压阻式恒温控制振荡器及其制备方法技术

技术编号:15516966 阅读:258 留言:0更新日期:2017-06-04 07:45
本发明专利技术提供一种压阻式恒温控制振荡器及其制备方法,包括:谐振结构、加热梁、多晶硅高阻层、第一绝缘层及加热电阻;谐振结构包括纵向振动梁及第一电极;纵向振动梁的数量为两根,两根纵向振动梁平行间隔排布;第一电极位于两根纵向振动梁的两端,并将两根纵向振动梁相连接;纵向振动梁及第一电极均沿单晶硅<100>晶向族方向分布;加热梁贯穿两根纵向振动梁;多晶硅高阻层位于两根纵向振动梁之间,且将加热梁隔断为两部分;第一绝缘层及加热电阻由下至上依次覆盖于加热梁的上表面。在两根纵向振动梁之间制作多晶硅高阻层,可实现对振荡器进行压阻检测;多晶硅高阻层将位于其两侧的加热梁连接成双端固支梁,可显著减小加热梁变形对谐振结构的影响。

【技术实现步骤摘要】
压阻式恒温控制振荡器及其制备方法
本专利技术涉及传感器领域,特别是涉及一种压阻式恒温控制振荡器及其制备方法。
技术介绍
振荡器是提供时钟频率的基本电子元件,在几乎所有数字电路系统中均需使用。在现代通讯系统中,振荡器为系统提供频率基准和同步信号。由于频率资源有限而用户众多,对振荡器的稳定性有极高要求。GSM手机要求振荡器的全温区频率稳定性在±2.5ppm以内,而移动基站要求振荡器的稳定性在±0.05ppm以内。长期以来,石英晶体谐振器一直是电子系统中提供时钟频率信号的主要元件,其性能稳定,温度特性好。但是,石英振荡器难以集成,受机械加工手段限制难以制作高频振荡器,并且抗震性能较差,难以满足未来移动智能设备的需求。采用微机电技术(MEMS)技术制作的硅基振荡器谐便于与集成电路集成,振特性优异,可实现GHz量级的振荡频率输出,并且可耐受高冲击环境,是新一代振荡器。硅基振荡器的一个主要问题在于,单晶硅扬氏模量的温度系数高达-56ppm/℃,引起的频率温度系数高达-30ppm/℃。作为比较,未补偿的AC-cut石英谐振结构在-40~85℃范围内频率温度系数在26ppm左右。硅的全温区频率温度系数比石英大两个数量级以上。高达-30ppm/℃的频率温度系数极大增加了温度补偿的难度。利用恒温控制技术有望实现高温度稳定性的MEMS振荡器。利用MEMS谐振结构热容量低的特点,只需要mW量级的功耗即可将谐振结构恒温在90℃,可实现低功耗的温度补偿。但是,由于硅频率温度系数高达-30ppm/℃,为了实现1ppm的温度稳定性(3E级钟),必须保证全温区内谐振结构恒定温度波动小于0.033℃,其实现难度较高。实验表明,沿<100>晶向的N型重掺杂结构的频率温度系数存在过零点,频率温度系数过零点的温度由掺杂浓度决定。我们的实验也表明,通过调整N型掺杂浓度,可以使<100>晶向谐振频率温度系数过零点略高于振荡器工作温区的上限。高性能的恒温控制振荡器难以采用压阻检测是该类振荡器结构的共性问题,原因在于高性能恒温控制与压阻检测对结构的要求存在矛盾:一方面高性能恒温控制振荡器要求核心谐振结构的温度均匀一致,加热电阻必须采用贯穿核心谐振结构的单梁形式,另一方面压阻检测要求电流从核心谐振结构中应力大的区域流过。为了兼顾绝热和抗冲击的需求,核心谐振结构和加热梁的尺寸小,难以同时满足高性能恒温控制与压阻检测的需求。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点,本专利技术的目的在于提供一种压阻式恒温控制振荡器及其制备方法,用于解决现有技术中由于硅基振荡器具有高达-30ppm/℃的频率温度系数而导致的频率的温度补偿比较困难的问题,以及高性能的恒温控制振荡器难以采用压阻检测的问题。为实现上述目的及其他相关目的,本专利技术提供一种压阻式恒温控制振荡器,所述压阻式恒温控制振荡器包括:谐振结构、加热梁、多晶硅高阻层、第一绝缘层及加热电阻;所述谐振结构包括纵向振动梁及第一电极;所述纵向振动梁的数量为两根,所述两根纵向振动梁平行间隔排布;所述第一电极位于所述两根纵向振动梁的两端,并将所述两根纵向振动梁相连接;所述纵向振动梁及所述第一电极均沿单晶硅<100>晶向族方向分布;所述加热梁贯穿所述两根纵向振动梁;所述多晶硅高阻层位于所述两根纵向振动梁之间,且将所述加热梁隔断为两部分;所述第一绝缘层及所述加热电阻由下至上依次覆盖于所述加热梁的上表面。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述加热梁的中点与所述谐振结构的中点相重合。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述压阻式恒温控制振荡器还包括锚点、温度传感器及第二电极;所述锚点位于所述谐振结构的两侧,且所述加热梁的两端分别与所述锚点相连接,所述第一绝缘层及所述加热电阻的两端均位于所述锚点的上表面;所述温度传感器位于所述锚点的上表面;所述第二电极位于所述加热电阻两端的表面。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述谐振结构、所述加热梁及所述锚点的材料均为N型重掺杂单晶硅,且所述谐振结构、所述加热梁及所述锚点为一体化结构;所述多晶硅高阻层的材料为未掺杂的低应力多晶硅。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述N型重掺杂单晶硅中N型重掺杂的浓度大于1019/cm3。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述压阻式恒温控制振荡器还包括第三电极,所述第三电极位于所述锚点的上表面,所述谐振结构通过所述第三电极实现电学引出。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述温度传感器包括温度敏感电阻、第四电极及第二绝缘层;所述温度敏感电阻通过所述第二绝缘层与所述锚点固连,且通过所述第四电极实现电学引出。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述温度传感器包括温敏二极管。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述压阻式恒温控制振荡器还包括衬底及第三绝缘层,所述第三绝缘层位于所述锚点的下表面,所述锚点通过所述第三绝缘层固连于所述衬底的表面上;所述衬底的表面与所述谐振结构及所述加热梁的下表面具有一定的间距。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的一种优选方案,所述压阻式恒温控制振荡器封装于真空环境中。本专利技术还提供一种压阻式恒温控制振荡器的制备方法,所述制备方法包括:1)提供SOI硅片,所述SOI硅片由下至上依次包括硅衬底、埋氧层及顶层硅;2)在所述顶层硅表面形成第一绝缘隔离层;3)刻蚀所述第一绝缘隔离层及所述顶层硅,形成贯穿所述第一绝缘隔离层及所述顶层硅的深槽;4)在所述第一绝缘隔离层表面及所述深槽内形成低应力多晶硅层,所述低应力多晶硅层覆盖所述第一绝缘隔离层表面并填满所述深槽;5)依次去除所述深槽外围的低应力多晶硅层及所述第一绝缘隔离层;6)在所述顶层硅表面依次形成第二绝缘隔离层及电阻层,定义加热电阻图形及温度传感器图形,刻蚀去除所述加热电阻图形及所述温度传感器图形区域外的所述第二绝缘隔离层及所述电阻层,以形成温度敏感电阻、加热电阻、位于所述温度敏感电阻及所述加热电阻下方的绝缘层;7)在所述温度敏感电阻的两端、所述加热电阻的两端及后续要形成锚点的所述顶层硅表面形成金属电极;8)光刻、深反应离子刻蚀所述顶层硅,形成锚点、加热梁及谐振结构,所述谐振结构包括两根纵向振动梁及位于所述纵向振动梁两端且与所述纵向振动梁垂直连接的第一电极;9)去除所述锚点对应区域之外的所述埋氧层。作为本专利技术的压阻式恒温控制振荡器的制备方法的一种优选方案,步骤4)中,所述深槽的宽度小于或等于所述低应力多晶硅层厚度的两倍;所述深槽的长度大于步骤8)中形成的所述加热梁的宽度与两倍的光刻对准偏差之和。如上所述,本专利技术的压阻式恒温控制振荡器及其制备方法,具有以下有益效果:沿<100>晶向族的N型重掺杂结构的频率温度系数存在过零点,频率温度系数过零点的温度由掺杂浓度决定;通过调整N型掺杂浓度,可以使<100>晶向族谐振频率温度系数过零点略高于振荡器工作温区的上限;设置贯穿谐振结构的加热梁,在所述加热梁上通电流即可实现恒温控制,使得所述压阻式恒温控制振荡器具有较好的性能稳定性及较好温度特性;在所述两根纵向振动梁之间制作所述多晶硅高阻层,可以实现对所述本文档来自技高网
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压阻式恒温控制振荡器及其制备方法

【技术保护点】
一种压阻式恒温控制振荡器,其特征在于,所述压阻式恒温控制振荡器包括:谐振结构、加热梁、多晶硅高阻层、第一绝缘层及加热电阻;所述谐振结构包括纵向振动梁及第一电极;所述纵向振动梁的数量为两根,所述两根纵向振动梁平行间隔排布;所述第一电极位于所述两根纵向振动梁的两端,并将所述两根纵向振动梁相连接;所述纵向振动梁及所述第一电极均沿单晶硅<100>晶向族方向分布;所述加热梁贯穿所述两根纵向振动梁;所述多晶硅高阻层位于所述两根纵向振动梁之间,且将所述加热梁隔断为两部分;所述第一绝缘层及所述加热电阻由下至上依次覆盖于所述加热梁的上表面。

【技术特征摘要】
1.一种压阻式恒温控制振荡器,其特征在于,所述压阻式恒温控制振荡器包括:谐振结构、加热梁、多晶硅高阻层、第一绝缘层及加热电阻;所述谐振结构包括纵向振动梁及第一电极;所述纵向振动梁的数量为两根,所述两根纵向振动梁平行间隔排布;所述第一电极位于所述两根纵向振动梁的两端,并将所述两根纵向振动梁相连接;所述纵向振动梁及所述第一电极均沿单晶硅<100>晶向族方向分布;所述加热梁贯穿所述两根纵向振动梁;所述多晶硅高阻层位于所述两根纵向振动梁之间,且将所述加热梁隔断为两部分;所述第一绝缘层及所述加热电阻由下至上依次覆盖于所述加热梁的上表面。2.根据权利要求1所述的压阻式恒温控制振荡器,其特征在于:所述加热梁的中点与所述谐振结构的中点相重合。3.根据权利要求1所述的压阻式恒温控制振荡器,其特征在于:所述压阻式恒温控制振荡器还包括锚点、温度传感器及第二电极;所述锚点位于所述谐振结构的两侧,且所述加热梁的两端分别与所述锚点相连接,所述第一绝缘层及所述加热电阻的两端均位于所述锚点的上表面;所述温度传感器位于所述锚点的上表面;所述第二电极位于所述加热电阻两端的表面。4.根据权利要求3所述的压阻式恒温控制振荡器,其特征在于:所述谐振结构、所述加热梁及所述锚点的材料均为N型重掺杂单晶硅,且所述谐振结构、所述加热梁及所述锚点为一体化结构;所述多晶硅高阻层的材料为未掺杂的低应力多晶硅。5.根据权利要求4所述的压阻式恒温控制振荡器,其特征在于:所述N型重掺杂单晶硅中N型重掺杂的浓度大于1019/cm3。6.根据权利要求3所述的压阻式恒温控制振荡器,其特征在于:所述压阻式恒温控制振荡器还包括第三电极,所述第三电极位于所述锚点的上表面,所述谐振结构通过所述第三电极实现电学引出。7.根据权利要求3所述的压阻式恒温控制振荡器,其特征在于:所述温度传感器包括温度敏感电阻、第四电极及第二绝缘层;所述温度敏感电阻通过所述第二绝缘层与所述锚点固连,且通过所述第四电极实现电...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨恒游卫龙张磊王小飞李昕欣
申请(专利权)人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所
类型:发明
国别省市:上海,31

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