包括集成微机械音叉谐振器的时基的制作方法

专利名称：包括集成微机械音叉谐振器的时基的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种时基，即一种包括有谐振器和用于驱动此谐振器振荡并响应于此振荡而产生预定频率的信号的集成电子电路的装置。
在从手表及其它时计到复杂的电信装置的范围内的多种电子装置中均需要时基或频率标准。这种时基通常由包括石英谐振器和用于驱动谐振器振荡的电子电路的振荡器形成。可采用另外的除法电路来对振荡器产生的信号进行分频，以便得到较低的频率。电路的其它部分可用于调节频率，例如通过调节分频电路的分频比来进行。电子电路的部件最好通过CMOS技术集成在一个半导体衬底上。不直接涉及频率处理的其它功能部件可集成在同一衬底上。
石英谐振器的优点在于它们具有高品质因数Q，通过它可得到良好的频率稳定性、较低的功耗以及良好的温度稳定性。然而，采用石英谐振器的典型时基的一个缺点在于，它需要两个部件、即石英谐振器和集成电子电路来提供高精度的频率。分立石英谐振器需要板上的空间，这种空间在许多情况下是比较缺乏的。例如，用于手表应用的标准石英谐振器需要2×2×6mm3左右的空间。而且，装配和连接这两个部件会带来附加的成本。然而，空间和装配成本是主要的问题，在不断扩展的便携式电子装置的领域中尤其如此。
因此，本发明的一个主要目的是通过提供一种包括有集成谐振器的时基来提供上述问题的解决方案。
本发明的另一目的是提供一种时基，它可完全地集成在一个衬底上，适于大批量生产并与CMOS技术兼容。
本发明的另外一个目的是提供一种时基，它包括具有提高的品质因数Q并因而具有较高的频率稳定性和较低功耗的谐振器。
本发明的另外一个目的是提供这样一种廉价的时基，它只需占用半导体芯片上的非常小的表面积。
因此，本发明提供了一种包括有谐振器和用于驱动所述谐振器振荡并响应于所述振荡而产生预定频率的信号的集成电子电路的时基，其特征在于，所述谐振器为支撑于衬底之上的集成微机械音叉谐振器，其可根据第一振荡模式在基本上平行于所述衬底的平面内振荡，所述音叉谐振器包括从所述衬底中基本上垂直地延伸出来的基体件、与所述基体件相连并包括处于所述平面内的至少第一对基本上平行的叉齿的独立振荡结构，以及设置在所述叉齿的附近并与所述集成电子电路相连的电极结构。
根据本发明的时基的一个优点在于，微机械音叉谐振器具有较高的品质因数Q。已经测量到品质因数高达50′000，它与采用传统的石英谐振器所得到的品质因数大致相同。
品质因数Q取决于空气阻力和谐振器振动材料的固有损耗。如果谐振器在真空条件下操作，那么空气阻力可忽略不计。固有损耗取决于谐振器的材料和设计。已经知道，由晶体材料如石英或硅制成的谐振器具有很高Q的振荡。另外，夹紧部分即谐振器部分的机械支撑显著地影响动态特性。根据本发明，音叉谐振器以这样的方式设计和驱动，其使得整个结构的重心在振荡期间保持不动，而且叉齿的弯矩可在基体件的较小区域内得到补偿。
从属权利要求的目的为实现有利于高品质因数Q的不同设计特征，它们将在下文得到详细描述。
另外，对于给定的谐振频率来说，与其它的谐振器相比，在衬底上形成音叉谐振器所需的表面积较小。例如，设计用于32kHz频率的根据本发明的音叉谐振器需要约0.2mm2的芯片面积，这比在本申请人于2000年11月1日提交的未决国际专利申请No.PCT/CH00/00583中所描述的硅环谐振器所需的芯片面积更小。
根据本发明的一个方面，电子电路最好与微机械音叉谐振器一起集成在衬底上，因此可得到廉价的时基。较低的价格还可通过在采用晶片粘结技术的批量生产中对晶片级谐振器进行真空密封来得到。
已经提出了作为谐振结构的音叉结构，其可用于不同类型的传感器应用，例如加速度、旋转或应变传感器。然而，这些传感器结构未根据与本发明相同的以高品质因数为主要目标的准则来进行优化，以便得到高精度的时基。
例如，授予Yoshino等人的美国专利No.5747691描述了一种由单晶硅衬底制成的音叉形振动元件。音叉的齿具有薄区域和厚区域，以便在施加外力时允许臂在垂直于振荡的方向上产生弯曲。此谐振元件已就传感器应用进行了优化。
授予Fitzpatrick等人的英国专利No.2300047描述了一种用于提供三维运动检测的音叉传感器的组件。
另外，在例如Jensen等人的WO91/03716、Greenwood等人的GB2162314、Norling等人的US4912990的文献或Beeby等人在Journalof Microelectromechanical Systems，第9卷，No.1(2000)，第104页及以下上发表的文章中描述了一种形式为双头音叉的微切削加工出的硅谐振应变仪。
然而，在上述文献中并未指出或建议在振荡器电路中采用这种类型的音叉谐振器来用作频率标准或时基。而且，在这些文献中公开的音叉谐振器的许多设计特征使得它们无法适用于频率稳定性和低功耗均很重要的钟表应用中。
本发明人已经描述过了非均匀蚀刻的振荡音叉结构。然而，结构的非均匀蚀刻不可避免会产生不同长度的叉齿，这又会导致这种音叉谐振器的品质因数降低。在题目均为“采用再氧化工艺的凸角结构在由(110)硅制成的音叉谐振器中的应用”的M.Giousouf等人于Proc.of Eurosensors XII，Vol.1(1998)，pp.381-384中的文章或M.Giousouf等人在Sensors and Actuators 76(1999)，pp.416-424中的文章中详细地讨论了这种非均匀蚀刻的音叉谐振器的制造方法和缺点。本领域的技术人员可以容易地理解，这种类型的谐振结构尤其不适于形成高精度的时基。已经在真空中在这种结构上测量到了1000左右的Q因数，对于作为频率标准的应用来说它太小了。
根据本发明的音叉谐振器被优化以产生具有高品质因数Q和低功耗的振荡，并只需占用芯片上非常小的表面积。谐振器可在低至1V的电压下驱动，这使得可在便携式电子装置中采用电池作为电源。此外，本发明的设计特征可促进这种谐振器的大批量生产，这是因为相对技术性的加工偏差来说其加工允差增大。
根据本发明的另一方面，可在衬底上集成温度测量电路，以便补偿温度对时基所产生的信号频率的影响。谐振器的温度相关性的这种补偿可以轻易地实现，这是因为本发明的音叉谐振器具有表现出基本上线性的温度特性的优点。
根据本发明的另一方面，可在同一衬底上形成第二微机械音叉谐振器，以便允许进行温度补偿。根据本发明的另一方面，温度补偿也可采用单一微机械音叉谐振器来实现，它能同时以具有不同谐振频率的两个振荡模式工作。
在阅读了参考附图进行的非限制性示例和实施例的下述详细描述后，可以清楚本发明的其它方面、特征和优点，附图中

图1是示意性地显示根据本发明的包括有微机械音叉谐振器和集成电子电路的时基的顶视图；图2是包括有通过硅表面微切削加工技术实现的微机械音叉谐振器的图1所示时基的第一实施例的顶视图；图2a和2b分别为图2所示实施例沿线A-A′和B-B′截取的两个剖视图3是包括采用带有埋入式氧化层的衬底、如硅绝缘体(SOI)衬底制出的微机械音叉谐振器的图1所示时基的第二实施例的顶视图；图3a和3b分别为图3所示实施例沿线A-A′和B-B′截取的两个剖视图；图4是包括采用带有埋入式氧化层的衬底并通过在衬底背侧上进行蚀刻以分离叉齿而制出的微机械音叉谐振器的图1所示时基的第三实施例的顶视图；图4a和4b分别为图4所示实施例沿线A-A′和B-B′截取的两个剖视图；图5a和5b分别显示第一和第二平面内振荡模式，其中叉齿分别以非对称或“同相”方式和对称或“反相”方式振荡；图6a和6b是显示梳形电极结构设计的例子的两个局部顶视图；图7是说明施加在电极上的电压和叉齿上所得的静电力之间的关系的简图；图8a到8c显示用于防止音叉齿粘附在电极结构上的三种不同设计的局部顶视图；图9显示图2所示的第一实施例的改进；图9a是图9所示实施例沿线A-A′截取的剖视图；图10显示具有开口的谐振器的叉齿的一部分；图11显示共用同一基体件并设计成呈现两个不同谐振频率的两个音叉谐振器；图12是显示振荡的第二模式的顶视图，其中叉齿在与衬底平面正交的相反方向上进行垂直振荡；以及图12a和12b分别为图12的沿线A-A′和B-B′截取的两个剖视图。
图中的尺寸并未按比例绘制。
图1示意性地显示根据本发明的时基的顶视图。图中显示概括地由标号1表示的集成时基，其包括谐振器4和用于驱动谐振器振荡并响应于此振荡而产生预定频率的信号的集成电子电路3。由于本领域的技术人员可容易地设计出集成电子电路3，因此这个电路并未详细地示出。集成电子电路3和谐振器4最好在同一衬底上实现和集成，此衬底概括地由标号2表示，如图1所示。优选的衬底材料为硅，然而也可采用本领域的技术人员已知的同样适用于实现本发明的时基的其它类似材料。
根据本发明，谐振器4实现为单片微机械音叉谐振器的形式。谐振器4支撑于衬底2之上，并可在平行于衬底2的平面内振荡。音叉谐振器4基本上包括从衬底2上垂直延伸出的基体件5和独立的振荡结构，振荡结构整体上由标号6表示，其与基体件5相连并包括一对基本上平行的叉齿7，8，叉齿7，8设置成与衬底2平行。应当注意的是，音叉谐振器4和衬底2之间的唯一机械连接是音叉基体件5，这就导致了能得到可独立移动的叉齿7，8。
音叉谐振器4还包括用于驱动谐振器4振荡并检测此振荡的电极结构9，这将在下文中更详细地介绍。
根据本发明的一个优选实施例，在叉齿7，8上分别设置了梳形结构71，81。这些梳形结构71，81形成了音叉谐振器的电极结构9的一部分，并均包括从各叉齿7，8的侧面基本上垂直延伸出的第一电极件72，82。在图1中，这些电极件72，82设置在叉齿7，8的外部，即远离存在于叉齿之间的间隙。或者，梳形结构可设置在叉齿7，8的内部。这种选择需要在叉齿之间存在更宽的间隙，以便在其间容纳一个或两个电极(叉齿7和8相互邻接)。然而，较宽的间隙减小了齿之间的连接，并降低了所需反相振荡的品质因数Q(图5b)。
在图1的例子中，电极结构9还包括分别由标号91和92表示的第一和第二梳形电极结构，它们设置在衬底2上并与叉齿7，8相邻，从而与梳形结构71，81啮合。更准确地说，第一梳形电极结构91包括第二电极件93并与梳形结构71啮合，使得第一电极件72与第二电极件93相邻，第二梳形电极结构92包括第二电极件94并与梳形结构81啮合，使得第一电极件82与第二电极件94相邻。
可以理解，设置在叉齿7，8和电极结构91，92上的梳形结构并不是绝对必要的。然而，使用相啮合的梳形结构是特别有利的，这是因为可在低功耗下得到高相移。此外，如果使用这种梳形结构的话，则谐振频率对所施加电压的依赖性极大地减小。
根据第一变型，第一梳形电极结构91用于静电式地驱动音叉谐振器4振荡，设置在音叉谐振器4另一侧上的第二梳形电极结构92用于电容式地检测谐振器的振荡。因此，导体11，12，13分别用于将第一梳形电极结构91、第二梳形电极结构92和音叉4经其基体件5与集成电子电路3相连，集成电子电路3包括可驱动音叉共振的振荡器电路(未示出)。所得的非常稳定的频率信号还可由集成电路3来处理，例如通过在分频器中对所得信号进行分频以得到较低的频率信号。
应当提出的是，虽然只有一个电极结构即电极结构91用作驱动电极，然而由于在一个叉齿内引发的振荡会经基体件5传送到另一叉齿上，因此两个叉齿均将被驱动振荡。
还应当注意的是，谐振器主要具有两种基本的平面内振荡模式。第一振荡模式为两个叉齿的非对称振荡，其中两个齿在相同方向上振荡。第二振荡模式是叉齿的对称振荡，其中两个齿在相反方向上振荡。这两种平面内振荡模式示意性地显示在图5a和5b中，其中为说明起见而放大了振荡的幅度。可以理解，可描述为“反相”振荡模式的第二振荡模式优于第一振荡模式，因为根据此第二振荡模式，谐振结构的重心基本上保持不动。与第二振荡模式相反，非对称振荡将导致更高的能量耗散，因此会导致更高的振荡阻尼。
根据另一变型，第一和第二梳形电极结构91和92连接在一起并均周作驱动电极。因此，最好激励出如图5b所示的叉齿7，8的反相振荡。在这种情况下，谐振器的振荡检测最好通过测量阻抗并检测共振处的阻抗偏移来完成。
谐振器结构可通过许多不同的技术工艺来得到。可以使用硅表面微切削加工以及表面和体积微切削加工的组合。图2，3和4显示根据三种不同的微切削加工技术得到的三种谐振结构的非限制性的例子。也可使用本领域的技术人员已知的同样适用于实现本发明的音叉谐振器的其它技术。图2a，3a，4a及2b，3b，4b是图2，3和4所示谐振器分别沿线A-A′和B-B′截取的剖视图。
图2示意性地显示位于适当的衬底2上方的由表面微切削加工技术制出的音叉谐振器4，此衬底最好为硅晶片。根据此第一技术，在所谓的牺牲层如氧化硅之上沉积多晶硅层。在形成了此多晶硅层的结构后，部分地去除牺牲层，以便分离出叉齿并形成谐振器的结构。
更详细地参考图2，2a和2b所示的例子，例如在半导体衬底2上沉积第一绝缘氧化层20。在第一氧化层20之上沉积导电材料如多晶硅的第一层30。在形成结构后，此层30形成了分别通向第一电极结构91、第二电极结构92和基体件5的导体11，12和13，如图所示。或者，导体11，12和13可以是衬底内或衬底上的掺杂区域或金属化区域。然后在第一氧化层20和结构层30之上沉积另一氧化层22。对此第二氧化层22进行选择性蚀刻，从而在第二氧化层22中提供开口以允许与导电材料的下方层30电接触。然后，在第二(牺牲)氧化层22之上和在蚀刻于氧化层22中的连接开口内沉积导电材料如多晶硅的第二层32。
最后，对导电材料的第二层32进行图案成形和蚀刻，以形成谐振器4的结构，即基体件5、叉齿7，8以及电极结构91和92。在形成层32的结构后，部分地去除牺牲层2 2以分离出叉齿7，8。应当理解的是，层22也应在基体件5和电极结构91，91之下至少部分地被去除，如图2a和2b所示。然而，基体件5和电极结构91，92仍被氧化层22的未蚀刻部分22a以及将谐振器4和电极结构91，92与下方导体11，12，13相连的导体材料32a所支撑。
图3示意性地显示通过另一稍有不同的技术制出的音叉谐振器4，这种技术采用了在例如所谓的硅绝缘体(SOI)衬底中的埋入式氧化层。在形成上方硅层的结构后，部分地去除氧化层以分离出叉齿。
更详细地参考图3，3a和3b，形成由标号35表示的上方硅层的结构，从而形成谐振器4以及电极结构91和92。作为选择，导体11，12和13也可形成于层35中。在形成上方硅层35的结构后，对在硅层35的蚀刻后已经暴露出来的下方绝缘层2 5进行蚀刻，从而分离出叉齿7，8。如示意图所示，基体件5和电极结构91，92(以及导体11，12，13)必须设计成具有大于叉齿7，8的表面积，以使绝缘层25的一部分在蚀刻工序之后保留下来并仍支撑上方硅层35，如图3a和3b的剖视图所示。
图4示意性地显示通过第三技术制出的音叉谐振器4，此技术也使用了例如SOI衬底中的埋入式氧化层。这里，在形成上方硅层的结构后，对衬底的背侧进行蚀刻，从而形成敞开的窗口以允许分离出叉齿。
更详细地参考图4，4a和4b，上方硅层35的结构使得可形成谐振器4以及电极结构91和92。此工序与根据图3所示的第二技术所实现的工序类似。然而，之后例如采用化学蚀刻剂如KOH或TMAH在衬底2的背侧上蚀刻出窗口27。然后在绝缘层25中蚀刻出开口26，因而可分离出叉齿7和8。这样做的优点在于，叉齿不会粘附在衬底上(这使得可制造出用于更低频率的较长的齿)，然而缺点在于需要密封衬底两侧(顶部和底部)上的谐振腔，以便在真空条件下操作谐振器。
在芯片级上真空密封谐振结构可通过批量处理技术来完成，例如本领域的技术人员所众所周知的阳极粘合或硅-硅粘合。
在所有上述制造技术中，可以理解，可设置另外的工序以形成其它的导电或非导电层。另外，关于图3和4的谐振结构，可以理解，硅层35中的导体11，12，13可由与此结构的各部分相连的附加导电层或者与这些部分直接粘合的导线来代替。
如上所述，谐振器的齿最好设置为梳形结构，其与电极的梳形结构相啮合。图6a显示根据设计的第一变型的谐振器的叉齿7的自由端7a的详细局部视图。在这里，第一叉齿7和电极结构91的第一和第二电极件72，93(以及图6a未示出的电极件82，94)分别具有圆弧的形状。它们的半径选择成可在一个完整振荡周期内跟随叉齿弯曲线上的一个固定点的运动，因此，它们的半径是它们在叉齿7(或8)或在电极结构91(或92)上的位置的函数。
图6b显示梳形结构设计的另一变型的详细局部视图，其中相邻电极件之间的距离沿着叉齿长度变化。更准确地说，相邻电极件之间的距离在叉齿的自由端处缩短。相邻电极件之间的较短距离使得电容耦合产生局部增大，因此在齿的相应部分上产生了更大的静电力。通过这样设计梳形结构，就可有助于产生图5b所示的优选的基本上对称的平面内振荡模式，并避免音叉在第一谐波处的振荡。在另一变型(未示出)中，电极件的长度可沿叉齿长度而变化，从而激励所需的振荡模式。如上所述，根据操作的第一变型，图1所示实施例中的梳形电极结构91用于静电式地驱动音叉谐振器产生振荡，相对的梳形电极结构92用于电容式地检测此机械振荡。在电极结构91上施加交流电压信号，导致在第一叉齿7上产生静电力，从而产生振荡，此振荡被传送给另一齿8。当谐振器工作时，第二叉齿8的这种振荡又在相对的那一组电极结构92上引发交流信号。可以理解，电极结构91和92能完全地互换。
根据用于驱动谐振器振荡的静电驱动原理，在施加于电极上的电压和音叉齿上的所得力之间存在着抛物线关系。因此，希望在交流电压上增加一个稳定的直流电压，以便得到基本上线性的力-电压关系。图7示意性地显示这种抛物线关系和通过在交流电压Uac上增加一个稳定的直流电压Udc而得到的线性的力-电压关系，其中Uac的幅度比Udc小得多。
在图1的示意图中，显示分别与音叉的第一电极结构91、第二电极结构92和基体件5相连的三条信号线或导体11到13。
根据第一变型，导体13可用于通过基体件5对音叉谐振器施加直流电压分量，同时通过导体11对第一电极结构91施加交流电压分量，导体12用于检测在第二电极结构92上引发的所得信号。根据第二变型，交流驱动电压和直流电压分量可通过导体11而叠加在第一电极结构91上，而音叉谐振器通过导体13连接在一个固定电位如零位上。在这种情况下，导体12用于检测信号。同样可以理解，电极结构91和92可互换，第二电极结构92可用于驱动谐振器振荡，而第一电极结构91用于检测。
或者，电极结构9可只用于驱动，而检测可通过检测谐振时的阻抗变化来完成。例如，电极结构91和92可连接在一起，或者，甚至只采用一个电极结构来驱动谐振器振荡。根据第一变型，在这组电极结构上施加交流驱动电压，在音叉上施加直流电压分量。根据另一变型，可在这组电极结构上施加交流和直流驱动电压之和，在这种情况下的音叉连接在一个固定电位如零位上。
对本领域的技术人员来说很明显，可采用许多其它的电极配置来驱动谐振器振荡，并最终检测所得的运动。因此，图1所示的设置不应当被视为限制了本发明。例如，可增大叉齿之间的间隙以在其中容纳一个电极结构，此电极结构可用作驱动电极结构或检测电极结构。
图8a到8c显示用于防止谐振器叉齿在发生冲击时粘附在电极上的三个不同的有利设计特征。根据图8a所示的第一变型，电极件72中的至少一个72*(对电极件82来说相同)可制成比其它的电极件更长，因此减少了在梳形结构71和梳形电极结构91(或者81和93)相互间机械接触时所产生的粘附力。显然，当电极件93(或者对于第二叉齿来说电极件94)中的一个比其它的电极件更长时，可以得到相同的效果。
或者，如图8b所示，电极件72的末端72a和/或电极件93的末端93a可设计成具有尖锐形状，或至少设计为具有适当小的表面积以防止叉齿的粘附。显然，对于第二叉齿8和第二电极结构92来说也是如此。
最后，如图8c中的变型所示，在叉齿7的自由端7a处设置了位于衬底2上的止动结构28，此自由端7a设有可与止动结构28协同操作的延伸部分78。此止动结构28设计成可限制叉齿7的角运动，并因此能在例如因机械冲击而产生过大的角运动时防止其粘附在电极结构91上。同样，对于第二叉齿8来说显然也是如此。
所有上述特征可以适当的方式组合在一起，以便得到有效的防粘附结构。
图9和9a显示图2，2a和2b所示的微机械音叉谐振器4的改进。图9a显示图9沿线A-A′截取的剖视图。在衬底2的表面上(或衬底2的表面下，在这种情况下是第一氧化层20之上)的至少一部分独立的振荡结构6即叉齿7和8的下方设置导电图案31，此导电图案31的形状是衬底2表面上的独立振荡结构6的延伸部分。此导电图案31可在导电材料的第一层30中与导体11，12，13同时形成。此外，导电图案31可与连接在基体件5上的导体13直接电接触，从而使导电图案31和独立振荡结构6处于相同的电位。或者，导电图案31可在另外的工序中例如由金属形成。
将导电图案31连接在与独立振荡结构6相同的电位上抑制了音叉谐振器4和衬底2的表面之间与衬底2垂直的作用力，导致了与所施加的电压无关的谐振频率。此外，这种导电图案31还可防止齿7，8粘附在衬底上。可以容易地理解，也可在采用其它技术制出的谐振器、例如图3，3a和3b或者图4，4a和4b所示的谐振器上增加类似的导电图案。
通过改变装置的几何形状尺寸、即叉齿的长度和宽度，就可以在较大范围内调节音叉谐振器的谐振频率，这可从音叉谐振频率的下述所谓的“Karolus”表达式中看出，其中齿的长度为I，宽度为w，并且音叉由杨氏模量为E且密度为ρ的材料制成fr=c·wI2Eρ]]>其中c为取决于音叉的精确形状和操作模式的常数。
对于这种音叉谐振器的大批量生产来说重要的是，应当将不同芯片间的谐振频率保持在较小的公差内。从上述表达式中可以容易地看出，音叉谐振器的谐振频率与音叉的厚度无关。因此，例如多晶硅表面微切削加工而制出的音叉的谐振频率与所沉积的多晶硅层的厚度无关，因此其工艺稳定性可得到显著的提高。
通过仔细地设计音叉的尺寸可以极大地降低因工艺参数的微小偏差所引起的谐振频率的误差。特别是，如图10示意地说明的，可在叉齿7，8中设置开口65，以便降低谐振频率与工艺参数的相关性。实际上，如果齿7，8的宽度在处理后例如因过度蚀刻而小于所需的宽度，那么音叉的谐振频率将低于设计频率。然而，与此同时，设置在齿7，8中的开口65较大，因而减小了齿7，8的质量，并补偿了谐振频率的降低(应当指出的是，谐振频率的上述表达式并不适用于例如图10所示的带有开口的音叉)。当出现过度蚀刻时，梳形结构71，81的电极件72，82对音叉谐振频率具有与开口65相同的效果。
开口65最好设置成接近于齿7，8的自由端7a，8a，以便对谐振频率具有较大的影响而不会影响音叉谐振器的品质因数。
根据本发明的微机械音叉谐振器所需的表面积相对于所得到的谐振频率来说非常小。例如，根据本发明的设计用于32kHz的相当低的频率的音叉谐振器需要约0.2mm2的表面积。传统的结构需要相对较大的表面积以得到这样低的频率。对于给定的几何设计来说，尺寸和频率成反比，即几何尺寸越大，频率越低。
在0到60℃的温度范围内，音叉谐振器的谐振频率是温度的非常近似的线性函数。在65kHz的谐振频率下，已经观察到谐振频率的热系数为-30ppm/℃左右。因此，最好在同一衬底上结合具有输出信号的温度测量电路，其可用于通过充分地调节时基所产生的信号频率来补偿频率偏差。
为此，根据本发明的时基最好包括集成的温度测量电路(未示出)。在P.Krumenacher和H.Oguey的文章“CMOS技术中的智能温度传感器”，Sensors and Actuators，A21-A23(1990)，第636-638页中描述了这种温度测量电路的一个例子。在这里，例如通过用本领域的技术人员所周知的抑制技术来对分频电路的分频比进行操作，就可以实现温度补偿。
或者，可在同一芯片上集成两个具有不同谐振频率的音叉谐振器，这种设置允许通过测量两个谐振器的频率差异(由于均由相同材料制成，因此两个音叉谐振器具有相同的温度系数)来精确地测定芯片的温度。有利的是，如图11所示，具有不同谐振频率的两个音叉谐振器4和4*共用同一基体件5，以便减小芯片上所需的表面积。
采用根据本发明的集成时基具有双重优点第一，音叉谐振器的温度相关性是线性的，其便于补偿温度所需的电子信号处理。第二且更重要的是，音叉谐振器的较小尺寸和整体式集成使第二谐振器只需稍微增大芯片即可，无需外部连接。
或者，根据本发明的一个特别有利的实施例，可以采用一个能同时以两种振荡模式操作的音叉谐振器。第一模式是上述的平面内振荡模式(图5b)。第二振荡模式可以是垂直振荡模式，其中叉齿7，8进行正交于衬底平面的基本上垂直的振荡。此垂直振荡模式可被静电式地激励，并通过使用衬底上的位于音叉齿下方的其它电极来电容式地检测。两种模式可选择成具有不同的频率，因此可通过测量与温度直接相关的频率差异来实现温度补偿。垂直振荡和平面内振荡这两种模式的不同谐振频率通过选择叉齿的矩形截面来得到。
垂直振荡模式最好应当为叉齿的非对称垂直振荡，其中齿的振荡朝向相反的方向。实际上，在非对称垂直振荡的情况下，振荡期间由叉齿施加在基体5上的力相互抵消，而它们在叉齿沿相同方向垂直振荡的情况下相加，这样便导致功率耗散增大，并因此得到较低的品质因数。然而，垂直振荡模式也可为叉齿的对称垂直振荡。
图12，12a和12b是允许叉齿沿相反方向垂直振荡的电极配置的示意的说明。如这些图所示，两组电极100和120设置在叉齿7，8的表面或其之下的表面区域上。第一组电极100驱动叉齿7，8垂直振荡，第二组电极120检测此垂直振荡。驱动电极组100设置在叉齿7，8的自由端部分之下，而检测电极组120设置在叉齿7，8之下并位于基体件5和驱动电极组100之间。然而可以理解，电极100和120可以完全地互换。
更准确地说，为了驱动叉齿振荡以使叉齿在如图所示的相反方向上振荡，最好将驱动电极组100分成处于各叉齿7，8之下的两个电极，如图所示，对这两个电极提供反相的信号。显然，检测电极组120也可类似地分成具有反相信号的两个电极。
在上文中已经针对一些具体的实施例描述了本发明，然而可以理解，这些实施例并不意味着限制了本发明。实际上，对于本领域的技术人员来说，在不脱离所附权利要求的范围的前提下，各种修改和/或改编是显而易见的。
权利要求
1.一种时基，它包括谐振器(4)和用于驱动所述谐振器(4)振荡并响应于所述振荡而产生具有预定频率的信号的集成电子电路(3)，其特征在于，所述谐振器为衬底(2)所支撑的集成微机械音叉谐振器(4)，其可根据第一振荡模式在基本上平行于所述衬底(2)的平面内振荡，所述音叉谐振器(4)包括从所述衬底(2)中基本上垂直地延伸出来的基体件(5)；与所述基体件(5)相连并包括处于所述平面内的至少第一对基本上平行的叉齿(7，8)的独立振荡结构(6)；和设置在所述叉齿(7，8)附近并与所述集成电子电路(3)相连的电极结构(9)。
2.根据权利要求1所述的时基，其特征在于，所述电子电路(3)与所述微机械音叉谐振器(4)一起集成在所述衬底(2)上。
3.根据权利要求1所述的时基，其特征在于，每一个所述叉齿(7，8)配备有位于所述平面内并包括从所述叉齿(7，8)的第一侧基本上垂直地延伸出来的第一电极件(72，82)的梳形结构(71，81)，所述电极结构(9)包括至少一个梳形电极结构(91，92)，其与叉齿(7，8)的所述梳形结构(71，81)啮合，并包括与所述第一电极件(72，82)相邻的第二电极件(93，94)。
4.根据权利要求3所述的时基，其特征在于，所述电极件(72，82，93，94)具有圆弧的形状。
5.根据权利要求3所述的时基，其特征在于，相邻电极件(72，82，93，94)之间的距离沿所述叉齿(7，8)的长度变化，使得相邻电极件(72，82，93，94)之间的距离在所述叉齿(7，8)的自由端(7a，8a)处缩短。
6.根据权利要求3所述的时基，其特征在于，在所述衬底(2)上邻近于各所述叉齿(7，8)的自由端(7a，8a)处设有止动结构(28)，以便限制所述叉齿(7，8)的运动，并防止它们在发生冲击时粘附在所述电极结构(9)上。
7.根据权利要求3所述的时基，其特征在于，所述电极件(72，82，93，94)的末端(72a，93a)是尖锐的，或具有适当小的表面积，从而可防止所述叉齿(7，8)在发生冲击时粘附在所述电极结构(9)上。
8.根据权利要求3所述的时基，其特征在于，所述电极件(72，82，93，94)中的至少一个(72*)比其它的更长，从而可防止所述叉齿(7，8)在发生冲击时粘附在所述电极结构(9)上。
9.根据上述权利要求中任一项所述的时基，其特征在于，所述电极结构包括与所述叉齿(7，8)中的第一叉齿(7)相邻并用于驱动所述音叉谐振器(4)振荡的第一电极结构(91)；和与所述叉齿(7，8)中的另一叉齿(8)相邻并用于检测由所述音叉谐振器(4)的振荡产生的信号的第二电极结构(92)，其中所述独立振荡结构(6)通过所述基体件(5)而连接在固定的电位上，在所述第一电极结构(91)和独立振荡结构(6)之一或两者上施加稳定的直流电压分量(Udc)。
10.根据权利要求1到8中任一项所述的时基，其特征在于，所述电极结构(9)包括至少一个设置成与所述叉齿(7，8)中的一个或两个相邻并用于驱动所述音叉谐振器(4)振荡的电极结构，所述独立振荡结构(6)通过所述基体件(5)而连接在固定的电位上，在所述至少一个电极结构(91，92)和独立振荡结构(6)之一或两者上施加稳定的直流电压分量(Udc)，以及通过检测谐振时的阻抗变化来完成检测。
11.根据上述权利要求中任一项所述的时基，其特征在于，所述第一振荡模式为对称振荡模式，其中两个叉齿(7，8)在相反方向上振荡。
12.根据权利要求1所述的时基，其特征在于，在所述衬底(2)的表面上且在所述独立振荡结构(6)的至少一部分的下方设置与所述独立振荡结构(6)形状基本相同的导电图案(31)，所述独立振荡结构(6)和所述导电图案处于相同的电位。
13.根据权利要求1所述的时基，其特征在于，在所述叉齿(7，8)中设有开口(65)，以便充分地补偿蚀刻不足或蚀刻过度对所述音叉谐振器(4)的谐振频率的影响。
14.根据上述权利要求中任一项所述的时基，其特征在于，所述时基还包括集成温度测量电路，用于补偿温度对所述时基产生的信号频率的影响。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的时基，其特征在于，所述时基还包括第二微机械音叉谐振器(4*)，其支撑于所述衬底(2)之上并适合于以与所述第一谐振器的谐振频率不同的谐振频率振荡，采用这两个谐振频率之间的与温度有关的频率差异来补偿温度对所述时基产生的信号频率的影响。
16.根据权利要求15所述的时基，其特征在于，所述第一和第二音叉谐振器(4，4*)共用同一基体件(5)。
17.根据权利要求1到14中任何一个所述的时基，其特征在于，在所述独立振荡结构(6)的下方设置电极(100，120)、使得可驱动和检测其谐振频率与所述第一振荡模式的谐振频率不同的第二振荡模式，采用这两种振荡模式的谐振频率之间的与温度有关的频率差异来补偿温度对所述时基产生的信号频率的影响。
18.根据权利要求17所述的时基，其特征在于，所述第二振荡模式为垂直振荡模式，其中两个叉齿(7，8)在基本上垂直于所述衬底(2)的相反方向上振荡。
19.根据上述权利要求中任一项所述的时基，其特征在于，所述衬底(2)和所述音叉谐振器(4)由硅材料制成。
全文摘要
描述了一种包括谐振器(4)和用于驱动谐振器振荡并响应于此振荡而产生预定频率的信号的集成电子电路(3)的时基。谐振器为支撑于衬底(2)之上的集成微机械音叉谐振器(4)，其在基本上平行于衬底的平面内振荡。音叉谐振器包括从衬底中基本上垂直地延伸出来的基体件(5)、独立的基本上平行的叉齿(7，8)和设置在叉齿附近并与集成电子电路相连的电极结构(9)。
文档编号H03H9/21GK1481612SQ01820933
公开日2004年3月10日 申请日期2001年11月13日 优先权日2000年12月21日
发明者M·吉欧索夫, H·屈克, R·普拉茨, M 吉欧索夫 申请人:伊塔瑞士钟表制造股份有限公司