[发明专利]多梁结构组合的射频微机电系统谐振器及应用

说明书

一种多梁结构组合的射频微机电系统谐振器及应用，该多梁结构组合的射频微机电系统谐振器包括机电转换梁单元，其为所述谐振器输入端和输出端的换能组件；能量传输梁，其为所述机电转换梁单元的连接结构；电极，其为施加驱动激励；介质层，为机电转换梁单元与电极之间的间隙层；基座，起支撑所述谐振器的作用；以及支撑结构，实现所述谐振器的悬空。本发明的多种梁结构通过频率匹配实现模态耦合，畸变程度小，可保持高Q值，实现多种谐振频率的灵活设置，兼具良好的抗冲击、抗过载性能，可用于构建多模式、多频带、可重构的先进无线通信系统，增强其在复杂环境条件下的应用潜力，提升物联效果，增强环境感知能力。

技术领域

本发明涉及射频微机电系统，具体涉及一种多梁结构组合的射频微机电系统谐振器及应用。

背景技术

未来无线通信系统呈现出集成化、微型化、低功耗、高频率、多模式的发展趋势，应用场景不断拓展，所面临的的外部环境日趋复杂、严苛。高性能射频前端收发系统是无线通信系统的关键。传统射频前端收发系统所采用的射频谐振器件主要包括石英晶振、声表面波(SAW)滤波器、薄膜体声波谐振器(FBAR)、陶瓷滤波器、电容电感(LC)谐振电路等。然而，上述传统器件在体积、性能、功耗等方面存在诸多限制因素，如陶瓷滤波器为片外分立元件，占用空间大，难以实现单片集成；可片上集成的LC谐振电路Q(质量因子)值低，损耗大，不符合未来无线通信的性能要求；FBAR的谐振频率由厚度决定，难以实现多谐振频率输出；石英晶振加工难度大，谐振频率低，需外加倍频电路，功耗较大。MEMS(微机电系统)谐振器具有高频率、高Q值、低功耗、小尺寸、可集成、低成本等优势，是构建未来射频前端系统的核心元件，被视作未来无线通信系统的理想选择。

目前，MEMS谐振器采用的转能方式主要包括压电转换和静电转换。其中，压电式谐振器具有低动态阻抗，易于实现高频率，但压电材料本征损耗大，Q值不够高，且压电薄膜加工难度较大。静电式谐振器主要基于硅材料，具有高频高Q值，与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺兼容性良好等优势，在实现全硅集成的单片射频前端系统方面具有广阔的应用前景。在诸多硅基谐振器结构中，梁式谐振器具有抗冲击性良好，易于加工，可应对复杂环境下的各类冲击振动和过载，拓宽了未来无线通信的应用范围。然而，传统的单梁结构MEMS谐振器机电换能区域面积有限，机电耦合系数低，动态电阻大，与后端射频处理电路之间存在明显的阻抗失配，插入损耗高，能量耗散严重。为实现传统梁式MEMS器件与后端射频处理电路的级联，传统的方法主要包括：(1)降低电容间隙，该方法受限于工艺条件；(2)提高偏置电压，该方法受限于器件的击穿电压，所施加电压有限；(3)采用阵列结构，该方法使得器件占用空间大幅增加；(4)采用高增益电路补偿，该方法增加了系统功耗，且高增益电路需要多级运放级联实现，容易出现非线性、自激振荡等现象，影响了系统的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种多梁结构组合的射频微机电系统谐振器及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种多梁结构组合的射频微机电系统谐振器，包括：

机电转换梁单元，其为所述谐振器输入端和输出端的换能组件，用于增大所述谐振器中可用于机电换能的区域面积；

能量传输梁，其为所述机电转换梁单元的连接结构，与所述机电转换梁单元组成谐振器的可动部分，实现所述机电转换梁单元与能量传输梁之间的模态耦合及振动传输；

电极，其为施加驱动激励，提取谐振信号的电学载体，与所述机电转换梁单元和/或能量传输梁形成机电换能区域；

介质层，为机电转换梁单元与电极之间的间隙层，用作谐振器的换能介质；

基座，起支撑所述谐振器的作用；以及

支撑结构，用作谐振器的支撑锚点，一端与所述谐振器振动模态中的位移节点相连，另一端固定在基座上，实现所述谐振器的悬空。