[发明专利]MEMS谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS谐振器。

背景技术

MEMS谐振器结构提供了一种针对石英谐振器更具吸引力的备选方案作为许多应用的频率基准，这是因为MEMS谐振器的成本较低成本并且波形因子(form factor)较小。

温度和工艺变化对硅MEMS谐振器的振荡频率的影响超过了许多应用的容限。MEMS谐振器例如用在RF接收机电路的基准振荡器中。硅MEMS谐振器的谐振频率呈现出典型地-30ppm/K的温度漂移。对于一些应用而言，需要显著降低这种漂移。例如，当在GSM基准振荡器中使用MEMS谐振器时，需要在100K温度范围内将漂移降低到+/-20ppm以下，或者甚至+/-10ppm以下。

谐振频率的温度相关性的主要原因是，除了少数材料以外的所有材料都呈现出弹性模量的负温度系数。这导致在较高频率下弹簧常数减小，因此导致频率降低。

已经提出了多种解决方案来校正温度相关性。

主动温度补偿技术涉及通过将谐振器放置在温度控制反馈回路中来使谐振器保持在恒定温度下。在这种情况下，测量谐振器上或谐振器附近的温度。然后通过将谐振器加热到预先设置的温度来使该温度稳定。这种方法受限于用于确定所需校正因子的温度测量的精度。

被动温度补偿技术涉及将谐振器设计为减小频率对温度的相关性。一种方法是将单晶硅与非晶SiO₂相组合，这是因为SiO₂的杨氏模量呈现与硅的温度相关性相反的温度相关性。更一般地，该方法涉及沉积/生长具有弹性模量的正温度系数的层，以减小所产生的误差，但是这些方法对于沉积层的厚度的小变化敏感。

因此，需要一种简单且可容易检测的技术，消除对所有非局部工艺变化(non-local process variation)的敏感性，并且以非常高的精度来确定由于温度变化而引起的校正因子。

US 2007/0247245公开了一种采用多个微机电谐振结构的振荡器系统。在一个实施例中，该振荡器系统被配置为在预定的工作温度范围上提供具有实质上稳定频率的输出信号。

发明内容

根据本发明，提供了一种如权利要求1所述的晶体半导体谐振器器件。

本发明基于以下认识：(对于频率的任何变化是由于非局部工艺波动而引起的情况)两个谐振器的谐振频率的比值与谐振频率的相应温度系数密切相关，其中，这两个谐振器具有不同杨氏模量的不同材料的组成部分并且具有不同的振荡轴(例如，<100>对<110>)。因此，校准阶段期间的单个频率比较可以用于确定两个谐振器的谐振频率的温度相关性。此外，操作阶段期间的单个频率比较可以用于精确确定谐振器频率，从而提供与温度无关的频率基准。这使得无需温度测量来得到温度补偿。

每个谐振器可以包括谐振器质量块部分和与所述谐振器质量块部分相连的拉长(elongate)弹簧部分。可以通过弹簧部分来连接相对的谐振器质量块，以限定有时被称作狗骨(dogbone)配置的结构。

第一谐振器弹簧元件可以与<100>晶体方向对准，第二谐振器弹簧元件可以与<110>晶体方向对准。

第一和第二谐振器并排，并由相同层形成。这意味着工艺变化尽可能小地影响频率的温度相关性。

每个谐振器优选地包括半导体核心(core)和氧化物涂层。氧化物涂层影响频率的温度相关性，可以调整氧化物涂层的厚度，以使频率补偿的精度最优化。每个谐振器优选地包括硅核心和氧化硅涂层。

本发明还提供了一种如权利要求11所述的操作晶体半导体谐振器的方法。

附图说明

现在参照附图详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了在绝缘体上硅晶片上形成谐振器的已知工艺；

图2示出了不同氧化物厚度的谐振频率的线性温度系数和谐振频率；

图3示出了操作期间由温度系数的不确定性(由于几何变化而引起)和温度测量误差而引起的谐振频率不确定性；

图4示出了本发明的器件；

图5示出了具有两个不同取向(orientation)的Si/SiO2 MEMS谐振器的、频率对温度的相关性(frequency dependency upon temperature)；

图6示出了针对器件的第一取向的、频率对氧化物厚度比值的仿真；

图7绘制了针对器件的两个取向的频率平方比值对氧化物厚度比值。