[发明专利]双输出微机电谐振器及其制造和操作方法

说明书

提供了双输出微机电系统(MEMS)谐振器。可以以面内振动模式和面外振动模式选择性地以及同时操作MEMS谐振器，以分别获得具有第一频率的第一电信号和具有比第一频率小的第二频率的第二电信号。将第一电信号和第二电信号混合，以获得具有第三频率的第三电信号，其中第三频率与MEMS谐振器的温度成比例。基于第三频率来确定该温度。可以基于所确定的温度来调整第一频率和第二频率的值，以补偿由于温度偏差引起的频率偏差。还提供了用于确定双输出MEMS的温度、用于补偿频率的方法和系统以及制造双输出MEMS的方法。

技术领域

本技术涉及谐振器装置领域，更具体地涉及可以同时以面内振动模式(in-planemode of vibration)和面外振动模式(out of plane mode of vibration)操作的双输出微机电系统(MEMS)谐振器，以及操作和制造该双输出MEMS谐振器的方法。

背景技术

在过去的一个世纪中，石英晶体振荡器一直是定时和频率基准应用的基础。然而，电子装置的进步以及近来向现代手持装置的范式转移(Paradigm shift)都突出了该技术的局限性。石英制造处理在性能、功耗、鲁棒性、尺寸和互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容性方面施加了物理限制。为了满足现代要求，自2000年代初以来，研究人员一直在以惊人的速度研究替代频率基准。

在该时期期间，微机电系统(MEMS)谐振器已成为有前途的候选。它的技术依赖于已建立以支持电子芯片的微制造的硅基础设施。一般而言，与先前系统相比，这些装置提供了卓越的性能，并在集成度、鲁棒性和尺寸方面设立了新的标准。

然而，实际上，MEMS谐振器受制于由包括温度变化的几种现象引起的频率偏差。

与石英晶体振荡器相比，不幸的是，硅MEMS谐振器不具有降低温度灵敏度的特定的切割(cut)。因此，翻转(turnover)温度不易控制。此外，由于硅的高度负的弹性温度系数(TCE)，因此硅谐振器的谐振频率与温度强相关(负斜率约为-30ppm/℃)。该斜率通常称为频率温度系数(TCF)，并且至今仍是使硅谐振器商业化的最大挑战之一。研究人员已尝试使用不同的技术来应对这一挑战。

这些技术可以分为两大类，这两大类包括无源补偿或有源补偿。无源补偿包括制造复合谐振器(由两种或更多种材料组成)，以及使用超高掺杂来降低温度依赖性。有源补偿方法涉及电子装置的使用。在某些实现方式中，面外电极被放置在受控电压下，以便在MEMS谐振器梁上施加力。梁与电极之间的电势差会产生与位置有关的静电力。这种现象被称为“弹簧软化”，并且可以改变硅梁的谐振频率。面外电极上的电压可以由包括温度传感器的反馈回路控制。

发明内容

已经基于发明人的需要克服常规谐振器的缺点的MEMS谐振器的认识，开发了本技术的实施方式。

其中，发明人已经意识到，向MEMS谐振器添加外部电路以测量温度会消耗更多的电力，占用更多的空间，同时并不总是具有可以用于补偿由于温度引起的频率偏差的准确的温度测量结果。

发明人已经意识到，至少一些MEMS谐振器可以被制造成以包括面内振动模式和面外振动模式的至少两种振动模式操作，从而以单个封装提供两个不同的频率，这可以用于不同目的。

在一些应用中，提供两个频率的这样的双模式MEMS谐振器可以代替各自提供不同频率的两个谐振器，同时比两个谐振器消耗更少的电力，因此导致电力和/或空间的经济性。

这样的双模式MEMS谐振器装置可以用要被控制的电路来适应性调整，以选择性地输出第一频率、第二频率，或者同时输出第一频率和第二频率。

此外，可以想到的是，这样的双模式MEMS谐振器可以连接至如下电路：该电路允许在无需外部温度传感器的情况下基于两个同时输出的频率来确定双模式MEMS谐振器的温度，从而导致电力的经济性，并且该电路在某些情况下更准确。