专利名称：谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种谐振器结构，具体设计MEMS(微机械系统)谐振器。由于这种结构 相比于石英而言成本低，尺寸小，所以可以用于替代石英谐振器作为许多应用的频率基准。 此外，由于MEMS谐振器典型地由硅形成，所以可以容易地将MEMS谐振器与其他控制电路集 成在一个封装内。
背景技术：
如本领域公知的，微机械系统是由配置在例如硅基底等基底上的小组件形成的。
MEMS谐振器包括由一个或多个支撑体支撑的梁(或弹簧)结构，支撑体与基底连 接，或者与基底形成为整体。MEMS谐振器可以用作例如一部分时钟或信号滤波电路。
MEMS谐振器的问题在于，谐振器的振荡频率随着环境温度、以及随着用于形成该 谐振器的材料和工艺而改变。
谐振频率的温度依赖性的主要原因是弹性(杨氏)模数的温度系数。通常，形成 MEMS谐振器的材料具有该材料的弹性模数的负温度系数。这意味着，谐振器的弹簧常数在 高温时会减小，进而导致振荡频率降低。
尝试校正振荡频率的温度依赖性的已知技术可以分成有源或无源温度补偿技术。
已知的有源温度补偿技术包括在偏置电压校正之前的温度测量、锁相环(PPL)控 制反馈、以及将谐振器弹簧加热到预定温度。这种有源温度补偿技术的问题在于，这种技术 遭受较大的功率耗散。此外，在锁相环控制反馈的情况下，产生不可接受的相位噪声。
已知的无源补偿技术包括将一个或多个涂覆层沉积到MEMS谐振器的梁上。这一 个或多个层中的每一层具有的相应弹性模数的温度系数不同于梁的温度系数。如通常情况 下，当梁是由具有弹性模数的负温度系数的材料形成时，选择沉积或涂覆到梁上的一种或 多种材料，每一种材料均具有相应弹性模数的正温度系数。这意味着可以通过这一种或多 种材料的收缩或膨胀来补偿梁的任何膨胀或收缩。
国际专利申请No. WO 2004/095696描述了一种弯曲谐振器梁，其中使用不同材料 来补偿热膨胀系数。WO 2004/095696中公开的谐振器依赖于张力，以补偿谐振频率的温度 依赖性。
这些已知无源技术的问题在于，对用于在梁上涂覆一种或多种材料的例如沉积和 氧化等形成工艺的控制不足够好，还不足以获得所需的涂覆厚度的精确度。此外，弹簧常数 对于梁的宽度极端敏感，这也使得获得精确度非常困难。发明内容
根据本发明第一方面，提出了一种谐振器，具有有效弹簧常数，并包括适合沿振荡 方向谐振的梁，所述梁具有梁弹簧常数，所述梁与所述振荡方向成非零角度(Θ)而延伸， 其中所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成，每一种材料具有热膨胀系 数(CTE)，每一种材料的CTE连同所述谐振器的预定几何结构一起引起θ随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本 上保持恒定。
利用本发明，谐振器的有效弹簧常数在该谐振器的工作温度范围内基本上保持恒 定。谐振器的谐振频率取决于当向振荡器(梁)施加特定力或由振荡器(梁)施加特定力 时该振荡器(梁)拉伸的程度(参见如下等式2)。
振荡器拉伸的程度直接取决于振荡器的弹簧常数。进而，振荡器的谐振频率是振 荡器拉伸的程度的函数。这意味着在谐振器的谐振频率与谐振器的弹簧常数之间存在关 系。具体而言，谐振频率(F)与谐振器的弹簧常数(k)除以谐振器质量(m)之后的平方根 成比例(F V (k/m)。由此，通过确保谐振器的有效弹簧常数基本上保持恒定，谐振器的谐 振频率基本上与谐振器的工作温度内的温度无关。
利用本发明，通过由具有热膨胀系数的一种或多种材料形成谐振器的梁或其他组 件，来补偿形成谐振器梁的材料的弹簧常数(以及由此弹性模数)的温度依赖性，所述热膨 胀系数引起谐振器的几何结构随着温度以一定程度发生改变，以基本上补偿k随温度的改 变，使得谐振器频率基本上与温度无关。
本发明的实现不需要向梁涂覆杨氏模数的温度系数的符号与形成梁的材料的温 度系数相反的材料层，或者不需要向梁引入静应变。
本发明基于发明人的认识在谐振器整体上沿着振荡方向的有效弹簧常数与梁的 弹簧常数之间存在直接相关性。
谐振器可以包括微机械谐振器，其中，谐振器的至少部分(例如梁)由硅形成。通 过至少部分地由硅形成谐振器，可以例如使用CMOS制造技术将谐振器结合到集成电路中。
在这种实施例中，谐振器的一部分可以由硅基底形成。具体而言，谐振器的一部分 可以一体地形成在硅基底中。
谐振器还可以包括用于支撑梁的支撑体。谐振器还可以包括在梁下面限定的空 腔。该空腔使梁在谐振时能够弯曲和伸展到空腔中。谐振器的支撑体和空腔使得在谐振模 式中梁能够自由地弯曲和伸展。
根据本发明的谐振器可以包括多于一个梁。在这种实施例中，补偿每个梁的弹簧 常数，使得谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒定。
根据本发明实施例的谐振器可以包括多于一个支撑体。该谐振器也可以包括多于一个空腔。
谐振器还可以包括附着到梁或与梁一体形成的团块(mass)。谐振器可以包括多于 一个团块。
支撑体与梁的明显区别在于，支撑体进行支撑，这是因为支撑体不会响应于团块 的任何振动运动而发生运动。
术语“下方(below) ”不是要隐含表示谐振器的任何特定取向。
根据本发明第二方面，提供了一种用于调谐谐振器的方法，该谐振器具有有效弹 簧常数，并包括适合沿振荡方向谐振的梁，所述梁具有梁弹簧常数，所述梁与所述振荡方向 成非零角度(Θ)而延伸，其中所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成， 每一种材料具有热膨胀系数(CTE)，每一种材料的CTE连同所述谐振器的预定几何结构一 起引起θ随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性；所述方法包括步骤改变谐振器的几何结构，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒定。
该方法可以包括步骤由硅基底形成谐振器。
该谐振器可以包括用于支撑梁的一个或多个支撑体，改变谐振器的几何结构的步 骤可以包括调整支撑体的尺寸，例如支撑体的横向尺寸。
梁相对于振荡方向的角度θ的幅度取决于谐振器的几何结构、以及用于制造谐 振器的一种或多种材料。θ的幅度可以落在范围10°到60°内，优选地在范围10°到45° 内，更优选地在范围10°到30°内。在本发明的一个实施例中，梁和支撑体两者都是由纯 硅形成的。支撑体可以具有任意特定长度，但是在一个实施例中，支撑体长度可以是梁长度 的10倍，θ可以实质上是。
在本发明的另一实施例中，支撑体由硅化镍Ni3Si形成，并且其长度是梁长度的10 倍，并且θ实质上是60°。
对于简单的弹簧-团块谐振器几何机构而言，沿振荡方向(ζ方向)谐振器的有效 弹簧常数由符号kz表示，梁的弹簧常数由kB表示。
对于自由-自由梁(free-freebeam), kz = kB sin2 θ。 (等式 1)
该关系假设相比于梁的线性膨胀或收缩引起的力，扭振力(torsional force)是 可忽略的。
因为通过由具有适当热膨胀系数(CTE)的一种或多种材料来形成谐振器，梁的弹 簧常数随温度而变化，因此可以调谐由工作温度的改变引起的梁的尺寸的改变，使得有效 弹簧常数1^在该温度范围内保持恒定。换言之，通过选择适当的几何机构和适当材料，可以 调谐由于温度改变引起的梁尺寸的改变，从而由梁的膨胀或收缩引起的θ的改变补偿了 特定组件的弹簧常数的改变，使得谐振器整体上的有效弹簧常数在温度改变时保持恒定。
因此，利用本发明，可以实现在特定温度范围内谐振器的基本上恒定的有效弹簧 常数，而不必向谐振器的梁引入应变(strain)来调整弹簧常数。
下面参照附图，仅作为示例来描述本发明，附图中
图1是根据本发明的微机械谐振器的示意平面图2是示出了图1皆振器的梁相对于振荡方向的、保持温度无关的弹簧常数1^而 所需的角度(Θ)幅度的曲线图，该角度(Θ)幅度根据弹性模数的温度系数与CTCb之比， 并且忽略了其他膨胀效应；
图3示出了保持温度无关的弹簧常数kz而所需的角度(Θ)幅度的曲线图，该角 度(θ )幅度根据弹性模数的温度系数与CTCs之比，并且忽略了其他膨胀效应；
图4示出了保持温度无关的弹簧常数kz而所需的角度(Θ)幅度的曲线图，该角 度(θ )幅度根据弹性模数的温度系数与CTEw之比，并且忽略了其他膨胀效应；
图5是根据本发明的谐振器的第二实施例的示意平面图；以及
图6是图5谐振器的横截面图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明实施例的MEMS谐振器由附图标记2指示。在该本发明实施5括四个梁4。第一对梁如形成第一弹簧6a，第二对梁4b形成第二弹簧6b。 梁如、仙由支撑体8支撑。谐振器还包括附着到一个或多个梁或者与一个或多个梁一体形 成的团块(mass) 12。
谐振器还包括空腔10 (图1未示出)以及团块12。
在本发明其他实施例中，可以有不同数目的梁。在下面记载的描述中，具体考虑梁 4中的仅一个梁。
团块12仅附着至梁4，否则是独立的。
按照已知方式，通过蚀刻基底，使得梁和弹簧悬在基底之上并且由支撑梁8支撑 在空腔之上，来由例如单晶硅、与Si结合的二氧化硅等合适的材料形成谐振器。
从图1可以看出，每个梁4被放置为与箭头ζ指示的振荡方向成角度θ。
在示出的实施例中，用于形成谐振器2的组件的材料各自具有弹性模数的负温度 系数。这意味着温度越高，特定组件的弹簧常数降低，导致振荡的谐振频率降低。
振荡器的弹簧常数(k)确定在向振荡器或由振荡器施加特定力(F)时谐振器拉伸 的程度，由如下等式给出
F = -kx(虎克定律) (等式2)
从等式1可以看出，如果谐振器的尺寸和几何结构为，使得梁的膨胀引起θ改变 到一定程度，从而θ的改变补偿弹簧常数随温度的改变，则谐振器的有效弹簧常数在给定 温度范围上保持恒定。这将得到谐振器2的谐振频率相对于温度基本上保持恒定。
有效弹簧常数kz的温度依赖性由如下等式3定义
丛=jlk(sin2a)+ kBd(sin2a)(等式 3) dT dT dT
当θ的增大抵消了、的减小时，^等于0。进而这意味着dT
丄~= = L_*V8j (等式)kB dT YdT (sin2d) dT 、寸、‘
其中Y是梁的杨氏模数。
可以从参数W、Ls、Lb、空腔的线性热膨胀系数(CTEw)、支撑体的线性热膨胀系数 (CTEs)和梁的线性热膨胀系数(CTEb)方面，重新表述上述等式的右侧项，得到如下关系
+尝 Ls)[W CTEw -力 ^wv-L概](等式 5) kB dT Lb -(W-L8Ii
其中α B是梁的热膨胀系数，W是空腔的宽度，Ls是梁4的长度，Lb是支撑体8的 长度。此外，CTEw是基底的热膨胀系数，CTEs是支撑体的热膨胀系数，CTEb是梁的热膨胀系 数。
下面考虑三个分离的情况。在每种情况下，与形成谐振器的其他组件相隔离地考 虑根据本发明实施例的谐振器的特定组件。
仅考虑梁热膨胀
在这种情况下，上述等式5中给出的关系可以缩减为αΒ _2_
CTE； “ ( Lb2 )(等式 6)t1-(W^cjJ
其中，CTCb是梁材料的热膨胀系数。图2示出了根据θ的该比率的依赖性。如图 2所示，根据CTCb的比率，示出了保持弹簧常数kz的温度无关性所需的角度θ。
对于由纯硅制成的梁，梁的热膨胀系数是2. 5e_6 deg—1，并且梁的热膨胀系数(^是2e 4 deg 工。
从图2可以看出，在图1所示谐振器中，有必要使θ为10°，以补偿弹性模数的温 度依赖性。
仅考虎支撑体热膨胀
在这种情况下，等式5中给出的关系可以缩减为 _9] (WwLJk-^ (等式 7)
其中，CTCs是支撑体材料的热膨胀系数。如图3所示，针对以梁长度为单位表示的 多种支撑体长度，上述比率的依赖性是依据θ的。此外，如图3所示，针对由纯硅制成的支 撑梁和由Ni3Si制成的支撑梁，示出了比率aB/CTEs。Ni3Si的热膨胀系数是15e_6 K—1。
通过增大支撑梁的长度，可以使用实质上45°的中等的梁角度。此外，可以将例如 金属硅化物等具有较高热膨胀系数的备选材料结合到支撑梁中，以进一步放宽对梁角度θ 的要求。
当支撑梁由纯硅形成，并且支撑梁的长度是梁的长度的实质上10倍时，要求θ为 实质上。
如果支撑梁由Ni3Si形成，并且长度是梁长度的10倍，则由于Ni3Si的CTE较大， 要求θ为60°。
可以通过以受控方式使硅与镍(Ni)反应，来由Ni3Si形成支撑梁。
仅考虑空腔热膨胀
在这种情况下，等式5中给出的关系可以缩减为 [_] ^--lT- (等式8)
其中，CTEw是基底/空腔材料的热膨胀系数。如图4示出了依据θ的上述比率的 依赖性。
空腔膨胀增强而不是抵消了 αΒ。对于由纯硅形成的谐振器，不存在几何结构改 变，从而空腔膨胀完美地抵消了梁和支撑体膨胀的效应。
从图2到4以及上述描述可以看出，为了补偿杨氏模数的任何温度系数，必须相对 于空腔来增强梁或支撑体的CTE。
优选地，由单晶硅形成梁，这是由于这种材料的机械特性。空腔的CTE由基底材 料定义，基底材料通常是单晶硅。这意味着如果调整支撑体的CTE，则可以使用良好控制的 工艺步骤来实现图3所示的补偿效应的实质性调谐，而不会影响关键区域中材料的机械特 性。
在上述三种情况中每一种情况下，分别假设只有梁、或只有支撑体、或只有空腔随 温度膨胀。
如果所有组件以相同速率膨胀，正如所有组件都由纯硅系统形成时的情况一样， 则谐振器的几何结构不会改变，频率完全取决于杨氏模数。
实际上，正是例如支撑体和空腔材料之间的CTE差改变了谐振器的总体几何结 构。
本发明的重要特征在于，即使包括了其他膨胀效应，也可以调谐支撑体的布局和 材料特性，以进行实质上完美的补偿。例如，可以改变支撑体的宽度或长度，以调谐谐振器， 使得谐振器的有效弹簧常数在谐振器的所需工作温度范围内基本上保持恒定。
现在参照图5和6，示出了本发明的第二实施例。谐振器20的一部分对应于上述 图1所示谐振器2的一部分，为了易于参照，给出了对应的附图标记。
谐振器20包括支撑梁6的支撑体80。支撑体80由Ni3Si形成。在其他方面，谐 振器20的配置类似于图1所示谐振器2的配置。图6示出了位于梁6下方的空腔82。
权利要求
1.一种谐振器O)，具有有效弹簧常数00，并包括适合沿振荡方向谐振的梁，所 述梁⑷具有梁弹簧常数(kB)，所述梁⑷与所述振荡方向成非零角度θ而延伸，其中，所 述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成，每一种材料具有热膨胀系数CTE， 每一种材料的CTE连同所述谐振器的预定几何结构一起引起θ随温度而变化，从而补偿梁 弹簧常数的温度依赖性，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒 定。
2.根据权利要求1所述的谐振器O)，包括微机械谐振器，其中梁由硅形成。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器O)，其中，所述谐振器一体地形成在硅基底中。
4.根据前述任一权利要求所述的谐振器O)，还包括支撑所述梁的支撑体(6)；以及 在所述梁下方限定的空腔。
5.根据前述任一权利要求所述的谐振器O)，其中，θ落在范围10°到60°内，优选 是范围10°到45°内，更优选是范围10°到30°内。
6.根据权利要求2所述的谐振器O)，其中，支撑体(6)的长度实质上是梁(4)的长度 的10倍，θ实质上是观°。
7.根据前述任一权利要求所述的谐振器0)，其中，支撑体(6)由硅化镍Ni3Si形成。
8.根据权利要求7所述的谐振器O)，其中，支撑体(6)的长度是梁的长度的10倍。
9.一种用于调谐谐振器O)的方法，该谐振器具有有效弹簧常数(10，并包括适合沿 振荡方向谐振的梁G)，所述梁⑷具有梁弹簧常数(kB)，所述梁⑷与所述振荡方向成非 零角度θ而延伸，其中所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成，每一种 材料具有热膨胀系数CTE，每一种材料的CTE连同所述谐振器的预定几何结构一起引起θ 随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性；所述方法包括步骤改变谐振器的几 何结构，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内实质上保持恒定。
10.根据权利要求9所述的方法，包括步骤由硅基底形成谐振器。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述谐振器包括用于支撑所述梁的支撑 体，以及改变谐振器的几何结构的步骤包括调整支撑体的一个或多个尺寸。
12.根据权利要求11所述的方法，包括步骤由硅化镍Ni3Si形成所述梁。
全文摘要
一种谐振器(2)，具有有效弹簧常数(kz)，并包括适合沿振荡方向谐振的梁(4)，所述梁(4)具有梁弹簧常数(kB)，所述梁(4)与所述振荡方向成非零角度θ而延伸，其中，所述谐振器具有预定几何结构，并由一种或多种材料形成，每一种材料具有热膨胀系数(CTE)，每一种材料的CTE连同所述谐振器的预定几何结构一起引起θ随温度而变化，从而补偿梁弹簧常数的温度依赖性，使得所述谐振器的有效弹簧常数在工作温度范围内基本上保持恒定。
文档编号H03H9/05GK102035494SQ201010293408
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月26日 优先权日2009年9月28日
发明者罗伯特·詹姆斯·帕斯科·兰德 申请人:Nxp股份有限公司