相对于温度变化稳定性提高的微机电谐振器系统技术方案

本公开涉及相对于温度变化稳定性提高的微机电谐振器系统。MEMS谐振器系统具有微机械谐振结构和电子处理电路，电子处理电路包括第一谐振回路，第一谐振回路激发结构的第一振动模式并且生成在第一谐振频率的第一信号。根据温度变化测量结果，补偿模块补偿由温度变化造成的第一谐振频率的第一变化，以生成在期望频率的时钟信号，期望频率相对于温度是稳定的。电子处理电路还包括第二谐振回路，第二谐振回路激发结构的第二振动模式并且生成在第二谐振频率的第二信号。温度感测模块接收第一和第二信号，并且根据由温度变化造成的第一谐振频率的第一变化和第二谐振频率的第二变化，生成温度变化测量结果。

Microelectromechanical Resonator System with Increased Stability Relative to Temperature Change

【技术实现步骤摘要】
相对于温度变化稳定性提高的微机电谐振器系统
本公开涉及一种相对于温度变化具有提高的稳定性的MEMS(微机电结构)谐振器系统。
技术介绍
具体地，MEMS谐振器系统被有利地用于RTC(实时时钟)装置，以下讨论将参照RTC装置，但这并不暗示着任何地失去一般性。众所周知，RTC装置通常与时钟功能一起用在电子设备(无论是否是便携式的，诸如移动电话、相机、汽车设备、家用电器、数据收集终端、智能读卡器等)内，以便对过去的实际时间进行计数(按年、月、天、小时、分钟和秒)，即使对应电子设备关机时也能计数。为此，RTC装置通常包括：谐振器系统，该谐振器系统设计用于生成工作(或者谐振)频率，例如，该频率等于期望值(例如，32.768kHz)或者是期望值的倍数；电子模块，该电子模块耦合至谐振器系统，用于基于该工作频率对过去的时间进行计数；以及用于提供功率供应的合适电源。即使石英技术在数十年来在频率生成领域(同样针对RTC应用)中占主导，但利用半导体技术(尤其是硅基半导体技术)制成的MEMS谐振器系统最近已经被提出，并不断取得成功。由于可以使用标准的集成电路制造工艺，并且由于可以将微机械结构和对应电子处理电路(以ASIC(专用集成电路)的形式)两者都低成本地集成在半导体材料的同一个芯片中，所以使用MEMS谐振器系统所带来的优势首先是显著减小了尺寸，以及极大地减少了成本。进一步地，MEMS谐振器系统通常更耐撞击并且更耐机械应力，并且具有比传统石英方案更低的电耗水平。MEMS谐振器系统包括通过微加工技术得到的微机械谐振结构，微机械谐振结构由于外部应力(以合适的DC电偏置和AC驱动信号的形式)而被诱导成在其自然谐振频率振动。这些微机械谐振结构通常包括至少一个可移动质量块，至少一个可移动质量块通过特意设置的限制元件被锚固到基底，至少一个可移动质量块由施加的偏置和驱动信号驱动进行谐振移动。图1是MEMS谐振器系统1的示意图，该MEMS谐振器系统1包括微机械谐振结构2和耦合的电子处理电路4(作为ASIC而获得)；在可能的实施例中，微机械谐振结构2和电子处理电路4各自在相应的半导体材料(尤其是硅)裸片中获得，并且被容纳于同一个封装体内，以限定集成系统(芯片)。微机械谐振结构2包括可移动质量块(所谓的转子)5，该可移动质量块电容式地耦合至驱动电极(D)6和感测电极(S)7。电子处理电路4实施自持式谐振回路(具有正反馈)，并且尤其向驱动电极6供应驱动信号Vac(尤其是在微机械谐振结构2的谐振频率的AC电压)，该驱动信号造成可移动质量块5(其在偏置电压Vbias、尤其是DC电压下被偏置)的谐振振动；并且电子处理电路4接收感测信号Sout，感测信号Sout与在感测电极7与可移动质量块5之间形成的电容器的电容变化(由谐振振动引起)相关联。电子处理电路4包括放大器级8(例如，包括具有增益Gm的电流至电压转换器级)，该放大器级8接收感测信号Sout并且将其转换为在谐振频率的信号(应用适当的放大来补偿微机械谐振结构2的损失)，该信号进一步限定用于在正反馈中保持微机械谐振结构2的谐振振动的驱动信号Vac。电子处理电路4还包括输出级9，例如，输出级9包括缓冲器或者驱动器模块，该输出级9耦合至放大器级8的输出并且设计用于基于微机械谐振结构2的谐振频率供应在期望值的工作频率fout的输出信号S(fout)；例如，输出信号S(fout)由在上述工作频率fout的脉冲串构成。图2示出了所谓“双固支”或者“固支-固支”类型的微机械谐振结构2的可能实施例。可移动质量块5由长度为L的偏转梁构成，该偏转梁沿着第一水平轴x纵向地延伸，悬设在基底上面，与相同基底的位于水平面xy中的顶表面平行，并且在两个端部处被限制到相应的锚具12，锚具12相对于基底固定(例如，锚具由从基底的顶表面垂直延伸直到可移动质量块5的相应端部的立柱或者支柱结构构成)。驱动电极6和感测电极7设置为面向可移动质量块5并且与可移动质量块5平行，沿着第二水平轴y(其与第一水平轴x一起限定前述水平面xy)位于可移动质量块5的相对侧上，并且具有基本上等于可移动质量块5的梁的长度L的长度。驱动电极6和感测电极7锚固至基底，例如通过相应的锚具固定耦合至基底的顶表面，锚具的形状例如像半导体材料的立柱或者支柱，例如，锚具相对于驱动电极6和感测电极7的延伸部设置在中心位置。在工作期间，在驱动电极6与可移动质量块5之间应用驱动信号Vac造成：在第二水平轴y的方向上由于对应梁的偏转而引起的变形移动，以及随之而来的与感测电极7的电容耦合变化，其中生成感测信号Sout，该感测信号Sout因此可以被电子处理电路4检测并且被适当处理。通常，由驱动电极6向可移动质量块5应用的驱动信号Vac是为了激发可移动质量块5的第一振动模式，在图3中示出了在图2的双固支式结构的情况下沿着第二水平轴y的第一振动模式对照偏转梁的归一化长度的图表。可以经由以下方程来表示与第一振动模式相关联的谐振频率f1。其中，ω1＝2πf1，E是与微机械谐振结构2的可移动质量块5相关联的杨氏模量，I是惯性力矩，ρ是材料的密度，A是可移动质量块5的偏转梁的横截面面积，并且β1是与第一振动模式相关联的常数(例如，在图2的由硅制成的双固支式结构的情况下，乘积β1·L等于4.73)。在已知的方式中，谐振频率的稳定性是MEMS谐振器系统1的基本方面；例如，在用于谐振加速度计的情况下，谐振频率直接影响传感器的灵敏度，而在用于RTC装置的情况下，谐振频率的稳定性直接表示该装置的品质因数。然而，MEMS谐振器系统1的谐振频率(如前面方程中强调的)与杨氏模量E的平方根成正比，并且已知的是，杨氏模量E的值随着温度的变化而变化。例如，已知的是，杨氏模量E的值(尤其是针对单晶硅[100])根据下面的表达式随着温度而变化：E(T)＝E0·(1+TCE1·ΔT+TCE2·ΔT2)+TCE2·ΔT2)其中，E0是在参考温度T0的杨氏模量，TCE1和TCE2是温度变化系数，分别等于-63ppm/℃和-56.47ppb/℃2，并且ΔT是温度变化。可以看出，随之而来的谐振频率f1的变化可以通过下面的表达式来表示：Δf1＝TCf1·ΔT＝α·f0,1·ΔT其中，TCf1是所谓频率温度系数，f0,1是在参考温度T0(例如，室温)的第一振动模式的谐振频率的参考值，并且系数α(表示频率随温度的百分比变化)取决于半导体材料，例如，在硅的情况下，该系数大约是-30ppm/℃。因此，可能会在整个使用温度范围(在本示例中+/-50℃)之上产生例如为+/-1500ppm的频率变化。已经提出了几种方案来试图解决谐振频率值根据温度变化的问题，但是这些方案均被证明无法完全令人满意，尤其是针对在RTC装置(即，要求高稳定性的装置)中的应用。例如，例如在J.Gronicz,M.Pulkkinen,M.K.Halonen,“A2μAtemperature-compensatedMEMS-basedrealtimeclockwith±4ppmtimekeepingaccuracy”,CircuitsandSystems(ISCAS),2014IEEEInternationalSymposium,June1-5,2014中描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS谐振器系统，包括：微机械谐振结构；以及耦合至所述微机械谐振结构的电子处理电路，所述电子处理电路包括：第一谐振回路，其被配置为激发所述微机械谐振结构的第一振动模式并且生成在第一谐振频率的第一信号；第二谐振回路，其被配置为激发所述微机械谐振结构的第二振动模式并且生成在第二谐振频率的第二信号；温度感测模块，其被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并且根据所述第一谐振频率的第一变化以及根据所述第二谐振频率的第二变化，生成温度变化的测量结果；以及补偿模块，其被配置为接收所述第一信号，并且根据温度变化的所述测量结果，补偿由所述温度变化造成的所述第一谐振频率的所述第一变化，以生成在期望频率的时钟信号，所述期望频率是所述第一谐振频率的函数。

【技术特征摘要】
2017.10.31 IT 1020170001243201.一种MEMS谐振器系统，包括：微机械谐振结构；以及耦合至所述微机械谐振结构的电子处理电路，所述电子处理电路包括：第一谐振回路，其被配置为激发所述微机械谐振结构的第一振动模式并且生成在第一谐振频率的第一信号；第二谐振回路，其被配置为激发所述微机械谐振结构的第二振动模式并且生成在第二谐振频率的第二信号；温度感测模块，其被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并且根据所述第一谐振频率的第一变化以及根据所述第二谐振频率的第二变化，生成温度变化的测量结果；以及补偿模块，其被配置为接收所述第一信号，并且根据温度变化的所述测量结果，补偿由所述温度变化造成的所述第一谐振频率的所述第一变化，以生成在期望频率的时钟信号，所述期望频率是所述第一谐振频率的函数。2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述温度感测模块被配置为根据所述第一谐振频率的所述第一变化和所述第二谐振频率的所述第二变化之间的差值，生成温度变化的所述测量结果。3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器系统，其中所述温度感测模块被配置为根据以下表达式生成温度变化的所述测量结果：其中：ΔT是所述温度变化；Δf1是所述第一谐振频率的所述第一变化；Δf2是所述第二谐振频率的所述第二变化；α与所述微机械谐振结构的材料的频率温度系数相关联；f0,1是所述第一谐振频率在参考温度的参考值；以及f0,2是所述第二谐振频率在所述参考温度的相应参考值。4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述温度感测模块包括积分器级，所述积分器级被配置为对在所述第一谐振频率的所述第一信号进行积分达第一时间间隔，并且被配置为随后对在所述第二谐振频率的所述第二信号进行积分达第二时间间隔，并且所述温度感测模块被配置为基于对所述第一信号和所述第二信号的所述积分生成指示温度变化的所述测量结果的信号。5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述补偿模块包括分频器级，所述分频器级被配置为基于分频因子生成作为所述第一谐振频率的分数倍数或者约数的所述时钟信号的所述期望频率，所述分频因子是温度变化的所述测量结果的函数。6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述微机械谐振结构包括可移动质量块，并且其中所述第一谐振回路和所述第二谐振回路被配置为激发所述可移动质量块分别在所述第一振动模式和所述第二振动模式下的振动。7.根据权利要求6所述的MEMS谐振器系统，其中所述微机械谐振结构包括：第一驱动电极装置，其被配置为激发所述第一振动模式；第二驱动电极装置，其与所述第一驱动电极装置不同，被配置为激发所述第二振动模式；第一感测电极装置，其电容式地耦合至所述可移动质量块并且被配置为生成在所述第一谐振频率的所述第一信号；以及第二感测电极装置，其与所述第二驱动电极装置不同，电容式地耦合至所述可移动质量块，并且被配置为生成在所述第二谐振频率的所述第二信号。8.根据权利要求7所述的MEMS谐振器系统，其中所述第一驱动电极装置包括面向所述可移动质量块的中心部分的驱动电极；其中所述第一感测电极装置包括面向所述可移动质量块的中心部分并且相对于所述驱动电极位于所述可移动质量块的所述中心部分的相对侧的感测电极；其中所述第二驱动电极装置包括面向所述可移动质量块的第一侧向部分的第一驱动电极、和面向所述可移动质量块的第二侧向部分的第二驱动电极，所述第二侧向部分与所述第一侧向部分纵向地相对，所述第二驱动电极相对于所述第一驱动电极位于所述可移动质量块的所述相对侧；以及其中所述第二感测电极装置包括第一感测电极和第二感测电极，所述第一感测电极面向所述可移动质量块的所述第一侧向部分并且相对于所述第一驱动电极位于所述可移动质量块的所述相对侧，所述第二感测电极面向所述可移动质量块的所述第二侧向部分并且相对于所述第二驱动电极位于所述可移动质量块的所述相对侧。9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述第一振动模式和所述第二振动模式对应于所述微机械谐振结构的两种不同模式。10.根据权利要求9所述的MEMS谐振器系统，其中所述第一谐振回路和所述第二谐振回路中的每一个谐振回路包括相应的放大器级，所述相应的放大器级被配置为从相应的所述第一感测电极装置接收相应的感测信号，并且被配置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·瓦尔扎西纳，G·加特瑞，A·托齐奥，G·兰格弗尔德，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT