一种具有迷宫结构的谐振器及其加工方法

本发明属于射频微机电系统，具体涉及一种具有迷宫结构的谐振器及其加工方法。

背景技术：

1、近年来，微机电系统(以下简称为mems)逐渐开辟出全新的产业领域，相较于传统传感器来说，mems有着众多优点，因此在航空航天、环境监控、生物医学等各个领域都有着广泛的应用。mems实质上是微电子技术的拓展和延伸，实现了微电子技术与精密机械加工技术的有机融合，作为全新的技术领域，mems展现出强大的生命力和应用潜力。

2、mems指的是尺寸在几毫米甚至更小的一种高科技装置，其内部结构一般在微米级，甚至更小，mems是一种独立的智能系统，主要由三部分组成，分别是传感器、执行器和微能源。相较于传统传感器来说，mems有着无可比拟的优势，具体来说体现在以下几个方面：

3、第一，微型化。mems器件体积较小，且重量较轻，在日常工作的过程中，能耗较低，惯性较小，且有着十分快速的响应速度。

4、第二，性能优良。mems的器件以硅为主要原料，硅的强度、硬度与铁相当，密度与铝相当，且热传导效率较高，综合性能十分优良。

5、第三，能够批量生产。以硅微加工工艺为基础，能够在一片硅片上同时制造成百上千个微型机电装置，甚至可以制造完整mems，这就解决了传统工艺不能大批量生产的问题，大大降低了制造成本，实现规模效益。

6、第四，集成化。mems能够集多重功能和不同敏感方向的传感器或执行器于一体，甚至能够继承多种功能的器件，由此形成功能复杂的微系统，这大大提升了mems的稳定性与可靠性。

7、目前研究较多的声学器件主要分为声表面波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，机电耦合系数较强，可以在单片上实现多种频率(multi-frequency)等，缺点就是功率容量低，较难与互补金属氧化物半导体(cmos)电路在单片上集成。体波器件是另一种广泛使用的声学器件，体波与声表面波最大的不同是它在器件的内部传播而不是表面。由于体波的能量被限制在压电层附近且与外界保持声学隔离，所以通常体波器件的品质因数(q)会优于声表面波器件。又因为体波器件具有一整块电极，在器件工作过程中振动对体波电极的影响远小于声表面波器件中振动对指条的影响，所以体波器件通常具有更高的功率容量。

8、随着5g技术的发展，射频前端对具有更高频率、更大带宽和更低插入损耗的高性能滤波器的需要极为迫切。声表面波(saw)和(baw)滤波器因其各自的局限性，尚不能完全满足5g发展的高频、大带宽需求。其中，saw器件的工作频率受限于光刻精度，其应用局限于3ghz以下频段。采用高声速氮化铝(aln)为衬底的baw可以通过调控薄膜厚度实现更高的工作频率(f)，但其机电耦合系数较小，无法实现大带宽。铌酸锂(ln)薄膜声学谐振器可以兼顾高声速和大机电耦合系数(k2)的特性，这为高频、大带宽滤波器的实现提供了可能。近年来，yandrapalli等提出了以zy-ln薄膜作为衬底，带有叉指电极(idt)的横向激发体声波谐振器(xbar)的概念。plessky等对xbar进行了一系列的性能优化，通过调整ln薄膜的欧拉角和电极金属化率，使xbar实现了更大的k2和更高的谐振频率。

9、现有谐振器在进行机械振动时，会有很多的声波能量在锚点处通过支撑梁耗散到支撑台上去，使得现有谐振器的锚点损耗较大，从而严重限制了现有谐振器品质因数的提高，导致可靠性低。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提出一种具有迷宫的谐振器及其加工方法，以解决现有技术存在的锚点损耗较大、品质因数难以提高以及可靠性低的问题，实现一种能量陷阱的功能，有效降低谐振器的锚点损耗，提高器件的品质因数和可靠性。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术发明为：

3、一种具有迷宫结构的谐振器，包括支撑台，以及位于支撑台顶端的谐振体、外接输入电极、外接输出电极、外接地电极以及迷宫；

4、外接输入电极和外接输出电极对称设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；

5、支撑台包括从上至下依次设置的硅基底、第一埋氧化层以及背衬底硅，谐振体、外接输入电极、外接输出电极、外接地电极以及迷宫设置于硅基底顶端；

6、谐振体设置在支撑台顶端的中心处，且其两侧分别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，金属导线设置于支撑梁顶端；

7、进一步地，谐振体包括输入金属电极薄膜、输出金属电极薄膜以及压电薄膜，输入金属电极薄膜通过金属导线与外接输入电极电性连接，输出金属电极薄膜通过金属导线与外接输出电极电性连接，输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜与硅基底的接触部分均设置有压电薄膜；

8、迷宫结构围绕中心的谐振体均匀设置。

9、进一步地，外接输入电极和外接输出电极与硅基底的接触部分，均设置有第二埋氧化层。

10、进一步地，背衬底硅的材质为硅，其厚度为300-1000μm，硅基底的材质为p型掺杂低阻硅，或为铌酸锂或钽酸锂，其厚度为10μm。

11、进一步地，第一埋氧化层和第二埋氧化层的材质均为二氧化硅，且其厚度均为1μm。

12、进一步地，输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜的材质均为铝和铬掺杂材质，包括依次设置的金属铝薄膜层和金属铬薄膜层，金属铝薄膜层的厚度为1μm，金属铬薄膜层的厚度为0.02μm；

13、压电薄膜的材质为氮化铝(aln)，且其厚度为0.5μm。

14、本发明还提供一种具有迷宫结构的谐振器的加工方法，包括如下步骤：

15、s1：加工支撑台，即依次设置背衬底硅、第一埋氧化层以及硅基底；

16、s2：将硅基底的顶端两侧对称位置掺杂磷形成导电层，获取四个外接地电极；

17、s3：对硅基底的顶端两侧的外接地电极的中间位置进行热氧化和光刻加热，获取第二埋氧化层；

18、s4：在硅基底的中心位置设置压电薄膜，进行沉积，获取输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜，并进行光刻，获取对应的金属导线、换能电极和焊盘；

19、s5：在硅基底顶端的谐振体四周进行刻蚀，获取迷宫结构；

20、s6：在硅基底顶端设置保护层；

21、s7：进行支撑台的刻蚀操作，获取悬空的具有迷宫的谐振器结构；

22、s8：释放保护层并去除表面氧化硅层，加工得到具有迷宫的谐振器。

23、进一步地，步骤s4中，换能电极包括位于两侧的第二埋氧化层顶端的外接输入电极和外接输出电极；对应的金属导线为谐振体与对应的换能电极的连接导线，金属导线设置于支撑梁顶端。

24、进一步地，步骤s5中，进行刻蚀的具体方法为：使用drie刻蚀方法刻蚀硅基底，并使用rie刻蚀方法刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层，形成迷宫结构。

25、进一步地，步骤s6中，保护层为聚酰亚胺层，作为底部沟槽刻蚀时的前端保护层，用于保护位于支撑台顶端的谐振体、外接输入电极、外接输出电极、外接地电极以及迷宫结构。

26、进一步地，步骤s7中，进行支撑台的刻蚀操作的具体方法为：根据迷宫结构，使用drie刻蚀方法深度刻蚀支撑台形成沟槽，并使用rie刻蚀方法深度刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层，获取悬空的具有迷宫的谐振器结构。

27、本发明的有益效果为：

28、(1)本发明提供的具有迷宫结构的谐振器，在支撑梁上增加了迷宫结构，实现一种能量陷阱的功能，可以有效地存储耗散出来的声波能量，使外围基底上的位移显著减少，甚至消失，从而可以极大地减少谐振器的锚点损耗，提高它的品质因数。

29、(2)避免了现有技术中为了减少传统谐振器的锚点损耗，支撑梁的宽度设置的比较小，使谐振器的可靠性会显著下降，容易损坏的问题；本发明采用了迷宫结构，支撑梁的宽度可以增加几倍，提高了谐振器的可靠性。