CN108093679A - 微机电谐振器 - Google Patents

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Abstract

在具有基板和可移动微机械构件的MEMS装置中，机械结构将可移动微机械构件固定到基板，将可移动微机械构件与基板热隔离，并提供传导路径以使得可移动微机械构件能够加热到至少300摄氏度的温度。

Description

微机电谐振器
相关申请交叉参考
本申请要求以下美国专利申请的优先权并通过引证并入本文：2015年6月19日提交的临时申请No.62/181,767以及2015年6月23日提交的临时申请No.62/183,689的优先权。本申请通过引证将以下美国专利申请中的每一个并入本文：2014年2月9日提交的临时申请No.61/937,601以及2015年2月9日提交的非临时申请No.14/617,753。
技术领域
本文的公开涉及微机电系统(MEMS)领域，并且更具体地涉及谐振MEMS结构。
附图说明
在附图中通过示例而非限制的方式示出了在此公开的各种实施例，并且其中：
图1A-图1C示出了具有至少两个简并掺杂硅层的示例性压电致动MEMS谐振器的各种物理、电和TCF工程方面；
图2A示出了频率(TCF)的正/负一阶和二阶温度系数(TCF)的示例，并且还示出了正和负0阶TCF(即，与温度无关的频率偏移)。
图2B-图2E示出了由允许控制频率的一阶和更高阶谐振器温度系数的一种或多种材料组成的谐振结构的实施例；
图2F示出了具有简并掺杂半导体层的谐振器的实施例，其中掺杂剂浓度和/或类型在谐振器本体两端是不均匀的；
图2G示出了具有期望特性的局部沉积或图案化材料的谐振器中或谐振器上具有区域的谐振器的实施例；
图2H示出了图2B-图2G的共振器实施例和本文公开的其它实施例中的工程TCF的示例；
图2I示出了图2E的谐振器实施例，其中导电层被制造得足够薄以使其对复合结构的TCF的贡献可忽略不计；
图2J示出了MEMS谐振器的实施例，该谐振器具有与氮化铝层叠的简并掺杂的单晶硅以及夹置在顶部和底部电极之间的那两层；
图3示出了MEMS系统的一个实施例，其中谐振器共同制造在具有温度敏感元件和加热器的单个基板上(在备选实施例中，温度敏感元件和/或加热器可以可选地被排除)；
图4A-图4I示出了MEMS系统的实施例，其中温度稳定的MEMS谐振器与附加的主动温度补偿组合，以提高温度上的频率稳定性；
图5A示出了与主动温度补偿系统的一个或多个部件集成的简并掺杂硅MEMS谐振器的实施例；
图5B示出了图5A的实施例中的温度补偿操作的示例；
图6示出了用于将温度传感器集成在具有双硅谐振器的振荡器系统内的各种选项；
图7示出了用于在同一SOI基板的相邻区域内制造MEMS热敏电阻和双硅MEMS谐振器的示例性过程；
图8示出了具有作为谐振器结构的一部分的附加的轻掺杂(或未掺杂)单晶硅热敏电阻层的双硅谐振器内的示例性互连布置；
图9A示出了具有结合图1A-图5B描述的一个或多个特征的简并掺杂半导体(DDS)谐振器的实施例；
图9B示出了图9A的DDS谐振器的示例性有限元模型；
图10A-图10I示出了双硅谐振器形状和设计的非穷尽性示例；
图11A和图11B示出了具有一个或多个金属层或硅化物的双硅谐振器实施例，以改善电极导电性和/或用作种子床，以改善内部压电层的材料结构化；
图12A和12B示出了具有图1A中所示的三层以及附加金属层的备选材料堆叠；
图13A和图13B示出了避免表面张力不平衡和所导致的结构翘曲的对称双硅材料堆叠的实施例；
图14示出了可使用本文公开的各种技术和电路配置来加热或过热的微机电系统(MEMS)内的示例性微机械构件(或结构)；
图15A示出了具有DDS谐振器以及允许产生时间焦耳加热的结构互连的示例性MEMS装置的轮廓图；
图15B示出封装后焦耳加热MEMS实施例，其中导电通孔延伸穿过气密封装盖布置，以与导电锚定结构电接触；
图15C示出了备选实施例，其中导电通孔延伸穿过器件基板(例如，本体半导体)以使得焦耳加热电流能够流过DDS谐振器；
图16A-图16C示出了多功能系绳结构的实施例，分别示出了本体系绳(tether)、复合系绳和扩展路径系绳的示例；
图16D示出了通过经由锚定器和折叠系绳使DC或AC焦耳加热电流通过可移动的微机械元件而实现的示例性热曲线；
图17示出了另一焦耳加热MEMS实施例，其中提供相应对“柔性”系绳，以将焦耳加热电流传导到可移动微机械构件，每个这样的系绳对由此形成专用加热端口；
图18A和图18B示出了示例性电容耦合加热布置，其中充当驱动和/或感测电极的电极与在可移动微机械元件内驱动AC焦耳加热电流的射频(RF)能量输入一样；
图19A示出了焦耳加热实施例，其中能量被传导地或电容地供应到多层MEMS谐振器的相应层；
图19B示出了备选加热布置，其中焦耳加热主要源于双硅谐振器的图案化电极层内；
图20示出了另一实施例，其中RF能量源被耦合在如图19A所示的可移动微机械构件的外层两端；
图21示出了具有MEMS管芯(例如，其上形成有可移动微机械构件)和控制管芯的封装或芯片级MEMS封装；
图22示出了可用于实现图22的可编程加热控制电路的可编程加热控制器的实施例；
图23示出了其中外部加热控制器内的多个加热功率驱动器可以被耦合到相应的单个化或晶圆上的MEMS器件的布置；
图24A示出了可以在图22和图23的外部或原位加热控制器或任何其他可行的加热源内产生的示例性加热功率曲线，以及在可移动的微机械构件内产生的示例性温度。
图24B示出了可以应用于实现受控MEMS结构冷却和/或加热的示例性功率脉冲波形整形。
图25示出封装的MEMS器件的示例性处理，其中执行烘箱回流操作以将形成加热端口的两个单独的端子合并到单个操作控制端子中；
图26示出了具有两个前侧端子以及一个后侧端子(为了实现焦耳加热/过热)的封装MEMS装置内的示例性加热端口布置；以及
图27A和图27B分别示出了分别在加热/过热和运行时操作期间对应于图26的封装MEMS装置的示例性电路模型。
图28A和图28B示出了封装级硅通孔(TSV)和压电致动谐振器电极之间的示例性电互连，其使得封装级端子互连(即，在随后的封装步骤期间)和封装后的MEMS谐振器的焦耳加热；
图29A和图29B示出了备选的端子减少方法，其中三个或更多个封装级端子在封装壳体内进行包围之前合并，以仅露出两个电独立的封装级端子；
图30示出了经由激光束加热MEMS谐振器，其优选地被DDS相对于作为气密封装的一部分的盖和基板吸收；
图32A示出了在加热周期期间DDS中的电活性掺杂剂浓度的变化作为温度的函数；以及
图31B示出了电活性掺杂剂浓度的冷却速率依赖性；
图32A示出了伴随着电活性掺杂剂浓度的增加的室温谐振频率的降低；以及
图32B示出了加热周期(其后快速冷却谐振器)的时间和温度两者上的含DDS的MEMS谐振器的室温谐振频率的依赖性；以及
图33示出了施加到MEMS谐振器的加热脉冲的序列以及每个周期期间MEMS结构的对应平均温度，以及在每个加热脉冲之后在室温或接近室温处所得的MEMS谐振器本征模式之一的谐振频率；
图34描述了以自动闭环方式在一个或多个温度下修整MEMS结构的一个或多个谐振模式的频率的算法；
图35示出了示例性频率休整结果，其中热功率和/或时间在一系列加热脉冲迭代中增加，直到室温频率在目标频率附近的可接受容差内；
图36示出了示例性的频率调整结果，其中加热功率在三次迭代之后减小以利用温度激活的频率调谐的可逆性质，以在初始超调频率修整目标之后增加谐振频率；
图37A示出了具有两个感兴趣的振动模式(模式1和模式2)的MEMS结构，在该具体示例中的盘环陀螺仪；以及
图37B示出了图37A的MEMS结构周围的电极阵列，除了可能在正常器件操作期间被使用之外，还用于电容耦合的焦耳加热；以及
图37C示出了施加到电极的子集的射频(RF)输入，使得MEMS结构被非均匀地加热，以优先调谐图37A的MEMS结构的模式1的频率；以及
图37D示出了施加到电极的不同子集以优先调整图37A的MEMS结构的模式2的频率以获得两种模式之间的期望频率关系的RF输入；
图38示出了基于加热端子子集的激活的类似MEMS结构的两个模式之间的频率关系的调整，除了焦耳加热通过直接耦合到结构的端子来实现之外，还允许直流加热电流的可能性。
具体实施方式
由具有一个或多个简并掺杂硅层和压电材料层的材料堆叠形成的温度稳定的耐磨损谐振器在本文的各种实施例中公开。在多个实施方式中，压电材料层(“压电层”)夹置在简并掺杂的单晶硅“芯(核)”层和简并掺杂的多晶层之间，这些外部硅层用作传导去往/来自压电层的驱动/感测信号的电极，以消除传统的金属电极层及其不期望的老化特性(例如随时间的磨损硬化)。此外，如下面更详细描述的，层厚度比率、单晶层(至少)的晶体学取向、模式成形和/或简并掺杂剂浓度/类型可以被设计为在至少一阶(线性)和二阶(抛物线型)的作为整体的材料堆叠的频率温度系数(TCF)基本上为零，例如压电层的固有抛物线TCF基本上被在简并掺杂的单晶硅层内部设计的反极性抛物线TCF抵消。因此，除了作为感测/驱动电极和谐振器本体层的服务双重任务之外，简并掺杂的单晶硅层提供工程“旋钮”，以产生具有温度稳定的谐振频率(例如零或接近零的组合的TCF)在期望的操作温度范围(例如，-40℃至+85℃)下进行。类似地，简并掺杂的多晶硅层用作耐磨电极(因此可以与压电层一起作为感测/驱动部件的一部分被观察)，并且还可以实现多个TCF工程的程度。在其他实施例中，提供一个或多个原位温度感测元件(例如，在谐振器封装、封装腔室内或者甚至在谐振器结构本身内实现)以实现温度调整的频率拉伸和/或后谐振器输出频率调整，以进一步将净谐振器TCF(即，一阶、二阶、...、n阶TCF之和)平坦化和/或补偿老化影响甚至允许运行时频率调整(例如，通过使闭环加热达到利用第0阶TCF的期望操作温度)。下面将更详细地描述这些和其他特征和实施例。
图1A-图1C示出了具有至少两个简并掺杂硅层的示例性压电致动MEMS谐振器100的各种物理、电和TCF工程方面，在本文中被称为“双硅”谐振器。首先参考图1A，横截面A-A'中所示的材料的物理堆叠包括简并掺杂(DD)单晶硅(SC Si)芯、压电层(电介质)和简并掺杂多晶硅(DD多晶硅)层。外硅层内的掺杂剂浓度足够高(例如，大于1E18原子/cm3，1E19原子/cm3，1E20原子/cm3，2E20原子/cm3或可能更高)，从而实现低损耗电导率，使得硅层能够用作用于在压电层上建立随时间变化的压电致动电压的电极，从而避免更趋于随着时间的推移硬化并且不希望地使谐振器频率偏移的更传统的金属层。在所示的特定实施例中，由多晶硅层和单晶硅层分别实现的顶部电极和底部电极(具有“顶部”和“底部”)作为结构可以被翻转或以其他方式重新定位，使用等)通过机械系绳和锚定结构电耦合到外部封装触点，以使谐振器能够接收压电致动“驱动”信号(Vsustain)，并且能够外部感测指示谐振结构的机械运动的压电输出信号(Vsense)。如图所示，谐振器材料叠层可以通过耦合以经由低损耗传导路径来驱动和感测节点的平板电容(压电层)来电模拟。
图1B示出了更详细的穿过双硅谐振器的锚定件、系绳和本体的示例性横截面。如图所示，压电层由氮化铝膜(AlN)实现，氮化铝膜与两个简并掺杂的硅层一起延伸穿过系绳和锚定件。尽管被描绘为不相交的元件，但是系绳、锚定件和谐振器本体彼此物理耦合，系绳用作弹簧状结构，以允许以其他方式从其释放的谐振器(“可移动微机械构件”)的机械运动相对于周围的场区域和下面的基板或绝缘体层悬置(可以备选地或附加地设置在谐振器本体下面的锚定件和系绳结构)。因此，可以通过锚定件和系绳形成传导路径，以在氮化铝压电层上产生静电位，从而致动谐振器，引起其在一个或多个机械谐振模式(例如，在平面内或平面外的拉伸、呼吸、跛行、弯曲、体声、或任何其他可行的MEMS谐振模式)。可以使用各种备选材料来实现图1B的实施例中的压电层，并且本文公开的所有其它材料包括例如但不限于氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(Pb[ZrxTi1-x]O3≤x≤1)、铌酸锂(LiNbO3)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化钪铝(ScAIN)、石英(SiO4)等。
就TCF工程而言，简并掺杂的单晶硅将至少两个权限/控制权纳入单层：晶体取向和掺杂剂浓度。对于在高度掺杂的单晶硅上沉积压电薄膜提供额外的权限。特别地，简并掺杂的单晶硅层和氮化铝压电层(‘x/y’)的厚度比可以被选择为在这两个层中产生基本上匹配但相反符号的二阶TCF，由此消除或显著衰减它们对净谐振器TCF的组合抛物线贡献，并且还对三阶谐振器TCF提供一些控制(权限)。多晶硅膜中优选的晶体取向也可能影响一阶和二阶TCF。因此，如图1C所示，可以通过改变特定掺杂浓度的简并掺杂单晶硅层的晶体取向、掺杂剂类型和层厚度、氮化铝层厚度和/或特定掺杂浓度的简并掺杂多晶硅层厚度来设计(控制)图1A和1B的双硅压电驱动谐振器的至少一阶和二阶TCF。在多个实施例中，例如，各种TCF顺序被设计成在期望的操作范围(例如-40℃至85℃)内产生基本为零的净TCF(例如，在50ppm、20ppm、10ppm或更少的目标内的频率)。更一般地，这样的多阶补偿谐振器(即，不仅使一阶TCF，而且还使二次和可能的三阶以及更高阶的TCF项趋于零)可以被设计为：
●无效或以其他方式衰减(例如，归零，基本为零或以其他方式可忽略的水平)第一、第二、第三和第四阶TCF项或其中任何两个。
●显示线性TCF的非零值，特别选择部分或全部补偿(或取消或抵消)立方TCF，从而降低特定温度范围内的绝对频率变化。
●以与温度相关的频率(即具有发生局部最小或最大频率的温度)呈现一个或多个局部极值，也称为“转换温度”。
●在标称操作温度下出现翻转。
另外，在偏离累积施加材料层以补偿相应TCF项(例如，一个或多个材料层以补偿一阶TCF，一个或多个其他材料层以补偿二阶TCF等)的TCF补偿方案的情况下，本文公开的温度设计的谐振结构的实施例包括半导体层或区域，该半导体层或区域被设计为自身补偿线性TCF和一个或多个更高阶的TCF，并因此能够构建“短堆叠”MEMS谐振器(由相对于每TCF实现的层数减少的材料层组成)。例如，通过使谐振器几何形状的取向相对于下面的晶轴旋转来调节由诸如单晶硅的各向异性简并掺杂半导体(DDS)制造的谐振器的线性TCF。作为利用各向异性简并掺杂半导体的第二示例，通过改变谐振器的几何形状和/或模式形状来调谐谐振器的线性TCF。作为另一示例，在多个实施例中，半导体材料被掺杂到足够高的浓度，使得由该材料构成的谐振器的二阶TCF的极性(即，二次TCF的正负号)相对于(例如，产生正二次TCF，与在较低掺杂剂浓度下显示的负二次TCF相比)由谐振器的较轻掺杂版本构造的谐振器的二阶TCF。反极性二次TCF可以用于在给定的温度范围内部分地或全部地消除复合谐振器实施例中的一个或多个其他材料(例如，具有与简并掺杂的半导体材料相反的二次TCF极性的压电材料)的二次TCF，从而产生具有降低的二次TCF幅度的谐振器。如所解释的，具有设计的线性和更高阶的TCF的谐振结构可以仅由简并掺杂的半导体制造，或者可以在复合谐振结构内布置简并掺杂的半导体以实现设计的温度稳定性。例如，下面公开了适用于压电微机械谐振器的复合结构，并且解决了频率稳定性随温度的变化以及线性和更高阶TCF的工程设计的问题。如所讨论的，这样的复合结构提供高品质因数，低温度滞后、低频率老化、与批量微制造方法的兼容性、小形状因子、对冲击和振动的不敏感性以及其他期望的特征。
如本文所述的谐振结构可全部或部分由简并掺杂的单晶或多晶半导体(例如，硅、锗、金刚石、碳、碳化硅、诸如硅锗的化合物半导体等)或使用这样的半导体的集合来制造。纯和轻掺杂的半导体是低温下的绝缘材料。当半导体掺杂特定杂质原子时，高于一些掺杂浓度，即使在低温下(例如，对于单晶硅，接近0开尔文)，半导体也将表现出金属性或高导电性。这种半导体被称为是“简并掺杂”的。例如，在单晶硅中，这可能在4E18原子/cm3以上的磷掺杂水平下发生。更一般地说，简并的开始随半导体和掺杂剂而变化。除了电导率的变化之外，半导体的各种材料性质随着掺杂水平以及各种材料性质的温度依赖性而变化。特别地，用简并掺杂的半导体制造的谐振器可以表现出与用更轻度掺杂版本的半导体材料构造的类似谐振器显著不同的TCF。在一些情况下，甚至可以通过改变用作谐振器中的结构材料的半导体的掺杂水平来颠倒一个或多个TCF的符号(或极性)。在多个谐振器实施例中利用这些温度依赖性变化来实现温度系数的复杂的、有针对性的工程设计。
在本文公开的谐振复合结构的具体实施例中，两种构成材料是简并掺杂半导体(DDS)和压电材料。这种复合结构(DDS谐振器的一个示例)可以被设计为同时获得特定谐振模式的两个或更多个TCF的目标值或数值范围。在一个实施例中，例如，复合结构由简并掺杂的硅(半导体)和氮化铝(压电材料-其他可以如上所述地使用)构建并且被设计成使得一阶和二阶TCF整个结构(即，线性和二次TCF)的特定共振模式都在从零开始的规定公差内，因此产生温度不敏感的共振器或温度补偿共振器。
除了两种主要构成材料之外，复合结构中还可以存在附加材料。具体地，也可以包括另一种导电材料，例如金属或另一种半导体层(其也可以被简并掺杂)以用作附加电极(如下所述，DDS层可以用作复合结构内的另一电极)。合适的电极材料的示例包括但不限于重掺杂硅、硅化物、钨、钼、钛或铝。术语“电极”在本文中用于意指但不限于用于建立电能转换为机械能或机械能转换为电能的电场的导电材料。应注意，作为电极施加的层也可以用于其它功能，例如但不限于压阻功能、加热功能等。
本文公开的实施例通过工程设计多个参数或设计结构的自由度来降低对温度的敏感度来解决许多或所有上述问题，同时提供用于某些结构的压电耦合、高品质因数、低谐振器性能、低老化程度、批量微制造兼容性、外形小巧、对冲击和振动不敏感等。
对于机械谐振器，固有频率主要由构成谐振器的材料的质量密度和刚度来确定。由于环境温度变化引起的材料刚度变化是谐振器设计和制造中的主要问题，因为它会改变谐振器的固有频率。由于热膨胀或收缩引起的材料几何形状的变化也是一个问题，因为它也会改变谐振器的固有频率。
为了教学目的，可以说明TCF工程的原理来检查简单模型。一个这样的模型是谐振器结构由薄层构成，并且仅考虑单轴上的材料的运动。对于这个简单的示例，材料的刚度用单一的数字(即有效弹性模量)来描述。这是对物理情况的简化，其中应该考虑运动的所有尺寸，并且可以用张量来描述材料的刚度。在简单模型中，各向异性材料的弹性模量取决于材料取向。
对于复合结构，频率的第n个温度系数的简单模型是谐振器的所有组成部分的贡献的加权平均。对于薄膜(或层)的堆叠的材料，这个平均值可以写成如下：
其中堆叠中的所有膜的总和为t，是ti是第i层膜的厚度，Et是第i层膜的弹性模量，是第i层膜的第n个材料TCF。该系数是第i层膜的材料参数，其将来自热膨胀和弹性模量的温度敏感性的贡献结合在一起，以给出由该材料单独构成的谐振器的频率的温度系数。对于具有任意几何形状、不均匀和各向异性材料的复合结构，等式(2)可以推广。应注意，在这种情况下，系数可以是张量。由至少一种材料构成的谐振器的第n个TCF是λn。
等式(2)示出了使用复合材料来设计谐振器的频率的温度系数的第一要求是使用包围期望值的材料。例如，如果希望λn为零，则在至少一个是正的并且至少另一是负的时，可以获得该结果。
等式(2)还指示为了同时设计N个温度系数使得其中是第n个系数的期望值，可以将等式(2)分成N个单独的等式。典型地，N个方程的解通过至少N个变量的变化来获得。这N个变量可以称为设计变量，它们应该具有足够的设计权限，使得N个方程的解处于一个可访问的空间中。设计权限是对给定设计参数的变化对感兴趣度量的影响程度的描述。可接近的设计空间取决于制造约束(例如材料选择、膜厚度范围和控制精度)和操作约束(例如品质因数、频率、运动阻力)。
尽管传统上强调线性TCF控制，但是分析表明可以通过至少控制前两个温度系数来显著提高复合谐振器的性能。如上所述，可以由氮化铝和简并掺杂的单晶硅构成对至少前两个温度频率系数进行控制的谐振器实施方式。这样的谐振器可以与压电转换兼容并且可以表现出其他有利的性能，包括但不限于：高品质因数(Q)、低温滞后、随着时间的推移低频老化、批量微制造兼容性、外形小巧、对冲击和振动不敏感。
除了至少控制一阶和二阶TCF之外，在设计本文公开的所选谐振器实施例时应用以下下列非穷举标准：
●单个材料的温度系数结合起来，得到整个结构的目标频率温度系数。例如，如果目标一阶TCF为零或接近零，并且至少一种组分材料的一阶TCF基本为正，则至少一种其他组分材料的一阶TCF被设计和/或被选择为负。
●有N个设计参数可以控制N个温度系数。
●设计参数的组合具有足够的设计权限，可以在由制造约束和设计约束条件限定的设计空间内实现解决。
氮化铝谐振器通常具有负线性和二次TCF。薄膜多晶氮化铝的温度系数轻微地取决于膜结构。类似地，由非简并单晶硅构成的谐振器具有负线性和二次TCF，并且TCF倾向于仅轻微地依赖于晶体取向。
由简并掺杂的单晶硅构成的谐振器的线性TCF可以是正或负的，这取决于晶体取向、掺杂水平和模式形状。因此，晶体取向构成可以被调节以控制线性TCF项的设计参数(或设计自由度)。由简并掺杂的单晶硅构成的谐振器的二次TCF可以是正或负的，这取决于掺杂剂浓度、晶体取向、掺杂水平和模式形状。图2A示出了这种正/负一阶和二阶TCF的示例，并且还示出了正和负0阶TCF(即，与温度无关的频率偏移)。
通过例如晶体取向和掺杂剂浓度的正交设计参数的控制，可以独立地调整(即，控制并且可能为零)简并掺杂的单晶硅层的一阶和二阶(线性和二次)TCF特性。多晶硅谐振器也可以被简并掺杂以实现一定范围的线性和二次TCF值，但是如果材料缺乏主要的晶体取向，那么一个设计自由度可能会丢失。
图2B-图2E示出了DDS谐振器的示例性实施例，其具有在1a处示出的谐振器的平面图以及在谐振结构内和与谐振结构相邻的可选电极布置。
首先参照图2B，包括至少一个简并掺杂半导体层(“DDS谐振器”)的谐振结构被布置在两个电极结构之间(例如，用于驱动和感测谐振器)并且具有一个或多个锚定点。在所示的实施例中，弹簧状构件或“系绳”从谐振器本体的相对侧延伸到周围材料区中的锚定件，以建立双锚点，但是在备选实施例中可以实现更多或更少的锚点。而且，虽然描绘了长方形或矩形谐振器形状，但是DDS谐振器可以以任何可行的形状和/或高宽比制造。
DDS谐振器两侧的电极以虚线轮廓示出以强调它们的可选性质(在本文的其他附图中应用的约定，尽管不存在虚线呈现不应被解释为意指给定元件或结构是必需的)。而且，一个或多个电隔离的电极区域可以在谐振器本体内概括的T形区域所示的给定谐振器层内实现。在备选实施例中可以使用一个或多个交替形状的电极区域(即，具有与所示出的形状不同的形状)，并且谐振器本体本身也可以用作电极。
在单层简并掺杂的硅谐振器的情况下，谐振器的运动可以通过适当的电连接以静电或压阻的方式被感测。图2C-图2E示出了包括在2C处的单片(单层)堆叠，在2D处的双层材料堆叠和在2E处的三层材料堆叠的示例性材料堆叠(即，在图2B中的线A-A'处的谐振结构两端)的截面图。如下面所解释的，在备选实施例中可以存在与图2C-图2E所示不同材料的堆叠和/或附加材料堆叠。如上所述，由于均匀简并掺杂硅的单层具有至少两个设计参数(晶体取向和掺杂浓度)，所以由均匀简并掺杂的单晶硅构成的单层谐振器(图2C)可以被设计成具有通过制造工艺和设计的组合而具有等于或接近零的一阶和二阶TCF。而且，掺杂剂浓度不需要是均匀的。这允许任意大量的设计参数(即，通过设计来操纵谐振器性能的“旋钮”或自由度)。如图2F所示，还有可以有点在于，例如通过不同的阴影程度，在谐振器中或谐振器上产生具有不同掺杂剂浓度和/或不同掺杂剂的一个或多个区域。如图2G所示，谐振器内或谐振器上的区域也可以用具有期望特性的局部沉积或图案化的材料层形成。例如，将这些区域定位在谐振器的振动模式形状中的高应力区域中可以是有利的，使得能够控制第一、第二、第三或更高阶的TCF值。
谐振器也可以被设计为具有非零但可控制的一阶和二阶TCF以实现特定的设计意图。例如，可以设计一阶TCF，使其通过补偿三阶和其他奇数高阶TCF而使总频率随温度的变化最小化。作为另一示例，可以设计一阶TCF以便调节温度，在该温度下相对于温度的频率变化达到拐点、局部最小值或局部最大值。谐振器达到局部最小或最大频率的温度通常被称为转换温度。谐振器TCF也可以被设计成消除与其维持电路(即维持谐振器的机械运动的电路)或振荡器系统相关联的TCF。作为最后的示例，可以选择一阶和二阶系数，使得它们对角度和掺杂剂浓度相对不敏感以提高可制造性。图2H示出了这种工程化TCF的示例。
再次参考图2D，可以构造由简并掺杂硅和附加膜组成的双层谐振器。如果硅层是单晶，那么该结构具有至少三个设计参数：如上所述的晶体学取向和掺杂剂浓度，以及附加的硅厚度与所加膜的厚度之比。因此，由简并掺杂硅和附加膜组成的双层谐振器可能能够控制三个TCF。在包括图1C所示的多个实施例中，附加膜是压电材料(例如，氮化铝)，尽管附加膜(或其它材料层)可以备选地是为其TCF系数选择的任何半导体、绝缘体或金属材料或其他所需的机械或电性能。
另外，可以如图2E所示形成三层谐振器(即，具有或不具有如所讨论的电隔离电极区域)。在一个实施例中，这样的三层谐振器包括被涂覆在氮化铝(以形成压电层)中的简并掺杂的单晶硅层和附加的导电层(例如金属层或另一简并掺杂的多晶硅电极层)。如以上参考图2C所讨论的，一阶和二阶TCF可以通过改变在特定掺杂水平和厚度下的底部(单晶)硅的晶体取向、氮化铝厚度和在特定掺杂剂浓度下的多晶硅厚度。多晶硅膜中优选的晶体取向也可能影响一阶和二阶TCF。可以选择另外一组设计参数来设计膜堆叠的TCF，前面的示例只是众多可能性中的一种。另外，如图2I所示，三层谐振器中的一个层可以做得足够薄，以致其对复合结构的TCF的贡献是最小的(例如，可以忽略或以其他方式衰减)，并且补偿问题降低到的双层谐振器外壳。例如，顶层可以由薄导电金属或半导体层代替简并掺杂的多晶硅电极层来实现。
可以将附加层添加到堆叠。图2J所示的一个示例包括夹置在顶部电极和底部电极之间的具有氮化铝的简并掺杂的单晶硅。电极可以由任何导电金属或半导体膜制造，例如多晶硅、铝、钼、钛、钨或使用金属和硅形成的硅化物。
在各种实施例中，单个MEMS系统200可以包括在与DDS谐振器相同的基板上共同制造的多个元件。参考图3，例如，MEMS系统200可以包括DDS谐振元件201(即，MEMS谐振器的一种形式)、一个或多个温度感测元件203(“温度传感器”)以及一个或多个加热元件205(“加热器”)。温度敏感元件可以用作主动温度补偿系统的一部分。温度感测元件的一个示例是具有温度依赖性电阻的热敏电阻。可以包括加热器来进行谐振器频率稳定性的初始校准，或者尽管环境温度变化，仍然将MEMS系统保持在近似恒定的温度。温度传感器和/或加热器可以可选地从MEMS系统200中排除。如上所述(以及下面更详细地描述)，谐振器结构可以用作传感器而不是频率参考。备选的谐振器应用的示例包括滤波器、陀螺仪、加速度计、压力传感器、麦克风、磁力计和质量传感器。
如本文所述的DDS谐振器可以在具有或不具有补充温度补偿的情况下进行部署，从而实现纯粹的无源温度补偿方案，或者例如无源和有源温度补偿的组合。尽管有源电气补偿电路按照定义增加了系统功耗，但是无源和有源补偿(例如，DDS谐振器与有源补偿电路相结合)的组合可以使得能够以比单独的主动补偿更少的功率来实现稳定性目标，比任何一种方法都能获得的稳定性更好。通过单片和复合谐振器结构中的材料选择和结构设计，被动机械温度补偿是可能的。
如本文所公开的DDS谐振器可以与附加元件组合以形成具有改善的温度稳定性和/或其他有用功能的系统。在图4A中，例如，DDS谐振器301与维持电路303组合以形成振荡器。振荡器的谐振频率可以以依赖于温度的方式修改(即，如图4A中所示，来自传感器305的温度信号在频率修改元件307内被接收，该频率修改元件307依次提供与温度相关的谐振频率控制信号到DDS谐振器301和/或维持电路303)，并产生与只用DDS谐振器可获得的谐振频率相比具有改善的温度稳定性的谐振频率。例如，温度相关的静电场可以使用与谐振器共同制造的控制电极直接施加到DDS谐振器。在图4B中示出了这种方法的一个示例，其中由上述三层谐振器实施例的简并掺杂硅(DDSi)层(电极2)和导电层(电极1)形成电极(即，具有DDSi、AlN和导电层，尽管在备选实施例中可以使用其它的谐振器结构/材料)以及由两个电极的电位Vel-Ve2之间的时变和温度依赖性差异形成的与温度相关的静电场。
作为另一示例，如果谐振器的一个部件具有显著的压电响应，则谐振器上的机械应力可以以与温度有关的方式修改，以调节谐振器频率。图4C示出了这种布置的示例，同样在上面讨论的三层DDSi/AlN/导电材料谐振器的情况下，但是也可以使用其他谐振器结构和/或材料。
在例如图4D所示的另一个实施例中，电容元件可以被包括在谐振器维持电路321中，并且其电容可以以取决于温度的方式被修改，由此实现可以被使用的可变电容元件323例如，调谐振荡器系统(即，包括DDS谐振器301和维持电路321的系统)的频率。
在图4E所示的备选实施例中，DDS谐振器301的谐振频率在从振荡器(至少部分由DDS谐振器301和维持电路303形成，如图所示)输出之后进行修改，这是通过在谐振器系统内的频率修改元件331进行的。在例如图4F所示的更具体的实施方式中，可以将与温度相关的信号(例如，来自图4E中的305所示的温度传感器)提供给分数N锁相环(频率的示例修改元件)，以便产生比仅有谐振器的情况下在整个温度上更稳定的输出频率。
如图4G所示，图4A-图4F所示的任何振荡器系统(或采用DDS谐振器的其它振荡器系统)可包括其中可存储TCF系数、控制设置或其它信息的可编程/存储电路350。记录或存储在这种振荡器系统中的TCF系数可以基于单个谐振器(301)或谐振器组的特性。另外，系数可以基于单独的维持电路(303)或维持电路组的特性。例如，振荡器或谐振器的TCF行为可以通过如355所示的扫描温度和记录频率，或者通过测量预测温度依赖行为的室温特性(例如，电阻率、频率等)来确定。
其中可以存储指示温度依赖行为的TCF系数或其它参数的可编程/存储电路可以包括任何可行的片上或片外存储器元件，例如但不限于寄存器或其他易失性或非易失性存储器元件，包括但不限于一次性可编程(OTP)存储器、电可编程只读存储器(EPROM)、闪存等。
TCF系数或指示温度依赖行为的其他参数也可以被存储为电阻值。如图4H所示，例如，MEMS谐振器管芯可以包含至少一个电阻器，该电阻器可以通过激光(或其他方法，诸如热熔断)来修整电阻以记录在温度上与设备的行为有关的值。热敏电阻和/或加热器也可以用来以这种方式存储信息。为此，例如通过使用热敏电阻或加热器来避免额外的接合垫或电互连。
存储的温度行为信息可以被振荡器系统使用以改善其频率稳定性。系统可以读出存储的信息，将其与温度测量结合起来，并对谐振器或振荡器系统频率进行校正。该操作例如在图4I的实施例中示出，其中频率修改元件375接收来自传感器305的温度信号并从可编程存储器350读出基于温度的校正数据(“数据”)。然后，对应于校正数据的频率校正信号被输出到谐振器、维持电路和/或输出调节电路(例如，如以上参照图4F所讨论的PLL)。
图5A示出了具有与主动温度补偿系统的一个或多个组件集成的DDS谐振器401的MEMS布置的实施例。DDS谐振器可以根据本文所述的任何谐振器实施例来实现，并且包括简并掺杂的半导体材料的一个或多个层(或其他沉积或布置)。在所示的实施例中，温度补偿电路包括一个或多个温度感测元件403(例如，热敏电阻或其它温度传感器)、一个或多个加热元件405和温度控制电路407，以控制加热元件的操作(例如，根据需求对加热元件供电，以达到预定的或程序设计的温度设定点或温度范围)。图5B示出了这种温度补偿操作的示例，示出了根据时变环境温度产生的随时间变化的加热器输出，以保持恒定或接近恒定的谐振器温度。
如图5A所示，DDS谐振器和温度补偿系统的组件的集成可以随着实现的不同而改变。在一个实施例中，例如在阴影区域411中示出，DDS谐振器401与温度传感器403(“集成T-Sense”)集成(即与同一基板或管芯共同制造或以其他方式形成)，同时控制电路407和加热器405(即，一个或多个加热元件)在管芯上实现。在由区域415指示的另一实施例中，温度控制电路407和加热器405与温度传感器403和DDS谐振器401集成，从而在MEMS谐振器管芯内建立完全集成的主动温度补偿系统。尽管没有具体示出，但是DDS谐振器401可以备选地与加热器405集成，而温度传感器和/或温度控制电路保持脱模(off-die)。
在许多实施例中，如图4A和图4E所示的温度传感器可以在封装的双硅谐振器的一个或多个组件构件内或在包括双硅谐振器(MEMS)芯片和逻辑芯片的多管芯封装内实现。图6示出了用于这种温度传感器集成的各种选择，其包括封装的双硅谐振器的盖或器件层内的温度传感器实现，和/或另外包含用于驱动双晶硅谐振器的维持/感测电路的并置逻辑管芯内的温度传感器实现，硅谐振器分成一个或多个谐振振荡模式并感测谐振器的谐振机械运动。在原位置于封装谐振器结构的器件层内的情况下，温度传感器可以通过次级微机械结构实现，更具体地，通过基本上从器件层结构释放的微机械(或MEMS)热敏电阻结构实现，并且具有允许相对无应力的热膨胀和收缩(并且因此限制端对端热敏电阻器电阻的温度依赖性中的机械感应非线性)的任何数量的形状。尽管没有具体示出，但是MEMS热敏电阻的末端可以被耦合到封装结构(盖和/或基板)中的TSV并且最终到封装级触点，以启用温度感测输出信号。当在盖晶圆或者逻辑管芯中实现时，温度传感器可以由硅、多晶硅或者金属热敏电阻器特征、p-n结和/或其他热敏特征来实现。在下面更详细讨论的其他实施例中，温度传感器可以由双硅谐振器本身的一层或多层内的图案化迹线和/或p-n结来实现。
图7示出了用于在同一SOI基板的相邻区域内制造MEMS热敏电阻和双硅MEMS谐振器(具有如上所述的两个简并掺杂硅层和压电层)的示例性过程(即，驻留在相同的封装器件层)。如图所示，在SOI基板上沉积氧化物层，然后蚀刻(例如，湿法蚀刻)以产生掩模热敏电阻器区域。在PSG沉积之后(例如，通过气相POCl3)和微型驱动周期(相对短的驱动时间)以实现相对浅的掺杂剂扩散，然后进行长时间退火(相对较长和/或高温驱动)以实现更深的最终掺杂剂扩散分布。此时，除了在氧化物掩模之下的热敏电阻区域之外，单晶硅器件层被简并掺杂(具有与工艺相关的梯度)，所述热敏电阻区域保持相对不掺杂。沉积双硅谐振器的剩余层(例如，根据上述变型的AlN和ISDP或任何其他材料)，去除氧化物掩模并且执行沟槽化/蚀刻和释放工艺以完成两个并置的MEMS元件(双硅谐振器和相邻的MEMS热敏电阻)。通过将MEMS热敏电阻和双硅谐振器并置在同一器件层内，并且在相同的(最终)封装腔室和分离的管芯内，消除了热敏电阻和谐振器之间的温度梯度，这些温度梯度困扰较近的温度感测/谐振器布置使得可忽略不计，从而提高了图4A和图4E所包含的各种温度补偿方案的准确度。
图8示出了具有作为谐振器结构的一部分的附加的轻掺杂(或未掺杂)单晶硅热敏电阻层的双硅谐振器内的示例性互连布置。尽管这种布置在谐振器材料堆叠上增加了一层(在这种情况下，热敏电阻层设置在上述的双简并掺杂硅层和压电层的下方，当然，任何其他叠层位置都是可行的)，热敏电阻层与谐振器材料堆叠的其余部分的热连接确保了这两个谐振器区域之间的零或者接近零的温度差，这同样避免了由较不近端布置所遭受的引起误差的温度梯度。如图所示，附加的一对感测端子可以跨热敏电阻层耦合(例如，通过系绳/锚定结构中的导电结构到热敏电阻层的相对的横向端部)，并且被布线到封装材料堆叠的外部触点，并且最终到谐振器/热敏电阻封装。
图9A示出了具有上述多个特征的DDS谐振器500的实施例。更具体地，DDS谐振器500可以是单层结构(即，仅由单个简并掺杂的半导体组成，例如简并掺杂的硅)或者具有例如氮化铝(AlN)或其他压电体的多层结构，如图1A-1C所示，其设置在简并掺杂的硅层和导电层之间。而且，DDS层或谐振器500的任何其它层内的掺杂剂类型或浓度可以是不均匀的(例如，对于高应力区域501或谐振器本体的其他区域，浓度更高或更低)，并且可以制造谐振器使得谐振器轴线503相对于晶体轴线504以非零角度φ(即，“谐振器角度”)布置。如上所述，谐振器角度、DDS掺杂剂浓度和类型(包括任何非均匀性)每一个都可以被专门设计为零，一阶和至少一个高阶温度频率系数。还可以具体选择模式形状、相对层厚度、其他层(例如，由简并掺杂的多晶硅形成的导电层)的掺杂剂类型/浓度，与块状DDS层的掺杂剂浓度/类型组合，以产生期望的在一个或多个期望的操作温度范围内的温度依赖性共振行为，诸如温度指示行为、温度稳定性(或温度不敏感性)行为等。在所示的具体示例中，DDS谐振器500具有在弹簧支承锚定件507a和507b之间具有压缩横向尺寸(即，与谐振器轴线503正交)的椭圆形状。沟槽512被蚀刻或以其他方式形成在谐振器和锚定弹簧元件周围和/或下方，以从基板场区域510释放DDS谐振器和锚定弹簧元件(即，释放那些元件以相对于基板场区域移动)。
DDS谐振器500通常可具有的A-A横截面，如图1B中所示，其是简并掺杂(DD)单晶硅层、氮化铝压电体层和简并掺杂的多晶硅电极层。弹簧元件(“弹簧”)和场区域锚定件设置在谐振器本体的任一侧上，以形成图9A中的507a和507b所示的相应的锚固件。在备选实施例中可以使用具有或不具有弹簧支架的各种其他锚定布置，包括单锚定件布置或多于两个锚定件的布置。
图9B示出了图9A的DDS谐振器的示例性有限元模型，示出了谐振振动(或振荡)期间的位移和应力分布。例如，从谐振器本体的边缘突出的矢量(箭头)示出了振荡周期的膨胀阶段期间谐振器的运动方向。在所示的示例中，在锚之间出现高应力区，而在谐振器轴的相对两端(即图9A所示的轴)出现低应力区，并且在低应力和高应力区域之间出现等应力轮廓。锚定件中的压力接近于零。
图10A-图10I示出了备选谐振器形状/设计的非穷尽性示例，其中每个示例性谐振器以[110]晶体取向(即，离开单晶硅层轴线45度偏轴和/或多晶硅层的主轴线，尽管可以根据TCF工程目标选择各种其他角度取向)。首先参考图10A中所示的谐振器，居中设置的双侧系绳(弹簧)将另外释放的谐振器本体固定到场区域锚定件。扩大的谐振器端部质量倾向于在感兴趣的频率范围内限制(限定)期望的谐振频率之外的模式相互作用。
一般参照图10A-图10I的谐振器，考虑到面内各向异性单晶硅芯核，特别是在所示的[110]轴向取向，共振运动在谐振器本体上的选定方向上引起应力。在谐振本体内提供槽或通气孔(例如，约7微米宽)以提供应力释放并促进气相HF释放，并且还使得至少在一些工艺中能够实现横向掺杂剂扩散(例如，如上参照图2B和图3I-图3K)和/或实现TCF工程。例如，在图10B和图10C(以及其他)的谐振器中，槽的位置和尺寸被选择为提高高应力区域中的掺杂剂浓度，并相反地衰减低应力区域中的掺杂剂浓度。在图10D、图10E、图10F和图10G的谐振器设计中，场区域(谐振器本体外部)的通风孔可用于在气相HF蚀刻期间释放那些区域，由此形成悬臂或其它结构，其抑制/避免区域干扰共振行为。图10G中的示例性设计包括单个中心布置的锚定件/系绳，释放通风口从该锚定件/系绳延伸并被调谐以限制振动到谐振器块体的传输。图10H和图10I的实施例示出了具有从其延伸的多于两个的释放构件(或附件)的中心锚定谐振器。例如，图10H的谐振器主要以拉伸模式谐振(每个点质量都在平面内移动和从锚定件移动)，而从图10I实施例中的中心锚定件向外延伸的四个光束在弯曲模式中谐振(实际上，像双音叉一样操作)。各种其他谐振器核形状、锚定方案、附属器计数、角度定向等可以在备选实施例中实现，包括有目的地呈现多个同时谐振模式(例如，具有不同的TCF特性，如下所述)的实施例。
虽然从上述多个双硅谐振器实施例中省略，但是可以将一个或多个金属层或硅化物引入到这样的结构中，以提高电极导电性和/或用作种子床，以改进压电层的材料结构化(例如，生长更有序的氮化铝压电层的垂直晶粒)。图11A示出了在压电层形成之前形成在简并掺杂的单晶硅之上的一层氮化钛、钼等的方法，其中顶层电极如前所述由高度掺杂的多晶硅层实现。图11B示出了类似的方法，其中在简并掺杂的单晶硅层上方的金属沉积(例如，钛、钨等)被热驱动以形成硅化物种子床(例如，TiSi2、WS1等)用于改进的压电层形成和改进的底部电极导电性。尽管没有具体示出，但是图11A中示出的叠层可以通过颠倒简并掺杂的多晶硅层和金属层的位置来重新排序。尽管这样的布置可能易于老化/加工硬化，但是可以在不牺牲由简并掺杂多晶硅层提供的热频率修整权限的情况下改善顶电极导电性。
图12A和图12B示出了具有图1A中所示的三层(即，两个简并掺杂硅层和压电层)以及附加金属层的备选谐振器材料堆叠。更具体地，在图12A中，在简并掺杂的多晶硅层和压电层之间设置附加的金属层，并且至少部分地用于提高顶部电极的导电性。在一个实施例中，例如，金属层专门用作压电层的顶部电极(例如，经由与埋入金属层直接接触的场区域)，在这种情况下，简并掺杂的多晶硅层可主要用作权限用于热频修整。在图12B的实施例中，简并掺杂的多晶硅层被重新定位到压电层的相对侧(即，夹置在压电层和核心DD单晶硅层之间)，由此增强了底部电极的导电性并且保持多层热修整权限。尽管没有具体示出，但是还可以在压电层的底面附近(即夹置压电层的两个金属层)设置附加的金属层，以使传导损耗最小化，而不牺牲由简并掺杂的单晶硅核层提供的TCF工程权限，或由简并掺杂的多晶硅层提供的热修整权限。此外，尽管双简并掺杂硅层(单晶硅和多晶硅)是迄今为止描述的所有材料叠层的组成部分，但是在所有情况下(包括下面讨论的实施例)，这些层中的任一个或两个可以仅轻掺杂、不掺杂或者甚至完全省略，例如，其对谐振器体积、TCF工程、热频率修整和/或其他工程或装置完成权限的贡献是不需要的。
如上所述，双硅谐振器内的层厚度通常是不均匀的，并且例如被选择为产生期望的TCF特性(例如，核单晶硅层30倍于氮化铝压电层的宽度)以及块体谐振器尺寸、纵横比或其他尺寸。然而，由于它们不同的表面张力，材料层在层压成复合叠层时倾向于翘曲，使下游制造步骤复杂化(并且可能产生不需要的模式特性或者降低运行时间性能)。图13A和图13B示出了避免表面张力不平衡(以及由此引起的翘曲)的对称双硅材料堆叠的实施例。在图13A的实施例中，例如，在大致如图所示制造两个双硅/压电层材料叠层之后，将其中一个材料叠层翻转并接合到另一个，以产生六层堆叠(或5层，如果接合多晶硅层被视为单层)，其在接合表面处具有对称线。因此，堆叠底部的相对较厚的简并掺杂单晶硅核由堆叠顶部的相同高度(“h1”)简并掺杂单晶硅核平衡。在电学上，可以将堆叠视为具有耦合在这些电极之间并且彼此耦合的串联连接的电容器(两个压电材料层)的顶部和底部电极(由对应的简并掺杂的单晶硅层形成)，其是通过接合的简并掺杂多晶硅层(串联耦合的电容器对，其电学等效于具有两倍元件电容的单个电容元件)进行的。除了表面张力平衡之外，这种方法的一个优点是由双晶硅(核谐振器)层产生的相对较高的材料叠层分布，这种分布可以满足大型设计规范(例如12-20微米的谐振器高度或更高)，而不需要过度的工艺缩放或附加的材料层。
图13B示出了另一种对称双硅材料堆叠，其中在核单晶硅层和压电层之间形成可接合导电材料层，接着在压电层上形成另一个这样的层(夹置可接合导电材料的两个膜之间的压电层)。在表面准备(例如，化学机械平面化)之后，核硅层的另一示例被接合到材料堆叠，由此形成具有相同的串联耦合电容器电气的基本上对称的材料堆叠(不存在底部绝缘体和处理晶圆)模型作为图12A的材料堆叠。在图12B的实施例的变化例中，可以将压电层夹置在非导电结合层之间。
以下是至此在此公开的实施例可以实现的至少一些优点：
●简并掺杂的硅可以代替迄今为止用于压电谐振器中的两种单独的材料：温度补偿材料(例如SiO2)和导电材料(例如Mo)。简并掺杂的硅能够进行温度补偿并提供足够低的电阻(例如1-50欧姆)以用作许多应用的电极材料。
●简并掺杂的单晶硅通过消除一阶和二阶TCF，有助于提高温度范围内的频率稳定性。简并掺杂硅层的掺杂和定向为抵消至少两个温度系数提供至少两个自由度。上面讨论的示例表明，利用高掺杂硅的复合压电谐振器的一阶和二阶TCF消除是可能的，并且处于可接近的设计空间。由所公开的实施例实现的温度系数改进导致在-40至+85℃的工业温度范围内的频率变化小于+/-10ppm的可能性。相反，通常仅具有一阶TCF补偿的微机械谐振器在工业温度范围内显示+/-50至200ppm的变化。
●消除氧化物和金属接口，通过消除具有潜在的高声损耗的层和可能会显著增加谐振器的机械耗散的消除界面，从而改善谐振器的机械品质因数。
●此外，用半导体替代结构中的金属层和氧化层，消除了加工硬化、疲劳效应和界面效应，这些效应随着时间的推移而导致温度和频率老化的频率滞后。
●具有工程TCF特性的谐振器可以由一层或多层材料制成。在一层中，如果材料具有类似于简并掺杂硅的特性，则可以通过设计和掺杂来消除一阶和二阶TCF系数。在该层中可能存在一个或多个表现出一种或多种材料特性的区域。例如，单个硅层可以具有含有至少一个掺杂水平和至少一个掺杂剂的至少一个区域。单个材料层可以具有包含至少一种材料类型的至少一个区域。这些区域中的每一个都可以在谐振器TCF行为中增加额外的自由度。通过调整这些区域的大小和特征，可以影响标称频率，以及第一、第二、第三和更高阶的TCF项。
微机电系统(MEMS)内的微机械结构可因各种原因而受益于生产时间或后期加热。尽管在整个MEMS晶圆或一批晶圆上要达到共同的温度的情况下，在烘箱或炉内的常规生产时间加热可能是有效的，但是新兴的制造和后期制造过程偶尔需要在精确的芯片特定或晶圆特定的温度上迭代加热。此外，一些工艺和/或产品可能受益于不均匀的(或区域性的或局部的)加热，通过整个模具或整个晶圆恒温箱不容易实现。
除了上面讨论的各种温度稳定和耐磨损特性之外，上面讨论的谐振器结构的简并掺杂的多晶硅层和/或简并掺杂的单晶硅层可以通过焦耳加热或辐射加热技术来进行热周期，以实现谐振器频率的目标、后封装和/或后包装调整，例如，将晶圆级或单片谐振器的固有频率调整到50ppm、20ppm、10ppm或更少目标输出频率)。更一般地，以下在各种实施例中公开了能够使MEMS器件内的微机械元件(即，包括但不限于上述谐振器结构)的加热或过热的管芯上结构。在第一组“接触式加热”实施例中，通过目标微机械结构建立直流传导路径以产生欧姆或电阻加热(“焦耳加热”)，在一些情况下使得目标元件能够被加热到基本上超过标称的MEMS工作温度范围(即“过热”)。在许多接触加热实施例中，将目标微机械元件与相应的锚定件互连的“系绳”结构被用来提供和吸收DC电流，并且可选地提供相对于锚固定和器件基板的热隔离。在其他接触加热实施例中，形成在MEMS谐振器(或其他可移动的微机械构件)的材料堆叠内的一个或多个电极结构被图案化以产生一个或多个器件加热热点。
在一组“电容耦合加热”实施例中，通过将足够高的频率信号施加到相邻电极(即，与可移动微机械构件电容耦合的不动电极，并且在微机械谐振构件的情况下，其可以在器件操作期间用作谐振器驱动电极和/或谐振器感测电极)而在目标微机械元件内产生交流(AC)流。在其他实施例中，采用到微机械结构的相应介电分离层的直接或电容耦合来跨电介质边界传送射频(RF)能量，从而加热分离的层。在所有这样的实施例中，MEMS谐振器结构或其部分(例如，一层或多层的多层器件)可以被图案化以增强或延迟焦耳加热效应。而且，可以在所有情况下提供多个能量递送端口，以实现微机械构件的各个区域和/或层的局部加热。在自加热实施例中，可编程的转向电路(以将AC或DC电流转向到选定的能量输送端口或端口组)和/或可编程的加热控制电路(以建立期望的加热曲线)可以在相同的管芯上提供作为目标微机械加工件，或在多芯片封装内的另一芯片上提供。在其他实施例中，辐射加热(例如，激光或高频加热)可以用于过热MEMS谐振器结构或其部分，包括例如通过透明(即，相关波长)盖或封装的MEMS谐振器的其他结构。下面更详细地公开这些和其他实施例和特征。
图14示出了可使用本文所公开的各种技术及电路配置来加热或过热的微机电系统(MEMS)内的示例性微机械构件(或结构)。在以下讨论的布置和实施例中，微机械构件是MEMS器件内的可移动谐振构件，并且包括根据上述各种实施例的至少一个简并掺杂半导体(DDS)层。在所有情况下，微加工构件备选地可以是加速度计、热敏电阻或任何其他有用的MEMS结构内的可移动质量块，并且可以缺少DDS层。而且，当存在DDS层时，可以通过用相对高浓度的掺杂剂(例如，砷、硼、磷、锑等)掺杂硅、锗等的单晶、多晶和/或无定形形式来实现，例如，大于1E18原子/cm3，1E19原子/cm3，1E20原子/cm3，2E20原子/cm3。因此，“DDS”应理解为意指简并掺杂硅以及各种其他简并掺杂包括例如但不限于简并掺杂的锗、3-5种化合物、硅-锗等的半导体。简并掺杂的硅在本文中被称为许多示例，因为它是工业上最常用的半导体，但是这样的参考不应该被考虑为是限制性的。
继续参考图14，谐振构件通过相应的系绳结构(“系绳”)固定到一个或多个锚定件，并且可以设置在各个驱动/感测电极之间和/或具有在顶部或中间层图案化的电极。详细视图615、617和619示出了谐振构件的多个可能的实施方式，包括完全由DDS形成的谐振结构(例如简并掺杂的硅)，其上设置有压电材料层的DDS层以及夹置在DDS层和电极层之间的压电层。在后三层实施方式中，电极层可以包括通过电介质(如图所示)彼此隔离的一个或多个导电电极区域，或者合并到固结电极或电极层中。
图15A示出了具有DDS谐振器(可移动微机械或微机电构件的示例)的示例性MEMS装置以及允许产生时间焦耳加热的结构互连的轮廓图。在所示的接触加热实施例中，DDS谐振器通过多功能系绳固定在锚定件之间。也就是说，系绳不仅用于将DDS谐振器机械地固定到锚定件(并因此固定到器件基板)，而且还用作用于焦耳加热电流(IJH)的电导体，并且在一些实施方式中，在DDS谐振器和锚定件之间用作热隔离器。
锚定件本身可以由导电材料实现或者与导电材料分层，并且因此从晶圆探针或单体化管芯探针传导焦耳加热电流。更具体地，在器件封装之前，在两个探针之间建立的电压源(或电流源)(即，在任一情况下由v+和v-表示的电位)在该示例中产生从左到右流动的焦耳加热电流，如图所示，通过最左边的锚定件和系绳，通过DDS谐振器，然后通过最右边的系绳和锚定件离开，从而焦耳加热系绳和DDS谐振器。尽管在图15A(以及其他图中)中示出了DC电流，但是交流电也可以通过DDS谐振器传导。
图15B示出了封装后焦耳加热MEMS实施例，其中导电通孔延伸穿过气密封装盖布置，以与导电锚定结构(即，由导电材料形成或与导电材料层叠的锚定件，如图15A所示)。通过这种布置，在封装后处理操作期间甚至后期制造(包括MEMS装置已经在主机系统内部署之前或之后的现场加热)中，可以通过DDS谐振器驱动焦耳加热电流。图15C示出了一个备选实施例，其中导电通孔延伸穿过器件基板(例如，块体半导体)以使得能够使焦耳加热电流流过DDS谐振器。应注意，在图15B和图15C两者的实施例中，气密封装可以与周边密封环或类似结构一起封闭真空腔体或充满惰性绝热材料的腔体，从而限制来自DDS的热辐射谐振器到基板和盖的热辐射。
图16A-图16C示出了多功能系绳结构的实施例，示出了块体系绳(图16A)、复合系绳(图16B)和延伸路径系绳(图16C)的示例。通常，给定系绳结构的热阻和电阻与其横截面积成反比，而由系绳赋予的机械刚度(即，将可移动的微机械构件相对于锚定件固定)随着横截面区增加。在图16A的块体系绳实施例中，系绳的宽度(W-根据微机械构件深度具有固定深度尺寸的实施例中的横截面积的代表)根据系绳的材料热和电导率以及跨越距离(D)进行选择，以产生期望的电阻和热阻以及期望的机械刚度。例如，系绳的电阻和热阻可以被设计成在系绳本身内达到期望的温度范围，从而在加热的或过热的可移动的微机械构件与环境温度(或近似温度)锚定件和基板之间提供隔热(隔热)环境。
在图16B的实施例中，“复合”系绳由N个组件系绳(N>1)的集合来实现，每个系绳的大小被确定为考虑到跨越的距离而产生期望的横截面面积，并且提供一定程度的隔热和机械刚性。取决于可移动的微机械构件的预期运动(例如，共振构件中的不同的可能的振动模式)，如图16B所示的块体系绳分解成多个部件系绳可以提供增强的运动自由度，而不会不适当地损害机械支撑。块体系绳分解成与块体系绳共同占据相同覆盖区的多个组件系绳减小了复合系绳的横截面积(与相应的块体系绳相比)，由此提高了电阻和热阻，使得更高的系绳温度可以实现相同的焦耳加热电流和制造材料(可以实现目标微机械构件内更高的温度的结果)。
在图16C的实施例中，系绳结构在与跨越距离正交(垂直)的方向上横向布线并自身折叠，从而延长了锚定件和可移动微机械构件之间的电和热通路，使得基本上可以实现更高的温度和更高的隔热性能。在所示的具体实施方式中，系绳包括对称的横向延伸或折叠(即，相对于跨度轴线在两个方向上延伸横向距离L)。通过这种布置，并且通过选择集体的横向延伸距离(2*L，其中“*”表示乘法)以大致匹配可移动的微机械构件的宽度(或至少是锚定件的宽度)，系绳呈现可移动的微机械构件与锚定件之间的有效热壁垒。应注意，在备选实施例中，折叠系绳的横向延伸尺寸可以仅是可移动构件宽度的一部分(例如，可移动构件宽度的1/4或1/3，尽管可以实现小的或更大的分数)，在这种情况下，倍数可以部署复合折叠系绳。而且，如上所述，系绳(W，其在整个系绳的根部和侧向延伸部分可以是均匀的，或者在一个或另一个中可以是较窄的)的宽度可以被设计成产生期望的热阻和电阻，并且因此在系绳内产生相对较高的温度，从而增加系绳作为热隔离器的功效(例如，L与W之比可以设定为2、3、4、5或更高，或者是这些整数比之间的任何分数值)。此外，每个侧向(折叠)延伸部的U形几何形状提供一定程度的机械柔量(由系绳执行的另一功能)，随着微机械构件的运动而压缩和扩张。因此，图16C中所示的系绳用于将可移动的微机械构件机械地固定到锚定件，提供用于焦耳加热的电气路径，将可移动的微机械构件与锚固件热隔离，并提供微机械构件与锚定件之间的弹簧状机械柔度。在备选实施例中，横向延伸尺寸L(其可以小于、近似或者标称地等于或者大于跨度距离D)可以大于或者小于所示出的尺寸(例如，延伸超出可移动微机械的轮廓部件)，并且横向延伸的形状可以不同(例如，以半圆或半椭圆径向弯曲而不是弯曲/折叠以形成U形)。而且，代替对称的横向延伸，系绳可以呈现单个横向延伸(即，相对于跨度轴线仅在一个方向上)。类似地，代替具有对称横向延伸和折叠的单个系绳，MEMS装置可以包括具有相反定向的横向延伸的两个单折系绳(即，如同所描述的系绳沿着跨距轴线分成两个)，或者甚至多个一对这样的折叠系绳，一个给定系绳的折叠包围在另一个的折叠内。
图16D示出了通过经由锚定件和折叠系绳使DC或AC焦耳加热电流通过可移动的微机械构件而实现的示例性热曲线。由于系绳相对于锚定件的较高的电阻率，并且至少在一些情况下是可移动的微机械构件，所以焦耳加热主要发生在系绳本身内，导致可移动的微机械构件的导电且可能的辐射加热(其中焦耳也可能发生加热)。系绳还在焦耳加热期间将可移动的微机械元件与环境温度或接近环境温度(T0)的锚定件热隔离，使得在真空环境中至少在系绳的物理中点处(即，在锚定件和微加工构件)升高到T0+TJH/2，并且可移动的微机械构件相对均匀地加热到温度T0+TJH。其他温度分布(包括具有非线性梯度的分布)可以在备选实施例中产生。可移动的微机械元件可能比系绳的最热部分稍冷(因为辐射耗散或气体传导)，但通常接近系绳的最高温度。温度曲线可以在设计和修整过程中考虑。
图17示出了另一个焦耳加热MEMS实施例，其中设置相应的“柔性”系绳对，以将焦耳加热电流传导到可移动微机械构件，每个这样的系绳对因此形成专用加热端口。在该布置中，机械系绳用于将微机械构件连接到锚(其中示出了其中的两个，尽管单锚定件布置也是可能的)并且提供期望的机械刚性，而柔性系绳可以被设计成相对“软”或者甚至尽可能柔软，以使微机械构件的振动或惯性运动的阻尼最小化。而且，提供多个柔性连接器对使得可能不均匀地加热或过度加热微机械构件的各个区域，这在一些应用中可能是有用的。可备选的实施例中可以设置更多或更少的加热端口(柔性连接器对)，包括加热端口，其驱动穿过微机械部件的拐角、单独层或其他更多隔离区域的电流。
图18A和图18B示出了示例性电容耦合驱动加热布置，其中用作驱动和/或感测电极(例如，在MEMS谐振器或加速度计内)的电极双倍作为在可移动的微机械构件内驱动AC焦耳加热电流的射频(RF)能量输入。在图18A的实施例中，例如，RF能量源被提供给两个电极，而RF信号的互补相位(或者例如，稳定状态中性电压设置RF信号的在上部和下部峰值之间的中点处)耦合到一个或多个多功能系绳，从而实现交流电经由多功能系绳流入和流出可移动微机械构件。也就是说，能量通过电极和微机械构件之间的电容耦合从RF能量源转移到微机械构件，电荷载体通过多功能系绳交替地从微机械构件排出和吸入(即，AC电流)。
在图18B的实施例中，RF能量源的互补相位(或RF信号和中性电压)交替地耦合到两个电极，使得电极被差分驱动以在其间产生AC电流(即，电荷载体交替地迫使穿过可移动微机械构件朝向一个电极，然后另一个电极)。在这样的实施例中，机械系绳(或系绳)可以是不导电的(如果通过导电锚定件导电并耦合到固定电位基板，则AC电流将如图18A中那样流动)，并且通常如上所述被设计成相对于具有在围绕管芯或晶圆的环境温度或接近环境温度的温度的锚定件结构提供热隔离。
图19A示出了又一焦耳加热实施例，其中能量被传导地(例如，经由如上所讨论的导电系绳带)或电容性地(例如经由参考图18A和图18B所讨论的电容性电极)供应到多层设备的相应层。在所示的特定示例中，上电极层和底部DDS层夹置内部电介质层(例如压电材料)，使得外部层可被视为形成DC或AC焦耳热电流通过的相应电阻。
图19B示出了另一种加热布置，其中焦耳加热主要在双硅谐振器的图案化电极层内(即，简并掺杂的多晶硅层和简并掺杂的单晶硅层，其中压电层夹置在硅层之间)。系绳仍然可以被构造成提供谐振器和锚定场区域之间的热隔离，但是另外足够导电，使得在图案化的电极层内发生主要的焦耳加热电压降(和功率耗散)。在所示的具体示例中，图案化的电极(例如，在简并掺杂的硅层，单晶硅和/或多晶硅中的一个或两个中实现，具有所示的后一种布置)包括在较大的块体互连节点之间延伸的相对较窄的导电通道。由于其横截面积相对较小(以及相应较高的电阻)，窄通道构成由焦耳加热电流横穿的传导路径内的主要欧姆(I2R)功率耗散源，并因此成为主要的焦耳热源。如同图16D的基于系绳的加热布置，谐振器可以用从谐振器到基板和盖结构的有限的热辐射相对均匀地加热到目标温度(例如T0+TJH)。更一般地，图案化电极焦耳加热可单独或与其它焦耳加热或辐射加热源组合地产生与图16D中的示例不同的温度分布，包括产生局部或非均匀温度分布。
图20示出了另一个实施例，其中RF能量源横跨图19A所示的可移动微机械构件的外部(至少稍微导电的)层耦合。通过这种布置，在微机械构件的电极和DDS层中产生AC电流，从而能够对这些层进行加热或过热。
图21示出了具有MEMS管芯(例如，其上形成有可移动的微机械构件)和控制管芯的封装或芯片级MEMS封装。如所示出的，控制管芯包括在两个管芯之间传送相对低功率的运行时间控制信号和输出信号的多个低功率控制信号互连，以及能够以直流或交流功率信号的形式输送焦耳加热能量的相对高功率的热能互连。尽管示出了单个热能互连对，但是在具有多个加热端口的实施例中可以提供更多的互连。而且，虽然热能互连被示出为在控制管芯和MEMS管芯之间延伸，但是热能互连可以备选地或附加地暴露于封装的表面以使得能够从外部加热控制器进行功率输送。此外，如上所述，可以省略MEMS管芯和控制管芯之间的热能互连，这得益于在封装之前或封装之后访问的MEMS管芯上的能量输入接口(即，在用控制模具封装之前执行MEMS管芯加热)。大小适合过热的电子过孔和触点的横向尺寸可能比为正常操作而设计的电子过孔和触点大。例如，用于正常操作的电通孔直径可以是5-15微米，以最小化寄生电容。相比之下，针对过热确定尺寸的通孔的范围可以例如但不限于20-100微米直径，以最小化通孔中的电阻加热。通孔可以与低熔点材料(例如铝或钛)接触，因此通孔温度的增加应该是有限的。此外，通孔中的导电材料可以具有比正常操作所需要的更低的电阻率，例如DDS，而不是轻掺杂半导体。
仍然参照图21，可以在控制管芯内提供可编程加热控制电路，以实现MEMS管芯内的微机械加工元件的原位后期加热或过热。在这样的实施例中，控制管芯还可以包括经由MEMS封装的外部触点可访问的编程接口(即，信令接口)。因此，可以将外部控制器(例如，与主机系统内的MEMS封装一起专门设置在原位，或独立的生产或后期制造控制器)耦合到编程接口以根据需要发布编程指令和操作数，以配置可编程加热控制电路，并由此启动并控制MEMS管芯内的一个或多个微机械元件的加热/过热。
图22说明可用于实施图21的可编程加热控制电路的可编程加热控制器的实施例。如所示，加热控制器包括多个(N)可编程寄存器组，可编程寄存器组将各自组的经编程参数供应到电源驱动器电路。功率驱动器电路又根据相应寄存器组内编程的参数将功率信号(即，用作电压或电流源)驱动到相应的加热端口。在所示的特定示例中，每个可编程寄存器组包括一组寄存器字段(其中的任一个或全部可以由各个寄存器实现)以存储各个参数，这些参数控制由功率驱动器经由对应加热端口输出的电压或电流脉冲的幅度、持续时间和频率，以及使加热端口能够选择性地接合或禁用的端口使能区域。
图23示出了其中外部加热控制器内的多个加热功率驱动器可以耦合到相应的单一化的或晶圆上的MEMS器件的布置，由此使得能够同时执行上面关于本体MEMS器件描述的各种加热和过热操作。外部加热控制器可例如在可执行与MEMS装置加热/过热有关或独立于MEMS装置加热/过热的许多其他功能的生产或测试装置(例如，自动化测试设备(ATE)内)中实施。
图24A示出了可以在图22和图23的外部或原位加热控制器内产生的示例性加热功率分布，以及在可移动的微机械部件内(即，在MEMS器件或封装内)产生的示例性温度。在所示的特定示例中，产生各种宽度(时间上的持续时间)和幅度(功率)的脉冲，其中净能量递送大约与脉冲下的面积成比例。更具体地说，脉冲持续时间可以从至少0.1毫秒到100毫秒变化(在备选实施例中可以实现更短和/或更长的脉冲持续时间)，并且功率电平可以变化至少20mW到500mW(更高和/或更低限制可能会被支持)。尽管可以实现更高和/或更低的温度(例如，更低温度限制500、600、700或800摄氏度)，但是在加热/过热操作期间在可移动的微机械元件内产生的温度可以显著地超过标称的MEMS运行时间操作温度，范围从300摄氏度到1300摄氏度，如示例性的热分布所示。
尽管在图24A中没有具体示出，但是脉冲频率也可以根据加热控制参数(例如，如参考图22所讨论的)来改变。而且，如图24B所示，功率脉冲波形可以被整形以实现受控的冷却曲线，例如通过在各种功率下降斜率之间进行选择。因此，如果需要较慢的冷却速率，则可以选择较长(较平缓的斜坡)的功率下降斜坡，而相反，如果希望较快的冷却速率，则较短的(较陡峭的)功率下降斜坡可能会被选中。选定的掉电斜坡率可以被应用于所有的功率脉冲(在这种情况下可以对各个脉冲施加不同的斜率)，或者仅被应用于在加热(功率脉冲)序列中的最终脉冲或最后几个脉冲。此外，虽然示出了线性功率下降斜坡，但是任何或所有的斜坡可以具有非线性曲线(例如，指数曲线或双曲线)。而且，虽然示出了受控断电曲线，但是功率脉冲的上升沿可以类似地根据实现受控的加热速率来成形。在所有情况下，除了所示的脉冲轮廓之外的功率分布可以用于实现设备加热操作，包括例如但不限于稳态或非归零功率分布。
用于加热结构的电路还可以感测结构的温度。结构的电特性通常是温度的函数，例如电阻可能随着温度而增加。这可以用来测量修整之前或之后的温度。这也可以用于测量加热脉冲之间、或者甚至在加热脉冲期间的结构温度。以这种方式，脉冲持续时间或高度或其他功率分布特性可以在其进行之前或之中进行修改，以获得最佳结果。例如，如果系绳在寒冷时具有特定电阻，并且在其处于期望的热温度时具有另一电阻，则可以施加电流脉冲直到达到期望的热温度。可以用各种方法加热同时测量结构的电阻，例如通过施加电流来加热结构，同时测量结构两端的电压以确定其电阻，或者备选地通过施加DC加热驱动，同时用AC测试信号测量电阻。
图25示出了其中执行回流焊操作以将形成加热端口的两个单独的端子合并成单个操作端子的封装的MEMS装置的示例性处理。也就是说，在回流焊之前，封装的MEMS器件包括三个电隔离的端子，其中两个形成如上所述的用于加热或过热内部微机械结构的端口，而另一个形成第一操作端子。由于两个加热端口端子的相应焊料层(或其他热溶性导电材料的层)在回流焊期间变成流体并且一起流动，所以两个加热端口端子被有效地合并以形成两个操作端子中的第二个(即，将MEMS器件从三端子器件转换为二端子器件)。可以针对第一操作端子(例如，将可能构成第二加热端口的不同端子合并到第一操作端子中)或未示出的其他端子执行相同的方法。
图26示出了具有两个前侧端子(“端子1”和“端子2”)的封装的MEMS器件内的示例性加热端口布置。在所示的特定实施例中，芯片级封装(CSP)的后侧经由系绳结构电耦合到可移动微机械构件(例如，如图1中的119所示的谐振构件)中的电极层，并因此形成在此被称为“后侧端子”(“端子3”)的第三端子。一个前侧端子通过另一个系绳结构电耦合到与后侧端子相同的电极层，使得系绳互连的前侧端子和后侧端子形成加热端口，可以通过该加热端口传导AC或DC焦耳加热电流。图27A中示出了这种焦耳加热操作的示例性电路模型，示出了流过一对系绳(每个模型为Rtether)并且还流过可移动微机械构件的一个或多个层的电流IJH。从微机械构件的端子1到底部(DDS)层的电流也通过一个或多个系绳结构，该系绳结构可以是传导焦耳加热电流的相同系绳结构。应注意，尽管所有端子连接均显示相同的系绳电阻(Rtether)，但即使使用共享系绳，系绳电阻也可能因层而异。例如，系绳的横截面积(宽度和/或高度)和/或系绳的导电性可能相对于其与微机械构件的不同层的连接而不均匀。
仍然参考图26，在该特定示例中，端子1和端子2/3之间的电容器表示可移动微机械构件中的压电或其他电介质膜。尽管在所描述的装置中DC电流源被耦合在端子2和3之间以产生焦耳加热电流(例如，在制造期间或制造处理后)，但是也可以使用DC电压源或AC电压或电流源。而且，在将晶圆(即，包含如图26所示的多个这样的MEMS结构的晶圆)切割成单个管芯之后，每个管芯的后侧仍然可以电耦合到前侧端子中的一个(即，通过系绳和可移动的微机械构件的电阻)。在许多应用中，这种剩余的电耦合(即后侧和前侧端子之间)对器件操作没有(或可忽略的)影响，并且可以保持不变。在设备操作期间需要或受益于设备后侧端子和前侧端子之间的电隔离的应用中，可以采用到后侧端子的易熔或其他可断开的连接来实现后侧端子的后期制造废止。
图26中所示的两个前侧端子被用于正常的装置操作。在这个示例中，电容器表示如图1A所示的双硅压电MEMS谐振器的情况下的压电层。在正常的器件操作期间，仅需要到MEMS结构(即，微机械构件)中的每个电极层的一个连接，使得MEMS芯片(端子3)的后侧可以不被使用。在示出的示例性模型中，允许后侧端子电浮置，使得在可移动的微机械构件内没有(或可忽略的)焦耳加热电流流动。该操作在图27B中示出。在备选实施例中，如上所述可以废除后侧端子。而且，与本文的所有实施例一样，可以用比图26中所示的三层更多或更少的层来实现/制造微机械构件。
图28A和图28B示出了封装级TSV(例如通过封装盖结构或基板延伸的贯穿硅通孔)和能够实现封装级端子互连的压电致动谐振器电极之间的示例性电互连(即，在随后的封装步骤期间)以及MEMS谐振器的后封装焦耳加热。在图28A的实施例中，三个端子通过封装的双硅谐振器的盖和/或基板层在TSV处暴露，这三个端子包括耦合到顶部电极的相对侧端的两个端子(显示为ISDP层，尽管可以使用备选的材料层构造)以及耦合到底部电极的一个端子(在该示例中是简并掺杂的单晶硅层)。通过这种布置，例如，直流或交流电流可以通过谐振器和顶部电极层的系绳结构，其中的任一个或两者可以被设计成使谐振器材料堆叠过热(即，对谐振器的材料堆叠进行焦耳加热，如上所述)并因此执行任何数量的封装后退火操作和/或热频率修整操作。图28B的实施例类似于图28A的实施例，不同之处在于，焦耳加热端子对被系绳耦合到底部电极层(例如，简并掺杂的单晶硅层)的相对横向端部，以操作底部系绳层和/或底部电极层作为过热源，而不是顶层系绳/电极元件。在其他实施例中，可以提供两个焦耳加热端子对，每个耦合到相应的简并掺杂硅层的相对端。而且，如下面更详细地讨论的，图28A/图28B实施例中的任何一个中的焦耳加热端子对可以合并以与第三封装端子一起形成参照图1A讨论的谐振器感测/驱动端子。备选地，焦耳加热端子对可以由等电位谐振器驱动信号驱动以模拟端子对的电耦合。也就是说，代替将端子连接在一起以在相关材料层(和系绳层)的横向端处建立等电位，可以通过附接的逻辑管芯的驱动/感测电路将端子驱动到等电位。
图29A和29B示出了端子缩减方法，其中三个或更多个封装级端子(例如，如参考图28A和图28B所讨论的)在包围封装壳体之前合并，以仅暴露两个电独立封装级端子。在图29A的概念图中，焦耳加热端子(焦耳加热端口)耦合到双硅谐振器的ISDP层(因此允许通过晶圆探针或单片管芯探针引入焦耳加热电流)，但是可备选地耦合到核单晶谐振器层或者通过耦合到核谐振器层(即，在四端子封装结构中)的附加加热端口来补充。
图29B示出了产生图29A中所示的封装内端子合并(减少)的封装操作的示例性序列，示出了序列中的每个点处的封装结构的横截面图和俯视图。从示例性三端子封装结构开始，两个焦耳加热端子通过金属沉积而合并，以形成统一的顶部电极端子(或底部电极端子)。之后，将附加封装层(例如，聚酰亚胺或其他非导电模制或材料层)设置在具有如图所示形成的通孔和焊球座的合并电极端子上以产生四端子封装，其中两个封装级端子在电气上是共同的(通过端子合并金属沉积)以形成顶部电极互连节点，并且四个端子中的第三个连接到底部电极(反之亦然)。第四个封装级端子主要用于机械稳定性，可以不连接(“不连接”或“NC”)或冗余耦合到底部或顶部谐振器电极。在其他实施例中，特别是在需要长方形封装结构的情况下，只有两个封装级触点可以被暴露，一个用于两个谐振器电极中的每一个。
在用于定时、感测或其他应用的基于谐振器的系统中，可能需要校准处于或接近室温的谐振频率，以补偿谐振器制造过程中的可变性。例如，与典型的应用需求(+/-20ppm或更小)相比较，未校准谐振器的室温谐振频率可能与其所需频率相差百万分之+/-10,000(ppm)。
期望谐振频率和实际谐振频率之间的偏移可通过主动补偿(即连续校正)或通过被动补偿(即一次校正或“修整”)来消除。主动补偿方法是不希望的，因为它们需要专用的电子电路，消耗电功率，并且补偿的频率输出可能比未补偿的谐振器频率噪声更大。
一旦谐振器已经由于若干原因被气密地封装，执行频率校准就是有利的。首先，它可以在非洁净环境下进行，从而降低成本。其次，封装过程可以稍微改变谐振器频率，这降低了频率调整过程的准确性。
尽管已经开发了无源补偿技术来例如通过经由激光照射或表面化学反应的质量去除/添加来修整MEMS谐振器的室温频率，但是当将其应用于气密封装的谐振器时(例如，封装损坏、在密封腔内产生微粒、在密封腔中引入化学反应性材料、增加腔压力、增加工艺复杂性/成本等)。
在本文公开的多个实施例中，应用上文讨论的各种焦耳热量结构/技术和/或备选的加热技术(例如，通过激光或其它电磁辐射的过热)来实现热频率修整操作。更一般而言，过热方法的应用包括基于材料性质改变(与上述材料移除、消融、尺寸改变或表面改性不同的改变)修改一个或多个谐振频率或其他谐振装置特性。尽管后面的这些改进可以作为加热改变材料特性的一个侧面结果而发生，但是它们并不是实现频率修整的主要机制。可以利用序列中的一个或多个过热周期来操纵MEMS结构的共振频率。以下更详细地公开了这些和其他热修整实施例和特征。
图30示出了经由激光器(例如，具有范围从紫外到红外的波长的连续波或脉冲激光器)或电磁辐射的其他源的MEMS谐振器的示例性加热。MEMS谐振器可以在频率修改之前可选地被气密封装，从而补偿掉封装引起的频移。与包含MEMS结构的DDS相比，气密封装可以由硅、玻璃、氧化铝或其它在某些波长中具有最小光吸收的材料制成。例如，可以将IR激光器(例如，1.1微米波长)与轻掺杂硅气密封装(例如，1e17个原子/cm3)组合，以便MEMS谐振器中的DDS层的吸收(例如，通过双硅谐振器或如上所述的变型实现)比轻度掺杂的硅外壳大得多。激光器可以加热谐振器，同时使气密封装相对完好无损。在激光束的情况下，通过光学操作，光斑(点)尺寸可以是大致圆形的或者可选的形状。点尺寸通常比MEMS结构小得多，尽管在某些情况下使用尺寸与结构相当的激光点可能是有益的。激光点可以施加到结构上的一个或多个离散位置，或者可以扫描激光点以加热特定区域、形状或图案。
在通过电磁辐射加热的情况下，DDS层可以执行两个功能：通过刚度修改和光学吸收的频率调谐。或者，DDS层可以仅用于单一功能(光学吸收)，并且MEMS结构的频率可以通过激光烧蚀来修改，导致几何变化，从而导致刚度减小或质量减小，这取决于消融的空间分布。光功率可以在整个MEMS结构上被空间图案化，例如以独立地设计两个或更多个模式的室温频率，或者独立地控制两个或更多个频率温度系数。
在基于激光的加热方法中，系绳执行两个功能(热绝缘/隔离和机械顺应性)，并且其提供相对高电阻的第三潜在功能不太重要。加热电源处于激光入射点，而不是焦耳加热情况下的系绳或图案化电极的热点。
图31A和图31B示出了通过施加到MEMS谐振器结构的加热和冷却过程对电活性掺杂剂浓度的操纵。半导体中的总掺杂剂浓度是电活性掺杂剂浓度和电惰性(非活性)掺杂剂浓度之和。在DDS材料中，在晶圆级处理完成时的电活性掺杂剂浓度可能显著低于通过多种掺杂剂非活性机制的总掺杂剂浓度。
可以设计DDS的制造工艺，使得在晶圆制造工艺完成时，大部分掺杂剂的浓度是电惰性。可以通过选择掺杂物种类(例如砷、硼、磷或锑)、每单位面积的掺杂剂量、掺杂剂浓度分布或施加到谐振器的热处理参数(例如时间、温度、加热速率、冷却速率)来控制电惰性掺杂浓度。
图16A示出了在这样的DDS样品(例如，简并掺杂的单晶硅或简并掺杂的多晶硅)被加热之后的电活性掺杂剂浓度。电活性掺杂剂浓度在低温下(例如，低于200℃)并不显著改变，但在较高温度下显著增加，直到大部分或潜在基本上所有的先前非活性掺杂剂已被热激活。最高加热温度范围可以从600℃到1300℃。
图31B示出了DDS被冷却时电活性掺杂剂浓度的两个潜在情况。对于足够慢的冷却速率(例如1℃/min)，电活性掺杂剂浓度将随着掺杂剂失活而减少，例如在磷掺杂的情况下通过形成非活性团簇。缓慢冷却至室温后，大部分掺杂剂原子可能失活。相反，如果DDS以104℃/sec的速率快速冷却(“骤冷”)(较低或较高的冷却速率可能是有效的)，相对较少的掺杂剂原子将失活。随后加热到较低的温度或较慢的冷却速率可用于降低电活性掺杂剂浓度，从而允许掺杂剂浓度增加或减少。随后快速冷却(“加热周期”或“过热周期”或“加热/淬火周期”)的加热周期因此可用于操纵DDS中的电活性掺杂剂浓度。
图32A示出了谐振频率与DDS的电活性掺杂剂浓度之间的关系。DDS中载流子的电活性浓度可以改变其在室温下的刚度(例如，硅中的c11、c12和c14系数)及其第一、第二和更高阶的刚度温度系数。因此，对DDS的电活性掺杂剂浓度的修改可以用于频率修整。
图32B示出了室温谐振频率随着加热时间和加热温度的变化。频率变化的速率随着加热时间指数地变化，并且通常饱和到稳态频率足够长的加热时间。加热温度的升高通常伴随着谐振频率的降低。然而，如前所述，在将MEMS器件加热到特定温度之后，随后将器件加热到较低的温度可以潜在地降低活性掺杂剂浓度(增加谐振频率)，在本文中称为“反调”(backtuning)。
MEMS结构的温度激活材料修改不特定于特定的转换技术。例如，它可以容易地应用于静电、压电、压阻或磁转换装置。类似地，它不特定于焦耳加热或基于激光的加热。可以应用能够可控地将MEMS结构加热到足够高的温度的任何其他加热方法。在激光束加热的情况下，在一些情况下，如果将电极放置在谐振器上，则将激光束设置在未被电极覆盖的区域中可能是有利的。例如，压电谐振器可以在谐振器上使用电极。谐振器可以被设计成将感兴趣的特定区域(诸如在振动模式下经历高应变或大移动的区域)设置为远离电极，以避免用激光照射损坏电极表面。
图33示出了顺序地施加到MEMS谐振器以迭代地修改其谐振频率的加热(功率)脉冲的示例性序列。在这个特定的示例中，三个相似的加热脉冲被施加到结构上之后，频率已经饱和并且不再减小。第四脉冲的加热功率和持续时间增加，并且实现共振频率的进一步降低。
在热处理期间MEMS结构的温度可以通过改变施加的功率和/或施加功率电平的持续时间来控制。例如，将具有1纳秒(nsec)持续时间的热脉冲施加到具有1毫秒(msec)的特征热时间常数的MEMS结构将导致比100毫秒脉冲更低的最大温度，因为在前者的情况下，结构不会达到热平衡。MEMS结构的热时间常数可以通过构成结构的几何结构或材料来设计。
图34是示出示例性频率修整过程或算法的流程图。例程通过在一个或多个温度下测量谐振器的谐振频率开始。可以使用外部源或者通过使电流通过装置(即，上面公开的任何辐射加热或焦耳加热技术，以及更一般地，用于加热MEMS结构的任何可行的技术)来调节温度。如果谐振器的性能不如预期的那样，则计算加热功率、曝光持续时间和热工艺的空间分布以改变谐振器特性。例如通过焦耳加热或激光照射将热处理应用于MEMS结构。在短暂地等待MEMS结构达到期望的温度(例如周围房间的温度)之后，再次测量谐振频率以确定是否已经实现期望的行为。可以在谐振器处于高温时测量谐振频率，但是在测量的频率和室温频率之间会产生偏移。因此，优选在代表目标应用的温度下测量谐振器频率。
实际上，频率修整包括测量一个或多个温度下的一个或多个本征模的谐振频率的多个重复周期(迭代)，然后对MEMS结构施加热处理以赋予室温频率或一种或多种模式的TCF的变化。通过改变热工艺特性(例如最大温度或持续时间)或热工艺的空间分布(例如激光位置、交流电频率或有源电端子)，可以独立修改多个参数(例如，两个不同谐振模式的频率，或者室温频率和一阶TCF等)。在组成每个迭代的热量测量周期中，有益的但不是必须的，在MEMS结构的加热周期之后等待足够长的时间，以在测量频率之前将其冷却回到环境温度或已知温度。MEMS结构的温度可以通过将相对较小的电流通过结构来推断，以测量其电阻随温度而变化。备选地，可以使用各种光学或其他非接触式温度测量技术来确定过热温度(例如，当施加功率脉冲时确定谐振器频率的振动计)和/或可以使用原位温度感测结构来确定过热温度。然而，感测到的是，过热温度可以被反馈回加热控制电路，以使MEMS结构闭环加热到目标频率，控制加热和/或淬火速率/分布等。
在每个热量测量周期之后，可以计算下一个周期的参数。这个过程可以通过基于模型的方法来帮助，其中计算热过程的期望的频率变化并且与测量的频率变化进行比较。如果特定迭代的频率变化幅度小于预期值，则可以增加下一次迭代的热功率以补偿。同样，可以使用比期望更大的频率变化来修改下一次迭代的热功率。这个反馈过程可以减少迭代次数，从而减少频率修整的成本。
图35示出示例性频率修整过程。在每次迭代开始时，测量谐振频率，并计算实施的热工艺。频率最初地高于目标频率。为了避免过度调节频率并且可能针对该特定谐振器的特性校准数学模型，热功率最初较小。在总共7次迭代中，热功率逐渐增加，频率逐渐降低，直到达到目标频率。如果谐振频率在可接受的范围内，或者如果迭代的次数大于规定的限值或者频率离可能成功的目标频率太远，则可以终止频率修整过程。
图36示出了包括频率回调技术的示例性频率修整过程。如前所述，在某些情况下，DDS的热频率调谐可能是可逆的。逆转调谐过程的能力允许使用更积极的频率调整算法。在这个示例中，热功率迅速增加。第三个周期后，谐振频率低于目标频率。剩下的两个迭代降低热功率以增加频率直到达到目标频率。
可以同时修整多个结构以节省时间并降低生产成本。例如，可以构建电探针台以同时测量和修整2个、4个、8个或其他数量的器件。备选地或组合地，多个结构可以同时电接触并顺次修整。
频率调谐过程可以用于同时修整多个系统参数，并且不限于在室温下的单个谐振模式的谐振频率。例如，可以调节多个谐振模式的室温、单个模式的多个温度系数或其中的任何组合。这可以通过在热修改过程期间控制MEMS结构上的温度的空间分布来实现。例如，考虑谐振器上的两个位置P1和P2以及两个振动模式M1和M2。由于特定位置的刚度变化而导致的个体本征模式的频率变化与该位置的机械应力成正比。例如，P1处的机械应力可能低于M1，而M2高。相对于M1和M2而言，P2可能是正确的。因此，修改P1处的刚度将优先修改M1的频率，同时修改P2处的刚度将优先修改M2的频率。离散位置的概念可以推广到横跨MEMS结构的连续的温度和应力分布。
用于控制和改变MEMS结构上的温度分布的示例性方法包括改变入射激光束的位置，改变用于加热的有源和无源电端子的选择，或改变交流输入的频率，以改变流过该器件的电流分布相对于通过分布寄生电容的电流导致温度升高。
图37A-图37D示出了基于利用所有可用加热端子的子集进行加热的MEMS结构中的多个谐振频率的示例性操纵。在图37A中，示出具有两个感兴趣的振动模式的简化的盘环陀螺仪：模式1和模式2。图37示出了除了在正常器件操作期间潜在地被使用之外的围绕MEMS结构的电极用于电容耦合的焦耳加热的示例性阵列。图37C示出了施加到电极的子集的RF输入，使得MEMS结构不均匀地加热以优先调谐模式1的频率，并且图37D示出了施加到电极的不同子集以优先调节模式2的频率以获得两种模式之间所需的频率关系的RF输入。温度激活的频率修整可以用来操纵两个或更多个振动模式的总和或乘积。示例应用包括但不限于模式匹配，设计两种模式之间的频率差，以及控制两种模式的频率比。
图38示出了基于加热端子的子集的激活的类似MEMS结构的两种模式之间的频率关系的调整，除了焦耳加热通过直接耦合到结构的端子来完成之外，DC加热电流的可能性。
DDS层或DDS层内的掺杂剂浓度可以在整个MEMS结构上变化。例如，可以将具有高电阻率的区域引入到结构中，以增加局部的焦耳加热功率密度。作为另一种应用，整个结构上的掺杂剂浓度的变化可以允许由过热引起的机械刚度的变化被局部地改变，即使结构上的温度相对均匀。这可以用来设计结构的一个或多个频率温度系数(TCF)。例如，MEMS谐振器可以由两个或更多个机械和热耦合的区域形成，但是具有基本上不同的TCF。复合结构的室温频率和TCF将取决于来自每个区域的加权贡献。一个区域相对于其他区域的机械刚度的变化将导致复合结构的TCF发生变化。
不对称地改变MEMS结构的刚度也可以用于引起谐振装置的品质因数(Q)的变化。通过不对称地改变谐振器的质量或刚度，在谐振器连接到基板或封装的点处会发生增加的能量损失。这将导致Q的减小。如果谐振器设计成具有不对称性并且激光器改变谐振器以消除不对称性，则Q可能增加。系统Q的电平可以通过在热处理期间调整温度的空间分布来校准，例如通过激光位置或通过有源电端子。
这里公开的各种电路和MEMS结构可以使用计算机辅助设计工具来描述，并且作为体现在各种计算机可读介质中的数据和/或指令，就其行为，寄存器传输、逻辑组件、晶体管、布局几何形状和/或其他特性。可以实现这样的电路表达式的文件和其他对象的格式包括但不限于支持诸如C、Verilog和VHDL之类的行为语言的格式，支持诸如RTL的寄存器级别描述语言的格式以及支持几何描述语言如GDSII、GDSIII、GDSIV、CIF、MEBES和任何其他合适的格式和语言。计算机可读介质(其中可以实施这种格式化的数据和/或指令)包括但不限于各种形式的计算机存储介质(例如，光学，磁性或半导体存储介质，无论是以这种方式独立分布还是存储在操作系统中“原位”)。
当经由一个或一个以上计算机可读媒体在计算机系统内接收到时，可由计算机内的处理实体(例如，一个或一个以上处理器)处理上述电路的此类数据和/或基于指令的表达系统结合执行一个或多个其他计算机程序，包括但不限于网表生成程序、布局和路由程序等来生成这种电路的物理表现的表示或图像。这种表示或图像此后可用于装置制造中，例如，通过在装置制造过程中能够产生用于形成电路的各种组件的一个或多个掩模。
在前面的描述和附图中，已经阐述了特定的术语和附图符号以提供对所公开的实施例的透彻理解。在一些情况下，术语和符号可能意味着实践那些实施例不需要的具体细节。例如，具体尺寸、数量、温度、时间周期、信号电平、功率电平、信号或工作频率、组件电路或装置等中的任何一个可以不同于以上在替代实施例中描述的那些。另外，集成电路器件或内部电路元件或块之间的链路或其他互连可以被示出为总线或单个信号线。每条总线也可以是单条信号线，每条单条信号线可以是总线。然而，信号和信令链路显示或描述可以是单端的或差分的。当信号驱动电路在耦合在信号驱动和信号之间的信号线上声明(或解除声明，如果明确说明或通过上下文指示的话)信号时，信号驱动电路被称为“输出”信号到信号接收电路接收电路。术语“耦合”在此用于表示直接连接以及通过一个或多个中间电路或结构的连接。设备“编程”可以包括，例如但不限于，响应于主机指令将控制值加载到集成电路设备内的寄存器或其他存储电路中(并且因此控制设备的操作方面和/或建立器件配置)或通过一次性编程操作(例如，在器件生产期间在配置电路内熔断熔丝)，和/或将该器件的一个或多个选定引脚或其他接触结构连接到参考电压线(也称为捆扎)以建立装置的特定装置配置或操作方面。术语“示例性”和“实施例”用于表示示例而不是优选或要求。而且，术语“可以”和“能够”可互换地用来表示可选的(可允许的)主题。任何一个术语的缺失都不应被解释为需要给定的特征或技术。
在不脱离本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对这里给出的实施例进行各种修改和改变。例如，任何实施例的特征或方面可以与任何其他实施例结合应用或代替其对应特征或方面。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (30)

1.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
基板；
可移动微机械构件；以及
机械结构，所述机械结构将所述可移动微机械构件固定至所述基板，将所述可移动微机械构件与所述基板热隔离，并提供传导路径，以使得所述可移动微机械构件能够加热到至少300摄氏度的温度。
2.根据权利要求1所述的MEMS装置，还包括形成真空腔的封装结构，所述可移动微机械构件和至少部分所述机械结构被设置在所述真空腔中。
3.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中所述机械结构包括折叠的系绳。
4.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中所述可移动微机械构件包含MEMS谐振器。
5.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中将所述可移动微机械构件固定至所述基板的所述机械结构提供足够的热隔离和电阻率，以使得能够在焦耳加热电流经由所述传导路径进行传导时将所述可移动微机械构件加热到至少700摄氏度的温度。
6.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中所述机械结构包括与所述传导路径串联耦合并形成所述传导路径的一部分的电极，所述电极被图案化以包括具有足够电阻的电阻区域，以在电流经由所述传导路径进行传导时将所述可移动微机械构件加热到至少300摄氏度的温度。
7.根据权利要求6所述的MEMS装置，其中所述电极包括简并掺杂的多晶硅。
8.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中所述电极包括简并掺杂的单晶硅。
9.根据权利要求6所述的MEMS装置，其中所述电阻区域包括所述电极的通道特征，所述通道特征在所述电极的第一端子区域和第二端子区域之间延伸并电耦合所述电极的第一端子区域和第二端子区域，所述通道特征具有基本小于所述第一端子区域和所述第二端子区域中的任一端子区域的截面区域，并且在所述传导路径内与所述第一端子区域和所述第二端子区域串联耦合。
10.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中所述可移动微机械构件包含简并掺杂的半导体。
11.一种微机电系统(MEMS)谐振器，包括：
简并掺杂的多晶硅层；
简并掺杂的单晶硅层；以及
压电材料层，夹置在所述简并掺杂的多晶硅层和所述简并掺杂的单晶硅层之间。
12.根据权利要求11所述的MEMS谐振器，其中所述压电材料层包括氮化铝。
13.根据权利要求11所述的MEMS谐振器，其中所述简并掺杂的单晶硅层的厚度是所述压电材料层的厚度的至少10倍。
14.根据权利要求11所述的MEMS谐振器，其中所述简并掺杂的多晶硅层、所述简并掺杂的单晶硅层和所述压电材料层形成谐振器本体以及将所述谐振器本体机械耦合至场区域内的锚定点的一个或多个系绳结构。
15.根据权利要求14所述的MEMS谐振器，其中所述简并掺杂的多晶硅层包括所述谐振器本体内的第一电极和所述一个或多个系绳结构中的每一个内的第一传导路径，以使得所述第一电极能够通过至少一个所述系绳结构电耦合到所述谐振器外部的电压源的第一节点。
16.根据权利要求15所述的MEMS谐振器，其中所述简并掺杂的单晶硅层包括所述谐振器本体内的第二电极和所述一个或多个系绳结构中的每一个内的第二传导路径，以使得所述第二电极能够电耦合到所述谐振器外部的电压源的第二节点，以使得由所述电压源生成的电压产生所述压电材料层两端的静电位。
17.根据权利要求15所述的MEMS谐振器，其中所述一个或多个系绳结构包括至少两个系绳结构，所述至少两个系绳结构使得所述第一电极能够耦合在所述谐振器外部的所述电压源的第一节点与所述谐振器外部的所述电压源的第二节点之间，以使得在所述第一电极两端施加电位差。
18.根据权利要求15所述的MEMS谐振器，其中所述第一电极被图案化以形成具有足够电阻的电阻区域，以在电流通过所述电阻区域传导时将所述谐振器本体加热到至少300摄氏度的温度。
19.根据权利要求15所述的MEMS谐振器，其中所述一个或多个系绳结构将所述谐振器本体与所述锚定点热隔离，并且表现出足够的电阻率，以使得能够在焦耳加热电流通过所述一个或多个系绳结构进行传导时将所述谐振器本体加热到至少300摄氏度的温度。
20.根据权利要求15所述的MEMS谐振器，其中所述一个或多个系绳结构包括在所述谐振器本体的相对侧耦合到所述第一电极的两个系绳结构。
21.一种调整微机电系统(MEMS)谐振器的谐振频率的方法，所述方法包括：
在加热操作中将所述MEMS谐振器加热到至少700摄氏度的温度；
在所述加热操作之后，在淬火操作中将所述MEMS谐振器冷却到低于100摄氏度的温度；
在所述淬火操作之后，在频率测量操作中确定所述MEMS谐振器的至少一个谐振模式的频率；以及
如果在所述频率测量操作中确定的频率与目标频率之间的差值大于阈值，则重复所述加热操作、所述淬火操作和所述频率测量操作。
22.根据权利要求21所述的方法，其中在所述加热操作中加热所述MEMS谐振器包括在所述MEMS谐振器已被气密封装之后对所述MEMS谐振器进行焦耳加热。
23.根据权利要求21所述的方法，其中在所述加热操作中加热所述MEMS谐振器包括在所述MEMS谐振器已被气密封装之后用辐射热源加热所述MEMS谐振器，其中来自所述辐射热源的辐射穿过用于封装所述MEMS谐振器的结构元件。
24.根据权利要求21所述的方法，其中在所述加热操作中将所述MEMS谐振器加热到至少700摄氏度的温度包括耗散所述MEMS谐振器的一个或多个特征内的能量，所述一个或多个特征包括至少一个系绳结构，所述至少一个系绳结构将所述MEMS谐振器的本体机械耦合到周围的场区或设置在所述MEMS谐振器的本体上或内部的图案化电极。
25.根据权利要求21所述的方法，其中在所述加热操作中将所述MEMS谐振器加热到至少700摄氏度的温度包括向所述MEMS谐振器施加递增量的功率，以控制所述MEMS谐振器被加热的速率。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括确定在所述加热操作期间所述MEMS谐振器被加热到的温度，并且调节在所述加热操作中施加的功率的量，直到所述MEMS谐振器温度达到目标温度。
27.根据权利要求21所述的方法，其中在所述淬火操作中将所述MEMS谐振器冷却到低于100摄氏度的温度包括将所述MEMS谐振器冷却到标称室温。
28.根据权利要求21所述的方法，其中在所述淬火操作中冷却所述MEMS谐振器包括控制所述MEMS谐振器被冷却的速率。
29.根据权利要求21所述的方法，其中如果频率的所述差值大于所述阈值，则重复所述加热操作、所述淬火操作和所述频率测量操作包括迭代地重复所述加热操作、所述淬火操作和所述频率测量操作，直到所述频率差不大于所述阈值。
30.根据权利要求29所述的方法，其中在所述加热操作、所述淬火操作和所述频率测量操作的至少一个重复中，所述加热操作、所述淬火操作和所述频率测量操作中的一个或多个的如下特性不同于所述加热操作、所述淬火操作和所述频率测量操作中的其他执行：所述MEMS谐振器被加热的速率、所述MEMS谐振器被加热到的温度、所述MEMS谐振器被冷却的速率或者所述MEMS谐振器被冷却到的温度。
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