技术领域
[0001] 本
发明涉及微
机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)器件领域，具体涉及一种MEMS薄膜
体声波谐振器。
背景技术
[0002] 薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)作为射频器件(如
滤波器、双工器和振荡源等)已广泛的应用于通讯领域。随着技术进步，由于薄膜体声波谐振器件具有尺寸小和灵敏度高的特点，其在传感领域的应用成为了研究热点，被大量的应用于物理(如环境)或生化检测(气体或物质)领域研究中。特别是随着MEMS技术越来越成熟，薄膜体声波谐振器已成为现代无线通信系统的发展趋势。
[0003] MEMS技术在薄膜体声波谐振器制备中的应用，进一步促进了薄膜体声波谐振器在传感领域的应用发展。通常可使薄膜体声波谐振器的压电薄膜厚度锐减到微米量级，使其谐振
频率达到特高频甚至超高频范围(0.5～10GHz)，也因此薄膜体声波谐振器拥有更高、更精确的工作频率，具有了更低功耗和更高灵敏度等优点。然而，在现有的MEMS制备技术条件下，薄膜体声波谐振器件压电薄膜厚度已经难以进一步降低，
基础频率难以继续提高，灵敏度无法继续提高，限制了薄膜体声波谐振器件在
传感器领域中的应用。
发明内容
[0004] 针对上述问题，为了提高薄膜体声波谐振器的灵敏度，本发明提供了一种MEMS薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括对称设置的两个谐振单元，每一个所述谐振单元包括：
[0005] 谐振结构，所述谐振结构为环形或
块状；
[0007] 耦合结构，与所述谐振结构连接，所述MEMS薄膜体声波谐振器工作时，在所述耦合结构上施加耦合静电
电压，所述两个谐振单元的两个耦合结构之间形成弱耦合。
[0008] 在一些
实施例中，所述谐振结构包括位于下方的低阻
硅模块和位于上方的
电极模块，所述低阻硅模块和所述电极模块之间由第二绝缘层隔开，所述低阻硅模块与所述耦合结构电连接。
[0009] 在一些实施例中，所述电极模块包括上电极、下电极和压电薄膜；所述上电极和下电极具有相同的形状，所述压电薄膜设置于所述上电极和下电极之间，在所述电极模块的第一侧设置有分别与所述上电极和所述下电极连接的上电极引线和下电极引线。
[0010] 在一些实施例中，所述压电薄膜的两侧设置有第三绝缘层，第一侧的所述第三绝缘层与所述压电薄膜的厚度相同。
[0011] 在一些实施例中，所述支撑结构包括支撑梁，所述支撑梁由低阻硅材料制成，所述低阻硅模块设置于所述支撑梁的中部，为所述支撑梁的一部分；所述支撑梁形成于硅基底上；所述支撑梁下部的硅基底被完全
刻蚀，以形成悬空结构。
[0012] 在一些实施例中，所述硅基底包括第一绝缘层，所述第一绝缘层位于所述支撑梁的下表面，所述第二绝缘层
覆盖所述支撑梁的上表面。
[0013] 在一些实施例中，所述支撑结构还包括位于所述支撑梁的两侧的支撑台，所述支撑台由低阻硅材料制成。
[0014] 在一些实施例中，在位于所述MEMS薄膜体声波谐振器的第一侧的支撑台内设置有与所述上电极引线电连接的上电极焊盘和与所述下电极引线电连接的下电极焊盘，所述上电极焊盘和下电极焊盘能够与外部
电路连接。
[0015] 在一些实施例中，在位于所述MEMS薄膜体声波谐振器的第二侧的支撑台内设置有耦合电压焊盘，所述耦合电压焊盘通过低阻硅与所述耦合结构电连接，所述耦合电压焊盘能够与外部电路连接，用于施加耦合静电电压。
[0016] 在一些实施例中，所述两个谐振单元在所述支撑台处通过第四绝缘层相互绝缘。
[0017] 基于上述技术方案可知，本发明至少取得了以下有益效果：
[0018] 本发明提供的MEMS薄膜体声波谐振器在常规MEMS薄膜体声波谐振器的基础上，通过设计两个谐振单元的弱耦合结构，可实现高灵敏检测，同时还可实现共模干扰的抑制。
附图说明
[0019] 图1为根据本发明的实施例的MEMS薄膜体声波谐振器的结构示意图；
[0020] 图2为图1中的MEMS薄膜体声波谐振器沿线A-A’的剖面图；
[0021] 图3为图1中的MEMS薄膜体声波谐振器沿线B-B’的剖面图；
[0022] 图4为图1中的MEMS薄膜体声波谐振器沿线C-C’的剖面图；
[0023] 图5为图1中的MEMS薄膜体声波谐振器沿线D-D’的剖面图；
[0024] 图6为本发明的实施例中的谐振结构的等效
弹簧系统的示意图。
具体实施方式
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0027] 图1为本发明的一个实施例中的MEMS薄膜体声波谐振器的结构示意图，如图1所示，该MEMS薄膜体声波谐振器包括对称设置的两个谐振单元，每一个谐振单元包括谐振结构1、支撑结构和耦合结构7。谐振结构1为环形或块状；支撑结构用于支撑谐振结构1；耦合结构7与谐振结构1连接。MEMS薄膜体声波谐振器工作时，在耦合结构7上施加耦合静电电压，两个谐振单元的两个耦合结构7之间形成弱耦合。
[0028] 本发明的实施例提供的MEMS薄膜体声波谐振器在常规MEMS薄膜体声波谐振器基础上，通过设计两个谐振单元的弱耦合结构，可实现高灵敏检测，还可实现共模干扰的抑制。
[0029] 进一步参照图2到图5，分别为图1中的MEMS薄膜体声波谐振器沿不同剖切线的剖面图。
[0030] 根据一些实施例，谐振结构1包括位于下方的低阻硅模块和位于上方的电极模块，低阻硅模块和电极模块之间由第二绝缘层9隔开，低阻硅模块与耦合结构7电连接。
[0031] 根据一些实施例，电极模块包括上电极12、下电极10和压电薄膜13；上电极12和下电极10具有相同的形状，压电薄膜13设置于上电极12和下电极10之间，在电极模块的第一侧(图1中的左侧)设置有分别与上电极12和下电极10连接的上电极引线和下电极引线。
[0032] 优选地，压电薄膜13的两侧设置有第三绝缘层11，第一侧的第三绝缘层11与压电薄膜13的厚度相同。
[0033] 根据一些实施例，支撑结构包括支撑梁2，支撑梁2由低阻硅材料制成，谐振结构1的低阻硅模块设置于支撑梁2的中部，为支撑梁2的一部分；支撑梁2形成于硅基底上；支撑梁2下部的硅基底被完全刻蚀，以形成悬空结构。
[0034] 图中所示为谐振结构为环形时的实施例，此时上电极12、下电极10和低阻硅模块处的支撑梁2均为环形。可以理解的是，当谐振结构为块状时，上述部件的形状也将相应地变化。
[0035] 优选地，硅基底包括第一绝缘层8，第一绝缘层8位于支撑梁2的下表面，第二绝缘层9覆盖支撑梁2的上表面。
[0036] 根据一些实施例，支撑结构还包括支撑台3，位于支撑梁2的两侧，支撑台也由低阻硅材料制成。优选地，在第一侧或第二侧(图1中的右侧)，两个谐振单元的支撑台为一个整体(如图3和图4所示)。
[0037] 根据一些实施例，第一侧的支撑台3内设置有与上电极引线连接的上电极焊盘4和与下电极引线连接的下电极焊盘5，上电极焊盘4和下电极焊盘5可与外部电路连接。例如，上电极焊盘4和下电极焊盘5通过在第三绝缘层11上开设的窗口处与外部电路连接。
[0038] 根据一些实施例，第二侧的支撑台3内设置有耦合电压焊盘6，耦合电压焊盘6为耦合静电电压的施加点，耦合电压焊盘6通过低阻硅与耦合结构7电连接，且可与外部电路连接。例如耦合电压焊盘6通过第二绝缘层9和第三绝缘层11上的窗口与谐振结构1连接。
[0039] 根据一些实施例，两个谐振单元在支撑台3处通过第四绝缘层14相互绝缘。
[0040] 上述的各绝缘层可以均为例如
氧化硅绝缘层。
[0041] 下面结合附图介绍本发明的一个实施例中的MEMS薄膜体声波谐振器的详细制造步骤。
[0042] 本发明的实施例采用SOI(Silicon-On-Insulator)
硅片制作MEMS薄膜体声波谐振器件，SOI硅片从下往上依次包括Handle
单晶硅层、氧化硅与Device单晶硅层，其中最底下Handle单晶硅层用于形成支撑台3，氧化硅用于形成第一绝缘层8，上层Device单晶硅层用于形成谐振结构1，是低阻硅。
[0043] 制备时，首先，通过深刻蚀工艺在SOI硅片Device单晶硅层上刻蚀
深槽，刻蚀深度为Device单晶硅层的厚度，预先制备出第四绝缘层14的沉积空间；然后，在SOI硅片Device单晶硅层上热氧化生长第二绝缘层9；接着通过lift-off工艺与溅射工艺结合形成下电极引线与下电极10；利用PECVD工艺制备第三绝缘层11，并沉积形成第四氧化硅层14，通过反应离子刻蚀工艺对第三绝缘层11进行图形化，刻蚀深度为到达下电极10，以形成压电薄膜13的制备区域，以及漏出下电极引线；通过反应溅射工艺制备压电薄膜13，利用刻蚀工艺形成谐振器的压电薄膜13；通过lift-off工艺与溅射工艺结合形成上电极引线和上电极12以及上电极焊盘4与下电极焊盘5；通过反应离子刻蚀工艺对第三绝缘层11进行第二次图形化，刻蚀深度为漏出Device单晶硅层；通过lift-off工艺与溅射工艺结合形成耦合电压焊盘6；通过反应离子刻蚀工艺对第三绝缘层11进行第三次图形化，刻蚀深度为漏出Device单晶硅层，形成谐振结构1、支撑梁2以及耦合结构7的图形；通过深刻蚀工艺在SOI硅片Device单晶硅层上形成谐振结构1、支撑梁2及耦合结构7；通过反应离子刻蚀工艺对第一绝缘层8进行刻蚀，深度为漏出Handle单晶硅层；在SOI硅片Handle单晶硅层，进行深刻蚀工艺形成支撑台3，释放整个谐振结构1与支撑梁2；最后，整体器件放入
真空退火炉中退火，使电极与硅形成良好的欧姆
接触。
[0044] 工作时，两个谐振结构1通过耦合结构7形成如图5所示的等效弹簧系统。在静电
力的作用下，耦合
刚度kc满足下式：
[0045]
[0046] 其中，Δv为两个谐振结构之间电压差，g为耦合结构间距，A为相对面积，ε0是空气
介电常数。当kc＜k时，两个谐振结构的谐振频率及模式就会无限的接近，形成弱耦合模式局部化，带来高灵敏度以及共模抑制的特性。
[0047] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
