[發(fā)明專利]壓電MEMS硅諧振器以及電子設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110477305.1
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113472309B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張孟倫;楊清瑞;宮少波
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州樂儀投資有限公司
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02
• 代理公司: 北京漢智嘉成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11682
• 代理人: 姜勁;谷惠敏

本發(fā)明公開了一種壓電MEMS硅諧振器及電子設(shè)備。該壓電MEMS硅諧振器包括沿著第一方向設(shè)置的懸臂梁，懸臂梁包括沿第二方向堆疊的電極層、壓電層和硅溫補層，其中，第一方向與第二方向互相垂直，硅溫補層采用非均勻摻雜的硅材料。本發(fā)明依據(jù)諧振器在諧振狀態(tài)下的溫度分布、應(yīng)力分布、位移量分布等參數(shù)，在諧振器中硅結(jié)構(gòu)中采用不均勻分布摻雜方案，根據(jù)不同部位的需要設(shè)計相應(yīng)的摻雜濃度，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的溫度補償。另外，通過濃度分布調(diào)節(jié)單晶硅剛度的分布，當(dāng)其剛度分布與應(yīng)力、應(yīng)變或位移場分布達到一定的相互匹配時，諧振器的機電耦合系數(shù)將得到提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及諧振器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電MEMS硅諧振器以及電子設(shè)備。

背景技術(shù)

由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，諧振器的諧振頻率會隨溫度變化發(fā)生漂移。器件的諧振頻率對溫度變化的靈敏程度可以由頻率溫度系數(shù)(TCF，temperature coefficientoffrequency)表示，其涵義為溫度每變化一度諧振頻率的變化量。對于用多層不同材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其等效頻率溫度系數(shù)為每層材料頻率溫度系數(shù)的加權(quán)平均值，可表示為：

其中，λ_n是復(fù)合等效頻率溫度系數(shù)，是第i層材料的n階頻率溫度系數(shù)，E_i，t_i分別是第i層材料的楊氏模量和權(quán)重(如厚度)。因此，可通過調(diào)節(jié)各層材料之間的權(quán)重比以及楊氏模量和各階TCF實現(xiàn)對復(fù)合結(jié)構(gòu)等效TCF的調(diào)節(jié)，使其在一定溫度范圍內(nèi)為零或近似為零，從而提高器件的穩(wěn)定性。

現(xiàn)有技術(shù)中，可以通過調(diào)控各層之間的厚度比例以及選擇單晶硅晶相來調(diào)節(jié)諧振器的TCF。一方面，單晶硅的頻率溫度系數(shù)會隨著摻雜濃度而改變，摻雜類型可以是p型或者n型摻雜，當(dāng)摻雜濃度很高時(例如大于等于10¹⁹cm^-3)，可以左右整個諧振器頻率溫度系數(shù)，甚至使諧振器的頻率溫度系數(shù)由負(fù)變正。另一方面，由于單晶硅在沿不同晶向的楊氏模量和剛度不同，因而也可以通過晶向的選擇來調(diào)節(jié)單晶硅諧振器的頻率溫度系數(shù)。例如，某個諧振器中具有由上電極、AlN壓電層、下電極、硅溫補層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)懸臂梁，AlN的一階頻率溫度系數(shù)約為-30ppm/K，則可調(diào)節(jié)單晶硅的摻雜濃度使整個諧振器的一階頻率溫度系數(shù)接近0ppm/K，同時還可以調(diào)節(jié)各層之間的厚度比例及選擇單晶硅的晶向，從而使TCF等于或接近零，從而達到溫度補償?shù)哪康摹５沁@種方法難以兼顧高階頻率溫度系數(shù)，同時諧振器的品質(zhì)因數(shù)和機電耦合系數(shù)可能因此惡化。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提出一種進行精細(xì)溫度補償?shù)膲弘奙EMS硅諧振器結(jié)構(gòu)，能夠整體提高諧振器的性能和可靠性。

本發(fā)明第一方面提出一種壓電MEMS硅諧振器，器件中的諧振結(jié)構(gòu)包括堆疊設(shè)置的電極層、壓電層和非均勻摻雜的硅溫補層，所述非均勻摻雜的硅溫補層包含至少兩種不同摻雜濃度，和/或，包含至少兩種不同摻雜元素。

可選地，在所述非均勻摻雜的硅溫補層包含至少兩種不同摻雜濃度的情況下，所述壓電層中應(yīng)力分布情況與所述硅溫補層的摻雜濃度分布情況二者之間滿足如下預(yù)設(shè)對應(yīng)規(guī)則：當(dāng)所述諧振結(jié)構(gòu)工作在Lamé拉梅模式，或者當(dāng)所述壓電層的厚度小于所述硅溫補層厚度的情況下，所述壓電層中應(yīng)力分布情況與所述硅溫補層的摻雜濃度分布情況二者呈正相關(guān)；當(dāng)所述諧振結(jié)構(gòu)工作在Lamb蘭姆模式或彎曲模式，或者當(dāng)所述壓電層的厚度大于所述硅溫補層厚度的情況下，所述壓電層中應(yīng)力分布情況與所述硅溫補層的摻雜濃度分布情況二者呈負(fù)相關(guān)。

可選地，所述諧振結(jié)構(gòu)為懸臂梁、固支梁、簡支梁或者振膜。

可選地，所述諧振結(jié)構(gòu)為沿著第一方向延伸的懸臂梁，所述懸臂梁包括沿第二方向堆疊的所述電極層、所述壓電層和所述非均勻摻雜的硅溫補層，其中，所述第一方向與所述第二方向互相垂直。

可選地，所述硅溫補層中，靠近所述懸臂梁的自由端的第一端面位置摻雜濃度最高，靠近所述懸臂梁的固定端的第二端面位置摻雜濃度最低，摻雜濃度沿著所述第一方向漸變。