[發明專利]溫度補償復合諧振器

有效

• 申請號: 201580064158.8
• 申請日: 2015-10-02
• 公開（公告）號: CN107408933B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 安蒂·亞科拉;帕努·派克;米卡·普倫尼拉;托馬斯·彭薩拉
• 申請（專利權）人: 芬蘭國家技術研究中心股份公司
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;陳偉

本發明涉及微機電諧振器。具體地，本發明提供了一種諧振器，包括支撐結構、通過至少一個錨固件懸掛到所述支撐結構摻雜半導體諧振器，以及用于將諧振激發到諧振器中的驅動器。根據本發明，諧振器包括基部和從所述基部延伸的至少一個突起，所述諧振器可由所述驅動器激發成具有頻率溫度系數(TCF)特性的復合諧振模式，所述復合諧振模式得益于所述基部和所述至少一個突起。本發明使簡單的諧振器成為可能，這非常有利于在寬溫度范圍內的溫度補償。

技術領域

本發明涉及微機電諧振器。具體地，本發明涉及調節諧振器的頻率溫度系數(TCF)。

背景技術

廣泛使用的基于石英晶體的諧振器可能被微機械取代，典型地，在許多應用中使用基于硅的諧振器。硅諧振器可以制造得小于石英諧振器，并且存在多種硅諧振器的標準制造方法。然而，基于硅的諧振器帶來的問題是諧振頻率的溫度漂移較大。該漂移主要是由于硅的楊氏模量的溫度依賴性，導致頻率溫度系數(TCF)約為-30ppm/C。這導致諧振頻率因環境溫度的變化而波動。

關于TCF，兩種線性即1階和2階的行為在實踐中都是重要的，因為第一階表示溫度變化的頻率的局部變化(理想地為零)，二階表示低漂移溫度范圍的寬度。如果一階項為零，則頻率漂移僅來自第二階項，存在某個“拐點溫度”，在該溫度TCF達到其絕對最小值。與一階系數TCF₁(線性TCF)相對照，二階TCF在這里也被表示為TCF₂。AT切割的石英晶體在25℃具有接近于零的較低的TCF₁和TCF₂，在-40℃...+85℃寬的溫度范圍內，它們的總頻率漂移通常在±10ppm以內。目前，硅諧振器的溫度性能相當差。

消除或減輕溫度漂移問題的一個有前景的方法是進行大量的硅的摻雜。例如在WO2012/110708中已經討論了濃度大于10¹⁹cm^-3的均勻n型摻雜對體聲波(BAW)諧振器行為的影響。該文件討論了“純”c₁₁-c₁₂模式(c₁₁、c₁₂和c₄₄為硅的楊式模量的彈性系數)的TCF₁很好地保持在零以上，因此頻率仍然非常依賴于溫度。然而，其他BAW諧振模式，例如方形延伸(SE)或寬度延伸(WE)模式，對彈性系數c₁₁、c₁₂(和c₄₄)具有這樣的依賴性以致于可以通過正確選擇它們在平面上的幾何縱橫比使線性TCF為零。另外被證實的是，在實踐中可以實現11*10¹⁹cm^-3以上的n型摻雜濃度(摻雜劑磷)。

如US8558643中所討論的，另一種方法是形成具有不同摻雜濃度或晶體取向的疊加層的有效材料結構。該結構形成能夠運載其TCF遠小于未摻雜或均勻摻雜的相應硅元件的諧振模式的超晶格。這種結構也可以用于在一定程度上降低二階TCF，從而實現在100℃范圍內小于50ppm的溫度漂移。

上述文獻還引用了利用硅摻雜的其他文獻，并簡要討論了處理溫度漂移問題的其他方法。

提到一些重要因素，溫度行為或諧振器不僅取決于摻雜濃度，還取決于其幾何結構、晶體取向和在其中激發的諧振模式。此外，需要考慮的因素是諧振器的Q值，其中諧振器的錨固有重要作用，以及在實踐中實現諧振器設計的能力。采用已知的諧振器設計，低TCF和高Q值可能是矛盾的設計目標，因為它們通常通過例如不同的幾何布局來實現。

目前，僅有少數實際可行的低TCF硅諧振器設計可用，WO 2012/110708和US8558643中公開了一些這樣的設計。然而，需要新的和改進的實際可行的設計，其考慮更好的控制TCF特性，同時實現高Q值。并且期望簡單的制造工藝。

發明內容

本發明的目的是提供一種新的諧振器設計，其TCF特性可調節以滿足特定需要。