[发明专利]温度补偿板谐振器

说明书

本发明涉及一种微机电谐振器装置，包括支撑结构，用n型掺杂剂掺杂到掺杂浓度并能够以宽度‑延伸谐振模式谐振的半导体谐振器板。此外，该装置还包括将谐振器板悬挂在支撑结构上的至少一个锚固件和将宽度‑延伸谐振模式激发到谐振器板中的驱动器。根据本发明，谐振器板被掺杂到1.2*10²⁰cm^‑3或更高的掺杂浓度，并且具有这样的形状：其与掺杂浓度结合，在宽度‑延伸谐振模式中，使得至少在一个温度下二阶频率温度系数(TCF₂)为12ppb/C²或更低。本发明还提供了几个实际的实施方式。

技术领域

本发明涉及微机电谐振器。具体地，本发明涉及调节板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，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℃到+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。

具体地，关于WE模式谐振器，WO 2012/110708教导了在矩形的边长比超过2：1时，矩形WE谐振器的一阶TCF可以通过约2.3*10¹⁹cm^-3的n-掺杂剂浓度归零。因此，在没有频率温度漂移的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。

如US8558643中所讨论的，另一种方法是形成具有不同掺杂水平或晶体取向的叠加层的有效材料结构。该结构形成能够承载谐振模式的超晶格，其TCF远小于未掺杂或均匀掺杂相应硅元素的超晶格。这种结构也可以用于在一定程度上降低二阶TCF，从而使得温度漂移在100℃范围内小于50ppm。

上述文献还引用了利用硅掺杂的其他文献，并简要讨论了解决温度漂移问题的其他方法。

谐振器的温度行为不仅取决于掺杂浓度，还取决于其几何结构、晶体取向和其激发的谐振模式，因此需要提及一些重要因素。此外，需要考虑的因素包括谐振器的Q值，其中谐振器的锚固有重要作用，以及在实践中制造谐振器设计的能力。例如，在已知的谐振器设计中，低TCF和高Q值可能是矛盾的设计目标，因为它们通常通过不同的几何布局来实现。