CN102739179B - Mems谐振器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS谐振器及其控制方法。MEMS谐振器具有提供与换能间隙相关联的电容的部件，所述部件具有依赖于温度的介电特性，该介电特性沿与谐振器材料的杨氏模量对温度的斜率相同的方向(即具有相同斜率)变化。这意味着谐振频率几乎不依赖于温度。

Description

MEMS谐振器及其控制方法

技术领域

本发明涉及MEMS谐振器，例如在振荡器中使用的谐振器，以及特别地涉及谐振器频率的温度漂移问题。

背景技术

许多研究团体和公司正在集中研究MEMS谐振器，并且产品最近也已经商业化。人们尤其关心的是使用MEMS谐振器形成振荡器电路中的应用。MEMS振荡器提供了更小的尺寸、低成本以及潜在的高集成度。这些器件期望能够替代高精度振荡器中体积庞大且昂贵的石英晶体。这些振荡器广泛地用于记时和频率参考应用，例如实时时钟、移动电话中的RF模块、包含蓝牙模块的设备、USB模块以及其它数字和电信设备等。

MEMS振荡器通常包括提供固定谐振频率的硅MEMS谐振器，以及维持振荡并且提供稳定输出频率的外部放大器电路。

这两个部件可以设置在同一封装的两个独立管芯中，或者可以集成到同一管芯中。MEMS谐振器包括可以激励为机械谐振振动的硅弹性体(mass-spring)系统以及感测该振动并将其转换成电信号的装置。该电信号被馈送到放大器电路中。该电路主要包括增益放大器和移相器。放大器的输出被反馈到谐振器的激励侧。如果总的回路增益大于1并且回路相移为0，则振荡可以维持在回路内。

存在多种类型的MEMS谐振器。三种最流行的MEMS谐振器是静电-电容谐振器、压电-电容谐振器以及静电-压阻谐振器。在上面的复合名词中，第一部分是指激励方法，第二部分是指检测方法。

也存在不同的振荡机制。延伸模式振动包括材料平面内的压缩波。也就是说，材料的物理位移发生在与谐振器同一平面内的方向上，交替地拉伸和压缩材料。使用这种延伸模式的谐振器是通常称为体声学模式谐振器，其中通过传播通过材料的声波来确定谐振频率。弯曲模式谐振器代替地依赖于沿特定方向的弯曲。

作为示例，图1示意性示出了静电激励谐振器(包括电容或压阻感测方法)。未示出感测机制(例如采用电容或压阻原理)。

谐振器包括弹簧10(机械弹簧常数为k_m)和质量块12(质量为m)。弹簧10的一端通过锚定(anchor)15锚定到固定基板14上。弹簧和质量块的其余部分处于自由状态。质量块的一个边缘面向电极16，该电极固定在公共基板14上。质量块与电极之间通过换能间隙g隔开。

由于整个谐振器应该优选地工作在真空或低气压环境中以减小气体阻尼，该间隙也优选地处于真空状态。但是，非导电性的固体或液体也可以替换地设置在间隙中。为了激励谐振器，可以将DC偏置电压V_dc和AC激励电压V_ac的组合施加到电极上：V_drive＝V_dc+V_ac。

AC电压的频率为ω：V_ac＝v_ac0cosωt。在正常工作中，v_ac0＜＜V_dc。如果换能间隙两端的电容为C，并且质量块的位移是x，则静电力F可以写为：

$F=\frac{\∂C}{\∂x}\frac{{V_{\mathrm{drive}}}^2}{2}=\frac{\∂C}{\∂x}\frac{{V_{\mathrm{dc}}}^2+{2V}_{\mathrm{dc}}{v}_{\mathrm{ac}0}\cos \mathrm{\ωt}+{v_{\mathrm{ac}0}}^2{\cos }^2\mathrm{\ωt}}{2}$

$\≈\frac{\∂C}{\∂x}(\frac{{V_{\mathrm{dc}}}^2}{2}+V_{\mathrm{dc}}{v}_{\mathrm{ac}0}\cos \mathrm{\ωt})---\left(1\right)$

由于v_ac0＜＜V_dc，可以忽略等式(1)的第三项。在等式(1)的最终形式中，F有两项：第一项不依赖于时间，因而对谐振器的动态激励没有贡献。当频率ω与器件的谐振频率一致时，第二项实际上驱动谐振器进入谐振状态。

虽然第一项对激励没有贡献，但是其对弹簧产生影响从而改变了谐振频率，下面将要详细描述。力的第一项可以写为：

$F_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}^2\frac{\∂C}{\∂x}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{{(g-x)}^2}\≈\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g^2}+V_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g^3}x=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g^2}+k_{e}x---\left(2\right)$

其中A是电极面积，并且ε₀是真空电容率。

在上述计算中使用了泰勒展开式。该公式提出了由V_dc导致的力包括两项：第一项是恒定力，以及第二项依赖于位移x，第二项类似于弹簧的行为(胡克定律)，具有弹簧刚度k_e，称为电弹簧刚度。这种电弹簧由于沿相反的方向动作而使得机械弹簧k_m“软化”。因而，有效弹簧将是：k_eff＝k_m-k_e，并且观察到的谐振频率是：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_m-k_e}{m}}---\left(3\right)$

这称作弹簧软化效应，该效应依赖于电压偏置V_dc。弹簧软化效应降低了机械谐振频率。

谐振器典型地由硅材料制成，其具有依赖于杨氏模量的自然温度依赖性，并且是每开氏温度变化-40到-60ppm。因此，谐振器的谐振频率(与杨氏模量的平方根成正比)典型地在大约-20ppm/K到-30ppm/K之间漂移，这被称为频率温度系数(TCF)。对于相对较窄的温度范围，TCF可以视为常数(或者df/f-T曲线为线性)，但是，对于较大的范围，需要考虑它的二阶项：

$\mathrm{df}/f\left[\mathrm{ppm}\right]=\frac{{10}^6[f\left(T\right)-f_0]}{f_0}=a_1(T-T_0)+a_2{(T-T_0)}^2---\left(4\right)$

其中T是温度，T₀是谐振频率为f₀时的参考温度。

例如，从US 20060125576 A1(以及许多其他技术公开)中可知，可以利用前馈方法补偿温度漂移。在该方法中，可以利用外部温度传感器测量谐振器的温度，并且可以利用外部电路产生依赖于温度的DC偏置电压，该电压被馈送到谐振器的电极以补偿温度漂移。

通过这种方式，可以利用弹簧软化效应调整谐振器的频率，这是因为电弹簧刚度可以表示为：

$k_e=V_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g^3}---\left(5\right)$

如果可以假设其它参数是固定的，则可以通过偏置电压V_dc调整弹簧软化效应。

该方法的缺陷是需要额外的电路和温度传感器来执行补偿方案，从而需要使用大量的功率。

WO2007/072408和WO2009/097167均公开了提供电介质材料以简化小换能间隙的制造。

Bahl等人的文章“热氧化硅谐振器中电介质电荷的模型和观察(Modeland Observations of Dielectric Charge in Thermally Oxidized SiliconResonators)”，Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.18no.1，162-174页，2010年2月1日，公开了一种与偏置电压相连的固体电介质。研究了偏置电压对于谐振频率的作用效果。

发明内容

根据本发明，提供了一种根据权利要求1所述的MEMS谐振器。

本发明基于使用这样的部件，其提供的电容具有对于(有效)介电常数的温度依赖性。通过“有效介电常数的依赖性”，意味着所述结构表现为具有依赖于介电常数的温度依赖性的电容器。具有这种期望的温度依赖性的结构可以与间隙电容串联，或者本身可以是间隙电容。这提供了一种无源温度漂移补偿。

该结构还可以设置为使得可以假设其具有与谐振器相同的温度。通过提供与温度依赖的有效介电常数，弹簧软化效应可以(部分或全部地)补偿机械弹簧的温度依赖性。通过使用这种方法，不需要额外的电路和功耗补偿。

在一个示例中，谐振器本体的材料具有杨氏模量对温度的负斜率，并且有效介电常数对温度的斜率在工作温度范围上也是负的。

在一个示例中，至少在非导电间隙附近将电介质层应用于谐振器本体或激励电极上，电介质层材料的(有效)介电常数在谐振器工作温度范围上对温度具有期望的依赖性。

这种结构使得(至少一部分的)间隙电容以期望的方式与温度具有依赖性。电介质层可以包围谐振器本体或激励电极以避免构图的需要。

第一电介质层可以应用于谐振器本体上，以及第二介质层可以应用于激励电极上。

在另一示例中，电容器串联设置在激励电极与激励端子之间，使得间隙电容和电容器串联在输入端子与谐振器本体之间。通过这种方式，间隙电容不会改变(并且具有空气或真空电介质)，并且可以串联设置附加的电容器。该附加电容器包括电介质，所述电介质的介电常数在谐振器工作温度范围上具有期望的温度依赖性。

在另一示例中，PN结串联设置在激励电极与激励端子之间，使得间隙电容与PN结电容串联在激励端子和谐振器本体之间，其中PN结电容的有效介电常数在谐振器工作温度范围上具有期望的温度依赖性。通过这种方式，具有期望温度依赖性的电容不是由电容器实现，而是由具有能够提供期望的有效电容器电气功能的电特性的不同部件来实现。

谐振器本体优选地包括硅，已知通常受到杨氏模量的温度依赖性的影响。

在所有情况下，电弹簧刚度对温度的斜率在应用的工作温度范围上符号上等于(equal in sign)谐振器结构的机械弹簧刚度对温度的斜率，其中电弹簧刚度由下式定义：

$k_e=V_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g^3}$

其中V_dc是施加的激励电压的直流(dc)电平，g是有效间隙距离，A是间隙处的有效激励电极面积，以及ε₀是在激励端子与谐振器本体之间的电容器电介质的有效电容率。

谐振频率是两个弹簧刚度值之间差值的函数，因此，通过沿相同的斜率方向设置变动可以减小变动。

术语“有效”电容率和间隙距离用于表示总的电容器功能是由多个部分构成的，其中每个部分具有其自己的间隙尺寸、电容率值和面积。组合的电气电容器功能可以认为具有间隙电容率、面积和间隙距离的“有效”值。

本发明还提供一种MEMS振荡器，包括：本发明的谐振器，检测装置，用于检测谐振器质量块的振动并基于该振动产生电输出信号，以及电反馈电路，用于基于电输出信号控制施加到激励电极的信号。

本发明还提供了根据权利要求13所述的温度补偿方法。

附图说明

现在参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示意性示出了MEMS谐振器的基本结构；

图2示出了本发明谐振器设计的多个示例；

图3示出了一个示例材料的电容率对温度的依赖性；

图4示出了怎样利用图3的材料提供期望的电刚度特性；

图5示出了当图3的材料在振动器中使用时怎样提供期望的频率对温度的不敏感性；以及

图6示出了本发明的谐振器设计。

具体实施方式

本发明提供的谐振器具有提供与换能间隙相关联的总电容的部件，其具有温度依赖的介电特性。本发明的效果是可以使得(支持谐振器质量块的弹簧)机械弹簧刚度的斜率与电弹簧刚度的斜率匹配。这使得可以减小谐振频率的温度敏感性。

从上述等式(3)可以看出，为了保持频率恒定，k_m随温度的变化应该与k_e的变化精确匹配，使得它们的差值保持恒定。k_e的变化可以通过改变V_dc来实现，如US2006/0125576A1所述。

在一个方面，本发明是基于对间隙中使用电介质材料的部分的介电常数(或相对电容率)进行改变，通过这种方式使得k_e的变化与k_m的变化在不同温度下匹配。在另一方面，使用分立的部件来提供电特性中期望的温度依赖性，但是也可以认为实现了温度依赖的电容器电介质。

图2示出了本发明的多个实施例。与图1相比，在图2中简化了锚定15和基板14。应该理解，MEMS器件的基板平面实际上与图1的画面平面垂直。

在图2A和2B中，将电介质材料的薄层沉积在换能间隙的任一侧上。在图2A中，将电介质应用于谐振器质量块12上，并且在图2B中将其应用于激励电极16的表面上。可以横跨间隙的电容器视为两个串联连接的电容器：真空间隙的电容器和电介质层的电容器。

在图2C中，将电介质材料20的薄层沉积在间隙的两侧上。这些层的厚度可以相同或不同。在这种情况下，也可以将横跨间隙的电容器视为两个串联连接的电容器：真空间隙电容器和具有两个电介质层总厚度的电介质电容器。

在图2A到2C中，电介质层仅存在于间隙附近。

在图2D中，将电介质层20示出为在谐振器本体周围的涂层。在图2E中，将电介质层20示出为在电极表面周围的涂层。在图2F中，将电介质层20示出为在谐振器本体周围和在电极表面周围的涂层。

在图2G中，分离的电介质电容器22放置在间隙外部，但是尽可能靠近电极，优选地处于同一谐振器管芯上。这一电容器22与横跨间隙的电容器串联连接(通过设计或互连)。因此，在施加激励信号的激励端子23与谐振器本体12之间串联有两个电容器。

在所有情况下，电介质层或分离电容器的温度应该实质上等于谐振器的温度，特别是等于谐振器的弹簧部分的温度。由于谐振器不产生热，因此对于静电电容性谐振器来说可以容易地满足这一点。但是必须考虑静电压阻性谐振器的情况，因为电流设置为流经用于信号读取的器件，这与电极和环境相比增加了器件温度。在这种情况下，优选的是电介质层仅形成在谐振器一侧。

如前所述，横跨在电极上的电容C是真空间隙和电介质层(或电介质电容器)的总电容：

$\frac{1}{C}=\frac{1}{C_{\mathrm{vacuum}}}+\frac{1}{C_{\mathrm{dielectric}}}=\frac{g_1}{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_1}+\frac{g_2}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_d{A}_2}=(g_1+\frac{g_2{A}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_d{A}_2})\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_1}=\frac{g_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_1}---\left(6\right)$

这里，有效间隙： $g_{\mathrm{eff}}=(g_1+\frac{g_2{A}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_d{A}_2})$

在上述公式中，g₁和g₂分别是真空间隙的厚度和电介质层的总厚度。A₁和A₂分别是真空电容器和电介质电容器的电极面积。在图2A-2F的示例中，A₁＝A₂＝A。ε_d是电介质层的介电常数。

与等式(2)类似，电弹簧刚度可以写作：

$k_e=V_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_1}{{g_{\mathrm{eff}}}^3}=V_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_1}{{(g_1+\frac{g_2{A}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_d{A}_2})}^3}---\left(7\right)$

从等式(7)可以看出，如果假设V_dc、A₁、A₂、g₁和g₂是固定的，可以通过改变ε_d来改变电弹簧刚度。

当(例如)温度增加时，由于杨氏模量的温度依赖性，k_m减小。为了补偿这种变化，也就是说为了使k_e减小，ε_d也需要随着温度减小。如果k_m随温度变化的斜率与k_e的变化匹配，则有效刚度保持恒定，因而频率也保持恒定。这就是补偿的原理。

因此，本发明的实现要求使用或操纵具有合适温度依赖性的介电常数的电介质材料。特别地，所述斜率与谐振器本体材料(特别是弹簧部件)的杨氏模量的斜率沿相同的方向，因为这是机械弹簧常数的温度依赖性的起因。除了选择正确的材料外，还存在许多调整参数用于匹配这两个斜率，例如V_dc、A₁、A₂、g₁、g₂、k_m。

普通的电介质材料，例如氧化硅、氮化硅等，具有非常小的温度依赖性。但是，存在一些类型的电介质材料(可以是铁电或顺电材料)，其在某些特定温度范围上具有较大的依赖性。例如，在陶瓷电容器和许多其它应用中广泛使用的铁电陶瓷可以具有明显的介电常数温度依赖性。这些材料的典型介电常数可以从数百到数千或更高。

介电常数通常在称为居里温度(Tc)的温度下表现出最大值，在该温度下材料从铁电(T＜Tc)转换为顺电(T＞Tc)。可以通过材料组分和制造条件来调整最大值的位置和最大值两侧的斜率。该斜率可以直到2-3K^-1或更大。

对于电容器应用来说，期望工作温度接近于该温度下介电常数的变化最小的温度Tc。然而，在根据本发明中建议的应用中，优选地将工作温度范围设置为沿着介电常数-温度曲线的负斜率，以对具有杨氏模量对温度的负斜率的谐振器材料进行补偿。

合适材料的示例是：

钙钛矿族，例如CaTiO3、BaTiO3、PbTiO3、BaSrTiO3、PbLaZr钛酸盐、铌酸铅镁、铌酸钾(KNbO3)、铌酸钾钠(KxNa1-xNbO3)、铌钽酸钾(K(TaxNb1-x)O3)等；

钨青铜型化合物，例如KxWO3、PbNb2O6等；

氧化铋层结构的铁电体，例如Bi4Ti3O12、PbBi2Nb2O9等；

铌酸锂和钽铁矿；

有机聚合物，例如聚偏二氟乙烯等；

陶器聚合物复合材料。

这些仅仅是可用材料的示例，但是也可以使用具有介电常数-温度曲线的负斜率的其它材料。

可以采用多种技术制造电介质材料，例如陶瓷工艺、溶胶-凝胶法、物理和化学气相沉积法。对于薄膜来说，更适合采用物理和化学气相沉积技术。

物理气相沉积技术(PVD)包括：溅射、蒸发、激光消融、电子束沉积。化学气相沉积技术(CVD)包括：低压CVD(LPCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、原子层沉积(ALD)。CVD技术更适用于图2A-2F的薄膜示例情形，因为这种技术提供了更好的膜覆盖同形度(comformity of filmcoverage)，而其它的沉积技术可以用于图2G的分离电容器示例。

为了使得图2A-2C示例中的电介质层仅仅存在于间隙内部，或者为了形成图2G的外部电容器，进一步需要构图步骤。

下面示出的实施例中使用了C.B.Parker，J.-P.Maria，A.I.Kingon的文章“(Ba，Sr)TiO3薄膜的温度和厚度依赖的电容率(Temperature andthickness dependent permittivity of(Ba，Sr)TiO3 thin films)”，Applied Physics Letters，Vol.81，Nr2，pp.340-342，2002中公开的材料。

当以薄膜形式制造时，(Ba，Sr)TiO3材料的介电常数大约为几百，如图3所示，该图示出了对于六个薄膜厚度的介电常数(电容率)作为温度的函数，已经在上文引用的Parker等人的论文中公开。

最大电容率典型地发生在0℃以下并且在适用于应用的温度范围内，根据本发明方法的要求，介电常数(相对电容率)随着温度减小。

这里，对示例使用了300nm厚度的电介质层和最大值右侧的曲线部分。

如果将介电常数-温度的依赖性代入为等式(7)，并且其它参数设置为实际值并进行优化，则可以找到k_m和k_e对温度的斜率匹配。

图4示出了作为温度函数的机械和电气弹簧的斜率。两条曲线之间的差值是有效弹簧刚度，该有效弹簧刚度很少依赖于温度。因此，在恒定偏置电压V_dc下的电弹簧对温度的变化与机械弹簧刚度的变化匹配，导致有效弹簧刚度具有很小的温度依赖性。

在该计算式中，对于图2A到2F的积分电容器使用了下述参数：

V_dc＝2V，A₁＝A₂＝2x10^-10m²，g₁＝30nm，g₂＝300nm，T₀＝300K，a₁＝-45ppm/K，a₂＝-0.056ppm/K²。

可以通过谐振器设计来调整机械弹簧k_m，使得在T₀下的k_m＝2150N/m，即为弯曲模式谐振器的实际值。

图5示出了在两种情况下的作为温度函数的最终谐振频率变化：进行补偿和没有补偿。在没有补偿的情况下，谐振频率的变化在100K范围上是2700ppm。在按照本示例中指定的方式进行补偿的情况下，所述变化可以在100K范围上减小到63ppm，即40倍以上。

实际上，由于结合了杨氏模量温度依赖性的非线性、介电常数的非线性以及等式(7)的非线性形式，所述补偿不是绝对的。从图5的轻微波浪曲线可以看出，在补偿之后总是剩余一些较小的残余温度依赖性。

为了改善补偿，可以充份利用斜率减少的高温度处的介电常数曲线的尾部。可以将补偿方案适应于特定的温度范围，所述特定的温度范围可以是与器件的期望应用中的工作温度范围相同。在以上示例中，可以在330-340K的温度范围(略高于正常应用范围)内提供受保证的补偿。通过对材料进行优化(通过略微不同的组合和制造条件)以将曲线偏移到较低温度范围(例如在小于220K而不是253K下出现最大值)，提供最优补偿性能的温度范围与适用于典型应用的温度范围相匹配。

在以上示例中，具有合适电介质材料的电容器用于无源地补偿温度漂移。

可选地，由PN结形成的电容器也可以用于与换能间隙串联连接以实现同样的目的。当反向偏置PN结时，其耗尽层宽度具有温度依赖性：耗尽层宽度随着温度增加，从而结电容随着温度减小。

这与使用上述电介质材料具有相同的趋势，并且可以用于温度漂移补偿。可以通过合适的PN结设计和施加的电压来调节电容的温度依赖性与弹簧软化效应之间的匹配。PN结设计应该使得通过PN结电容器的泄漏电流最小。

本发明的方法可以全部是无源的。可以在MEMS谐振器中嵌入补偿，因而不需要额外的电路和功率实现补偿。施加到PN结上的反向偏置电压也不会明显消耗功率。

本发明可以应用于任何谐振器电路，并对于MEMS振荡器电路特别感兴趣。这些器件期望能够替换高精度振动器中体积庞大且昂贵的石英晶体。这种振荡器广泛地用于记时和频率参考应用，例如实时时钟、移动电话中的RF模块、包括蓝牙模块的设备、USB模块以及其它数字和电信设备等。

在MEMS振荡器电路中，反馈系统提供了激励电压，并且反馈回路提供了等于或大于1的回路增益以及实质上为零的回路相位。这意味着在回路内部维持了与谐振器的物理谐振频率相同的振荡频率。

图6示意性示出了振荡器电路以及示出了具有相关联的激励电极62和检测电极64的谐振器60。反馈电路66控制施加到激励电极上的AC和DC电压以维持谐振振荡，并且使用检测电极作为输入，所述检测电极信号也可以用作振荡器的电输出。

反馈系统可以使用差分或单端信号。振荡器电路完全是常规的并且不会由于本发明对谐振器设计的应用该改变，因而没有详细示出。

还应注意到，在某些情况下，可以有利地完全去除真空间隙，并利用电介质材料(可以是固体或液体)将激励电极与谐振器本体之间的空间填满。电介质材料的机械性能合并到谐振器的共振模式形态中，并假设在体谐振器与电介质层之间存在紧密的声学匹配。另一种可能是使用具有非常低杨氏模量(低于10MPa)和高介电常数(ε_d＞10)的材料。因此，这种材料对谐振器机械性能的影响最小。

电介质材料和激励电极可以是谐振器本体的一部分，而不是如上所示的分离部件。也可以采用在间隙中填充固态非导电材料的情况，而不采用如上述示例所述的空气或真空间隙。在这种情况下，谐振频率还依赖于机械性能以及电介质材料和激励电极的几何形状。

填充谐振器的整个间隙的固态电介质可以是压电材料(有关该材料的等式不同)，但也可以是标准的电介质材料，例如氧化硅、氮化硅。在该固态间隙两端仍然产生静电力。然而，固态电介质的刚度使得谐振器更难移动，因而优选地用于相对较高频率的操作，这时振幅更小。

温度补偿对于固态间隙电介质来说非常有效，这是因为总静电力与间隙中电介质的介电常数成比例。

不考虑真空间隙g的等式更简单。在这种情况下：

k_e(T)＝(ε(T)/(ε(T₀))*k_e(T₀)

ε(T)是填充在激励电极与谐振器之间间隙的电介质固体的依赖于温度的介电常数。

因此，如果k_m(T)/k_m(T₀)＝ε(T)/ε(T₀)，则温度补偿工作地最好。

本领域的熟练技术人员在实践要求权利要求的本发明时可以根据对附图、说明书和所附权利要求的研究可以理解和实现对上述公开的实施例进行其他改变。在这些权利要求中，词语“包括”不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”也不排除多个的情况。在相互不同的从属权利要求中所记载的某些手段不代表不能有利地使用这些手段的组合。权利要求中的任何参考符号不应解释为限制其范围。

Claims (13)

1.一种MEMS谐振器，包括谐振器本体(12)和激励电极(16)，所述激励电极用于将谐振器驱动到谐振模式，其中激励电极(16)通过非导电间隙(g)与谐振器本体隔开，使得在激励电极与谐振器本体之间限定了间隙电容，

其中谐振器包括激励端子(16；23)，所述激励端子包括激励电极或者与激励电极串联电连接，向激励端子上施加激励电极信号，其中激励端子(16；23)与谐振器本体(12)之间的电容包括间隙电容以及包括第一电容器，该第一电容器的介电常数在谐振器的工作温度范围上对温度具有第一依赖性，在所述工作温度范围上，所述第一依赖性的符号等于谐振器本体(12)材料的杨氏模量对温度的依赖性的符号，

其中在所述工作温度范围上，机械弹簧刚度随温度的变化斜率实质上与电弹簧刚度随温度的变化斜率相等，以使所述机械弹簧刚度与所述电弹簧刚度之间的差异保持恒定。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述谐振器本体(12)的材料在工作温度范围上具有杨氏模量对温度的负斜率以及有效介电常数对温度的负斜率。

3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中进一步包括：电介质层(20)，所述电介质层(20)至少在定义间隙电容的非导电间隙(g)处应用于谐振器本体(12)或激励电极(16)上，所述电介质层(20)材料的有效介电常数在谐振器工作温度范围上对温度具有所述第一依赖性。

4.根据权利要求3所述的谐振器，其中所述电介质层(20)包围谐振器本体(12)或激励电极(16)。

5.根据权利要求3所述的谐振器，其中进一步包括第一电介质层(20)与第二电介质层(20)，第一电介质层(20)应用于谐振器本体(12)上，第二电介质层(20)应用于激励电极(16)上。

6.根据权利要求1或2所述的谐振器，其中所述激励端子与激励电极串联电连接，所述第一电容器串联在激励电极(16)与激励端子(23)之间，所述间隙电容和第一电容器串联在激励端子(23)与谐振器本体(12)之间。

7.根据权利要求6所述的谐振器，其中所述第一电容器包括电介质(2)，其介电常数在谐振器工作温度范围上具有对温度的所述第一依赖性。

8.根据权利要求1或2所述的谐振器，包括：串联在激励电极(16)与激励端子(23)之间的PN结，所述第一电容器为所述PN结的结电容，使得间隙电容与PN结的结电容串联在激励端子(23)和谐振器本体(12)之间，其中PN结的结电容的有效介电常数在谐振器工作温度范围上具有对温度的所述第一依赖性。

9.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述谐振器本体(12)包括硅。

10.根据权利要求1所述的谐振器，其中电弹簧刚度由下式定义：

$k_e=V_{\mathrm{dc}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g^3}$

其中V_dc是施加到激励端子上的激励电压的直流电平，g是有效间隙距离，A是间隙处的有效激励电极面积，以及ε₀是在激励端子与谐振器本体(12)之间的电容器电介质的有效电容率。

11.根据权利要求1所述的谐振器，其中在激励电极与谐振器本体之间的非导电间隙(g)由固态或液态电介质材料填充。

12.一种MEMS振动器，包括：

根据前述权利要求任一项所述的谐振器(60)，

检测装置(64)，用于检测谐振器质量块的振动并产生得自所述振动的电输出信号，以及

电反馈电路(66)，用于基于电输出信号控制施加到激励电极(62)的信号。

13.一种对MEMS谐振器输出的温度依赖性提供温度补偿的方法，其中所述谐振器包括：谐振器本体(12)和激励电极(16)，所述激励电极用于将谐振器驱动到谐振模式，其中激励电极(16)通过非导电间隙(g)与谐振器本体隔开，使得在激励电极(16)与谐振器本体(12)之间限定了间隙电容，

其中所述方法包括：

将激励电极信号施加到包括激励电极或与激励电极串联连接的激励端子(16；23)上，以及

在激励端子(16；23)与谐振器本体(12)之间提供第一电容器，该第一电容器的介电常数在谐振器的工作温度范围上具有对温度的依赖性，在所述工作温度范围上，所述依赖性的符号等于谐振器本体材料的杨氏模量对温度的依赖性的符号，

其中在所述工作温度范围上，机械弹簧刚度随温度的变化斜率实质上与电弹簧刚度随温度的变化斜率相等，以使所述机械弹簧刚度与所述电弹簧刚度之间的差异保持恒定。