谐振器制造技术

一种谐振器（２），具有有效弹簧常数（ｋｚ），并包括适合沿振荡方向谐振的梁（４），所述梁（４）具有梁弹簧常数（ｋＢ），所述梁（４）与所述振荡方向成非零角度θ而延伸，其中，所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成，每一种材料具有热膨胀系数（ＣＴＥ），每一种材料的ＣＴＥ连同所述谐振器的预定几何结构一起引起θ随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种谐振器结构，具体设计MEMS(微机械系统)谐振器。由于这种结构 相比于石英而言成本低，尺寸小，所以可以用于替代石英谐振器作为许多应用的频率基准。 此外，由于MEMS谐振器典型地由硅形成，所以可以容易地将MEMS谐振器与其他控制电路集 成在一个封装内。
技术介绍
如本领域公知的，微机械系统是由配置在例如硅基底等基底上的小组件形成的。MEMS谐振器包括由一个或多个支撑体支撑的梁(或弹簧)结构，支撑体与基底连 接，或者与基底形成为整体。MEMS谐振器可以用作例如一部分时钟或信号滤波电路。MEMS谐振器的问题在于，谐振器的振荡频率随着环境温度、以及随着用于形成该 谐振器的材料和工艺而改变。谐振频率的温度依赖性的主要原因是弹性(杨氏)模数的温度系数。通常，形成 MEMS谐振器的材料具有该材料的弹性模数的负温度系数。这意味着，谐振器的弹簧常数在 高温时会减小，进而导致振荡频率降低。尝试校正振荡频率的温度依赖性的已知技术可以分成有源或无源温度补偿技术。已知的有源温度补偿技术包括在偏置电压校正之前的温度测量、锁相环(PPL)控 制反馈、以及将谐振器弹簧加热到预定温度。这种有源温度补偿技术的问题在于，这种技术 遭受较大的功率耗散。此外，在锁相环控制反馈的情况下，产生不可接受的相位噪声。已知的无源补偿技术包括将一个或多个涂覆层沉积到MEMS谐振器的梁上。这一 个或多个层中的每一层具有的相应弹性模数的温度系数不同于梁的温度系数。如通常情况 下，当梁是由具有弹性模数的负温度系数的材料形成时，选择沉积或涂覆到梁上的一种或 多种材料，每一种材料均具有相应弹性模数的正温度系数。这意味着可以通过这一种或多 种材料的收缩或膨胀来补偿梁的任何膨胀或收缩。国际专利申请No. WO 2004/095696描述了一种弯曲谐振器梁，其中使用不同材料 来补偿热膨胀系数。WO 2004/095696中公开的谐振器依赖于张力，以补偿谐振频率的温度 依赖性。这些已知无源技术的问题在于，对用于在梁上涂覆一种或多种材料的例如沉积和 氧化等形成工艺的控制不足够好，还不足以获得所需的涂覆厚度的精确度。此外，弹簧常数 对于梁的宽度极端敏感，这也使得获得精确度非常困难。
技术实现思路
根据本专利技术第一方面，提出了一种谐振器，具有有效弹簧常数，并包括适合沿振荡 方向谐振的梁，所述梁具有梁弹簧常数，所述梁与所述振荡方向成非零角度(Θ)而延伸， 其中所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成，每一种材料具有热膨胀系 数(CTE)，每一种材料的CTE连同所述谐振器的预定几何结构一起引起θ随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本 上保持恒定。利用本专利技术，谐振器的有效弹簧常数在该谐振器的工作温度范围内基本上保持恒 定。谐振器的谐振频率取决于当向振荡器(梁)施加特定力或由振荡器(梁)施加特定力 时该振荡器(梁)拉伸的程度(参见如下等式2)。振荡器拉伸的程度直接取决于振荡器的弹簧常数。进而，振荡器的谐振频率是振 荡器拉伸的程度的函数。这意味着在谐振器的谐振频率与谐振器的弹簧常数之间存在关 系。具体而言，谐振频率(F)与谐振器的弹簧常数(k)除以谐振器质量(m)之后的平方根 成比例(F V (k/m)。由此，通过确保谐振器的有效弹簧常数基本上保持恒定，谐振器的谐 振频率基本上与谐振器的工作温度内的温度无关。利用本专利技术，通过由具有热膨胀系数的一种或多种材料形成谐振器的梁或其他组 件，来补偿形成谐振器梁的材料的弹簧常数(以及由此弹性模数)的温度依赖性，所述热膨 胀系数引起谐振器的几何结构随着温度以一定程度发生改变，以基本上补偿k随温度的改 变，使得谐振器频率基本上与温度无关。本专利技术的实现不需要向梁涂覆杨氏模数的温度系数的符号与形成梁的材料的温 度系数相反的材料层，或者不需要向梁引入静应变。本专利技术基于专利技术人的认识在谐振器整体上沿着振荡方向的有效弹簧常数与梁的 弹簧常数之间存在直接相关性。谐振器可以包括微机械谐振器，其中，谐振器的至少部分(例如梁)由硅形成。通 过至少部分地由硅形成谐振器，可以例如使用CMOS制造技术将谐振器结合到集成电路中。在这种实施例中，谐振器的一部分可以由硅基底形成。具体而言，谐振器的一部分 可以一体地形成在硅基底中。谐振器还可以包括用于支撑梁的支撑体。谐振器还可以包括在梁下面限定的空 腔。该空腔使梁在谐振时能够弯曲和伸展到空腔中。谐振器的支撑体和空腔使得在谐振模 式中梁能够自由地弯曲和伸展。根据本专利技术的谐振器可以包括多于一个梁。在这种实施例中，补偿每个梁的弹簧 常数，使得谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒定。根据本专利技术实施例的谐振器可以包括多于一个支撑体。该谐振器也可以包括多于一个空腔。谐振器还可以包括附着到梁或与梁一体形成的团块(mass)。谐振器可以包括多于 一个团块。支撑体与梁的明显区别在于，支撑体进行支撑，这是因为支撑体不会响应于团块 的任何振动运动而发生运动。术语“下方(below) ”不是要隐含表示谐振器的任何特定取向。根据本专利技术第二方面，提供了一种用于调谐谐振器的方法，该谐振器具有有效弹 簧常数，并包括适合沿振荡方向谐振的梁，所述梁具有梁弹簧常数，所述梁与所述振荡方向 成非零角度(Θ)而延伸，其中所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成， 每一种材料具有热膨胀系数(CTE)，每一种材料的CTE连同所述谐振器的预定几何结构一 起引起θ随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性；所述方法包括步骤改变谐振器的几何结构，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒定。该方法可以包括步骤由硅基底形成谐振器。该谐振器可以包括用于支撑梁的一个或多个支撑体，改变谐振器的几何结构的步 骤可以包括调整支撑体的尺寸，例如支撑体的横向尺寸。梁相对于振荡方向的角度θ的幅度取决于谐振器的几何结构、以及用于制造谐 振器的一种或多种材料。θ的幅度可以落在范围10°到60°内，优选地在范围10°到45° 内，更优选地在范围10°到30°内。在本专利技术的一个实施例中，梁和支撑体两者都是由纯 硅形成的。支撑体可以具有任意特定长度，但是在一个实施例中，支撑体长度可以是梁长度 的10倍，θ可以实质上是。在本专利技术的另一实施例中，支撑体由硅化镍Ni3Si形成，并且其长度是梁长度的10 倍，并且θ实质上是60°。对于简单的弹簧-团块谐振器几何机构而言，沿振荡方向(ζ方向)谐振器的有效 弹簧常数由符号kz表示，梁的弹簧常数由kB表示。对于自由-自由梁(free-freebeam), kz = kB sin2 θ。 (等式 1)该关系假设相比于梁的线性膨胀或收缩引起的力，扭振力(torsional force)是 可忽略的。因为通过由具有适当热膨胀系数(CTE)的一种或多种材料来形成谐振器，梁的弹 簧常数随温度而变化，因此可以调谐由工作温度的改变引起的梁的尺寸的改变，使得有效 弹簧常数1^在该温度范围内保持恒定。换言之，通过选择适当的几何机构和适当材料，可以 调谐由于温度改变引起的梁尺寸的改变，从而由梁的膨胀或收缩引起的θ的改变补偿了 特定组件的弹簧常数的改变，使得谐振器整体上的有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振器（２），具有有效弹簧常数（ｋ↓［ｚ］），并包括适合沿振荡方向谐振的梁（４），所述梁（４）具有梁弹簧常数（ｋ↓［Ｂ］），所述梁（４）与所述振荡方向成非零角度θ而延伸，其中，所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成，每一种材料具有热膨胀系数ＣＴＥ，每一种材料的ＣＴＥ连同所述谐振器的预定几何结构一起引起θ随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒定。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特詹姆斯帕斯科兰德，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]