CN107005224A - 温度补偿板谐振器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

温度补偿板谐振器
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。
目前，仅能获得少数实际可行的低TCF硅谐振器设计，WO 2012/110708和US8558643中公开了一些这样的设计。然而，需要新的和改进的实际可行的设计，其能够更好的控制TCF特性并同时实现高Q值。并且期望简单的结构和制造工艺。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在不同温度下具有高稳定工作频率的谐振器装置。具体地，其目的是提供一种具有低二阶TCF的谐振器。
本发明的另一个目的是提供一种具有低的一阶和二阶TCF的谐振器。
本发明提供一种微机电谐振器装置，其包括支撑结构和用n型掺杂剂掺杂到掺杂浓度并且能够以宽度-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，以及将宽度-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，特别是1.3*1020cm-3或更高的掺杂浓度，并且具有这样的形状，该形状与掺杂浓度结合，在宽度-延伸谐振模式中，在至少一个温度下提供12ppb/C2或更低(绝对值)的二阶频率温度系数(TCF2)。在本文后续会公开优选的形状。
优选地，上述至少一个温度包括室温(25℃)，其表示工业温度范围(-40...85℃)的大致中间值，对应于频率-温度曲线变化顶点的温度。12ppb/C2的二阶频率漂移对应于工业范围内约50ppm的总频率漂移。
特别地，至少在一个温度下，TCF2可以为6ppb/C2以下(绝对值)，甚至是3ppb/C2以下，分别对应于在工业范围内的25ppm和12ppm的总漂移。
更具体地，本发明的特征在于独立权利要求中所述的内容。
本发明具有显著的优点。最重要的是，本发明提供被动温度补偿谐振器。在所公开的掺杂浓度下，可以得到在宽度-延伸谐振模式下的二阶TCF为零或接近于零(即低于12ppb/C2)的谐振器。因此，谐振器在不同温度下具有高的二阶频率稳定性。
如稍后将描述的，本发明的实施方式使得一阶和二阶TCF同时被动归零。从实际的观点看，TCF2的被动归零更为关键，因为，相比线性行为，非线性频率-温度行为更加难以使用例如主动补偿电路来进行补偿。
本发明可以使用在实践中可以实现的n型掺杂浓度来实现。与具有不同材料性质的层叠在彼此顶部的不同层的超晶格结构相比，本发明的谐振器元件可以制造为单片单层元件，因此其制造是直接的。并且，所需的掺杂剂浓度小于实现超晶格所需的掺杂剂浓度。还可以避免谐振器周围复杂的主动温度补偿电路，因为谐振器固有地被设计成满足所需的频率稳定性水平。
从属权利要求涉及本发明的选定实施方式。
在特别优选的实施方式中，选择第一形状和掺杂浓度，使得谐振器装置在TCF2为6ppb/C2或更大(即在TCF曲线的顶点)的温度下的一阶频率温度系数(TCF1)为1ppm/C或更小。应该注意的是，尽管一阶和二级TCF可以在相当多的几何形状和掺杂浓度下分别归零，但它们的同时被动归零仅在某些几何形状和相对窄的参数范围内发生。关于TCF1和TCF2的同时归零的文献中没有具体的教导，但这是本实施方式的重点。
在一个实施方式中，使得TCF1和TCF2同时归零的谐振器板的形状的纵横比为1.1-1.6，特别是1.3-1.5。根据本发明，已经发现这些板在大于浓度阈值1.2*1020cm-3的n掺杂浓度下能够承载具有零TCF1和零TCF2的宽度-延伸谐振模式。纵横比也显著小于WO 2012/110708建议的用于一阶温度补偿的2或更大的比值。
根据一个实施方式，谐振器板的形状是矩形。矩形板的优选纵横比为1.3。
根据一个实施方式，谐振器板的形状是椭圆形。
根据一个实施方式，谐振器板具有以5度精度与半导体晶体的[100]方向一致的对称轴。典型地，与[100]方向平行的是谐振器板的纵向轴(例如，平行于矩形板长边的轴线)。使用这些板可以实现高品质因数。
根据一个实施方式，谐振器板包括基板，例如矩形或椭圆形基板，其纵横比为1.1-1.6，并且设置有一个或多个突起，例如从所述基板横向延伸的梁突起。突起可以相对于[100]方向以一定角度延伸。在一个实施方式中，基板适应于以宽度-延伸模式谐振，突起以弯曲、扭转或长度-延伸模式谐振。这些实施方式是本发明范围内的更复杂的谐振器几何形状的例子。
通过本发明，实现具有0.5ppm/C以下的TCF1和3ppb/C2以下的TCF2的谐振器装置是可能的。
根据一个实施方式，在125℃的温度范围内，其总温度漂移小于50ppm，该范围优选为大约25℃(该范围因此对应于常用的工业范围)。根据一个进一步的实施方式，该范围内的总温度漂移小于25ppm。
在一个优选的实施方式中，谐振器元件包括单片硅晶体。掺杂剂可以是，例如，磷、锑或砷。
根据一个实施方式，谐振器元件包括通过提拉法(Czochralski)生长的晶体，其中n型掺杂剂已经存在于晶体生长阶段中。根据另一个实施方式，谐振元件包括外延生长的晶体，其中n型掺杂剂已经存在于生长阶段。这些方法都实现了晶体的均匀掺杂。
硅基体用n型掺杂剂掺杂到至少1.2*1020cm-3的平均掺杂浓度，这不仅可以满足完全的一阶温度补偿，而且可以同时满足完全的二阶温度补偿。考虑到在实际设计中，例如驱动器，例如压电驱动器，其TCF1和TCF2值通常移向负方向，掺杂浓度通常需要更高，特别是1.25*1020cm-3或更大，由此硅晶体需要过掺杂(与理论估算值相比，忽略，如驱动器)，因此TCF1和TCF2大于零，并具有足够高的余量。
掺杂浓度在谐振器元件上基本上是均匀的，但是均匀性，特别是在硅晶片的深度方向上的均匀性，不是绝对必要的。然而优选的是，保持平均掺杂浓度大于上述阈值。
与本发明公开的实施方式组合使用的晶片优选为(100)取向的单晶硅晶片。
应当注意，谐振器装置的不同部分在实践中是声学耦合的，因此激发到谐振器的宽度-延伸模式可能不以纯形式存在。然而，谐振器中的宽度-延伸谐振占主导地位，即主要确定其机械运动和TCF特性。实际上，特别是在不同部分的相交区域，可能存在与理想行为的偏离，但是本发明涵盖了这些非理想谐振。即使不是以纯形式存在，本领域技术人员能够区分不同的模式。
定义
术语“谐振器板”是指纵横比小于5，特别是小于2的平面元件，并且能够以宽度-延伸模式谐振，即沿着板的最短尺寸重复地进行板延伸和收缩的模式。如本发明所公开的，对于大多数板的几何形状，最佳纵横比，也就是使TCF1和TCF2均归零的纵横比，小于1.5。例如在矩形板的情况下，最佳纵横比为1.3或约1.3。
术语“纵横比”是指谐振器的第一平面内尺寸与垂直于第一平面内尺寸的谐振器的第二平面内尺寸的最大可获得比。
术语“TCF特性”是指谐振器的频率-温度曲线的形状，特别是谐振器的谐振频率随温度的一阶和二阶变化的组合。当仅提及多元件谐振器的一部分时，如果该部分刚性地固定在连接该部分与其他部分的假想线上，术语TCF特性，指相似部分的TCF特性。
以数学公式表示，TCF1和TCF2的定义通过谐振器的温度依赖频率f的幂级数表达获得：
f(T)＝f0[1+TCF1×ΔT+TCF2×ΔT2]，
其中，ΔT＝T-T0是温度差，f0是参考温度T0时的频率(详见例如A.K.Samarao atal,“Passive TCF Compensation in high q silicon micromechanical resonators,”inIEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS 2010),Hong Kong,Jan.2010,pp.116-119)。如果没有另外说明，则使用T0＝25℃。
在本发明上下文中术语TCF1和/或TCF2的“归零”是指将TCF1和/或TCF2降低到低于某一预定水平或权利要求中规定的预定水平。除非上下文另有说明或清楚指出，给出的TCF1和TCF2值以及TCF1或TCF2的“降低”、“减少”和“增加”等术语是指它们的绝对值，即偏离零的值。然而应当注意，TCF1和TCF2均可以取负值(欠补偿)或正值(过补偿)。
术语“横向”和“平面内”是指谐振器的平面内的方向，即，通常与制造谐振器装置的晶片是共平面的。除非另有说明，术语谐振器的“形状”是指到谐振器平面内的形状。
元件的“主轴”是指元件的伸长和/或对称轴。例如，矩形或正方形的主轴取向于矩形或正方形的边的方向上，并与其对称轴重合。梁的主轴沿着梁的伸长方向。
谐振器的“悬挂”是指以使得其中的至少一部分能够以期望的谐振模式相对于支撑结构移动的方式设置谐振器。可以通过将谐振器的一部分直接或通过一个或多个锚固元件连接到支撑结构来实现悬挂，锚固元件通常是支撑结构和谐振器之间的窄桥。
即使没有明确说明，术语谐振模式的“节点”也覆盖了本领域公知的准节点。
晶体方向用括号表示，例如[100]。以这个符号表示，任何等同的方向是指：例如[100]等同于[010]或[001]。
本发明可以用于各种类型的振荡器、时钟和定时器单元，他们可以进一步形成电子装置，例如便携式电子装置，特别是无线装置的一部分。
接下来，参考附图更详细地讨论本发明的选定实施方式及其优点。
附图说明
图1A-1E示出了根据本发明的选定实施方式的谐振器几何形状。
图2A示出了在不同掺杂浓度下具有优化的横向纵横比的WE模式谐振器的总频率漂移-温度的曲线图。
图2B示出了通过最佳设计使线性TCF为零的WE谐振器的二阶TCF-掺杂浓度的曲线图。
图2C示出了作为掺杂浓度和谐振器的基部的平面内纵横比的函数的WE模式谐振器TCF1＝0和TCF2＝0时的曲线。
图2D示出了作为掺杂浓度n的函数的硅的弹性参数cij的温度系数的曲线图。
图2E示出了作为载流子浓度的函数的板边长在[100]取向上的拉梅(Lame)模式的测量的一阶和二阶TCF的曲线图。首先发现具有最高载流子浓度(n≥10e19cm-3)的两个数据点与本发明有关。
具体实施方式
图1示出了具有长度L和宽度W的矩形谐振器板10A。板10A的长边沿着硅晶体的[100]方向取向。在WE谐振模式中谐振器板10A的主变形方向是沿着板的宽度轴，以虚线箭头示出。优选地，变形相对于板10A的纵向轴线是对称的。
图1B示出了具有大致矩形形状但具有圆角的谐振器板10B。除此之外，谐振器类似于图lA所示的谐振器。
图1C示出了作为另一实施方式的椭圆形谐振器板10C。板的较长主轴具有长度L，较短主轴具有长度W。L和W的最佳值和比率可能与图1A和图lB不同。椭圆形板也可以以宽度-延伸模式，即沿着较短主轴的方向谐振。
图1D示出了具有八边形谐振器板10D的谐振器的另一个实施方式。
图1E示出了改进的矩形板谐振器10E。它设置有四个突起12E，它们随着基板宽度-延伸模式的谐振而弯曲地谐振。突起优选地是纵横比为5或更大的梁。突起可以相对于[100]晶体方向倾斜或平行于该方向。在实践中，这种复合板的谐振模式是复合模式，其中基板主要为WE模式，突起主要为弯曲模式。突起可以用于调谐谐振器的TCF特性和/或实现谐振器的节点锚固。
图1E仅示出了图1A-1D所示的基本几何形状的一个变形。所示的基板几何形状或任何其它基板几何形状中的任何一个均可以设置有一个或多个突起或其它延伸部以便调整其性能。通常，突起或延伸部以与基板不同的另一谐振模式为主，这里的术语纵横比是指以WE模式为主的基板的尺寸。
上述所有实施方式的板的对称轴均与[100]晶体方向平行。这是优选的例子，因为板相对于硅晶体保持对称，并且不会对板产生寄生谐振。因此，可以维持很高的谐振器的品质因数。然而，为了调节其谐振特性，板也可以在晶片的平面中，例如，相对于[100]方向旋转1-45度。
板10A-10D到支撑结构(未示出)的锚固优选地使用跨越在支撑结构和在板10A-10D的周边的谐振模式的一个或多个节点或准节点之间的锚固元件(未示出)。在所示的对称情况下，节点位于沿着板10A-10D的纵向尺寸的对称轴线与板的周边相交的点，例如在板10A、10B或10D的较短边的中间或板1C的纵向远端点处。
图2A示出了在三种不同的n掺杂浓度下，优化的SE/WE模式谐振器(矩形形状，纵横比为1到1.2和边长在[100]方向上)测量的总频率漂移Δf-温度T曲线，可以看出频率-温度曲线的开口曲率(即TCF2)随着掺杂水平的增加而降低。更详细地说，TCF2的变化如图2B所示。在这种最佳情况下，使用线性近似，可以估算出TCF2在大约1.2*1020cm-3处为零。假设当掺杂量大于11*1019cm-3时二阶TCF单调增长，同时线性TCF相对较慢地变小，在TCF1和TCF2为零的WE-SE连续分支上存在掺杂水平和单点(＝确定的纵横比)。
图2A表明，当掺杂浓度在本发明的范围内时，通过优化的几何形状可以实现在工业范围-40...+85℃内小于50ppm的总频率漂移。另一方面，使用图2B所示的数据进一步外推，可知小于25ppm的漂移是可行的。
图2C详细示出了当n掺杂浓度和纵横比L/W变化时，WE模式谐振器(图1A)的零TCF1和TCF2曲线。可以看出，TCF1和TCF2在约浓度为1.3*1020cm-3，纵横比为1.3时同时为零。这一定性结果证明了本发明的可行性。图2C代表了矩形硅掺杂谐振器元件的最佳状态。对于厚度为10μm、宽(W)为320μm、长度(L)变化的谐振器进行了模拟。具有较厚几何形状的模拟表明最佳纵横比漂移到略低值：当谐振器厚度增加到50μm时，最佳纵横比约为1.1。
在实践中，为了提供操作的驱动器而可能存在的附加材料在一定程度上改变了曲线的位置。例如，压电所需的金属电极和压电材料层使曲线向右手侧和下方移动。因此，曲线相交的TCF1＝TCF2＝0的点向着高浓度和高纵横比移动。对于宽度-延伸模式的板谐振器，在实践中的最佳点位于浓度1.2*1020cm-3或更高，特别是1.4*1020cm-3或更高，纵横比为1.2-1.5。
为了给出一些关于图2C的曲线是如何生成的进一步细节，图2D示出了作为载流子浓度n的函数的弹性参数cij的温度系数。第一、第二和第三列分别表示在T＝25℃时的常数项c0 ij，线性系数aij和二阶系数bij。c0 11-12，a11-12和b11-12是系数c11-c12的简写。相关系数a12很容易评价为a12＝(a11c0 11-a11-12c0 11-12)/c0 12，类似的方程适用于b12。载流子浓度低于7.5*1019cm-3的数据点表示文献中的数据(Jaakkola et al,“Determination of doping andtemperature dependent elastic constants of degenerately doped silicon fromMEMS resonators”,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,andFrequency Control.IEEE.Vol.61(2014)No:7,1063-1074)。载流子浓度为10*1019cm-3和11*1019cm-3的一阶和二阶系数a11-12和b11-12的数据点也用圆圈表示；这些数据点基于申请人最近的测量结果，示于图2E中，并且重要地显示了符合始于低于5*1019cm-3的掺杂剂浓度的正斜率的b11-12的值的性质。在生成图2C的结果的计算中，使用了图2D中虚线所表示的内插/外推值。
载流子浓度为0<n<7.5*1019cm-3处的拟合是基于对图中所示的所有九项在载流子浓度为0<n<7.5*1019cm-3时的数据点的三阶多项式拟合。a11-12和b11-12在载流子浓度n＞＝7.5*1019cm-3的拟合是基于对该范围可用的三个数据点的线性拟合。对于除了a11-12和b11-12之外的其他项，假定其值保持在与n＝7.5*1019cm-3的实验数据相同的水平。因此，对于这些情况，虚线在n>7.5*1019cm-3处是水平的。进行这种选择的原因是在载流子浓度大于7.5*1019cm-3时，对于除了a11-12和b11-12之外的其他项，没有实验数据存在。因此，不能期待图3C-3F的结果在数值上是完全准确的，但是它们证明了TCF1和TCF2可以同时归零的最佳配置的存在。此外，由于对本发明中讨论的谐振模式的温度系数作出贡献的主要项是a11-12和b11-12，因此有理由假定图2C的预测是相当合理的。
图2E示出了Lame模式谐振器测量的实验数据，其与[100]晶体方向一致，因而其模态频率仅取决于弹性参数差别项c11-c12。掺杂浓度n<7.5*1019cm-3的数据点来自文献(Jaakkola et al,“Determination of doping and temperature dependent elasticconstants of degenerately doped silicon from MEMS resonators”,IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control.IEEE.Vol.61(2014)No:7,1063-1074)，但是以前没有公开掺杂浓度最高的两个数据点。基于上述实验数据，可以预期，[100]一致的Lame模式谐振器的2阶TCF在更高的掺杂剂水平下获得更高的正值。正如图2D中假定的一样，其中b11-12的行为已经被外推。
应当理解，本发明覆盖了谐振器的大量不同谐振频率、掺杂浓度、几何形状(包括形状、厚度和取向)，附图或本说明书中仅举例说明了其中的一些。常见的谐振器能够以WE模式谐振，具有相对高的n掺杂浓度和宽的温度稳定的工作频率范围。应当注意的是，不可能详细地涵盖所有可能的参数组合，而通过本发明公开的原理，本领域技术人员能够找到适合他需要的参数组合。
除了n型掺杂剂之外，谐振器中还可能存在p型掺杂剂。例如，在晶体中可以是均匀的p型本底掺杂。
本发明微机械谐振器的驱动器可以是，例如，压电驱动器或静电驱动器，或者适用于激发本身已知的谐振模式的任何其它驱动器。根据一个实施方式，驱动器包括位于谐振元件顶部的压电驱动器。压电驱动器可以包括，例如，氮化铝(AlN)层和钼电极。在沿着对称轴对称的构造中，两个或多个驱动器也可以相对于该轴对称放置，以便保持谐振器装置的对称性。对于本领域技术人员而言，压电和静电驱动器本身是公知的，并且适用于本发明的谐振器设计，因此未在本发明中详细讨论。

Claims (16)

1.一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至少部分地以宽度-延伸谐振模式谐振的半导体谐振器板，
将所述谐振器板悬挂在所述支撑结构上的至少一个锚固件，
将所述宽度-延伸谐振模式激发到所述谐振器板中的驱动器，
其特征在于，所述谐振器板被掺杂到1.2*1020cm-3或更大的掺杂浓度，并具有这样的形状，所述形状与所述掺杂浓度结合在所述宽度-延伸谐振模式中使得在至少一个温度下二阶频率温度系数(TCF2)为12ppb/C2或更小。
2.根据权利要求1所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状的纵横比为1.1-1.6，特别是1.3-1.5。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状的纵横比大于1.3，所述谐振器板设置有形成所述驱动器的一部分的压电薄膜。
4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状为矩形。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状是椭圆形。
6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状和掺杂浓度使得在所述至少一个温度下所述谐振器装置的一阶频率温度系数(TCF1)为1ppm/C或以下。
7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状是非正方形和非圆形，并且纵横比为2或更小。
8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板具有以5度的精度与半导体晶体的[100]方向一致的对称轴。
9.根据权利要求8所述的谐振器装置，其特征在于，所述对称轴与所述谐振器板的纵向轴重合。
10.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板包括基板，例如矩形或椭圆形的基板，其纵横比为1.2-1.6，并且其中设置有一个或多个突起，例如从所述基板横向延伸的梁突起。
11.根据权利要求10所述的谐振器装置，其特征在于，所述基板适应于以所述宽度-延伸模式谐振，所述突起以弯曲、扭转或长度-延伸模式谐振。
12.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述板谐振器被掺杂到1.25*1020cm-3或更大的掺杂浓度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状和掺杂浓度使得在所述至少一个温度下的二阶频率温度系数(TCF2)为6ppb/C2或更小，特别是3ppb/C2或更小。
14.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述谐振器板的形状和掺杂浓度使得在所述至少一个温度下所述谐振器装置的一阶频率温度系数(TCF1)为0.5ppm/C或更小，二阶频率温度系数(TCF2)为3ppb/C2或更小。
15.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，在125℃的温度范围内，例如-40℃至85℃，其频率的总温度漂移小于50ppm。
16.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置，其特征在于，所述驱动器包括与所述谐振器板声学耦合的压电驱动器。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111052605A (zh) * 2017-09-05 2020-04-21 京瓷帝基廷公司 炉控频率基准振荡器及其制作方法

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9695036B1 (en) 2012-02-02 2017-07-04 Sitime Corporation Temperature insensitive resonant elements and oscillators and methods of designing and manufacturing same
US9705470B1 (en) * 2014-02-09 2017-07-11 Sitime Corporation Temperature-engineered MEMS resonator
US9712128B2 (en) 2014-02-09 2017-07-18 Sitime Corporation Microelectromechanical resonator
CN107005223B (zh) * 2014-10-03 2021-06-04 芬兰国家技术研究中心股份公司 温度补偿梁谐振器
JP6615191B2 (ja) * 2014-10-03 2019-12-04 テクノロギアン トゥトキムスケスクス ヴェーテーテー オイ 温度補償された複合共振器
US10571437B2 (en) 2015-12-15 2020-02-25 Qorvo Us, Inc. Temperature compensation and operational configuration for bulk acoustic wave resonator devices
FI127787B (en) * 2016-07-01 2019-02-28 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Micromechanical resonator
US10676349B1 (en) 2016-08-12 2020-06-09 Sitime Corporation MEMS resonator
US10476476B2 (en) * 2016-12-15 2019-11-12 Murata Manufacturing Co., Ltd. MEMS resonator with suppressed spurious modes
FI128195B (en) 2017-09-05 2019-12-13 Tikitin Oy Frequency reference oscillator device and method for stabilizing a frequency reference signal
US11824511B2 (en) 2018-03-21 2023-11-21 Qorvo Us, Inc. Method for manufacturing piezoelectric bulk layers with tilted c-axis orientation
US11821872B2 (en) * 2019-07-19 2023-11-21 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Acoustoelectric amplification in resonant piezoelectric-semiconductor cavities
US10958235B2 (en) * 2019-08-21 2021-03-23 Murata Manufacturing Co., Ltd. Thickness mode resonator
US11401601B2 (en) 2019-09-13 2022-08-02 Qorvo Us, Inc. Piezoelectric bulk layers with tilted c-axis orientation and methods for making the same
US20230131902A1 (en) * 2021-10-26 2023-04-27 Stathera Ip Holdings Inc. Microelectromechanical Devices For Higher Order Passive Temperature Compensation and Methods of Designing Thereof
US20230264946A1 (en) * 2022-02-21 2023-08-24 Stathera Ip Holdings Inc. Ultra-High Frequency MEMS Resonators with First and Second Order Temperature-Induced Frequency Drift Compensation
US11811237B1 (en) 2022-07-06 2023-11-07 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. System and method for radio frequency power sensing and scavenging based on phonon-electron coupling in acoustic waveguides

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050062560A1 (en) * 2003-08-20 2005-03-24 Seiko Epson Corporation Surface acoustic wave device and method of manufacturing same
CN102334290A (zh) * 2009-03-04 2012-01-25 株式会社村田制作所 表面声波元件及其制造方法
US20130187724A1 (en) * 2010-08-13 2013-07-25 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Micromechanical resonator and method for manufacturing thereof
CN103444079A (zh) * 2011-02-17 2013-12-11 Vtt科技研究中心 新颖微机械装置
CN103534943A (zh) * 2012-01-18 2014-01-22 三星电子株式会社 体声波谐振器
CN103650343A (zh) * 2011-05-13 2014-03-19 芬兰国家技术研究中心 微机械装置及其设计方法
CN103650344A (zh) * 2011-07-15 2014-03-19 国际商业机器公司 具有平面势垒层的saw滤波器及其制造方法
CN103858342A (zh) * 2011-12-08 2014-06-11 三星电子株式会社 体声波谐振器及其制造方法以及使用体声波谐振器的射频装置
WO2014129979A1 (en) * 2013-02-22 2014-08-28 Agency For Science, Technology And Research Surface acoustic wave device

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2521782A1 (fr) * 1982-02-16 1983-08-19 Centre Electron Horloger Resonateur piezoelectrique encastrable
US4900971A (en) * 1988-03-10 1990-02-13 Seiko Electronic Components Ltd. Face shear mode quartz crystal resonator
JP3139233B2 (ja) * 1992-08-11 2001-02-26 株式会社村田製作所 圧電共振子及び圧電フィルタ
FI124453B (fi) * 2010-08-13 2014-09-15 Valtion Teknillinen Mikromekaaninen resonaattorijärjestelmä ja menetelmä sen valmistamiseksi
US8916407B1 (en) * 2012-03-29 2014-12-23 Sitime Corporation MEMS device and method of manufacturing same
SG11201501005YA (en) * 2012-09-13 2015-05-28 Murata Manufacturing Co Vibrating device and manufacturing method therefor
CN105229923B (zh) * 2013-05-20 2018-01-26 株式会社村田制作所 改进的微机电共振器
JP6132022B2 (ja) * 2013-08-21 2017-05-24 株式会社村田製作所 圧電共振子及びその製造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050062560A1 (en) * 2003-08-20 2005-03-24 Seiko Epson Corporation Surface acoustic wave device and method of manufacturing same
CN102334290A (zh) * 2009-03-04 2012-01-25 株式会社村田制作所 表面声波元件及其制造方法
US20130187724A1 (en) * 2010-08-13 2013-07-25 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Micromechanical resonator and method for manufacturing thereof
CN103444079A (zh) * 2011-02-17 2013-12-11 Vtt科技研究中心 新颖微机械装置
CN103650343A (zh) * 2011-05-13 2014-03-19 芬兰国家技术研究中心 微机械装置及其设计方法
CN103650344A (zh) * 2011-07-15 2014-03-19 国际商业机器公司 具有平面势垒层的saw滤波器及其制造方法
CN103858342A (zh) * 2011-12-08 2014-06-11 三星电子株式会社 体声波谐振器及其制造方法以及使用体声波谐振器的射频装置
CN103534943A (zh) * 2012-01-18 2014-01-22 三星电子株式会社 体声波谐振器
WO2014129979A1 (en) * 2013-02-22 2014-08-28 Agency For Science, Technology And Research Surface acoustic wave device

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANTTI JAAKKOLA等: "Determination of Doping and Temperature Dependent Elastic Constants of Degenerately Doped Silicon from MEMS Resonators", 《IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL》 *
张涛: "《压电薄膜材料与器件制备技术》", 30 September 2012, 西北工业大学出版社 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111052605A (zh) * 2017-09-05 2020-04-21 京瓷帝基廷公司 炉控频率基准振荡器及其制作方法
CN111052605B (zh) * 2017-09-05 2024-01-16 京瓷帝基廷公司 炉控频率基准振荡器及其制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9837981B2 (en) 2017-12-05
JP6567661B2 (ja) 2019-08-28
EP3202035A1 (en) 2017-08-09
EP3202035B1 (en) 2019-04-10
CN107005224B (zh) 2021-06-15
US20160099704A1 (en) 2016-04-07
JP2017531949A (ja) 2017-10-26
WO2016051025A1 (en) 2016-04-07

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