CN109728791A - 相对于温度变化稳定性提高的微机电谐振器系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及相对于温度变化稳定性提高的微机电谐振器系统。MEMS谐振器系统具有微机械谐振结构和电子处理电路，电子处理电路包括第一谐振回路，第一谐振回路激发结构的第一振动模式并且生成在第一谐振频率的第一信号。根据温度变化测量结果，补偿模块补偿由温度变化造成的第一谐振频率的第一变化，以生成在期望频率的时钟信号，期望频率相对于温度是稳定的。电子处理电路还包括第二谐振回路，第二谐振回路激发结构的第二振动模式并且生成在第二谐振频率的第二信号。温度感测模块接收第一和第二信号，并且根据由温度变化造成的第一谐振频率的第一变化和第二谐振频率的第二变化，生成温度变化测量结果。

Description

相对于温度变化稳定性提高的微机电谐振器系统
技术领域
本公开涉及一种相对于温度变化具有提高的稳定性的MEMS(微机电结构)谐振器系统。
背景技术
具体地，MEMS谐振器系统被有利地用于RTC(实时时钟)装置，以下讨论将参照RTC装置，但这并不暗示着任何地失去一般性。
众所周知，RTC装置通常与时钟功能一起用在电子设备(无论是否是便携式的，诸如移动电话、相机、汽车设备、家用电器、数据收集终端、智能读卡器等)内，以便对过去的实际时间进行计数(按年、月、天、小时、分钟和秒)，即使对应电子设备关机时也能计数。
为此，RTC装置通常包括：谐振器系统，该谐振器系统设计用于生成工作(或者谐振)频率，例如，该频率等于期望值(例如，32.768kHz)或者是期望值的倍数；电子模块，该电子模块耦合至谐振器系统，用于基于该工作频率对过去的时间进行计数；以及用于提供功率供应的合适电源。
即使石英技术在数十年来在频率生成领域(同样针对RTC应用)中占主导，但利用半导体技术(尤其是硅基半导体技术)制成的MEMS谐振器系统最近已经被提出，并不断取得成功。
由于可以使用标准的集成电路制造工艺，并且由于可以将微机械结构和对应电子处理电路(以ASIC(专用集成电路)的形式)两者都低成本地集成在半导体材料的同一个芯片中，所以使用MEMS谐振器系统所带来的优势首先是显著减小了尺寸，以及极大地减少了成本。进一步地，MEMS谐振器系统通常更耐撞击并且更耐机械应力，并且具有比传统石英方案更低的电耗水平。
MEMS谐振器系统包括通过微加工技术得到的微机械谐振结构，微机械谐振结构由于外部应力(以合适的DC电偏置和AC驱动信号的形式)而被诱导成在其自然谐振频率振动。这些微机械谐振结构通常包括至少一个可移动质量块，至少一个可移动质量块通过特意设置的限制元件被锚固到基底，至少一个可移动质量块由施加的偏置和驱动信号驱动进行谐振移动。
图1是MEMS谐振器系统1的示意图，该MEMS谐振器系统1包括微机械谐振结构2和耦合的电子处理电路4(作为ASIC而获得)；在可能的实施例中，微机械谐振结构2和电子处理电路4各自在相应的半导体材料(尤其是硅)裸片中获得，并且被容纳于同一个封装体内，以限定集成系统(芯片)。
微机械谐振结构2包括可移动质量块(所谓的转子)5，该可移动质量块电容式地耦合至驱动电极(D)6和感测电极(S)7。
电子处理电路4实施自持式谐振回路(具有正反馈)，并且尤其向驱动电极6供应驱动信号Vac(尤其是在微机械谐振结构2的谐振频率的AC电压)，该驱动信号造成可移动质量块5(其在偏置电压Vbias、尤其是DC电压下被偏置)的谐振振动；并且电子处理电路4接收感测信号Sout，感测信号Sout与在感测电极7与可移动质量块5之间形成的电容器的电容变化(由谐振振动引起)相关联。
电子处理电路4包括放大器级8(例如，包括具有增益Gm的电流至电压转换器级)，该放大器级8接收感测信号Sout并且将其转换为在谐振频率的信号(应用适当的放大来补偿微机械谐振结构2的损失)，该信号进一步限定用于在正反馈中保持微机械谐振结构2的谐振振动的驱动信号Vac。
电子处理电路4还包括输出级9，例如，输出级9包括缓冲器或者驱动器模块，该输出级9耦合至放大器级8的输出并且设计用于基于微机械谐振结构2的谐振频率供应在期望值的工作频率fout的输出信号S(fout)；例如，输出信号S(fout)由在上述工作频率fout的脉冲串构成。
图2示出了所谓“双固支”或者“固支-固支”类型的微机械谐振结构2的可能实施例。
可移动质量块5由长度为L的偏转梁构成，该偏转梁沿着第一水平轴x纵向地延伸，悬设在基底上面，与相同基底的位于水平面xy中的顶表面平行，并且在两个端部处被限制到相应的锚具12，锚具12相对于基底固定(例如，锚具由从基底的顶表面垂直延伸直到可移动质量块5的相应端部的立柱或者支柱结构构成)。
驱动电极6和感测电极7设置为面向可移动质量块5并且与可移动质量块5平行，沿着第二水平轴y(其与第一水平轴x一起限定前述水平面xy)位于可移动质量块5的相对侧上，并且具有基本上等于可移动质量块5的梁的长度L的长度。驱动电极6和感测电极7锚固至基底，例如通过相应的锚具固定耦合至基底的顶表面，锚具的形状例如像半导体材料的立柱或者支柱，例如，锚具相对于驱动电极6和感测电极7的延伸部设置在中心位置。
在工作期间，在驱动电极6与可移动质量块5之间应用驱动信号Vac造成：在第二水平轴y的方向上由于对应梁的偏转而引起的变形移动，以及随之而来的与感测电极7的电容耦合变化，其中生成感测信号Sout，该感测信号Sout因此可以被电子处理电路4检测并且被适当处理。
通常，由驱动电极6向可移动质量块5应用的驱动信号Vac是为了激发可移动质量块5的第一振动模式，在图3中示出了在图2的双固支式结构的情况下沿着第二水平轴y的第一振动模式对照偏转梁的归一化长度的图表。
可以经由以下方程来表示与第一振动模式相关联的谐振频率f1。
其中，ω1＝2πf1，E是与微机械谐振结构2的可移动质量块5相关联的杨氏模量，I是惯性力矩，ρ是材料的密度，A是可移动质量块5的偏转梁的横截面面积，并且β1是与第一振动模式相关联的常数(例如，在图2的由硅制成的双固支式结构的情况下，乘积β1·L等于4.73)。
在已知的方式中，谐振频率的稳定性是MEMS谐振器系统1的基本方面；例如，在用于谐振加速度计的情况下，谐振频率直接影响传感器的灵敏度，而在用于RTC装置的情况下，谐振频率的稳定性直接表示该装置的品质因数。
然而，MEMS谐振器系统1的谐振频率(如前面方程中强调的)与杨氏模量E的平方根成正比，并且已知的是，杨氏模量E的值随着温度的变化而变化。
例如，已知的是，杨氏模量E的值(尤其是针对单晶硅[100])根据下面的表达式随着温度而变化：
E(T)＝E0·(1+TCE1·ΔT+TCE2·ΔT2)+TCE2·ΔT2)
其中，E0是在参考温度T0的杨氏模量，TCE1和TCE2是温度变化系数，分别等于-63ppm/℃和-56.47ppb/℃2，并且ΔT是温度变化。
可以看出，随之而来的谐振频率f1的变化可以通过下面的表达式来表示：
Δf1＝TCf1·ΔT＝α·f0,1·ΔT
其中，TCf1是所谓频率温度系数，f0,1是在参考温度T0(例如，室温)的第一振动模式的谐振频率的参考值，并且系数α(表示频率随温度的百分比变化)取决于半导体材料，例如，在硅的情况下，该系数大约是-30ppm/℃。因此，可能会在整个使用温度范围(在本示例中+/-50℃)之上产生例如为+/-1500ppm的频率变化。
已经提出了几种方案来试图解决谐振频率值根据温度变化的问题，但是这些方案均被证明无法完全令人满意，尤其是针对在RTC装置(即，要求高稳定性的装置)中的应用。
例如，例如在J.Gronicz,M.Pulkkinen,M.K.Halonen,“A 2μAtemperature-compensated MEMS-based real time clock with±4ppm timekeepingaccuracy”,Circuits and Systems(ISCAS),2014IEEE International Symposium,June1-5,2014中描述的已知类型的第一方案设想了使用温度传感器，该温度传感器可操作地耦合至微机械谐振结构2，用于将有关工作温度的信息供应给相关联的电子处理电路4，适当的补偿谐振频率值变化的操作基于该信息。
然而，本申请人已经意识到该方案除了提高电子处理电路4的复杂度之外，无法完全令人满意并且具有某些重要的局限性。
具体地，这些局限性与使用的温度传感器的准确度有关，该温度传感器的准确度可能无法证明足以补偿谐振频率随温度的变化。
从这点讲，重点是要求温度补偿型实时时钟振荡器(TCXO)在整个使用温度范围(例如，+/-100℃)之上具有大约+/-5ppm的时钟频率值的稳定性；可能会发现，温度测量结果中+/-0.2℃的不确定性足以超出时钟频率稳定性的预设目标。
此外，温度测量结果中的不确定性不仅可能源自使用的温度传感器的准确度，而且还可能源自在温度传感器与微机械谐振结构2之间的可能温度差(假设温度传感器与相同微机械谐振结构2在物理上不同并且分离)。
已经提出的另一种方案(例如，参见Eldwin J.Ng,Vu A.Hong,Yushi Yang,ChaeHyuck Ahn,Camille L.M.Everhart,Thomas W.Kenny,“Temperature Dependence of theElastic Constants of Doped Silicon,”Journal Of MicroelectromechanicalSystems,Vol.24,No.3,June,2015)设想了使用具有重掺杂的单晶硅(SCS)层来形成微机械谐振结构2。
事实上，已经发现重掺杂加应力于晶格并且使电子能带移位，造成载流子流动而使自由能最小化，从而修改了材料的弹性性质，尤其是获得了频率温度系数TCf的降低。
然而，可以发现，前述的频率温度系数TCf降低对于谐振结构的一些激发模式来说是有效的，例如，对于由伸长导致的变形是有效的，然而对于其它激发模式则不太有效，例如，对于由偏转导致的变形则不太有效。
因此，这种方案也无法完全令人满意，并且例如在偏转下工作的谐振结构的情况下(例如，如同图1的双固支类型的结构)，无法使能对谐振频率随温度的变化的充分补偿。
已经提出的又一种方案——例如参见Renato Melamud,Saurabh A.Chandorkar,Bongsang Kim,Hyung Kyu Lee,James C.Salvia,Gaurav Bahl,Matthew A.Hopcroft,Thomas W.Kenny,“Temperature-Insensitive Composite MicromechanicalResonators,”Journal of Microelectromechanical Systems,Vol.18,No.6,December,2009——设想了用硅层、以及附加地用具有不同膨胀温度系数(TCE)的材料层来形成微机械谐振结构2，以便补偿频率对温度的依赖性。具体地，已经提出用氧化硅(SiO2)薄层来涂覆硅层。
然而，这种方案也不能免除局限性。具体地，附加涂覆例如氧化硅以一种不规律的方式修改了与驱动电极和感测电极的间隙，贡献于使间隙值的扩散恶化，因此使电性能恶化。进一步地，例如，在撞击或者其它类型的机械冲击的情况下，该附加薄层降低了结构的强度及其可靠性。
因此，至今针对MEMS谐振器系统已经提出的用于补偿谐振频率随温度的变化的方案都无法完全令人满意。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种具有提高的电特性(尤其是关于谐振频率稳定性)的MEMS谐振器系统。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参照附图并且仅通过非限制性示例的方式来描述本公开的优选实施例，其中：
图1是已知类型的MEMS谐振器系统的框图；
图2是仍然是已知类型的MEMS谐振器系统的微机械谐振结构在俯视平面图中的示意表示；
图3是表示图2的微机械谐振结构的第一振动模式的图；
图4和图5是分别表示微机械谐振结构的第二振动模式和第三振动模式的图；
图6是表示谐振频率根据温度的变化的图表；
图7是根据本方案的一个实施例的MEMS谐振器系统的示意框图；
图8是图7的MEMS谐振器系统中的补偿模块的示意框图；
图9是图7的MEMS谐振器系统中的温度感测模块的示意框图；
图10A至图10C示出了与图7的MEMS谐振器系统的操作有关的电学量的图；
图11是图7的MEMS谐振器系统的微机械谐振结构在俯视平面图中的示意表示；
图12A至图12B示出了分别表示图11的微机械谐振结构的第一振动模式和第二振动模式的图；
图13是根据另一实施例的图7的MEMS谐振器系统的微机械谐振结构在俯视平面图中的示意表示；
图14是根据又一实施例的微机械谐振结构在俯视平面图中的示意表示；以及
图15是根据本方案的另一方面的使用MEMS谐振器系统的RTC装置的总体框图。
具体实施方式
如下文中将详细描述的，本方案的一个方面设想了利用微机械谐振结构的不同振动模式的频率温度系数TCf的不同变化，以便实施对谐振频率随温度变化的补偿。
通过示例的方式，参照与例如图1所示的结构相似的双固支类型的微机械谐振结构，通过示例的方式可以考虑第二振动模式和第三振动模式，图4中图示了第二振动模式的图表，图5中示出了第三振动模式的图表。
具体地，考虑第i振动模式的总体谐振频率fi，前面示出的方程变为：
其中，βi·L针对不同振动模式有所不同，确定了谐振频率fi的不同值。
进一步地，基于下面的表达式，频率温度系数TCf本身对于各种振动模式而言是不同的：
TCf,i＝α·f0,i
其中，f0,i是在参考温度的第i谐振频率的值(基于前面的方程来确定)，而系数α对于各种振动模式而言是相同的(例如，对于硅而言是-30ppm/℃)。
因此，通过示例的方式，可以通过再次考虑同一个微机械谐振结构的仅前面三种振动模式，来获得下面呈现的值表(显然，这些值仅仅是通过示例的方式被提供)。
模式 β<sub>i</sub>·L f<sub>0,i</sub>[kHz] TCf[Hz/℃]
1 4.73 524 -15.72
2 7.85 1440 -43.33
3 10.99 2831.5 -84.95
随着温度T变化，由于频率温度系数TCf对于各种振动模式的不同值，所以出现了对应谐振频率的不同变化。
具体地，通过示例的方式，考虑第一和第二振动模式，得到以下方程：
Δf1＝fΔT,1-f0,1＝f0,1+TCf1·ΔT-f0,1＝TCf1·ΔT＝α·f0,1·ΔT
Δf2＝fΔT,2-f0,2＝f0,2+TCf2·ΔT-f0,2＝TCf2·ΔT＝α·f0,2·ΔT其中，ΔT是温度T相对于参考温度T0的变化，并且Δfi是随之而来的第i模式的谐振频率相对于在参考温度假设的值的变化。
现在考虑与第一和第二振动模式相关联的频率变化Δf1和Δf2之间的差值，得到以下表达式：
Δf1-2＝Δf1-Δf2＝(TCf1-TCf2)·ΔT＝α·(f0,1-f0,2)·ΔT
图6示出了与相同温度变化ΔT相关联的第一和第二振动模式的前述频率变化Δf1和Δf2。
因此，在与第一和第二振动模式相关联的示例中，通过测量与两种不同振动模式相关联的频率变化Δf1和Δf2之间的差值，根据以下表达式可以得到温度的测量结果(具体地，相对于参考温度T0的温度变化ΔT的测量结果)：
其中，系数α是已知的，到目前为止其取决于半导体材料(例如，对于硅，其等于30ppm/℃)，并且项f0,1和f0,2也是已知的，到目前为止可以在表征MEMS谐振器系统期间测量它们。具体地，系数α是具有大幅减小的扩散的已知参数，与结构材料的固有特性的均匀性有关，并且项f0,1和f0,2可以在校准步骤期间以高的精确度测得。
因此，通过前述对频率差的测量，可以按照非常精确的方式，并且具体地在不使用专用温度传感器的情况下，直接得到MEMS谐振器系统的工作温度的测量结果。
参照图7，现在对根据本方案的一个实施例的MEMS谐振器系统20进行描述，该MEMS谐振器系统20实施了前面描述的补偿方法。
MEMS谐振器系统20包括微机械谐振结构22和耦合至该微机械谐振结构22的电子处理电路24。如前面提到的，微机械谐振结构22和电子处理电路24可以被集成在半导体材料(具体地，硅)的相应裸片中，并且这些裸片可以被容纳在同一个封装体中。
微机械谐振结构22(此处以示意的方式图示)设置有对应的可移动结构25和相关联的驱动电极26和感测电极27，驱动电极26和感测电极27电容式地耦合至可移动结构25；例如，可移动结构25可以是所谓的双固支或者固支-固支类型的。
根据本方案的一个方面，电子处理电路24包括第一和第二自持式谐振回路24a、24b(具有正反馈)，第一和第二自持式谐振回路24a、24b彼此不同并且两者都耦合至微机械谐振结构22。
第一和第二谐振回路24a、24b配置为分别激发与微机械谐振结构22相关联的第一谐振振动模式和第二谐振振动模式，从而生成在第一谐振频率fΔT,1和第二谐振频率fΔT,2的相应的第一输出信号S(fΔT,1)和第二输出信号S(fΔT,2)；例如，第一和第二输出信号S(fΔT,1)、S(fΔT,2)由在相应第一和第二谐振频率fΔT,1、fΔT,2的脉冲串构成。
在可能的实施例中，第一和第二谐振频率fΔT,1、fΔT,2与微机械谐振结构22的第一和第二振动模式相关联；如前面讨论的，第一和第二谐振频率fΔT,1、fΔT,2的值根据温度变化ΔT而变化，具体地，经历相应的频率变化Δf1和Δf2。通常，应该注意，前述第一和第二谐振频率fΔT,1、fΔT,2可以与结构的两种不同的振动模式相关联，例如，与第一和第六振动模式相关联(在其它模式在平面外并且是扭转的情况下)。
详细地讲，第一谐振回路24a配置为：生成第一驱动信号Vac1(具体地，在第一谐振频率fΔT,1的AC电压)并且将所述第一驱动信号Vac1供应给第一驱动电极装置(用D1表示)，以便激发可移动结构25(其在偏置电压Vbias、具体地DC电压下被偏置)的谐振振动；并且从第一感测电极装置(用S1表示)接收在可移动结构25的第一谐振频率fΔT,1的与振动相关联的第一感测信号Sout1。
同样，第二谐振回路24b配置为：生成第二驱动信号Vac2(具体地，在第二谐振频率fΔT,2的AC电压)并且将所述第二驱动信号Vac2供应给第二驱动电极装置(用D2表示)，以便激发可移动结构25的谐振振动，该第二驱动电极装置与第一驱动电极装置不同；并且从第二感测电极装置(用S2表示)接收在可移动结构25的第二谐振频率fΔT,2的与振动相关联的第二感测信号Sout2。
具体地，第一和第二谐振回路24a、24b包括：相应放大器级28a、28b(包括例如具有相应增益Gm1、Gm2的电流至电压转换器级)，放大器级28a、28b接收相应的感测信号Sout1、Sout2并且将其转换为在相应谐振频率fΔT,1、fΔT,2的信号(应用适当的放大以便补偿微机械谐振结构22的损失)，该信号进一步表示用于利用正反馈保持微机械谐振结构22的谐振振动的相应驱动信号Vac1、Vac2；以及相应输出级29a、29b，其包括例如缓冲器模块或者驱动器，缓冲器模块或者驱动器耦合至相应放大器级28a、28b的输出并且设计用于分别供应在第一和第二谐振频率fΔT,1和fΔT,2的第一输出信号S(fΔT,1)和第二输出信号S(fΔT,2)(例如，包括相应的脉冲串)。
电子处理电路24进一步包括温度感测模块30，该温度感测模块30耦合至第一和第二谐振回路24a、24b的输出，具体是耦合至相应的输出级29a、29b，以用于接收在第一和第二谐振频率fΔT,1和fΔT,2的第一和第二输出信号S(fΔT,1)、S(fΔT,2)。
温度感测模块30配置为对MEMS谐振器系统20的工作温度进行测量，具体地，基于第一和第二谐振频率fΔT,1和fΔT,2的值，具体是根据由于温度变化ΔT产生的在所述第一和第二谐振频率fΔT,1和fΔT,2的相应频率变化Δf1和Δf2之间的差值，对相对于参考温度T0的温度变化ΔT进行测量。
温度感测模块30配置为：实施前面所讨论的用于根据与微机械谐振结构22的一对振动模式(例如，与第一和第二振动模式)相关联的频率变化Δf1和Δf2之间的差值来测量温度变化ΔT的表达式，并且因此在输出处生成指示温度变化ΔT的测量结果的测量信号SΔT。
电子处理电路24还包括补偿模块32，该补偿模块32耦合至第一谐振回路24a的输出以用于接收在第一谐振频率fΔT,1的第一输出信号S(fΔT,1)，并且还耦合至温度感测模块30的输出以用于接收指示温度变化ΔT的测量结果的测量信号SΔT。
补偿模块32配置为相对于测得的温度变化ΔT校正或者补偿第一谐振频率fΔT,1的值，以便在输出处获得在期望频率的时钟信号CLK，该期望频率是谐振频率的校正值的函数并且相对于工作温度T的变化是稳定的。
在图8所示的可能的实施方式中，补偿模块32包括：分频器级32a，具体地，分数分频器N/(N+1)(本身是已知类型的并且在本文中未被详细描述)，其设计用于基于分频因子N生成是第一谐振频率f1的分数倍数(或者约数)的工作频率；以及PLL(锁相环)级32b，其设计用于在输出处生成在期望工作频率的时钟信号CLK(例如，处于32.768kHz的稳定值，该稳定值是从524kHz的第一谐振频率f1的值开始的)。
具体地，根据本方案的一个方面，根据测得的温度变化ΔT，在确定级32c中确定分频器级32a的分频因子N，该确定级32c耦合至分频器模块32a。
首先参照图9，现在描述温度感测模块30的可能的实施方式。
温度感测模块30包括：积分器级30a，该积分器级30a在其输入处接收在第一和第二谐振频率fΔT,1和fΔT,2的第一和第二输出信号S(fΔT,1)、S(fΔT,2)；以及计数器30b，该计数器30b可操作地耦合至积分器级30a。
如图10A所示，在该示例中，第一和第二输出信号S(fΔT,1)、S(fΔT,2)是在相应的第一和第二谐振频率fΔT,1和fΔT,2的脉冲串，并且根据工作温度T，经历了不同的频率变化Δf1和Δf2。
积分器级30a配置为：对在第一谐振频率fΔT,1的输出信号S(fΔT,1)进行积分(例如，利用从初始水平开始的正积分)达第一时间间隔，该第一时间间隔被计数为信号的第一周期数N1(该计数由计数器30b进行)；并且随后，对在第二谐振频率fΔT,2的输出信号S(fΔT,2)进行积分(在该示例中，利用负积分)达第二时间间隔，该第二时间间隔被计数为信号的第二周期数N2(该计数再次由计数器30b进行)。第二周期数N2或许有可能(但并非一定)等于第一周期数N1。
图10B示出了从上述连续正负积分运算产生的信号(考虑理想条件，处于参考工作温度)。
在该实施例中，在负积分结束时产生的上述信号的水平表示测量信号SΔT，其指示测得的温度变化ΔT的值，测量信号SΔT在输出处被供应给补偿模块32。
应该注意，在可能的实施方式中，通过选择性地供应用于从初始电荷水平开始给电容器充电的参考电流，可以按照实质上模拟的方式来进行积分运算，根据待积分的输出信号S(fΔT,1)、S(fΔT,2)的值来启用/禁用该供应。具体地，在每个周期，在待积分的输出信号的占空比的接通(ON)阶段期间进行电容器的充电(或者放电)，而在相同占空比的断开(OFF)阶段期间，维持在前述步骤结束时达到的值。
如图10C所示，在工作温度T发生变化的情况下，由于第一和第二谐振频率fΔT,1和fΔT,2的不同频率变化Δf1和Δf2，所以测量信号SΔT(由上述正负积分运算的组合所产生)的水平相对于与参考温度T0相关联的参考水平(用Ref表示)而变化，例如，在工作温度T相对于参考温度T0发生负温度变化ΔT的情况下，测量信号SΔT的水平高于所述参考水平，或者，在工作温度T相对于参考温度T0发生正温度变化ΔT的情况下，测量信号SΔT的水平低于相同的参考水平。
有利地，刚刚已经描述过的温度变化ΔT的测量操作可以被连续重复达给定次数，以进一步提高温度测量的精确度。
首先参照图11，现在描述微机械谐振结构22的可能的实施例，该微机械谐振结构22使能对应可移动结构25的第一和第二振动模式的有效解耦。
具体地，在以示例的方式提供的本实施方式中，可移动结构25由单个可移动质量块(用25a表示)限定，可移动质量块由梁构成，梁的两个端部均被限制在锚具12处，锚具12相对于基底固定(大体上如前面参照图2所描述的)。
在这种情况下，分别与电子处理电路24的第一和第二谐振回路24a、24b相关联的第一和第二电极装置的驱动电极26和感测电极27电容式地耦合至可移动结构25的同一单个可移动质量块25a。
具体地，在这种情况下，驱动电极26的第一装置包括面向可移动质量块25a的中心部分的驱动电极(用D1表示)。同样，第一感测电极装置包括面向可移动质量块25a的相同中心部分、沿着第二水平轴y相对于驱动电极D1位于相对侧的感测电极S1。
第二驱动电极装置包括：面向可移动质量块25a的第一侧向部分或者端部部分的第一驱动电极(用D2表示)；以及面向可移动质量块25a的第二侧向部分或者端部部分(沿着第一水平轴x与第一端部纵向地相对)、沿着第二水平轴y相对于第一驱动电极D2位于相对侧的第二驱动电极(用D2′表示)。
同样，第二感测电极装置包括：面向可移动质量块25a的第一侧向部分、沿着第二水平轴y相对于第一驱动电极D2位于相对侧的第一感测电极(用S2表示)；以及面向可移动质量块25a的第二侧向部分、沿着第二水平轴y相对于第二驱动电极D2′位于相对侧的第二感测电极(用S2′表示)。
第二驱动电极装置的第一和第二驱动电极D2、D2′彼此短路，同样的，第二感测电极装置的第一和第二感测电极S2、S2′彼此短路。
有利地，并且从对图12A和图12B(其中，以示例的方式，分别表示出了可移动结构25的第一振动模式和第二振动模式)的检查显而易见，所产生的驱动电极26和感测电极27的装置使得：第一谐振回路24a能够排他地并且独立地仅激发(和检测)第一振动模式，同样地，第二谐振回路24b能够排他地并且独立地仅激发(和检测)可移动结构25的第二振动模式。
事实上，与第一谐振回路24a相关联的驱动电极D1和感测电极S1设置在中心位置，接近与第一振动模式相关联的最大位移以及与第二振动模式相关联的零位移(由非线性产生的二阶效应假设可忽略不计)。
同样，与第二谐振回路24b相关联的驱动电极D2、D2′和感测电极S2、S2′设置在侧向位置，以便联合检测第二振动模式的最大电容变化和第一振动模式的大体上为零的电容变化。
参照图13，现在描述微机械谐振结构22的又一实施例，通过差分或者反相位配置，该微机械谐振结构22进一步使能针对MEMS谐振器系统20的电性能的外部干扰效应(诸如，不期望的加速、翘曲、或者由于热量或者湿度导致的基底的胀大)的有效排除。
在本实施例中，可移动结构25包括第一可移动质量块25a和第二可移动质量块25b，该第一可移动质量块25a和第二可移动质量块25b由相应的具有纵向延伸部的第一偏转梁和第二偏转梁构成，第一偏转梁和第二偏转梁在相应的两个端部处被限制。
第一和第二偏转梁在其第一端部处通过第一连接元件40a连接，该第一连接元件40a具有横向于梁的纵向延伸部的延伸部，并且第一和第二偏转梁在其第二端部处通过第二连接元件40b连接，该第二连接元件40b也具有横向延伸部并且与第一连接元件40a平行。
可移动结构25在其内限定窗口42，该窗口42在水平面xy中具有大体上矩形的形状。
可移动结构25通过悬置结构44悬置在基底上方，该悬置结构44包括悬置梁45，该悬置梁45设置在窗口42内的中心处，并且在本示例中，与第一和第二偏转梁平行地从第一连接元件40a的中心部分延伸到第二连接元件40b的对应中心部分。
悬置结构44还包括锚具装置46，该锚具装置46由若干(大于或者等于一个)锚具构成，锚具设置在窗口42内并且相对于基底固定，悬置臂45刚性地连接至锚具。
在上述图13中图示的实施例中，锚具装置46包括第一锚具46a、第二锚具46b、第三锚具46c和第四锚具46d，例如，这些锚具由垂直地延伸直到基底的相应支柱或者立柱元件构成。
进一步地，悬置结构44包括连接元件47，连接元件47的形状类似T状，连接元件47也设置在窗口42内并且设计用于将悬置梁45固定地连接至锚具装置46的锚具。
在本实施例中，相应的驱动电极装置和感测电极装置与第一和第二可移动质量块25a和25b相关联，配置方式与已经参照图11描述的配置方式完全相似。
具体地，按照未图示的方式，与第一和第二可移动质量块25a、25b相关联的对应驱动电极26和对应感测电极27彼此电短路。
图14示出了不同的驱动电极装置和感测电极装置，其使能获得前面讨论过的相同效果。具体地，可以注意与可移动质量块25a相关联的驱动电极D2、D2′和感测电极S2、S2′的不同相互布置。
所描述的方案的优点通过前述描述清楚地显现。
在任何情况下，再次强调上述方案使能获得提高的电特性，尤其是关于谐振频率和相关联的时钟频率的值相对于温度的稳定性。
再次强调，针对随着温度变化对可移动结构的谐振频率的补偿操作，所描述的方案不要求使用与MEMS谐振系统的电子处理电路相关联的外部和附加的温度传感器；事实上，从MEMS谐振系统的可移动结构的移动来获得温度信息。按照这种方式，可以避免与在外部温度传感器和可移动结构之间的可能温度差有关的问题。
进一步地，所描述的方案不要求大幅增加MEMS谐振器系统的电能消耗。
上述MEMS谐振器系统20因此可以有利地取代(例如用于便携式电子设备中的RTC装置的)振荡器电路中的传统石英谐振结构。
从这点讲，图15是电子设备50的示意图，该电子设备50包括：应用电路51，其设计为执行要求通过时钟信号CLK计时的一个或者多个应用；以及计时电路52，其设计为向应用电路51供应时钟信号CLK。
具体地，计时电路52包括前面描述的MEMS谐振器系统20。
最后，要清楚，可以对本文描述和图示的内容进行修改和改变，而不因此脱离由随附权利要求书限定的本公开的范围。
具体地，要强调，谐振频率(其变化被用于测量温度以用于补偿目的)可以与可移动结构的不同振动模式相关联，例如，与第一和第三振动模式相关联(或者与第二和第三振动模式相关联，或者此外与更高的振动模式相关联)。
同样，可以设想不同的驱动电极和感测电极装置，这些驱动电极和感测电极装置在任何情况下都可以使能电子处理电路中相关联的第一和第二谐振回路的大幅解耦。
还有，可移动结构的限制模式可以与已经图示的模式不同。
进一步地，与之前通过示例的方式已经图示的实施方式相比，可以设想电子处理电路的补偿模块和/或温度感测模块的不同实施方式。
最后，要指出，所描述的MEMS谐振器系统可以被有利地用于与之前已经参考的实时时钟应用不同的若干其它应用中，例如，用于高频率参考振荡器中。
上面描述的各种实施例可以被组合以提供其它实施例。本说明书中引用的和/或申请数据表中列出的美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利公开全部都以引用的方式整体并入本文，到不违反本申请的教导和定义的程度。如有必要采用各个专利、申请和公开的构思来提供再一些实施例，则可以修改实施例的方面。
鉴于上面详细的说明，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求书中，所使用的术语不应该被理解为是将权利要求书局限于在本说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应该被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求书不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种MEMS谐振器系统，包括：
微机械谐振结构；以及
耦合至所述微机械谐振结构的电子处理电路，所述电子处理电路包括：
第一谐振回路，其被配置为激发所述微机械谐振结构的第一振动模式并且生成在第一谐振频率的第一信号；
第二谐振回路，其被配置为激发所述微机械谐振结构的第二振动模式并且生成在第二谐振频率的第二信号；
温度感测模块，其被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，并且根据所述第一谐振频率的第一变化以及根据所述第二谐振频率的第二变化，生成温度变化的测量结果；以及
补偿模块，其被配置为接收所述第一信号，并且根据温度变化的所述测量结果，补偿由所述温度变化造成的所述第一谐振频率的所述第一变化，以生成在期望频率的时钟信号，所述期望频率是所述第一谐振频率的函数。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述温度感测模块被配置为根据所述第一谐振频率的所述第一变化和所述第二谐振频率的所述第二变化之间的差值，生成温度变化的所述测量结果。
3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器系统，其中所述温度感测模块被配置为根据以下表达式生成温度变化的所述测量结果：
其中：ΔT是所述温度变化；Δf1是所述第一谐振频率的所述第一变化；Δf2是所述第二谐振频率的所述第二变化；α与所述微机械谐振结构的材料的频率温度系数相关联；f0,1是所述第一谐振频率在参考温度的参考值；以及f0,2是所述第二谐振频率在所述参考温度的相应参考值。
4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述温度感测模块包括积分器级，所述积分器级被配置为对在所述第一谐振频率的所述第一信号进行积分达第一时间间隔，并且被配置为随后对在所述第二谐振频率的所述第二信号进行积分达第二时间间隔，并且所述温度感测模块被配置为基于对所述第一信号和所述第二信号的所述积分生成指示温度变化的所述测量结果的信号。
5.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述补偿模块包括分频器级，所述分频器级被配置为基于分频因子生成作为所述第一谐振频率的分数倍数或者约数的所述时钟信号的所述期望频率，所述分频因子是温度变化的所述测量结果的函数。
6.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述微机械谐振结构包括可移动质量块，并且其中所述第一谐振回路和所述第二谐振回路被配置为激发所述可移动质量块分别在所述第一振动模式和所述第二振动模式下的振动。
7.根据权利要求6所述的MEMS谐振器系统，其中所述微机械谐振结构包括：
第一驱动电极装置，其被配置为激发所述第一振动模式；
第二驱动电极装置，其与所述第一驱动电极装置不同，被配置为激发所述第二振动模式；
第一感测电极装置，其电容式地耦合至所述可移动质量块并且被配置为生成在所述第一谐振频率的所述第一信号；以及
第二感测电极装置，其与所述第二驱动电极装置不同，电容式地耦合至所述可移动质量块，并且被配置为生成在所述第二谐振频率的所述第二信号。
8.根据权利要求7所述的MEMS谐振器系统，
其中所述第一驱动电极装置包括面向所述可移动质量块的中心部分的驱动电极；
其中所述第一感测电极装置包括面向所述可移动质量块的中心部分并且相对于所述驱动电极位于所述可移动质量块的所述中心部分的相对侧的感测电极；
其中所述第二驱动电极装置包括面向所述可移动质量块的第一侧向部分的第一驱动电极、和面向所述可移动质量块的第二侧向部分的第二驱动电极，所述第二侧向部分与所述第一侧向部分纵向地相对，所述第二驱动电极相对于所述第一驱动电极位于所述可移动质量块的所述相对侧；以及
其中所述第二感测电极装置包括第一感测电极和第二感测电极，所述第一感测电极面向所述可移动质量块的所述第一侧向部分并且相对于所述第一驱动电极位于所述可移动质量块的所述相对侧，所述第二感测电极面向所述可移动质量块的所述第二侧向部分并且相对于所述第二驱动电极位于所述可移动质量块的所述相对侧。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器系统，其中所述第一振动模式和所述第二振动模式对应于所述微机械谐振结构的两种不同模式。
10.根据权利要求9所述的MEMS谐振器系统，其中所述第一谐振回路和所述第二谐振回路中的每一个谐振回路包括相应的放大器级，所述相应的放大器级被配置为从相应的所述第一感测电极装置接收相应的感测信号，并且被配置为生成在相应的所述第一谐振频率或者所述第二谐振频率的相应的所述第一信号或者所述第二信号，所述第一信号和所述第二信号进一步限定相应的AC驱动信号，所述AC驱动信号用于在正反馈中保持所述微机械谐振结构的谐振振动。
11.一种计时电路，包括：
MEMS谐振器系统，其包括：
微机械谐振结构；以及
耦合至所述微机械谐振结构的电子处理电路，所述电子处理电路包括：
第一谐振回路电路，其在工作时激发所述微机械谐振结构的第一振动模式并且基于所述第一振动模式生成在第一谐振频率的第一信号，所述第一谐振频率具有作为温度的函数的值；
第二谐振回路电路，其在工作时激发所述微机械谐振结构的第二振动模式并且基于所述第二振动模式生成在第二谐振频率的第二信号，所述第二谐振频率具有作为温度的函数的值；
温度感测电路，其耦合至所述第一谐振回路电路和所述第二谐振回路电路以接收所述第一信号和所述第二信号，并且在工作时根据所述第一谐振频率的第一变化和所述第二谐振频率的第二变化，生成指示温度变化的测量信号；以及
补偿电路，其耦合至所述温度感测电路以接收所述测量信号，并且耦合至所述第一谐振回路电路以接收所述第一信号，并且所述补偿电路在工作时基于所述第一信号生成具有工作频率的时钟信号，并且根据所述测量信号调节所述时钟信号的生成，以响应于所述第一信号的所述第一谐振频率的所述值根据温度的变化，而将所述时钟信号维持在所述工作频率。
12.根据权利要求11所述的计时电路，其中所述温度感测电路在工作时根据所述第一谐振频率的所述第一变化和所述第二谐振频率的所述第二变化之间的差值，生成所述测量信号。
13.根据权利要求12所述的计时电路，其中所述温度感测电路在工作时基于以下表达式生成所述测量信号：
其中：ΔT是所述温度变化；Δf1是所述第一谐振频率的所述第一变化；Δf2是所述第二谐振频率的所述第二变化；α与所述微机械谐振结构的材料的频率温度系数相关联；f0,1是所述第一谐振频率在参考温度的参考值；以及f0,2是所述第二谐振频率在所述参考温度的相应参考值。
14.根据权利要求11所述的计时电路，其中所述补偿电路包括被耦合为接收所述第一信号的分数分频器电路和被耦合至所述分数分频器电路的锁相环。
15.根据权利要求11所述的计时电路，其中所述微机械谐振结构包括固支类型的谐振结构。
16.一种方法，包括：
激发微机械谐振结构的第一振动模式；
基于所述微机械谐振结构的所述第一振动模式，生成在第一谐振频率的第一信号；
激发所述微机械谐振结构的第二振动模式；
基于所述微机械谐振结构的所述第二振动模式，生成在第二谐振频率的第二信号；
根据所述第一谐振频率的第一变化以及根据所述第二谐振频率的第二变化，生成所述微机械谐振结构的温度变化的测量结果；
根据温度变化的所述测量结果，补偿所述第一信号由所述温度变化造成的所述第一信号的所述第一谐振频率的第一变化；以及
基于补偿后的所述第一信号生成时钟信号，所述时钟信号处于期望频率，所述期望频率是所述第一谐振频率的函数并且相对于温度是稳定的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中生成所述微机械谐振结构的温度变化的所述测量结果还包括：根据所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的所述第一变化和所述第二变化之间的差值，生成所述微机械谐振结构的温度变化的所述测量结果。
18.根据权利要求17所述的方法，其中生成所述微机械结构的温度变化的所述测量结果包括根据以下表达式生成温度变化的所述测量结果：
其中：ΔT是所述温度变化；Δf1是所述第一谐振频率的所述第一变化；Δf2是所述第二谐振频率的所述第二变化；α与所述微机械谐振结构的材料的频率温度系数相关联；f0,1是所述第一谐振频率在参考温度的参考值；以及f0,2是所述第二谐振频率在所述参考温度的相应参考值。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
进行与在所述第一谐振频率的所述第一信号相关联的第一积分运算达第一时间间隔；
在所述第一时间间隔之后，进行与在所述第二谐振频率的所述第二信号相关联的第二积分运算达第二时间间隔；以及
基于所述第一积分运算和所述第二积分运算的组合，生成指示温度变化的所述测量结果的信号。
20.根据权利要求16所述的方法，其中生成所述时钟信号包括：生成具有作为所述第一信号的所述第一谐振频率的分数倍数或者约数的所述期望频率的所述时钟信号，所述分数倍数或者约数是基于分频因子，所述分频因子是温度变化的所述测量结果的函数。
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