感知“利”器｜压阻式恒温控制振荡器
2017-07-31 17:21:54 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本发明的压阻式恒温控制振荡器包括：谐振结构、加热梁、多晶硅高阻层、第一绝缘层及加热电阻。谐振结构、加热梁及锚点的材料均为N型重掺杂单晶硅，且为一体化结构；多晶硅高阻层的材料为未掺杂的低应力多晶硅。
工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。
振荡器是提供时钟频率的基本电子元件，在几乎所有数字电路系统中均需使用。在现代通讯系统中，振荡器为系统提供频率基准和同步信号。由于频率资源有限而用户众多，对振荡器的稳定性有极高要求。手机要求振荡器的全温区频率稳定性在±2.5ppm以内，而移动基站要求振荡器的稳定性在±0.05ppm以内。
长期以来，石英晶体谐振器一直是电子系统中提供时钟频率信号的主要元件，其性能稳定，温度特性好。但是，石英振荡器难以集成，受机械加工手段限制难以制作高频振荡器，并且抗震性能较差，难以满足未来移动智能设备的需求。
采用微机电技术（MEMS）技术制作的硅基振荡器便于与集成电路集成，谐振特性优异，可实现GHz量级的振荡频率输出，并且可耐受高冲击环境。
硅基振荡器的一个主要问题在于，单晶硅扬氏模量的温度系数高达-56ppm/℃，引起的频率温度系数高达-30ppm/℃。作为比较，未补偿的AC-cut石英谐振结构在-40～85℃范围内频率温度系数在26ppm左右。硅的全温区频率温度系数比石英大两个数量级以上。高达-30ppm/℃的频率温度系数极大增加了温度补偿的难度。
利用恒温控制技术有望实现高温度稳定性的MEMS振荡器。利用MEMS谐振结构热容量低的特点，只需要mW量级的功耗即可将谐振结构恒温在90℃，可实现低功耗的温度补偿。但是，由于硅频率温度系数高达-30ppm/℃，为了实现1ppm的温度稳定性（3E级钟），必须保证全温区内谐振结构恒定温度波动小于0.033℃，其实现难度较高。
研究表明，沿晶向的N型重掺杂结构的频率温度系数存在过零点，频率温度系数过零点的温度由掺杂浓度决定。通过调整N型掺杂浓度，可以使晶向谐振频率温度系数过零点略高于振荡器工作温区的上限。
高性能的恒温控制振荡器难以采用压阻检测是该类振荡器结构的共性问题，原因在于高性能恒温控制与压阻检测对结构的要求存在矛盾：一方面高性能恒温控制振荡器要求核心谐振结构的温度均匀一致，加热电阻必须采用贯穿核心谐振结构的单梁形式，另一方面压阻检测要求电流从核心谐振结构中应力大的区域流过。为了兼顾绝热和抗冲击的需求，核心谐振结构和加热梁的尺寸小，难以同时满足高性能恒温控制与压阻检测的需求。
【推荐发明专利】
《压阻式恒温控制振荡器及其制备方法》
【发明内容】
鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压阻式恒温控制振荡器及其制备方法，用于解决现有技术中由于硅基振荡器具有高达-30ppm/℃的频率温度系数而导致的频率的温度补偿比较困难的问题，以及高性能的恒温控制振荡器难以采用压阻检测的问题。
本发明的压阻式恒温控制振荡器包括：谐振结构、加热梁、多晶硅高阻层、第一绝缘层及加热电阻。谐振结构、加热梁及锚点的材料均为N型重掺杂单晶硅，且为一体化结构；多晶硅高阻层的材料为未掺杂的低应力多晶硅。
压阻式恒温控制振荡器的立体结构示意图
沿晶向族的N型重掺杂结构的频率温度系数存在过零点，频率温度系数过零点的温度由掺杂浓度决定；通过调整N型掺杂浓度，可以使晶向族谐振频率温度系数过零点略高于振荡器工作温区的上限。
通过设置贯穿谐振结构的加热梁，在加热梁上通电流即可实现恒温控制，使该压阻式恒温控制振荡器具有较好的性能稳定性及较好温度特性。
在其两根纵向振动梁之间制作多晶硅高阻层，可以实现对振荡器的压阻检测；同时，多晶硅高阻层将位于其两侧的加热梁连接成完整对称的双端固支梁，可对谐振结构提供良好的支撑，显著减小加热梁变形对谐振结构的影响。
【相关专利】
《N型重掺杂恒温控制振荡器及其恒温控制方法》
《一种谐振频率测量及跟踪系统和方法》
《微机械谐振器》
《一种微机械圆盘谐振器及制作方法》
《微机械硅谐振器的温度补偿结构及制作方法》
【相关报告】
专利购买或技术合作请联系：
麦姆斯咨询 殷飞
联系电话：18912617215
电子邮箱：yinfei@memsconsulting.com
若需要更多可交易专利，敬请访问：www.mems.me/mems/patent/
相关热词搜索：振荡器