[发明专利]一种基于键合密封技术的硅振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅振荡器，特别是一种基于键合密封技术的硅振荡器。

背景技术

大部分的电子产品都需要频率信号作为时钟参考，精度高，稳定性好的频率信号时系统能够达到高效能，稳定持续工作的基础。目前可以提供频率信号的振荡器有很多种类型，根据振动器工作原理主要可以划分为电子振荡器、石英晶体振荡器和硅振荡器。

电子振荡器由各种电子元件构成，利用电容、电感或电阻构成自激振荡系统，振荡频率由电子元件的参数决定。电子振荡器能够快速启动，成本也比较低，但其性能受环境条件和电路元件选择的影响，通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。不适合在高精度系统中应用。

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。晶体振荡器具有频率准确，稳定性好，功耗低等优点，但由于石英加工工艺比较复杂，体积较大，不利于降低成本，无法实现灵活配置。

硅振荡器是指通过微机电系统技术制作的一种可编程的振荡器，它是对传统石英晶振产品的一个升级更新换代产品，具有体积小、不受振动影响、不易碎的特点。硅振荡器的温度稳定性也比传统石英晶振更好，受环境温度高低变化的影响很小。另外硅振荡器的输出频率可以通过程序进行设定，可提供不同应用领域的需求。

硅振荡器的难点主要在于其制作工艺和结构设计，振荡器需要工作在高真空环境中，封装后的振荡器体积应尽可能小，振荡器的振荡品质因数应尽量高。SiTime公司提出的硅振荡器制作工艺通过外延生长多晶硅层来实现真空密封，制作出的振荡器工作可靠，性能良好，但该工艺比较复杂，难度较大。

发明内容

为了降低工艺难度，本发明提出一种基于键合密封技术的真空封装硅振荡器结构。

本发明提出的一种基于键合密封技术的硅振荡器，包括顶层硅、结构层硅、氧化层和底层硅。振荡器结构利用结构层硅制作，顶层硅上制作有硅柱结构。制作过程中结构层硅与底层硅通过键合结合在一起，顶层硅与结构层硅也通过键合结合在一起。振荡器结构密封在键合形成的真空腔内。振荡器结构包含两个质量块，每个质量块上包含一组驱动梳齿和两组检测梳齿。驱动和检测梳齿的动齿与质量块相连，定齿与相应电极相连，电极通过硅柱连接到外部焊盘。振荡器结构中的两个质量块结构相同或相似，相对于振荡器结构中心对称。各个质量块结构之间通过至少一个弹性结构相连。振荡器工作时，两个质量块运动方向为同时背离结构中心或者同时朝向结构中心。

附图说明

图1所示是一种硅振荡器的真空封装剖面图；

图2所示是一种硅振荡器的结构示意图。

附图标记说明：

1为顶层硅，2为结构层硅，3为氧化层，4为底层硅，5为结构层电极，6为硅柱结构，7和8为两个金属电极，9为真空腔，10和11为振荡器的两个质量块，12为驱动梳齿，13和14为两组检测梳齿，15为驱动电极，16和17为检测电极，18为弹性结构。

具体实施方式

振荡器制作时主要用到顶层硅1、结构层硅2、氧化层3和底层硅4。振荡器结构利用结构层硅2制作，顶层硅1上制作有硅柱结构6。制作过程中结构层硅2与底层硅4通过键合结合在一起，顶层硅1与结构层硅2也通过键合结合在一起。振荡器结构密封在键合形成的真空腔9内。振荡器结构包含两个质量块10和11，每个质量块上包含一组驱动梳齿12和两组检测梳齿13和14。驱动梳齿12和检测梳齿13、14的动齿与质量块10相连，定齿与相应电极15、16、17相连，电极通过硅柱连接到外部焊盘7、8。振荡器结构中的两个质量块10和11结构相同或相似，相对于振荡器结构中心对称。两个质量块结构之间通过一个弹性结构18相连。振荡器工作时，两个质量块10和11运动方向为同时背离结构中心或者同时朝向结构中心。