极或者同时作为检测电极，且两个驱动电极相位相同，两个检测电极的相位也相同。根据本公开的实施例，利用单端模式驱动-检测能够拥有较大的驱动面积，提高测量Q值，且能够实现低插入损耗的谐振器。

根据本公开的实施例，当电极为双端模式驱动-检测时，相邻两个电极同时作为驱动电极或者同时作为检测电极，且两个驱动电机相位相差180°，两个检测电极的相位也相差180°。根据本公开的实施例，利用双端模式驱动-检测可抑制馈通信号，获得高纯度的频谱。

根据本公开的实施例，电极与谐振单元具有一间隙层，用于谐振单元与电极之间的机电转换。其中，间隙层内配置为不填充电介质材料、部分填充电介质材料或全部填充电介质材料。

根据本公开的实施例，如图1所示，谐振单元1与电极7之间采用静电换能机制；其中，谐振单元1与电极7之间有一间隙层8。

根据本公开的实施例，电介质的材料包括空气、HfO

需要说明的是，根据谐振器插入损耗指标需求，间隙层的厚度可以是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方形环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的结构示意图。

根据本公开的实施例，如图1和图4所示，图4中根据本公开另一实施例的方形环形结构酒杯模态射频微机电谐振器与图1中根据本公开实施例的一种圆环形结构酒杯模态射频微机电谐振器的部件结构和材料相同或雷同的部分，在此不再赘述。其不同之处在于：谐振单元1的内边缘2和外边缘3还可以是方形。

根据本公开的实施例，谐振单元为方形环形结构；支撑单元包括4个，分别分布于谐振单元的位移节点上；其中，电极包括4个，每个电极分布于相邻两个支撑单元之间。

根据本公开的实施例，如图4所示，支撑单元包括4个，分别分布于谐振单元1的位移节点上，即谐振单元1的位移节点位于谐振单元的四个顶角上。

根据本公开的实施例，如图4所示，4个电极7分布于四个支撑单元之间，且4个电极7均与方形环形结构的四条边平行。

根据本公开的实施例，如图4所示，电极7形状还可以为矩形。

根据本公开的实施例，如图4所示，调节孔4的形状为矩形和圆形的组合，其长边保持不变，两条短边为半圆弧。

根据本公开的实施例，调节孔能够改善结构刚度，调节谐振单元的谐振频率。

根据本公开的实施例，环形结构酒杯模态射频微机电谐振器，其谐振单元并不局限于圆环形环形结构，还可以为方形环形结构。只要能够实现环形结构酒杯模态即可。但是需要说明的是，圆环形环形结构酒杯模态，在振动过程中热弹性损耗低，Q值高，是构建谐振结构的绝佳选择。

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。