[发明专利]微机械装置及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机械装置、尤其是谐振器的温度补偿。根据本发明的装置和方法包括独立权利要求的前序部分的特征。

背景技术

广泛使用的基于石英晶体的谐振器在很多应用中有可能由微机械的典型地为硅基的谐振器来取代。可以将硅谐振器制造成小于石英谐振器，并且对于硅谐振器而言有多种标准的制造方法。然而，与基于硅的谐振器相关的一个问题是，它们具有高的谐振频率的温度漂移。该漂移主要是由于硅的杨氏模量对温度依赖所引起，这导致大约-30ppm/℃的频率温度系数(TCF)。这导致谐振频率由于环境温度的变化而起伏。由普通的硅所制造的微电子机械系统(MEMS)谐振器在100℃宽的温度范围内具有大约3000ppm的温度漂移。

固有的大的温度漂移阻止了基于硅的谐振器进入石英晶体占主导的振荡器市场。然而，已知可以通过多种方式补偿对温度的依赖。现有技术中的解决方案包括：

－具有温度传感器和相关的电子控制电路的有源补偿，但是尚不能够以低成本的技术来提供适用于大规模生产应用的并且可与石英在质量上竞争的具有足够低的温度漂移的谐振器。另外，温度补偿电路的使用增加了能量消耗，这在电池操作的装置中是尤其显著的劣势。另外，补偿电路会在谐振器电路中增加电子噪音。

－通过以温度绝缘来稳定谐振器的温度和谐振器的受控的加热/冷却来进行的有源补偿。然而，该方案也增加了装置的能量消耗，并且使得装置的制造复杂。温度补偿电路在控制中是缓慢的，并且因此无法足够好地补偿环境温度中的迅速的或大的变化。

－通过在结构中添加展现出符号相反的温度漂移的非晶SiO₂来进行的无源补偿。例如在公开文献“Temperature compensation in silicon-based microelectro-mechanical resonators”,F.Schoen et al(ISBN:978-1-4244-2978-3/09)中和国际专利申请PCT/FI2010/050744中更详细地描述了该技术。然而，SiO₂的补偿导致更复杂的制造工艺和谐振器性能的让步。

－由p型重掺杂、例如硼掺杂进行的无源补偿，其对于特征为c₄₄的剪切模式（例如Lamé模式下）具有强烈补偿，但是在一些其它的模式下具有很少的补偿或完全没有，这限制了其对于非常特殊的模式的适应性和在压电驱动情况中的激发几何形状。尤其是，拉伸模式不能由p型掺杂来很好地补偿。均匀掺杂的p型硅谐振器在100℃的范围上具有大约300ppm的温度漂移。

在同一申请人的尚未公开的芬兰专利申请20105849、20105851和20115151中，以及在此处所引用的参考文献（尤其是A.K.Samarao et al,“Passive TCF Compensation in High Q Silicon Micromechanical Resonators”,IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS2010),2010,pp.116-119），还有在美国专利文献US2010/0127596和US4719383中均讨论了无源补偿方法，。

文献A.K.Samarao et al.,“Intrinsic Temperature Compensation of Highly Resistive High-Q Silicon Microresonators via Charge Carrier Depletion”,Frequency Control Symposium(FCS),2010IEEE International,1-4June2010,pages:334-339公开了包括硼掺杂（p掺杂）的硅谐振器元件的体声波谐振器，用于减少谐振器的温度漂移。硼掺杂（p掺杂）的谐振器元件还包括一层或多层扩散的磷（n掺杂），目的是为谐振器元件创建一个或更多pn结。形成了具有低载流子浓度的耗尽区的pn结具有如下效果，即能够达到-3ppm/℃的局部频率温度系数(TCF)。