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随着高速移动通讯网络的迅猛增长,人们对便携电子产品的高性能、低功耗化提出了进一步的要求。谐振器作为无线电子产品中的重要组成部分,其小型化、高Q值、低功耗都是其研发的方向。MEMS工艺制作出的体模式谐振器天生满足上述要求,且容易在同等工艺条件下达到高频,是目前研究的热点。论文充分调研国内外MEMS谐振器发展现状,对差分结构的体模式谐振器的结构仿真、工艺设计、分析测试等多方面进行了研究。
绪论介绍了MEMS谐振器的研究背景,分析了现阶段常用的各种结构的谐振器以及优缺点,确立以硅为谐振体材料,进行差分结构体模式谐振器方面的研究。
第二章分析了体模式谐振器的工作原理,特别是体振动模式的振动方程的分析。通过有限元仿真软件,对方形和圆形的谐振体的谐振模态,频率响应等多方面进行仿真分析,并通过仿真结果对谐振体的等效电路模型和寄生电容模型进行估算,确立了谐振体的整体结构。
第三章介绍了侧墙牺牲层工艺研究方面的工作,该工艺对本组前期研究的工艺进行改进,添加了氧化层作为隔离层,增大金属引脚间距。侧墙牺牲层工艺制造出的谐振体电容间距为100nm,包括双端固支梁、圆盘、圆环结构。
第四章介绍了在SOI片上直接刻蚀制作谐振器的工艺,首先用光刻胶作为掩模制造电容间隙为2μm谐振器,通过衬底腐蚀制作了谐振体的背腔,谐振体为差分输入输出结构,特征尺寸分别为50μm和500μm,形状包括方形和圆形。然后设计了两套亚微米线宽的掩模工艺,并尝试采用了多晶硅侧墙牺牲层工艺来制作亚微米线宽的掩模。
第五章介绍了纳米介质层内嵌梳齿结构的多晶硅谐振器的研究工作。通过对内嵌梳齿结构的机电耦合仿真,确定了结构的可行性。结构采用氮化硅作为介质层,该设计在减小等效阻抗的同时提高了工艺的可靠性。信号引线同时充当隔离结构,交直流均使用表面走线的方式。结构受光刻工艺条件限制,尺寸设计在80μm,多晶硅梳齿线宽1.6μm,氮化硅介质层厚度80nm。
第六章介绍了体模式谐振器的测试工作,包括搭建测试平台、大气环境中测量真空封装、PCB板上差分测量这几种测量方法,对直接刻蚀工艺制作出的谐振器进行了测量,并对测试结果进行了分析。
最后对以上工作进行了总结,对下一步的研究提出改进方法。未来工作会致力于内嵌梳齿结构谐振器的工艺研发和谐振器的电学测试。