[發明專利]雙輸出微機電諧振器及其制造和操作方法

在審

• 申請號: 201980043906.2
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN112352143A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 喬治·艾瑞阿斯;瓦希德·塔亞瑞;艾哈邁德·霍希德;查爾斯·艾倫
• 申請（專利權）人: 斯塔特拉IP控股公司
• 主分類號: G01K7/00
• 分類號: G01K7/00;B06B1/02;B81B7/02;H03L1/02
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 高巖;楊林森

提供了雙輸出微機電系統(MEMS)諧振器?？梢砸悦鎯日駝幽Ｊ胶兔嫱庹駝幽Ｊ竭x擇性地以及同時操作MEMS諧振器，以分別獲得具有第一頻率的第一電信號和具有比第一頻率小的第二頻率的第二電信號。將第一電信號和第二電信號混合，以獲得具有第三頻率的第三電信號，其中第三頻率與MEMS諧振器的溫度成比例?；诘谌l率來確定該溫度?？梢曰谒_定的溫度來調整第一頻率和第二頻率的值，以補償由于溫度偏差引起的頻率偏差。還提供了用于確定雙輸出MEMS的溫度、用于補償頻率的方法和系統以及制造雙輸出MEMS的方法。

技術領域

本技術涉及諧振器裝置領域，更具體地涉及可以同時以面內振動模式(in-planemode of vibration)和面外振動模式(out of plane mode of vibration)操作的雙輸出微機電系統(MEMS)諧振器，以及操作和制造該雙輸出MEMS諧振器的方法。

背景技術

在過去的一個世紀中，石英晶體振蕩器一直是定時和頻率基準應用的基礎。然而，電子裝置的進步以及近來向現代手持裝置的范式轉移(Paradigm shift)都突出了該技術的局限性。石英制造處理在性能、功耗、魯棒性、尺寸和互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容性方面施加了物理限制。為了滿足現代要求，自2000年代初以來，研究人員一直在以驚人的速度研究替代頻率基準。

在該時期期間，微機電系統(MEMS)諧振器已成為有前途的候選。它的技術依賴于已建立以支持電子芯片的微制造的硅基礎設施。一般而言，與先前系統相比，這些裝置提供了卓越的性能，并在集成度、魯棒性和尺寸方面設立了新的標準。

然而，實際上，MEMS諧振器受制于由包括溫度變化的幾種現象引起的頻率偏差。

與石英晶體振蕩器相比，不幸的是，硅MEMS諧振器不具有降低溫度靈敏度的特定的切割(cut)。因此，翻轉(turnover)溫度不易控制。此外，由于硅的高度負的彈性溫度系數(TCE)，因此硅諧振器的諧振頻率與溫度強相關(負斜率約為-30ppm/℃)。該斜率通常稱為頻率溫度系數(TCF)，并且至今仍是使硅諧振器商業化的最大挑戰之一。研究人員已嘗試使用不同的技術來應對這一挑戰。

這些技術可以分為兩大類，這兩大類包括無源補償或有源補償。無源補償包括制造復合諧振器(由兩種或更多種材料組成)，以及使用超高摻雜來降低溫度依賴性。有源補償方法涉及電子裝置的使用。在某些實現方式中，面外電極被放置在受控電壓下，以便在MEMS諧振器梁上施加力。梁與電極之間的電勢差會產生與位置有關的靜電力。這種現象被稱為“彈簧軟化”，并且可以改變硅梁的諧振頻率。面外電極上的電壓可以由包括溫度傳感器的反饋回路控制。

發明內容

已經基于發明人的需要克服常規諧振器的缺點的MEMS諧振器的認識，開發了本技術的實施方式。

其中，發明人已經意識到，向MEMS諧振器添加外部電路以測量溫度會消耗更多的電力，占用更多的空間，同時并不總是具有可以用于補償由于溫度引起的頻率偏差的準確的溫度測量結果。

發明人已經意識到，至少一些MEMS諧振器可以被制造成以包括面內振動模式和面外振動模式的至少兩種振動模式操作，從而以單個封裝提供兩個不同的頻率，這可以用于不同目的。

在一些應用中，提供兩個頻率的這樣的雙模式MEMS諧振器可以代替各自提供不同頻率的兩個諧振器，同時比兩個諧振器消耗更少的電力，因此導致電力和/或空間的經濟性。

這樣的雙模式MEMS諧振器裝置可以用要被控制的電路來適應性調整，以選擇性地輸出第一頻率、第二頻率，或者同時輸出第一頻率和第二頻率。

此外，可以想到的是，這樣的雙模式MEMS諧振器可以連接至如下電路：該電路允許在無需外部溫度傳感器的情況下基于兩個同時輸出的頻率來確定雙模式MEMS諧振器的溫度，從而導致電力的經濟性，并且該電路在某些情況下更準確。