[发明专利]一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法

说明书

本发明公开了一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法，所述微机电谐振器包括支撑台、位于支撑台上面的外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、支撑梁、谐振体以及声子晶体矩阵；外接输入电极和外接输出电极对称放置在支撑台顶端的两侧，且其两侧均对称设置有外接地电极；谐振体通过两根支撑梁的固定悬浮在支撑台顶端的中心处，其两侧对称的放置有声子晶体矩阵，且其上面的叉指电极通过对应的金属导线与外接输入电极和外接输出电极电性连接；声子晶体矩阵具有3×12个晶胞和频率范围从127MHz到216MHz的完全带隙。本发明解决了现有微机电谐振器在实际应用中存在的锚点损耗较大、品质因数较低以及稳定性低的问题。

技术领域

本发明属于射频微机电系统技术领域，具体涉及一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法的设计。

背景技术

微机电系统(MEMS)技术是一种新兴的快速发展的技术，它在新一代高集成度的无线通信系统中有着广泛的应用前景。对于无线通信系统，其前端收发电路处理的是射频信号，电路尺寸须与信号的波长相匹配，采用基于MEMS技术制作的声学器件是实现射频前端小型化的重要手段，因为声波在介质中的传播速度(例如，在空气中波速约为340m/s)远小于电磁波的波速(例如，在空气中波速约为299,792,458m/s)，所以对于相同频率的信号，声波的波长会远小于电磁波的波长，从而声学器件的尺寸就可以远小于传统的射频器件。

目前研究较多的声学谐振器主要分为声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件和体声波BAW(Bulk Acoustic Wave)器件两大类。SAW的主要优点有：加工工艺相对简单且成熟，机电耦合系数较高；缺点是功率容量低，较难与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路在单片上集成。与SAW相比，BAW最大的不同是声波在器件的内部传播而不是表面，从而可以将声波的能量限制在基底中且与外界保持声学隔离，所以通常BAW器件的品质因数(Q)会优于SAW器件。现有的BAW谐振器在机电转换过程中，会有大量的声波通过支撑梁传播到基底，产生严重的能量损耗，其被称为锚点损耗。谐振器的品质因数(Q)被定义为谐振器存储的能量与损耗的能量的比值，锚点损耗会显著的降低器件Q值，从而严重的限制了BAW谐振器的实际应用，因为高Q值可以提高传感器的检测分辨率，减小滤波器的带宽，改善振荡器的相位噪声。

如今，许多通过减小锚点损耗而提升Q值的方法已经被提出，其中利用声子晶体是一种十分有效的方法。声子晶体是根据光子晶体的概念所提出的，当弹性波在周期性弹性介质传播时，会受周期结构的影响，形成特殊的能带结构，其被称为声学带隙，带隙内的弹性波传播会被抑制，而带隙外将无损耗的传播。因此，利用声子晶体的这个性质，可以在很大程度上减少通过支撑梁传播到基底的声波，从而减小谐振器的锚点损耗。

现有利用声子晶体提升Q值的方法主要分为两类，一种是在支撑梁处放置一维结构声子晶体，另一种是在支撑梁末端的锚点处放置二维结构的声子晶体。这两类方法存在谐振器机械结构稳定性差和抑制能量损耗效果差的问题，依然不能很好的提高谐振器的Q值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提出一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法，通过在谐振体两侧放置二维声子晶体矩阵，将声能困在谐振体中间部分，减少通过支撑梁耗散到支撑台的声波，从而有效地降低谐振器的锚点损耗，提高谐振器的品质因数，并且不增加整个谐振器的尺寸，实现高Q值和小型化，推进MEMS谐振器在实际中的应用。

本发明的技术方案为：一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器，包括支撑台、位于支撑台上的外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、支撑梁、谐振体以及声子晶体矩阵；外接输入电极和外接输出电极对称放置在支撑台顶端的两侧，且外接输入电极和外接输出电极的两侧均对称设置有外接地电极；谐振体通过两根支撑梁固定悬浮在支撑台顶端的中心处，其两侧对称放置有声子晶体矩阵，谐振体上面的叉指电极通过对应的金属导线分别与外接输入电极和外接输出电极电性连接；每个声子晶体矩阵均具有3×12个晶胞，其对称放置在谐振体的两侧。