微机电谐振器的制作方法

本发明涉及微机电系统，特别是涉及一种微机电谐振器。

背景技术：

1、微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)是一种基于微电子技术和微加工技术的一种高科技领域。mems技术可将机械构件、驱动部件、电控系统、数字处理系统等集成为一个整体的微型单元。mems器件具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点。mems技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，利用mems技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事，物联网等领域中都有着十分广阔的应用前景。

2、与传统的石英振荡器相比，mems振荡器受温度影响的频率偏移仍然是一个有待解决的问题，频率随温度漂移的系数被称为tcf(（temperature coefficient offrequency）。由于单晶硅材料物理的特性，mems振荡器的频率温度系数可达-31ppm/℃，即温度每上升一度，振荡的频率便改变-0.003％。假设产品的温度应用范围为-40℃到85℃时，频率的漂移便高达3750ppm（parts per million，每百万单位），该频率温度系数对于现今大多终端系统的应用都是不能接受的。为此需要补偿由于温度降低谐振频率的变化量，而有效补偿的前提是准确获取引起谐振频率变化的温度测量结果。

3、现有技术中，目前已有的mems tcxo（温补振荡器）产品主要采用单谐振器双模态或双谐振器的方式来实现测温，并基于测得的温度信息对频率输出进行补偿。现阶段，单谐振器双模态结构通常使用方块谐振器，使用面内电极激发面内lamé模态，使用面外电极激发面外弯曲模态；由于双模态中的拉梅（lamé）模态谐振器的动态阻抗会随着谐振频率的上升而上升，为了保持较低的动态阻抗，拉梅（lamé）模态通常工作在1~10mhz频率之间，在高频时钟（谐振器振动产生的时钟信号）的应用场合，往往需要使用锁相环进行额外的上变频，频率输出信号的稳定度变差。双谐振器结构通常采用两个谐振器并排放置的方式，在此结构排布下，如果在芯片的两侧存在温度差，两个谐振器之间也会存在温度梯度，导致测温的准确性受到影响。

4、因此，如何提升现有mems tcxo产品中的测温准确性和频率稳定度，已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

5、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机电谐振器和mems振荡器，用于解决现有的mems温补振荡器中测温准确性和频率稳定度不能满足应用需求的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机电谐振器，包括由下至上的衬底层、介质层和器件层，所述器件层包括内外布置的内谐振子和外谐振子，所述内谐振子包括内谐振体和面外电极，所述面外电极阵列设置于所述内谐振体上方以在施加激励信号时使所述内谐振体以具有第一频率的面外模态产生振动；所述外谐振子包括级联耦合的多个外谐振体和位于所述多个外谐振体内外两侧的面内电极，多个所述外谐振体环绕所述内谐振体设置且侧向连接至外围锚定部以使所述外谐振体悬空于所述衬底层之上，所述内谐振子与所述外谐振子通过设置于两者位移节点处的耦合结构实现机械耦合，以使所述内谐振体悬空于所述衬底层之上，所述面内电极与所述多个外谐振体间隔设置以在施加激励信号时使所述外谐振体以具有第二频率的面内模态产生振动；其中，所述第二频率与所述第一频率相比具有更高阶的模态频率。

3、可选地，所述外谐振体设置成相邻的外谐振体通过耦合部顺次耦合成环状，并且通过支撑梁侧向连接至所述外围锚定部，其中所述外谐振体与所述耦合部对角耦合或对边耦合。

4、可选地，所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为等腰梯形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各角部以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。

5、可选地，所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为方块形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各边中心位置以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。

6、可选地，所述内谐振体设置成通过中心锚点固定连接至所述衬底层，所述中心锚点配置用于向所述内谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述外谐振体施加直流偏置电压。

7、可选地，所述外围锚定部配置用于向所述外谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述内谐振体施加直流偏置电压。

8、可选地，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为硼，掺杂浓度为1.4e20cm-3。

9、可选地，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为磷，掺杂浓度为4.7e19cm-3。

10、本发明还提供一种mems振荡器，包括根据前述的微机电谐振器、控制电路系统、温度补偿单元，所述温度补偿单元包括温度补偿电路。

11、本发明提供一种mems振荡器，包括根据前述的微机电谐振器、控制电路系统、温度控制单元，所述温度控制单元包括温度测量电路和加热控制电路。

12、如上所述，本发明的一种微机电谐振器和mems振荡器，具有以下有益效果：

13、本发明的微机电谐振器，采用内外设置的外谐振子和内谐振子的组合，替代现有的双振子并排布置的方式，第一和外谐振子通过耦合结构相连接，有利于两者之间的热量传递，双谐振器单元可同时工作以实现高低双频输出；本发明的mems振荡器，利用外谐振子输出高频的谐振信号，内谐振子输出低频的谐振信号，获取温度强相关的频率信号，基于mems组件的环境温度对双频输出信号进行补偿，亦可基于对mems组件的环境温度控制对单频输出信号进行频率稳定控制，进而提升频率输出信号的稳定度；此外，基于高低双频输出信号的混频处理获取节拍频率，确定mems组件所处的环境温度，减少锁相环倍频处理，改善频率输出信号的相位噪声和抖动性能。

技术特征：

1.一种微机电谐振器，包括由下至上的衬底层、介质层和器件层，其特征在于：所述器件层包括内外布置的内谐振子和外谐振子，所述内谐振子包括内谐振体和面外电极，所述面外电极阵列设置于所述内谐振体上方以在施加激励信号时使所述内谐振体以具有第一频率的面外模态产生振动；所述外谐振子包括级联耦合的多个外谐振体和位于所述多个外谐振体内外两侧的面内电极，多个所述外谐振体环绕所述内谐振体设置且侧向连接至外围锚定部以使所述外谐振体悬空于所述衬底层之上，所述内谐振子与所述外谐振子通过设置于两者位移节点处的耦合结构实现机械耦合，以使所述内谐振体悬空于所述衬底层之上，所述面内电极与所述多个外谐振体间隔设置以在施加激励信号时使所述外谐振体以具有第二频率的面内模态产生振动；其中，所述第二频率与所述第一频率相比具有更高阶的模态频率。

2.根据权利要求1所述的微机电谐振器，其特征在于：所述外谐振体设置成相邻的外谐振体通过耦合部顺次耦合成环状，并且通过支撑梁侧向连接至所述外围锚定部，其中所述外谐振体与所述耦合部对角耦合或对边耦合。

3.根据权利要求2所述的微机电谐振器，其特征在于：所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为等腰梯形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各角部以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。

4.根据权利要求2所述的微机电谐振器，其特征在于：所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为方块形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各边中心位置以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。

5.根据权利要求4所述的微机电谐振器，其特征在于：所述内谐振体设置成通过中心锚点固定连接至所述衬底层，所述中心锚点配置用于向所述内谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述外谐振体施加直流偏置电压。

6.根据权利要求4所述的微机电谐振器，其特征在于：所述外围锚定部配置用于向所述外谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述内谐振体施加直流偏置电压。

7.根据权利要求1所述的微机电谐振器，其特征在于，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为硼，掺杂浓度为1.4e20cm-3。

8.根据权利要求1所述的微机电谐振器，其特征在于，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为磷，掺杂浓度为4.7e19cm-3。

技术总结
本发明提供一种微机电谐振器，包括：内外布置的内谐振子和外谐振子，内谐振子包括阵列设置的面外电极和内谐振体以在施加激励信号时使内谐振体以具有第一频率的面外模态产生振动，外谐振子包括级联耦合的多个外谐振体和与之间隔设置面内电极以在施加激励信号时使外谐振体以具有第二频率的面内模态产生振动，第二频率与第一频率相比具有更高阶的模态频率，内谐振子与外谐振子通过耦合结构相连接，有利于两者之间的热量传递，两者可同时工作以实现高低双频输出。上述微机电谐振器，其基于MEMS组件的环境温度对双频输出信号进行补偿，亦可基于对MEMS组件的环境温度控制对单频输出信号进行频率稳定控制，进而提升频率输出信号的稳定度。

技术研发人员：雷永庆,朱雁青,舒赟翌
受保护的技术使用者：麦斯塔微电子（深圳）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16