[发明专利]温度补偿梁谐振器

说明书

本发明提供一种微机电谐振器装置，包括支撑结构和制造在(100)或(110)半导体晶片上的谐振器，其中谐振器悬挂在支撑结构上并包括至少一个梁，该梁用n型掺杂剂掺杂到1.1*10²⁰cm^‑3或更高的掺杂浓度，并且能够基于合适的驱动以长度‑延伸、弯曲或扭转谐振模式谐振。具体地，选择梁的掺杂浓度和角度来使所述谐振模式的谐振器的二阶TCF为零或接近零，甚至更优选地使一阶和二阶TCF同时为零或接近零，从而提供温度稳定的谐振器。

技术领域

本发明涉及微机电谐振器。具体地，本发明涉及调节含梁谐振器的频率温度系数(TCF)。

背景技术

广泛使用的石英晶体基谐振器在许多应用中可以被微机械谐振器取代，典型地如硅基谐振器。硅谐振器可以制造得比石英谐振器更小，并且有多种硅谐振器的标准制造方法。然而，硅基谐振器带来的问题是谐振频率的温度漂移较大。该漂移主要是由于硅的杨氏模量的温度依赖性，使得频率温度系数(TCF)约为-30ppm/C。这导致谐振频率因环境温度的变化而波动。

关于TCF，在实践中，两种线性行为(即一阶行为和二阶行为)都是重要的，因为一阶行为表示温度变化时频率的局部变化(理想地为零)，二阶行为描述频率-温度曲线的曲率，表示低漂移温度范围的宽度。如果一阶项为零，则频率漂移仅来自二阶项，存在一定的“拐点温度(turnover temperature)”，在该温度下，TCF达到其绝对最小值。对比于一阶系数TCF₁(线性TCF)，二阶TCF在这里表示为TCF₂。AT切割的石英晶体在25℃下具有接近于零的低TCF₁和TCF₂，在-40℃...+85℃(所谓的工业范围)的宽温度范围内，它们的总频率漂移通常在+-10ppm以内。目前，硅谐振器的温度性能是相当差的。

消除或减轻温度漂移问题的一个有前景的方法是进行大量的硅掺杂。例如在WO2012/110708中已经讨论了浓度大于10¹⁹cm^-3的均匀n型掺杂对体声波(BAW)谐振器行为的影响。该文献讨论了“纯”c₁₁-c₁₂模式(c₁₁，c₁₂和c₄₄为硅的杨式模量的弹性参数)的TCF₁很好地保持为大于零，因此频率仍然非常依赖于温度。然而，其他BAW谐振模式，例如方形延伸(SE)或宽度延伸(WE)模式，对弹性系数c₁₁，c₁₂(和c₄₄)具有依赖性，可以通过正确选择它们在平面内的几何纵横比使线性TCF为零。

关于梁谐振器，例如WO 2012/110708教导了如果n掺杂剂浓度在1.6*10¹⁹和5*10¹⁹cm^-3之间，并且旋转角度在(100)或(110)平面中偏离[100]晶体方向为0和25度之间，则延伸和弯曲模式的梁谐振器的一阶TCF最小。因此，在没有频率温度漂移的这些范围内存在单个温度点。然而，该文献没有教导如何实现更宽的稳定操作温度范围，即如何最小化二阶TCF。Jaakkola et al,“Determination of Doping and Temperature Dependent ElasticConstants of Degenerately Doped Silicon from MEMS Resonators”,IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control Vol.61 No.7,pp1063-1074,July 2014也提出并通过实验表明，至少拉梅(Lame)板谐振器和长度-延伸梁谐振器可以在n掺杂水平大于2*10¹⁹cm^-3时有效地进行一阶温度补偿。