一种微机械谐振器及其制备方法

1.本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种微机械谐振器的结构设计方案及其制备方法。

背景技术：

2.时钟为数字电路提供频率基准和时间参考。谐振器是时钟的基本元件。谐振器与外围振荡电路、放大电路以及滤波电路可以构成振荡器，振荡器可以输出一个固定的频率信号。传统的石英时钟材料较脆，抗振动特性差，采用机械切割沿某些特定晶向制备，这些晶向在高温区域频率-温度特性急剧恶化。对于5g及未来6g通信、汽车电子等一些新兴重要应用场合高温、高振动的恶劣环境，石英晶振很难满足高稳定性和低失效率的要求。近年来，基于微电子机械系统技术(micro-electro-mechanical systems，mems)制备的微机械谐振器具有体积小、功耗低、可靠性稳定性好、可与集成电路制造工艺兼容等特点，市场需求与日俱增，已成为传统石英时钟的未来替代品。
3.微机械谐振器的最关键的两个性能指标是品质因数(q)和频率-温度漂移。高的q值可以降低谐振器的动态阻抗，减小系统的相位噪声以及提高振荡器的频率稳定性。微机械谐振器q值的能量损耗机制主要有五部分：空气阻尼损耗(q
air
)，热弹性损耗(q
ted
)，材料损耗(q
material
)，锚点损耗(q
anchor
)和电学负载损耗(q
load
)，即：
[0004][0005]
其中，空气阻尼损耗可以通过真空封装减小。电学负载损耗可以通过采用电阻率低的金属和较厚的金属电极减小。因此，热弹性损耗和锚点损耗是微机械谐振器能量损耗的主要物理机制。
[0006]
频率-温度漂移是谐振器的另一个关键性能指标。谐振器的频率温度稳定性通过频率温度系数(temperature coefficient of frequency，tcf)衡量，一阶频率温度系数由谐振器材料的温度弹性系数(tce)和热膨胀系数(α)确定，即
[0007][0008]
未经温度补偿的微机械谐振器的频率温度系数一般比较大，在工业级温度-40～85℃范围内，微机械谐振器的输出频率将产生超过3500ppm的频率漂移，不能满足工业的实际应用要求。
[0009]
因此在用于时钟应用时，微机械谐振器都需要进行温度补偿。常见的温度补偿方法包括被动式温度补偿和主动式温度补偿。被动式温度补偿是在设计或制造谐振器时采用的以减少其固有的对温度的依赖性，改变谐振器自身的频率温度特性，如采用重掺杂硅、调整晶向等。主动式温度补偿是在被动式温度补偿的基础上，通过引入电路进行有源温度补偿，如电子电路补偿和微加热腔恒温控制等。
[0010]
对于高精度时钟应用，通常在被动式温度补偿的基础上采用主动式温度补偿。对
于不同的主动补偿温度方式，要求谐振器具有相应的频率温度特性，例如电子电路补偿通常要求谐振器的温度拐点(“0”tcf点)处于室温，而微加热腔恒温控制通常要求谐振器的温度拐点高于工业温度。然而，目前通过调节谐振器的晶向和掺杂浓度的被动式温度补偿方法，难以实现谐振器温度拐点的精确调控。

技术实现要素：

[0011]
本发明通过提供一种微机械谐振器，解决现有技术难以对谐振器的温度拐点进行精确调控的问题。
[0012]
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0013]
本发明提供一种微机械谐振器，包括：衬底硅片和器件层硅片；所述衬底硅片具有空腔结构，所述器件层硅片上设置有谐振振子和支撑梁，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接，所述谐振振子悬空在所述衬底硅片的所述空腔结构的上方；所述谐振振子包括主谐振结构和机械耦合结构，所述机械耦合结构与所述主谐振结构连接，且所述机械耦合结构位于所述主谐振结构的外侧；所述主谐振结构采用矩形板结构，所述机械耦合结构采用圆环板结构，所述圆环板结构的数量为一个或多个；所述微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比进行调控。
[0014]
优选的，通过改变所述主谐振结构的尺寸、所述机械耦合结构的数量或单个所述机械耦合结构的面积改变所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比。
[0015]
优选的，所述主谐振结构的尺寸确定时，所述机械耦合结构的数量越多、单个所述机械耦合结构的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述机械耦合结构的模态对应的温度拐点；所述机械耦合结构的数量和单个所述机械耦合结构的面积确定时，所述主谐振结构的尺寸越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述主谐振结构的模态对应的温度拐点。
[0016]
优选的，所述主谐振结构的模态为宽度伸张模态，所述机械耦合结构的模态为圆环伸张模态。
[0017]
优选的，所述微机械谐振器为单晶硅结构或者金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构；
[0018]
所述微机械谐振器还包括：静电驱动/检测电极、压电驱动/检测电极、接地电极和多个固定锚点；多个所述固定锚点均与所述衬底硅片相连，所述静电驱动/检测电极设置在位于所述机械耦合结构的内侧和/或外侧的固定锚点上，所述压电驱动/检测电极、所述接地电极均设置在位于所述谐振振子的外围的固定锚点上；
[0019]
所述微机械谐振器为单晶硅结构时，所述微机械谐振器通过静电驱动/静电检测、静电驱动/压阻检测中的任意一种方式实现；
[0020]
所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述微机械谐振器通过压电驱动/压电检测、静电驱动/静电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。
[0021]
优选的，当所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述主谐振结构的压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种；所述机械耦合结构采用单晶硅材料制备而成。
[0022]
优选的，所述单晶硅的晶面为(100)晶面，所述单晶硅为n型或p型重掺杂，其掺杂浓度范围为4.0
×
10
19
/cm3至2.0
×
10
20
/cm3；所述主谐振结构的晶向布置范围包括沿《100》、《110》以及沿《100》与《110》之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述主谐振结构的晶向布置。
[0023]
优选的，所述微机械谐振器用于温度补偿振荡器时，所述主谐振结构沿任意晶向布置；
[0024]
所述微机械谐振器通过微加热腔恒温控制时，所述主谐振结构沿《100》晶向布置，所述单晶硅为n型重掺杂；所述微机械谐振器还包括：微加热梁、隔热框、测温电极、加热电极；所述谐振振子位于所述隔热框的内部，并通过所述支撑梁与所述隔热框相连；所述隔热框与所述固定锚点之间通过所述微加热梁连接；所述隔热框和所述微加热梁均悬空在所述衬底硅片的上方，并通过所述固定锚点与所述衬底硅片相连；所述加热电极、所述测温电极均位于所述固定锚点上。
[0025]
本发明提供一种上述的微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为单晶硅结构，所述制备方法包括以下步骤：
[0026]
步骤1、提供一带空腔结构的soi圆片，所述soi圆片从下到上依次包括衬底硅片、埋氧层和器件层硅；
[0027]
步骤2、在所述器件层硅上沉积金属并图形化形成金属焊盘；
[0028]
步骤3、刻蚀所述器件层硅，得到微机械谐振器的主谐振结构和机械耦合结构。
[0029]
本发明提供一种上述的微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构，所述制备方法包括以下步骤：
[0030]
步骤1、提供一带空腔结构的soi圆片，所述soi圆片从下到上依次包括衬底硅片、埋氧层和器件层硅；
[0031]
步骤2、在所述器件层硅上依次沉积压电材料和上电极，并对所述上电极图形化；
[0032]
步骤3、在所述上电极上沉积顶层氧化物；
[0033]
步骤4、对所述顶层氧化物进行刻蚀，得到上电极通孔，并露出所述上电极；
[0034]
步骤5、对所述顶层氧化物和所述压电材料进行刻蚀，得到下电极通孔，并露出所述器件层硅；
[0035]
步骤6、在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积金属并图形化，形成金属焊盘；
[0036]
步骤7、刻蚀所述器件层硅，得到微机械谐振器的主谐振结构和机械耦合结构。
[0037]
本发明的优点及有益效果如下：
[0038]
1、本发明提出的一种微机械谐振器，通过添加机械耦合结构能够降低能量损耗，提高q值，通过对谐振振子的主谐振结构和机械耦合结构进行设计，可以实现频率温度曲线的温度拐点调控，从而能够满足多种不同场合的应用需求。
[0039]
2、本发明提出的微机械谐振器可以采用多种换能方式混合进行驱动和检测。
[0040]
3、本发明提出的微机械谐振器可以通过微加热腔实现内部恒温功能，进一步提高谐振器的频率稳定性。
附图说明
[0041]
图1为本发明实施例1提供的微机械谐振器的三维结构示意图；
[0042]
图2-a至2-d为具有不同数量机械耦合结构的谐振振子的俯视图；
[0043]
其中：图2-a为机械耦合结构个数为2个时的谐振器结构；图2-b为机械耦合结构个数为4个时的谐振器结构；图2-c为机械耦合结构个数为6个时的谐振器结构；图2-d为机械耦合结构为个数8个时的谐振器结构；
[0044]
图3为本发明实施例2提供的基于微加热腔恒温控制的微机械谐振器的三维结构示意图；
[0045]
图4为微机械谐振器的频率偏移-温度曲线；
[0046]
图5为对称式加热方式下恒温控制的微机械谐振器的温度分布图；
[0047]
图6为基于电阻测温方式的温度控制原理图；
[0048]
图7-a至7-c为本发明实施例3提供的单晶硅结构的微机械谐振器的制备工艺流程；
[0049]
其中：图7-a为带空腔结构的soi圆片；图7-b为沉积金属并图形化形成金属焊盘；图7-c为刻蚀得到主谐振结构和机械耦合结构；
[0050]
图8-a至8-g为本发明实施例4提供的金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构的微机械谐振器的制备工艺流程；
[0051]
其中：图8-a为带空腔结构的soi圆片；图8-b为沉积上电极/压电材料，并对上电极图形化；图8-c为沉积顶层氧化物；图8-d为刻蚀出上电极通孔，露出上电极；图8-e为刻蚀顶层氧化物和压电材料，得到下电极通孔，露出器件层硅；图8-f为沉积金属并图形化，形成金属焊盘；图8-g为刻蚀得到主谐振结构和机械耦合结构；
[0052]
图9为具有机械耦合结构和不具有机械耦合结构的谐振振子的q值比较图；
[0053]
图10为温度拐点随谐振振子的主谐振结构的长度变化的曲线图；
[0054]
图11为温度拐点随谐振振子的机械耦合结构的面积变化的曲线图；
[0055]
图12为温度拐点随谐振振子的机械耦合结构的个数变化的曲线图。
[0056]
图1、图2-a至2-d中：1-主谐振结构，2-机械耦合结构，3-静电驱动/检测电极，4-接地电极，5-压电驱动/检测电极，6-支撑梁，7-衬底硅片；
[0057]
图3中：301-主谐振结构，302-机械耦合结构，303-固定锚点，304-微加热梁，305-隔热框，306-支撑梁，307-静电驱动/检测电极，308-测温电极，309-加热电极，310-压电驱动/检测电极，311-衬底硅片；
[0058]
图7-a至7-c中：701-衬底硅片，702-埋氧层，703-器件层硅，704-金属焊盘；
[0059]
图8-a至8-g中：801-衬底硅片，802-埋氧层，803-器件层硅，804-压电材料，805-上电极，806-顶层氧化物，807-金属焊盘。
具体实施方式
[0060]
以下结合具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
[0061]
实施例1：
[0062]
实施例1提供一种微机械谐振器，参见图1，包括：衬底硅片7和器件层硅片；所述衬底硅片7具有空腔结构，所述器件层硅片上设置有谐振振子和支撑梁6，所述谐振振子通过所述支撑梁6与所述衬底硅片7连接，所述谐振振子悬空在所述衬底硅片7的所述空腔结构的上方；所述谐振振子包括主谐振结构1和机械耦合结构2，所述机械耦合结构2与所述主谐
振结构1连接，且所述机械耦合结构2位于所述主谐振结构1的外侧；所述主谐振结构1采用矩形板结构，所述机械耦合结构2采用圆环板结构，所述圆环板结构的数量为一个或多个；所述微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于所述主谐振结构1与所述机械耦合结构2的质量占比进行调控。
[0063]
具体的，通过改变所述主谐振结构1的尺寸、所述机械耦合结构2的数量或单个所述机械耦合结构2的面积改变所述主谐振结构1与所述机械耦合结构2的质量占比。
[0064]
所述主谐振结构1的尺寸确定时，所述机械耦合结构2的数量越多、单个所述机械耦合结构2的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述机械耦合结构2的模态对应的温度拐点；所述机械耦合结构2的数量和单个所述机械耦合结构2的面积确定时，所述主谐振结构1的尺寸越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述主谐振结构1的模态对应的温度拐点。
[0065]
例如，所述主谐振结构1的尺寸确定时，单个所述机械耦合结构2的面积确定时，可通过调节所述机械耦合结构2的数量来调整所述微机械谐振器的温度拐点。例如，图2-a为机械耦合结构个数为2个时的谐振振子结构，图2-b为机械耦合结构个数为4个时的谐振振子结构，图2-c为机械耦合结构个数为6个时的谐振振子结构，图2-d为机械耦合结构个数为8个时的谐振振子结构。
[0066]
所述主谐振结构1的模态为宽度伸张模态，所述机械耦合结构2的模态为圆环伸张模态。
[0067]
所述支撑梁6可以为直梁、t型梁或者折叠梁结构。
[0068]
此外，所述微机械谐振器还包括：静电驱动/检测电极3、压电驱动/检测电极5、接地电极4和多个固定锚点；多个所述固定锚点均与所述衬底硅片7相连；所述静电驱动/检测电极3设置在位于所述机械耦合结构2的内侧和/或外侧的固定锚点上，即所述静电驱动/检测电极3可以设置在圆环板结构的内侧的固定锚点上，可以设置在圆环板结构的外侧的固定锚点上，或者，可以同时设置在圆环板结构的内侧和外侧的固定锚点上；所述压电驱动/检测电极5、所述接地电极4均设置在位于所述谐振振子的外围的固定锚点上。
[0069]
所述微机械谐振器为单晶硅结构或者金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构。所述微机械谐振器为单晶硅结构时，所述微机械谐振器可以通过静电驱动/静电检测，静电驱动/压阻检测中的任意一种方式实现。所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述微机械谐振器可以通过压电驱动/压电检测、静电驱动/静电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。
[0070]
当所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述主谐振结构1的压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种；所述耦合模态结构2采用单晶硅材料制备而成。
[0071]
所述单晶硅的晶面为(100)晶面，所述单晶硅为n型或p型重掺杂，其掺杂浓度范围为4.0
×
10
19
/cm3至2.0
×
10
20
/cm3。所述主谐振结构1的晶向布置范围包括沿《100》、《110》以及沿《100》与《110》之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述主谐振结构1的晶向布置。
[0072]
所述单晶硅的掺杂浓度和晶向都可以调整频率温度特性，其中起主要调节作用的是晶向。具体的，晶向的改变可以较大地改变谐振振子一阶频率温度系数，例如，对于沿《100》晶向和《110》晶向布置的谐振器频率温度曲线趋势几乎相反。而掺杂浓度可以微调温
度拐点，一般对于n型和p型掺杂，掺杂浓度提高均会使得谐振器的温度拐点提高。
[0073]
例如，所述微机械谐振器用于温度补偿振荡器时，所述主谐振结构1沿任意晶向布置。
[0074]
所述微机械谐振器通过微加热腔恒温控制时，所述主谐振结构1沿《100》晶向布置，所述单晶硅为n型重掺杂。
[0075]
下面对基于微加热腔恒温控制的微机械谐振器进行举例说明。
[0076]
实施例2：
[0077]
基于实施例1提供的微机械谐振器结构，该微机械谐振器通过微加热腔恒温控制时，参见图3，所述微机械谐振器包括：主谐振结构301、机械耦合结构302、支撑梁306、衬底硅片311，所述主谐振结构301沿《100》晶向布置，所述单晶硅为n型重掺杂。
[0078]
此外，所述微机械谐振器还包括：固定锚点303、微加热梁304、隔热框305、静电驱动/检测电极307、测温电极308、加热电极309、压电驱动/检测电极310。
[0079]
所述谐振振子(包括主谐振结构301、机械耦合结构302)位于所述隔热框305的内部，并通过所述支撑梁306与所述隔热框305相连；所述隔热框305与所述固定锚点303之间通过所述微加热梁304连接；所述隔热框305和所述微加热梁304均悬空在所述衬底硅片311的上方，并通过所述固定锚点303与所述衬底硅片311相连；所述加热电极309、所述测温电极308均位于所述固定锚点303上。
[0080]
即实施例2中的微加热腔由所述固定锚点303、所述微加热梁304、所述隔热框305、所述测温电极308、所述加热电极309、所述静电驱动/检测电极307和所述压电驱动/检测电极310组成。
[0081]
所述微机械谐振器的加热方式为在对称位置的所述加热电极309之间施加加热电压，通过所述微加热梁304、所述隔热框305和谐振器结构时，在硅结构上产生焦耳热，可以将所述微机械谐振器加热到一定固定的温度，采用上述加热方式下从室温(20℃)加热到如图4所示温度拐点。采用该对称式加热方式下所述谐振振子和所述隔热框305之间温度分布均匀，所述微机械谐振器的温度分布图如图5所示。
[0082]
所述微机械谐振器采用电阻测温方式实时监测谐振器整体结构实际温度变化。基于电阻测温方式的温度控制原理图如图6所示，结合图3，在位于所述微机械谐振器整体结构其中一条对角线上的两个所述测温电极308之间恒定电流，在位于所述微机械谐振器对称轴一侧的两个所述加热电极309之间施加加热正电压v
h+
，在位于另一侧的两个所述加热电极309之间施加加热负电压v
h-，通过监测两端电压变化δv，即可得到结构的电阻变化，将检测信号反馈至比例积分微分控制器(pid)，通过pid控制输出加热电压，将整体结构电阻控制为一个恒定值，即可控制所述微机械谐振器的整体温度保持不变，最终实现恒温控制功能。
[0083]
实施例3：
[0084]
实施例3提供一种微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为单晶硅结构，所述制备方法如下：
[0085]
(1)提供一带空腔结构的soi圆片，所述soi圆片从下到上依次包括衬底硅片701、埋氧层702和器件层硅703，所述器件层硅703的厚度为20-60μm，参见图7-a；
[0086]
(2)在所述器件层硅703上沉积1-2μm厚的金属(例如铝)，并图形化形成金属焊盘
704，参见图7-b；
[0087]
(3)刻蚀所述器件层硅703，得到微机械谐振器的主谐振结构和机械耦合结构，参见图7-c。
[0088]
最终得到如实施例1或实施例2提供的微机械谐振器。
[0089]
实施例4：
[0090]
实施例4提供一种微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构，所述制备方法如下：
[0091]
(1)提供一带空腔结构的soi圆片，所述soi圆片从下到上依次包括衬底硅片801、埋氧层802和器件层硅803，所述器件层硅803的厚度为20-60μm，参见图8-a；
[0092]
(2)在所述器件层硅803上依次沉积压0.5-1μm厚的压电材料804(例如氮化铝)和0.15-0.2μm厚的上电极805(例如钼)，并对所述上电极805图形化，参见图8-b；
[0093]
(3)沉积一层至少0.2μm厚的顶层氧化物806，参见图8-c；
[0094]
(4)对所述顶层氧化物806进行刻蚀，得到上电极通孔，并露出所述上电极805的材料，参见图8-d；
[0095]
(5)对所述顶层氧化物806和所述压电材料804进行刻蚀，得到下电极通孔，并露出所述器件层硅803，参见图8-e；
[0096]
(6)在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积金属(例如沉积1-2μm厚的铝)并图形化，形成金属焊盘807，参见图8-f；
[0097]
(7)刻蚀所述器件层硅803，得到微机械谐振器的主谐振结构和机械耦合结构，参见图8-g。
[0098]
最终得到如实施例1或实施例2提供的微机械谐振器。
[0099]
下面对本发明提高q值、调节温度拐点的技术效果做进一步说明。
[0100]
本发明通过在所述微机械谐振器的所述主谐振结构上添加机械耦合结构，通过调整机械耦合结构的尺寸(包括所述机械耦合结构的数量越多、单个所述机械耦合结构的面积)可以让所述主谐振结构和所述机械耦合结构进行机械耦合，从而提高谐振器的q值，对谐振振子的主谐振结构和机械耦合结构进行设计，可以实现频率温度曲线的温度拐点调控，从而满足各种不同场合的应用需求。
[0101]
例如，对于主谐振结构沿《100》晶向的氮化铝-单晶硅宽度伸张模态微机械谐振器，具有机械耦合结构和不具有机械耦合结构的q值比较如图9所示。可见，本发明通过添加机械耦合结构能够有效提高谐振器的q值。
[0102]
所述微机械谐振器的温度拐点可以通过改变所述主谐振结构和所述耦合模态结构的尺寸以及数量进行调整，对于沿《100》晶向布置的谐振器，所述主谐振结构为宽度伸张模态具有较高的温度拐点，所述耦合模态结构为圆环拉伸模态具有较低的温度拐点，谐振振子的温度拐点处于主谐振和耦合模态温度拐点之间，即所述主谐振结构的尺寸确定时，所述机械耦合结构的面积越大、数量越多，谐振器的温度拐点降低；所述机械耦合结构的尺寸确定时，所述主谐振结构长度方向的尺寸越大，谐振器的温度拐点升高。
[0103]
当所述机械耦合结构为两个圆环板，圆环板内径和外径分别为43μm和48μm时，通过改变所述主谐振结构长度方向尺寸，如图10所示，可以调节所述微机械谐振器的温度拐点，所述主谐振结构长度方向的尺寸越大，所述微机械谐振器的温度拐点越高。
[0104]
当所述机械耦合结构为两个圆环板，所述主谐振结构的长度和宽度分别为220μm和140μm时，通过改变单个所述机械耦合结构的面积(多个所述机械耦合结构的面积均相同)，如图11所示，可以调节所述微机械谐振器的温度拐点，所述机械耦合结构的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越低。
[0105]
当所述主谐振结构的长度和宽度分别为220μm和140μm时，保持单个所述机械耦合结构的面积不变，通过增加所述机械耦合结构的数量，如图12所示，可以调节所述微机械谐振器的温度拐点，所述机械耦合结构的数量越多，所述微机械谐振器的温度拐点低。
[0106]
综上，本发明提出的微机械谐振器能够提高q值，可以实现频率温度曲线的温度拐点调控，能够满足多同场合的应用需求。
[0107]
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

技术特征：

1.一种微机械谐振器，其特征在于：包括：衬底硅片和器件层硅片；所述衬底硅片具有空腔结构，所述器件层硅片上设置有谐振振子和支撑梁，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接，所述谐振振子悬空在所述衬底硅片的所述空腔结构的上方；所述谐振振子包括主谐振结构和机械耦合结构，所述机械耦合结构与所述主谐振结构连接，且所述机械耦合结构位于所述主谐振结构的外侧；所述主谐振结构采用矩形板结构，所述机械耦合结构采用圆环板结构，所述圆环板结构的数量为一个或多个；所述微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比进行调控。2.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：通过改变所述主谐振结构的尺寸、所述机械耦合结构的数量或单个所述机械耦合结构的面积改变所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比。3.根据权利要求2所述的微机械谐振器，其特征在于：所述主谐振结构的尺寸确定时，所述机械耦合结构的数量越多、单个所述机械耦合结构的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述机械耦合结构的模态对应的温度拐点；所述机械耦合结构的数量和单个所述机械耦合结构的面积确定时，所述主谐振结构的尺寸越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述主谐振结构的模态对应的温度拐点。4.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述主谐振结构的模态为宽度伸张模态，所述机械耦合结构的模态为圆环伸张模态。5.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述微机械谐振器为单晶硅结构或者金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构；所述微机械谐振器还包括：静电驱动/检测电极、压电驱动/检测电极、接地电极和多个固定锚点；多个所述固定锚点均与所述衬底硅片相连，所述静电驱动/检测电极设置在位于所述机械耦合结构的内侧和/或外侧的固定锚点上，所述压电驱动/检测电极、所述接地电极均设置在位于所述谐振振子的外围的固定锚点上；所述微机械谐振器为单晶硅结构时，所述微机械谐振器通过静电驱动/静电检测、静电驱动/压阻检测中的任意一种方式实现；所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述微机械谐振器通过压电驱动/压电检测、静电驱动/静电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。6.根据权利要求5所述的微机械谐振器，其特征在于：当所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述主谐振结构的压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种；所述机械耦合结构采用单晶硅材料制备而成。7.根据权利要求5所述的微机械谐振器，其特征在于：所述单晶硅的晶面为(100)晶面，所述单晶硅为n型或p型重掺杂，其掺杂浓度范围为4.0
×
10
19
/cm3至2.0
×
10
20
/cm3；所述主谐振结构的晶向布置范围包括沿<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述主谐振结构的晶向布置。8.根据权利要求5所述的微机械谐振器，其特征在于：所述微机械谐振器用于温度补偿振荡器时，所述主谐振结构沿任意晶向布置；所述微机械谐振器通过微加热腔恒温控制时，所述主谐振结构沿<100>晶向布置，所述单晶硅为n型重掺杂；所述微机械谐振器还包括：微加热梁、隔热框、测温电极、加热电极；所
述谐振振子位于所述隔热框的内部，并通过所述支撑梁与所述隔热框相连；所述隔热框与所述固定锚点之间通过所述微加热梁连接；所述隔热框和所述微加热梁均悬空在所述衬底硅片的上方，并通过所述固定锚点与所述衬底硅片相连；所述加热电极、所述测温电极均位于所述固定锚点上。9.一种如权利要求1-8中任一项所述的微机械谐振器的制备方法，其特征在于：所述微机械谐振器为单晶硅结构，所述制备方法包括以下步骤：步骤1、提供一带空腔结构的soi圆片，所述soi圆片从下到上依次包括衬底硅片、埋氧层和器件层硅；步骤2、在所述器件层硅上沉积金属并图形化形成金属焊盘；步骤3、刻蚀所述器件层硅，得到微机械谐振器的主谐振结构和机械耦合结构。10.一种如权利要求1-8中任一项所述的微机械谐振器的制备方法，其特征在于：所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构，所述制备方法包括以下步骤：步骤1、提供一带空腔结构的soi圆片，所述soi圆片从下到上依次包括衬底硅片、埋氧层和器件层硅；步骤2、在所述器件层硅上依次沉积压电材料和上电极，并对所述上电极图形化；步骤3、在所述上电极上沉积顶层氧化物；步骤4、对所述顶层氧化物进行刻蚀，得到上电极通孔，并露出所述上电极；步骤5、对所述顶层氧化物和所述压电材料进行刻蚀，得到下电极通孔，并露出所述器件层硅；步骤6、在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积金属并图形化，形成金属焊盘；步骤7、刻蚀所述器件层硅，得到微机械谐振器的主谐振结构和机械耦合结构。

技术总结

本发明属于微电子技术领域，公开了一种微机械谐振器及其制备方法。本发明中谐振振子包括主谐振结构和机械耦合结构，主谐振结构采用矩形板结构，机械耦合结构采用一个或多个圆环板结构，微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于主谐振结构与机械耦合结构的质量占比进行调控。本发明通过添加机械耦合结构降低能量损耗，从而提高Q值；通过对谐振振子的几何尺寸进行设计，可以实现频率温度曲线的温度拐点的调控，能够满足多种不同场合的应用需求。求。求。