本發(fā)明屬于電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及射頻微機(jī)電系統(tǒng)(rfmems器件，尤其是電容式mems諧振器，具體提供一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器。

背景技術(shù)：

諧振器是電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件之一，目前電子設(shè)備中使用的主要是石英晶體諧振器，但隨著對(duì)電子設(shè)備高性能、小型化的進(jìn)一步要求，石英晶體諧振器的大體積、高功耗和無(wú)法與ic工藝兼容等缺點(diǎn)變得非常凸顯。靜電驅(qū)動(dòng)電容式mems諧振器是一種基于微機(jī)械工藝和微機(jī)械振動(dòng)的高性能諧振器器件，它具有體積小、低功耗、與ic工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，使得其在系統(tǒng)小型化發(fā)展過(guò)程中具有良好的前景。

目前研究較多的mems諧振器主要是靜電驅(qū)動(dòng)電容式mems諧振器，這一類諧振器的工作過(guò)程是一個(gè)機(jī)械能和電能反復(fù)交換的過(guò)程，根據(jù)其工作過(guò)程，可以將其結(jié)構(gòu)分為三部分：即輸入變換器、機(jī)械振子及輸出變換器組成；輸入變換器將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，機(jī)械振子通過(guò)其機(jī)械振動(dòng)頻率濾出工作信號(hào)，輸出變換器將機(jī)械信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)輸出電極輸出；輸入換能和輸出換能都是通過(guò)機(jī)械振子和電極之間的電容進(jìn)行。上述結(jié)構(gòu)的電容式諧振器的典型問(wèn)題是振動(dòng)塊與電極間隙小，諧振器的動(dòng)態(tài)阻抗大，導(dǎo)致諧振器的輸出電流小，帶負(fù)載能力差。若利用這種mems諧振器來(lái)構(gòu)造振蕩器與濾波器勢(shì)必要采用多級(jí)放大電路，才能夠構(gòu)成具有振蕩或者選頻功能的電路網(wǎng)絡(luò)，而多級(jí)放大電路的使用必然使整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲和線性度惡化，這些都對(duì)mems諧振器的實(shí)用化形成了一定阻礙，限制了mems諧振器在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)背景技術(shù)中電容式諧振器輸出電流小，帶負(fù)載能力差的不足，提供一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，通過(guò)對(duì)振動(dòng)塊和電極摻雜的方法，構(gòu)造四對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極，在相同小信號(hào)激勵(lì)下，提高了諧振器的輸出電流，從而提高了諧振器的驅(qū)動(dòng)能力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，包括：1個(gè)振動(dòng)塊、4個(gè)振動(dòng)塊支撐梁、4個(gè)振動(dòng)塊錨點(diǎn)、4個(gè)輸入輸出電極、4個(gè)電極支撐梁及4個(gè)電極錨點(diǎn)；其特征在于，所述振動(dòng)塊呈正方形、且通過(guò)分別設(shè)置于振動(dòng)塊四角的振動(dòng)塊支撐梁與振動(dòng)塊錨點(diǎn)相連，所述輸入輸出電極設(shè)置于振動(dòng)塊的外側(cè)、分別對(duì)應(yīng)振動(dòng)塊的四邊、且通過(guò)電極支撐梁與電極錨點(diǎn)相連；所述振動(dòng)塊、振動(dòng)塊支撐梁、輸入輸出電極及電極支撐梁均由多晶硅重?fù)诫s形成，所述振動(dòng)塊分割為1個(gè)正方形半導(dǎo)體區(qū)與4個(gè)梯形半導(dǎo)體區(qū)，所述正方形半導(dǎo)體區(qū)位于中心、且采用任意摻雜類型，所述4個(gè)梯形半導(dǎo)體區(qū)圍繞正方形半導(dǎo)體區(qū)，相鄰梯形半導(dǎo)體區(qū)采用相反類型摻雜，同時(shí)，每個(gè)梯形半導(dǎo)體區(qū)與相連的振動(dòng)塊支撐梁采用相同類型摻雜、且與對(duì)應(yīng)的輸入輸出電極采用相反類型摻雜；所述振動(dòng)塊錨點(diǎn)與電極錨點(diǎn)上均設(shè)置外接金屬電極、用于連接外部電路。

進(jìn)一步的，所述4個(gè)梯形半導(dǎo)體區(qū)為圍繞正方形半導(dǎo)體區(qū)的環(huán)狀區(qū)域沿振動(dòng)塊的對(duì)角線方向分割形成。

一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，包括：1個(gè)振動(dòng)塊、4個(gè)振動(dòng)塊支撐梁、4個(gè)振動(dòng)塊錨點(diǎn)、4個(gè)輸入輸出電極、4個(gè)電極支撐梁及4個(gè)電極錨點(diǎn)；其特征在于，所述振動(dòng)塊呈正方形、且通過(guò)分別設(shè)置于振動(dòng)塊四角的振動(dòng)塊支撐梁與振動(dòng)塊錨點(diǎn)相連，所述輸入輸出電極設(shè)置于振動(dòng)塊的外側(cè)、分別對(duì)應(yīng)振動(dòng)塊的四邊、且通過(guò)電極支撐梁與電極錨點(diǎn)相連；所述振動(dòng)塊、振動(dòng)塊支撐梁、輸入輸出電極及電極支撐梁均由多晶硅重?fù)诫s形成，所述振動(dòng)塊沿對(duì)角線方向分割為4個(gè)半導(dǎo)體區(qū)、且相鄰半導(dǎo)體區(qū)采用相反類型摻雜，同時(shí)，每個(gè)半導(dǎo)體區(qū)與相連的振動(dòng)塊支撐梁采用相同類型摻雜、且與對(duì)應(yīng)的輸入輸出電極采用相反類型摻雜；所述振動(dòng)塊錨點(diǎn)與電極錨點(diǎn)上均設(shè)置外接金屬電極、用于連接外部電路。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中所述半導(dǎo)體區(qū)包括p型摻雜和n型摻雜兩種摻雜類型，所述p型半導(dǎo)體區(qū)由多晶硅重?fù)诫s三價(jià)元素形成、n型半導(dǎo)體區(qū)由多晶硅重?fù)诫s五價(jià)元素形成。另外，由于諧振器的主要換能區(qū)域在振動(dòng)塊外圍四個(gè)方向的區(qū)域，因此振動(dòng)塊中心區(qū)域的摻雜類型，即上述兩個(gè)技術(shù)方案具備單一性。

從工作原理上講，本發(fā)明提供的具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器工作時(shí)，中心振動(dòng)塊的側(cè)邊分別與其對(duì)應(yīng)的輸入輸出電極形成輸入輸出換能電容；如圖5所示，直流驅(qū)動(dòng)電壓vdc分別加載于四個(gè)輸入輸出電極錨點(diǎn)的金屬電極(6-1、6-2、6-3、6-4)上，中心振動(dòng)塊的四個(gè)錨點(diǎn)的金屬電極(5-1、5-2、5-3、5-4)接地；交流信號(hào)通路上，四個(gè)n型摻雜區(qū)域(1-1、1-3、2-2、2-4)作為輸入端，四個(gè)p型摻雜區(qū)域(1-2、1-4、2-1、2-3)作為輸出端；電容式mems諧振器工作時(shí)，輸入輸出換能電容上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的靜電力fe：

其中，ε0為真空中介電常數(shù)，a為輸入輸出電極和中心振動(dòng)塊側(cè)面重疊的面積，v為諧振器施加的外部電壓，g為輸入輸出電極和中心振動(dòng)塊之間的間距。

本發(fā)明提供的電容式諧振器構(gòu)造了四個(gè)輸入端四個(gè)輸出端，因此，器件在工作時(shí)，產(chǎn)生的靜電力fe'為傳統(tǒng)電容式諧振器的4倍：

fe'＝4fe

由于中心振動(dòng)塊的側(cè)面分別與它們對(duì)應(yīng)的輸入輸出電極形成輸入輸出換能電容，通過(guò)靜電場(chǎng)對(duì)電容極板產(chǎn)生的靜電力分析：

由諧振器的工作狀態(tài)可知，當(dāng)fe'變?yōu)閒e的4倍時(shí)，在每一個(gè)周期的單位時(shí)間δt內(nèi)，給諧振器施加的外部電壓v和輸入輸出電極和中心振動(dòng)塊之間間距g的比值不變，因此在靜電力增大為原來(lái)的4倍的情況下，產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量也增大為原來(lái)的4倍：

根據(jù)電流的定義，通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量δq跟通過(guò)這些電荷量所用的時(shí)間δt的比值稱為電流；當(dāng)δt時(shí)間內(nèi)的電荷量δq變?yōu)樵瓉?lái)的4倍時(shí)，通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電流也會(huì)變?yōu)樵瓉?lái)的4倍：

因此，由于四對(duì)輸入輸出電極使諧振器工作時(shí)的靜電力變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，從而使輸出電流也增大為原來(lái)的4倍，振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)幅值增加了6db，使得諧振器的驅(qū)動(dòng)性能得到顯著提高。

綜上所述，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供的一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，通過(guò)對(duì)多晶硅進(jìn)行摻雜方式，使諧振器中心振動(dòng)塊和輸入輸出電極的相應(yīng)位置形成相應(yīng)類型摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域；該結(jié)構(gòu)為諧振器構(gòu)造了四對(duì)輸入輸出電極，使諧振器工作時(shí)的靜電力大幅增加，從而使諧振器的輸出電流和最大振動(dòng)幅度也大幅增加，提高了諧振器的驅(qū)動(dòng)能力。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1提供一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；

圖2為實(shí)施例2提供的一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；

圖3為圖1中a-a’連線界面示意圖；

圖4為圖1中b-b’連線界面示意圖；

圖5為實(shí)施例1具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的驅(qū)動(dòng)電路示意圖；

其中：1-1、1-3表示振動(dòng)塊n型摻雜區(qū)，1-2、1-4表示振動(dòng)塊p型摻雜區(qū)域，1-5表示振動(dòng)塊中心任意類型摻雜區(qū)域，2-1、2-3表示n型摻雜的輸入/輸出電極，2-2、2-4表示p型摻雜的輸出/輸入電極，3-1、3-3表示n型摻雜的振動(dòng)塊支撐梁，3-2、3-4表示p型摻雜的振動(dòng)塊支撐梁，4-1、4-3表示n型摻雜的輸入/輸出電極支撐梁，4-2、4-4表示p型摻雜的輸出/輸入電極支撐梁，5-1、5-2、5-3、5-4表示振動(dòng)塊錨點(diǎn)上的外接金屬電極，6-1、6-2、6-3、6-4表示輸入輸出電極錨點(diǎn)上外接金屬電極，7-1、7-3表示n型摻雜的振動(dòng)塊錨點(diǎn)，7-2、7-4表示p型摻雜的振動(dòng)塊錨點(diǎn)，8-1、8-3表示n型摻雜的輸入輸出電極錨點(diǎn)，8-2、8-4表示p型摻雜的輸入輸出電極錨點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，如圖1、圖3、圖4所示，包括：振動(dòng)塊、振動(dòng)塊支撐梁、振動(dòng)塊錨點(diǎn)、輸入輸出電極、電極支撐梁及電極錨點(diǎn)；所述振動(dòng)塊呈正方形、被分割為1個(gè)正方形半導(dǎo)體區(qū)1-5與4個(gè)梯形半導(dǎo)體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4，其中梯形半導(dǎo)體區(qū)1-1、1-3采用n型摻雜、梯形半導(dǎo)體區(qū)1-2、1-4采用p型摻雜、正方形半導(dǎo)體區(qū)1-5采用任一類型摻雜，梯形半導(dǎo)體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)塊支撐梁3-1、3-2、3-3、3-4與振動(dòng)塊錨點(diǎn)5-1、5-2、5-3、5-4相連，振動(dòng)塊支撐梁與對(duì)應(yīng)的梯形半導(dǎo)體區(qū)采用相同類型摻雜；輸入輸出電極2-1、2-2、2-3、2-4分別對(duì)應(yīng)設(shè)置于梯形半導(dǎo)體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4外側(cè)、且輸入輸出電極與對(duì)應(yīng)的梯形半導(dǎo)體區(qū)采用相反類型摻雜；輸入輸出電極2-1、2-2、2-3、2-4分別通過(guò)電極支撐梁4-1、4-2、4-3、4-4與電極錨點(diǎn)6-1、6-2、6-3、6-4相連。

上述具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器的制備過(guò)程如下：

首先在高溫環(huán)境的n型雜質(zhì)氛圍中，通過(guò)熱擴(kuò)散對(duì)硅片進(jìn)行摻雜并達(dá)到一定濃度，使整個(gè)多晶硅結(jié)構(gòu)成為n型半導(dǎo)體；

然后在硅基片上沉積一層二氧化硅作為掩膜，將二氧化硅刻蝕出需要摻雜為p型半導(dǎo)體區(qū)域的圖形；并在強(qiáng)電場(chǎng)中，采用離子注入的方式對(duì)刻蝕圖形化的區(qū)域進(jìn)行高濃度p型離子摻雜，使圖形化的區(qū)域成為p型半導(dǎo)體區(qū)域；再去除表面的二氧化硅掩膜；在硅摻雜工藝完成后，利用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)在摻雜后的硅片上刻蝕出振動(dòng)塊、支撐梁、輸入輸出電極和錨點(diǎn)；然后利用反應(yīng)濺射得到金屬薄膜，刻蝕后得到輸入輸出電極錨點(diǎn)和振動(dòng)塊錨點(diǎn)上的外接金屬電極；

最后再利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)從底部將基片二氧化硅絕緣層和基底刻蝕得到基底內(nèi)腔，使整個(gè)結(jié)構(gòu)懸空，最后經(jīng)封裝即成。

mems諧振器整體結(jié)構(gòu)采用多晶硅摻雜制作。由于上述諧振器中振動(dòng)塊的尺寸直接決定了諧振器的振動(dòng)頻率，因此，振動(dòng)塊尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)、支撐梁尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)、輸入輸出電極尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)，以及振動(dòng)塊與輸入輸出電極的間距，需要根據(jù)實(shí)際使用需求來(lái)確定具體相關(guān)尺寸。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種具有多對(duì)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電極的電容式mems諧振器，如圖2所示，其中振動(dòng)塊呈正方形、沿對(duì)角線方向分割為4個(gè)半導(dǎo)體區(qū)1-1、1-2、1-3、1-4，其中半導(dǎo)體區(qū)1-1、1-3采用n型摻雜、半導(dǎo)體區(qū)1-2、1-4采用p型摻雜，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。