環(huán)形檢測電極面內伸縮諧振器設計及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有環(huán)形檢測電極的圓形面內伸縮諧振器結構，應用于MEMS諧振器領域中一種新型面內伸縮諧振器結構。
【背景技術】
[0002]面內伸縮模式諧振器相較于傳統的石英晶體諧振器或一般的硅基諧振器，諧振頻率可以達到GHz，動態(tài)阻抗較小。相較于同樣應用于高頻，但諧振頻率由薄膜厚度決定的薄膜體聲波諧振器，CMRs由于諧振頻率可由面內尺寸決定，因此可以一個芯片上通過變換形狀和尺寸制備多種不同頻率的諧振器單元，為實現單片無線通信提供了可能。因此面內伸縮諧振器在通信系統中具有廣闊的應用前景。
[0003]面內伸縮諧振器主要采用三明治懸空結構(上電極-壓電層-下電極)，但是單純地將上電極，壓電層，下電極層制備出完全相同的形狀，不僅會使得上下電極重疊部分的電容嚴重影響高頻信號的傳輸和檢測，而且檢測電極全部覆蓋在壓電層，還會引入雜散模態(tài)信號的干擾。

【發(fā)明內容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種面內伸縮諧振器結構，其驅動電極為圓形，檢測電極設計成環(huán)形，這種結構不僅可以具備面內諧振器本身的優(yōu)勢，而且圓形的設計使得器件的結構約束對稱分布，而且驅動電極的結構設計使得輸入電場對稱分布，檢測電極則可以有效檢測輸出信號，避免了雜散信號的干擾。
[0005]根據本發(fā)明一方面，其提供了一種環(huán)形檢測電極面內伸縮諧振器，包括:
[0006]依次生長在襯底上的下電極緩沖層、下電極層、壓電層、絕緣保護層和上電極層，該面內伸縮諧振器的主體結構包括通過中間的耦合梁連接的圓形平板驅動單元和檢測單元，驅動單元從底部依次包括圓形下電極層、壓電薄膜層以及上面覆蓋的圓形上電極層，檢測單元從底部依次包括圓形下電極層、壓電薄膜層以及上面覆蓋的環(huán)形上電極層，驅動單元和檢測單元之間的耦合梁沒有上電極層，所述主體結構的整體的外側通過錨點兩端固定連接在襯底上；所述主體結構下方的襯底通過背面刻蝕形成懸空結構。
[0007]根據本發(fā)明另一方面，其提供了一種環(huán)形檢測電極面內伸縮諧振器的制備方法，其包括
[0008]步驟1:在襯底形成下電極緩沖層和下電極層；
[0009]步驟2:利用磁控濺射制備出A1N壓電薄膜；
[0010]步驟3:利用普通光刻，在四個邊角位置干法刻蝕刻蝕掉A1N壓電薄膜，形成四個下電極PAD窗口，去除光刻膠；
[0011]步驟4:通過普通光刻，在中心位置利用ICP刻蝕掉A1N壓電薄膜和下電極層至襯底，刻蝕出錨點，作為驅動電極和檢測電極的兩個圓形單元以及中間的耦合梁，去除光刻膠，形成諧振器主體結構；
[0012]步驟5:等離子增強化學氣相沉積絕緣保護層，同時利用普通光刻和干法刻蝕在上、下電極PAD位置以及器件主結構位置刻蝕掉絕緣保護層，露出上、下電極PAD窗口以及器件主結構；
[0013]步驟6:通過普通光刻，磁控濺射上電極層，一次性在兩個上電極PAD，驅動電極和檢測電極的兩個圓形單元以及錨點位置上方，制備出上電極、圓形驅動電極和環(huán)形檢測電極；
[0014]步驟7:背面光刻刻蝕襯底，刻蝕至下電極緩沖層，刻蝕出與絕緣保護層定義的器件主結構窗口尺寸相同的結構，完成懸空結構的制備。
[0015]本發(fā)明公開的這種環(huán)形檢測電極的圓形面內伸縮諧振器結構不僅具有面內伸縮諧振器本身的優(yōu)點，即諧振頻率只有面內尺寸決定，改變尺寸就可以實現不同的頻率，易于實現單片無線通訊，另一方面，圓形結構的設計使得應力約束等對稱分布，驅動電極的設計可以產生對稱均勻的電場，而檢測電極設計成環(huán)形，主要覆蓋在輸出信號能量較強的區(qū)域，避開能量雜散的區(qū)域從而減少雜散模態(tài)信號對于輸出信號的影響，測試時輸出信號不容易被噪聲淹沒，更容易成功制備出輸出信號較強的面內伸縮諧振器。
【附圖說明】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照仿真附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，
[0017]圖1是本發(fā)明中圓形面內伸縮諧振器的結構示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明中圓形面內伸縮諧振器結構俯視圖；
[0019]圖3(a)_(d)是本發(fā)明中圓形面內伸縮諧振器的制造方法工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0021]需要說明的是，附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明提出了一種圓形面內伸縮諧振器，其包括:
[0023]依次生長在諧振器襯底1上的下電極緩沖層2、下電極層3、壓電層4、絕緣保護層5和上電極層，還包括下電極PAD、上電極PAD、驅動電極和檢測電極；該面內伸縮諧振器的主體結構為分別作為驅動單元9和檢測單元6的兩個圓形平板通過中間的耦合梁連接，驅動單元9從底部依次是圓形下電極，壓電薄膜層以及上面覆蓋的圓形上電極，檢測單元從底部依次是圓形下電極，壓電薄膜層以及上面覆蓋的環(huán)形上電極，驅動電極和檢測電極之間的耦合梁并沒有上電極，懸空主結構(上電極-壓電層-下電極)整體的外側通過錨點兩端固定連接在襯底上，這樣由驅動單元、檢測單元以及中間的耦合梁、兩側的錨點共同構成諧振器主結構。該結構區(qū)域下的襯底1通過背面刻蝕形成懸空結構。
[0024]其中，所述上電極層上制備所述驅動電極和檢測電極，且所述驅動電極為圓形，所述檢測電極為環(huán)形。
[0025]所述下電極層可以是Pt、Au、Al或Mo，厚度為80-100nm。所述壓電層為具有壓電特性的壓電薄膜，如A1N，ZnO，壓電陶瓷等其他壓電材料，厚度為500nm-3um，通過干法刻蝕或者濕法腐蝕壓電層、下電極和下電極緩沖層，制備諧振器的主體結構，兩個半徑相同的圓形結構通過中間的耦合梁連接，兩側通過錨點連接到襯底上，最后通過背面刻蝕襯底，制備出三明治懸空結構；同時刻蝕壓電層露出下電極PAD窗口，PAD尺寸根據測試設備的要求設計；所述絕緣層的厚度為400nm-800nm，可以是Si02以及其他所有具有絕緣性的介質。
[0026]所述上電極層包括上電極PAD，驅動電極，檢測電極以及連接部分，采用Al，Au，Mo, Pt或者其他所有導電