温度补偿板谐振器制造技术

本发明专利技术涉及一种微机电谐振器装置，包括支撑结构，用n型掺杂剂掺杂到掺杂浓度并能够以宽度‑延伸谐振模式谐振的半导体谐振器板。此外，该装置还包括将谐振器板悬挂在支撑结构上的至少一个锚固件和将宽度‑延伸谐振模式激发到谐振器板中的驱动器。根据本发明专利技术，谐振器板被掺杂到1.2*10

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】温度补偿板谐振器
本专利技术涉及微机电谐振器。具体地，本专利技术涉及调节板谐振器的频率温度系数(TCF)。
技术介绍
广泛使用的石英晶体基谐振器在许多应用中可以被微机械谐振器取代，典型地如硅基谐振器。硅谐振器可以制造得比石英谐振器更小，并且有多种硅谐振器的标准制造方法。然而，硅基谐振器带来的问题是谐振频率温度漂移较大。该漂移主要是由于硅的杨氏模量的温度依赖性，使得频率温度系数(TCF)约为-30ppm/C。这导致谐振频率因环境温度的变化而波动。关于TCF，在实践中，线性行为(即一阶行为)和二阶行为都是重要的，因为一阶行为表示温度变化时频率的局部变化(理想地为零)，二阶行为描述频率-温度曲线的曲率，表示低漂移温度范围的宽度。如果一阶项为零，则频率漂移仅来自二阶项，存在一定的“拐点温度(turnovertemperature)”，在该温度下，TCF达到其绝对最小值。对比于一阶系数TCF1(线性TCF)，二阶TCF在这里表示为TCF2。AT切割的石英晶体在25℃下具有接近于零的低TCF1和TCF2，在-40℃到+85℃(所谓的工业范围)的宽温度范围内，它们的总频率漂移通常在±10ppm以内。目前，硅谐振器的温度性能是相当差的。消除或减轻温度漂移问题的一个有前景的方法是进行大量的硅掺杂。例如在WO2012/110708中已经讨论了浓度大于1019cm-3的均匀n型掺杂对体声波(BAW)谐振器行为的影响。该文献讨论了“纯”c11-c12模式(c11、c12和c44为硅的杨式模量的弹性参数)的TCF1很好地保持为大于零，因此频率仍然非常依赖于温度。然而，其他BAW谐振模式，例如方形延伸(SE)或宽度延伸(WE)模式，对弹性系数c11、c12(和c44)具有依赖性，可以通过正确选择它们在平面内的几何纵横比使线性TCF为零。具体地，关于WE模式谐振器，WO2012/110708教导了在矩形的边长比超过2：1时，矩形WE谐振器的一阶TCF可以通过约2.3*1019cm-3的n-掺杂剂浓度归零。因此，在没有频率温度漂移的范围内存在单个温度点。然而，该文献没有教导如何实现更宽的稳定操作温度范围，即如何最小化二阶TCF。如US8558643中所讨论的，另一种方法是形成具有不同掺杂水平或晶体取向的叠加层的有效材料结构。该结构形成能够承载谐振模式的超晶格，其TCF远小于未掺杂或均匀掺杂相应硅元素的超晶格。这种结构也可以用于在一定程度上降低二阶TCF，从而使得温度漂移在100℃范围内小于50ppm。上述文献还引用了利用硅掺杂的其他文献，并简要讨论了解决温度漂移问题的其他方法。谐振器的温度行为不仅取决于掺杂浓度，还取决于其几何结构、晶体取向和其激发的谐振模式，因此需要提及一些重要因素。此外，需要考虑的因素包括谐振器的Q值，其中谐振器的锚固有重要作用，以及在实践中制造谐振器设计的能力。例如，在已知的谐振器设计中，低TCF和高Q值可能是矛盾的设计目标，因为它们通常通过不同的几何布局来实现。目前，仅能获得少数实际可行的低TCF硅谐振器设计，WO2012/110708和US8558643中公开了一些这样的设计。然而，需要新的和改进的实际可行的设计，其能够更好的控制TCF特性并同时实现高Q值。并且期望简单的结构和制造工艺。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种在不同温度下具有高稳定工作频率的谐振器装置。具体地，其目的是提供一种具有低二阶TCF的谐振器。本专利技术的另一个目的是提供一种具有低的一阶和二阶TCF的谐振器。本专利技术提供一种微机电谐振器装置，其包括支撑结构和用n型掺杂剂掺杂到掺杂浓度并且能够以宽度-延伸谐振模式谐振的半导体谐振器板。此外，该装置还包括将谐振器板悬挂在支撑结构上的至少一个锚固件，以及将宽度-延伸谐振模式激发到谐振器板中的驱动器。根据本专利技术，谐振器板被掺杂到1.2*1020cm-3或更高，特别是1.3*1020cm-3或更高的掺杂浓度，并且具有这样的形状，该形状与掺杂浓度结合，在宽度-延伸谐振模式中，在至少一个温度下提供12ppb/C2或更低(绝对值)的二阶频率温度系数(TCF2)。在本文后续会公开优选的形状。优选地，上述至少一个温度包括室温(25℃)，其表示工业温度范围(-40...85℃)的大致中间值，对应于频率-温度曲线变化顶点的温度。12ppb/C2的二阶频率漂移对应于工业范围内约50ppm的总频率漂移。特别地，至少在一个温度下，TCF2可以为6ppb/C2以下(绝对值)，甚至是3ppb/C2以下，分别对应于在工业范围内的25ppm和12ppm的总漂移。更具体地，本专利技术的特征在于独立权利要求中所述的内容。本专利技术具有显著的优点。最重要的是，本专利技术提供被动温度补偿谐振器。在所公开的掺杂浓度下，可以得到在宽度-延伸谐振模式下的二阶TCF为零或接近于零(即低于12ppb/C2)的谐振器。因此，谐振器在不同温度下具有高的二阶频率稳定性。如稍后将描述的，本专利技术的实施方式使得一阶和二阶TCF同时被动归零。从实际的观点看，TCF2的被动归零更为关键，因为，相比线性行为，非线性频率-温度行为更加难以使用例如主动补偿电路来进行补偿。本专利技术可以使用在实践中可以实现的n型掺杂浓度来实现。与具有不同材料性质的层叠在彼此顶部的不同层的超晶格结构相比，本专利技术的谐振器元件可以制造为单片单层元件，因此其制造是直接的。并且，所需的掺杂剂浓度小于实现超晶格所需的掺杂剂浓度。还可以避免谐振器周围复杂的主动温度补偿电路，因为谐振器固有地被设计成满足所需的频率稳定性水平。从属权利要求涉及本专利技术的选定实施方式。在特别优选的实施方式中，选择第一形状和掺杂浓度，使得谐振器装置在TCF2为6ppb/C2或更大(即在TCF曲线的顶点)的温度下的一阶频率温度系数(TCF1)为1ppm/C或更小。应该注意的是，尽管一阶和二级TCF可以在相当多的几何形状和掺杂浓度下分别归零，但它们的同时被动归零仅在某些几何形状和相对窄的参数范围内发生。关于TCF1和TCF2的同时归零的文献中没有具体的教导，但这是本实施方式的重点。在一个实施方式中，使得TCF1和TCF2同时归零的谐振器板的形状的纵横比为1.1-1.6，特别是1.3-1.5。根据本专利技术，已经发现这些板在大于浓度阈值1.2*1020cm-3的n掺杂浓度下能够承载具有零TCF1和零TCF2的宽度-延伸谐振模式。纵横比也显著小于WO2012/110708建议的用于一阶温度补偿的2或更大的比值。根据一个实施方式，谐振器板的形状是矩形。矩形板的优选纵横比为1.3。根据一个实施方式，谐振器板的形状是椭圆形。根据一个实施方式，谐振器板具有以5度精度与半导体晶体的[100]方向一致的对称轴。典型地，与[100]方向平行的是谐振器板的纵向轴(例如，平行于矩形板长边的轴线)。使用这些板可以实现高品质因数。根据一个实施方式，谐振器板包括基板，例如矩形或椭圆形基板，其纵横比为1.1-1.6，并且设置有一个或多个突起，例如从所述基板横向延伸的梁突起。突起可以相对于[100]方向以一定角度延伸。在一个实施方式中，基板适应于以宽度-延伸模式谐振，突起以弯曲、扭转或长度-延伸模式谐振。这些实施方式是本专利技术范围内的更复杂的谐振器几何形状的例子。通过本专利技术，实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电谐振器装置，包括：支撑结构，用n型掺杂剂掺杂到掺杂浓度并能够至少部分地以宽度‑延伸谐振模式谐振的半导体谐振器板，将所述谐振器板悬挂在所述支撑结构上的至少一个锚固件，将所述宽度‑延伸谐振模式激发到所述谐振器板中的驱动器，其特征在于，所述谐振器板被掺杂到1.2*10

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.03 FI 201458691.一种微机电谐振器装置，包括：支撑结构，用n型掺杂剂掺杂到掺杂浓度并能够至少部分地以宽度-延伸谐振模式谐振的半导体谐振器板，将所述谐振器板悬挂在所述支撑结构上的至少一个锚固件，将所述宽度-延伸谐振模式激发到所述谐振器板中的驱动器，其特征在于，所述谐振器板被掺杂到1.2*1020cm-3或更大的掺杂浓度，并具有这样的形状，所述形状与所述掺杂浓度结合在所述宽度-延伸谐振模式中使得在至少一个温度下二阶频率温度系数(TCF2)为12ppb/C2或更小。2.根据权利要求1所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状的纵横比为1.1-1.6，特别是1.3-1.5。3.根据权利要求1或2所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状的纵横比大于1.3，所述谐振器板设置有形成所述驱动器的一部分的压电薄膜。4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状为矩形。5.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状是椭圆形。6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状和掺杂浓度使得在所述至少一个温度下所述谐振器装置的一阶频率温度系数(TCF1)为1ppm/C或以下。7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状是非正方形和非圆形，并且纵横比为2或更小。8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装...

【专利技术属性】
技术研发人员：安蒂·亚科拉，帕努·派克，米卡·普伦尼拉，托马斯·彭萨拉，
申请(专利权)人：芬兰国家技术研究中心股份公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI