CN115580260A - 一种恒温控制微机械谐振器及其恒温控制方法、制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微机械谐振器技术领域，公开了一种恒温控制微机械谐振器及其恒温控制方法、制备方法，该谐振器结构包括微加热腔和谐振振子，并关于谐振振子晶向夹角的角平分线对称，本发明利用具有不同晶向的谐振振子的频率偏移‑温度曲线的差异进行频率测温，从而能够实现更高精度的恒温控制功能，能够提高谐振器的频率稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微机械谐振器技术领域，具体涉及一种恒温控制微机械谐振器的结构设计方案及其恒温控制方法、制备方法。
背景技术
时钟为数字电路提供频率基准和时间参考，谐振器是时钟的基本元件，谐振器与外围振荡电路、放大电路以及滤波电路可以构成振荡器，振荡器可以输出一个固定的频率信号。传统的石英时钟材料较脆，抗振动特性差，采用机械切割沿某些特定晶向制备，这些晶向在高温区域频率-温度特性急剧恶化，对于5G及未来6G通信基站、汽车电子等一些新兴重要应用场合高温、高振动的恶劣环境，石英晶振很难满足高稳定性和低失效率的要求。近年来，基于微电子机械系统技术(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)制备的微机械谐振器具有体积小、功耗低、可靠性稳定性好、可与集成电路制造工艺兼容等特点，市场需求与日俱增，已成为传统石英时钟的未来替代品。
频率-温度漂移是谐振器的关键性能指标。谐振器的频率温度稳定性通过频率温度系数(Temperature coefficient of frequency，TCF)衡量，一阶频率温度系数由谐振器材料的温度弹性系数(TCE)和热膨胀系数(α)确定，即
未经温度补偿的微机械谐振器的频率温度系数一般比较大，在工业级温度-40～85℃范围内，微机械谐振器的输出频率将产生超过3500ppm的频率漂移，不能满足工业的实际应用要求。因此在用于时钟应用时，微机械谐振器都需要进行温度补偿。对于高精度的时钟应用，如基站时钟，通常要求ppb级别的频率稳定性。微加热腔恒温控制微机械谐振器系统是目前提高微机械谐振器频率稳定性最好的选择。微加热腔恒温控制方法一般将微机械谐振器放置在经过热隔离的微加热腔中，再基于焦耳加热的加热器对谐振器进行恒温控制，微加热腔的温度通常需要被精确控制在谐振器的温度拐点(“0”TCF点)对应的温度值。
通常，恒温控制微机械谐振器的测温方式为电阻测温，电阻测温可以通过测量谐振器自身的结构电阻实现，但受限于单晶硅较小的电阻温度系数，利用结构电阻测温的精度有限，难以满足高性能恒温控制微机械谐振器对恒温控制精度、频率稳定性的要求。此外，电阻测温也可以通过在谐振器周围添加热敏电阻，测量热敏电阻的阻值实现，然而由于谐振器自身与周围环境之间存在温度梯度，因此难以准确测量谐振器自身的温度，同样难以满足高性能恒温控制微机械谐振器对恒温控制精度、频率稳定性的要求。
发明内容
本发明通过提供一种恒温控制微机械谐振器及其恒温控制方法、制备方法，解决现有技术中恒温控制微机械谐振器的恒温控制精度较低、频率稳定性较差的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种恒温控制微机械谐振器，包括：微加热腔和谐振振子：所述微加热腔包括恒温控制模块、驱动检测模块和连接模块；所述谐振振子包括时钟输出谐振振子和温度传感谐振振子；
所述恒温控制模块包括微加热梁、隔热框、支撑锚点、内支撑梁、加热电极和电阻测温电极；所述驱动检测模块包括驱动/检测电极；所述连接模块包括衬底硅片和至少四个固定锚点；
所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子均位于所述隔热框的内部，并分别通过所述支撑锚点、所述内支撑梁与所述隔热框直接相连；所述隔热框与所述固定锚点之间通过所述微加热梁连接；所述时钟输出谐振振子、所述温度传感谐振振子、所述隔热框和所述微加热梁均悬空在所述衬底硅片的上方，并通过所述固定锚点与所述衬底硅片相连；所述驱动/检测电极、所述加热电极、所述电阻测温电极均位于所述固定锚点上；
所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子沿不同晶向布置，所述恒温控制微机械谐振器关于所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子形成的晶向夹角的角平分线对称。
优选的，所述时钟输出谐振振子沿着其频率偏移-温度曲线的温度拐点高于工作温度区间的晶向布置，所述温度传感谐振振子沿着其频率偏移-温度曲线在工作温度区间为线性曲线的晶向布置。
优选的，所述隔热框的结构为多种轴对称图形中的任意一种或多种的组合，所述轴对称图形包括圆形、方形和六边形；所述微加热梁采用蛇形折叠梁、U形梁、直梁中的任意一种或多种的组合；所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子的结构相同，对应的结构为矩形板、固支梁、圆盘、圆环、固支梁中的任意一种或多种的组合；所述支撑锚点为直梁、T型梁或者折叠梁结构。
优选的，所述谐振振子的工作模态为体模态、弯曲模态中的任意一种或多种的组合，所述体模态包括长度伸张、宽度伸张、方板伸张、圆板伸张、拉梅、面剪切、宽度剪切、长度剪切和酒杯式。
优选的，所述恒温控制微机械谐振器为单晶硅结构或者金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构。
优选的，所述单晶硅为N型或P型重掺杂，其掺杂浓度范围为4.0×1019/cm3至2.0×1020/cm3；所述单晶硅的掺杂浓度用于调节所述谐振振子的温度拐点；所述谐振振子的晶向布置范围包括沿所述单晶硅<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述谐振振子的晶向布置。
第二方面，本发明提供上述恒温控制微机械谐振器的恒温控制方法，所述恒温控制方法包括：
在恒温控制微机械谐振器的加热电极上施加加热电压，将谐振振子加热至预设温度；
分别获得时钟输出谐振振子的频率偏移-温度曲线、温度传感谐振振子的频率偏移-温度曲线；
基于所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的频率偏移-温度曲线的差异，对所述恒温控制微机械谐振器的实际温度变化进行实时监控，得到温度变化信息；
基于所述温度变化信息，对所述恒温控制微机械谐振器的工作温度进行调控，实现恒温控制。
优选的，施加加热电压时，在位于所述恒温控制微机械谐振器的对称轴一侧的两个加热电极之间施加加热正电压Vh+，在位于所述恒温控制微机械谐振器的对称轴另一侧的两个加热电极之间施加加热负电压Vh-。
优选的，通过驱动/检测电极输出所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的谐振频率差，并反馈至PID控制器，所述PID控制器基于所述谐振频率差对输出的加热电压进行调控，将所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的谐振频率差控制为所述时钟输出谐振振子处于温度拐点时两者对应的预设频率差，以控制所述恒温控制微机械谐振器的工作温度保持不变。
第三方面，本发明提供上述恒温控制微机械谐振器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1、提供一带空腔结构的SOI圆片，所述SOI圆片从下到上依次包括衬底硅片、埋氧层和器件层硅；
步骤2、在所述器件层硅上依次沉积压电材料和上电极，并对所述上电极图形化；
步骤3、在所述上电极上沉积顶层氧化物；
步骤4、对所述顶层氧化物进行刻蚀，得到上电极通孔，并露出所述上电极；
步骤5、对所述顶层氧化物和所述压电材料进行刻蚀，得到下电极通孔，并露出所述器件层硅；
步骤6、在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积金属并图形化，形成金属焊盘；
步骤7、刻蚀得到恒温控制微机械谐振器的结构。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明提出的恒温控制微机械谐振器包括微加热腔和谐振振子，谐振振子包括时钟输出谐振振子和温度传感谐振振子，且时钟输出谐振振子和温度传感谐振振子沿不同晶向布置，恒温控制微机械谐振器关于时钟输出谐振振子和温度传感谐振振子形成的晶向夹角的角平分线对称，本发明基于上述结构能够利用沿不同晶向布置的谐振振子的频率偏移-温度曲线的差异(即频率温度敏感性的差异，频率温度敏感性指频率偏移-温度曲线的斜率，斜率越大表示该点的温度敏感性越高)进行频率测温，从而实现更高精度的恒温控制功能，能够提高谐振器的频率稳定性。
2、本发明提出的恒温控制微机械谐振器采用隔热框设计，能够为谐振振子提供与外界环境的热隔离，有助于提高谐振器的频率稳定性。
3、本发明提出的恒温控制微机械谐振器通过对称加热的方式，可保证谐振振子和隔热框的温度分布均匀，有利于进一步提高控温精度，从而提升谐振器的温度稳定性。
附图说明
图1：实施例1提供的恒温控制微机械谐振器的三维结构示意图；
图2：实施例1提供的恒温控制微机械谐振器的平面结构示意图；
图3：实施例1提供的恒温控制微机械谐振器中谐振振子沿不同晶向布置时的频率偏移-温度曲线；
图4：实施例2提供的恒温控制微机械谐振器的恒温控制方法中对称式加热方式下恒温控制微机械谐振器的温度分布图；
图5：实施例2提供的恒温控制微机械谐振器的恒温控制方法中基于频率测温方式的温度控制原理图；
图6-a至图6-g为实施例3提供的恒温控制微机械谐振器的制备方法所对应的各工艺流程；其中：图6-a为提供带空腔的SOI圆片；图6-b为沉积压电材料和上电极，并对上电极图形化；图6-c为沉积顶层氧化物；图6-d为刻蚀得到上电极通孔；图6-e为刻蚀得到下电极通孔；图6-f为形成金属焊盘；图6-g为刻蚀得到恒温控制微机械谐振器的结构示意图。
图1和图2中：1-时钟输出谐振振子，2-温度传感谐振振子，3-支撑锚点，4-内支撑梁，5-隔热框，6-上电极通孔，7-电极引线，8-电阻测温电极，9-加热电极，10-驱动/检测电极，11-微加热梁，12-下电极通孔，13-固定锚点。
图6-a至图6-g中：21-衬底硅片，22-埋氧层，23-器件层硅，24-压电材料，25-上电极，26-顶层氧化物，27-金属焊盘。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
实施例1：
实施例1提供的恒温控制微机械谐振器的三维结构示意图及平面结构示意图分别如图1和图2所示，所述恒温控制微机械谐振器包括微加热腔和谐振振子，所述微加热腔包括恒温控制模块、驱动检测模块和连接模块。
其中，所述恒温控制模块包括支撑锚点3、内支撑梁4、隔热框5、电阻测温电极8、加热电极9和微加热梁11；所述驱动检测模块包括驱动/检测电极10；所述连接模块包括衬底硅片和至少四个固定锚点13。
所述谐振振子包括时钟输出谐振振子1和温度传感谐振振子2，所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子沿不同晶向布置，即两者的晶向不同。
所述时钟输出谐振振子1和所述温度传感谐振振子2均位于所述隔热框5的内部，并分别通过所述支撑锚点3、所述内支撑梁4与所述隔热框5直接相连；所述隔热框5与所述固定锚点13之间通过所述微加热梁11连接；所述时钟输出谐振振子1、所述温度传感谐振振子2、所述隔热框5和所述微加热梁11均悬空在所述衬底硅片的上方，并通过所述固定锚点13与所述衬底硅片相连，所述的驱动/检测电极10、所述加热电极9、所述电阻测温电极8均位于固定锚点13上。
所述恒温控制微机械谐振器的整体结构关于谐振振子晶向夹角θ(即所述时钟输出谐振振子1和所述温度传感谐振振子2形成的晶向夹角)的角平分线对称，确保谐振器是轴对称结构。现有技术中常规的加热方式为对角加热，在本发明中由于有多个谐振振子，且晶向布置不同，若采用对角加热会导致两个谐振振子的温度分布不均匀。基于本发明的特定结构，通过对称加热的方式，能够保证谐振器温度分布均匀。
其中，所述时钟输出谐振振子1沿着其频率偏移-温度曲线的温度拐点高于工作温度区间的晶向布置，所述温度传感谐振振子2沿着其频率偏移-温度曲线在工作温度区间为线性曲线的晶向布置。
例如，所述时钟输出谐振振子1沿着其频率偏移-温度曲线具有高温度拐点的<100>晶向布置，高温度拐点指的是温度拐点要高于实际器件的工作温度区间，一般而言，要求温度拐点高于工业温度范围(-40-85℃)，即高于85℃；所述温度传感谐振振子2沿着其温度敏感性高的<110>晶向布置，温度敏感性高即指其在工作温度区间的频率温度曲线为线性。如图3所示为仿真得到的谐振振子沿不同晶向布置时的频率偏移-温度曲线。
所述时钟输出谐振振子1和所述温度传感谐振振子2的结构相同，对应的结构为矩形板、固支梁、圆盘、圆环、固支梁中的任意一种或多种的组合。例如，所述时钟输出谐振振子1和所述温度传感谐振振子2的结构均为矩形板。
所述支撑锚点3为直梁、T型梁或者折叠梁结构。所述隔热框5的结构为多种轴对称图形中的任意一种或多种的组合，所述轴对称图形为括圆形、方形、六边形等。所述微加热梁11可以是蛇形折叠梁、U形梁、直梁中的任意一种或多种的组合。
所述谐振振子的工作模态为体模态、弯曲模态中的任意一种或多种的组合，所述体模态包括长度伸张、宽度伸张、方板伸张、圆板伸张、拉梅、面剪切、宽度剪切、长度剪切和酒杯式。
所述恒温控制微机械谐振器为单晶硅结构或者金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构。所述单晶硅为N型或P型重掺杂，其掺杂浓度范围为4.0×1019/cm3至2.0×1020/cm3；所述单晶硅的掺杂浓度用于调节所述谐振振子的温度拐点；所述谐振振子的晶向布置范围包括沿所述单晶硅<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述谐振振子的晶向布置。
所述单晶硅的掺杂浓度和晶向都可以调整频率-温度特性，其中起主要调节作用的是晶向。具体的，晶向的改变可以较大地改变谐振振子一阶频率温度系数，例如，对于沿<100>晶向和<110>晶向布置的谐振器频率温度曲线趋势几乎相反。而掺杂浓度可以微调温度拐点，一般对于n型和p型掺杂，掺杂浓度提高均会使得谐振器的温度拐点提高。例如，对于n型掺杂宽度伸张模态谐振器，掺杂浓度越高，沿<100>晶向布置的谐振器温度拐点越高，因此可优选重掺杂，以提高所述时钟输出谐振振子1的温度拐点。
或者可以理解为，所述时钟输出谐振振子1和所述温度传感谐振振子2沿晶向布置根据单晶硅具体掺杂浓度确定，例如，所述谐振器结构沿<100>晶向布置，即所述时钟输出谐振振子1沿<100>晶向布置，所述温度传感谐振振子2沿<110>晶向布置；所述单晶硅为N型重掺杂，其掺杂浓度范围为7.5×1019/cm3。
所述单晶硅为n型掺杂时，对于大部分体模态谐振器沿着<100>晶向布置时，谐振器具有较高的温度拐点，沿着<110>晶向布置时，谐振器具有较低的温度拐点，在工作温度范围区间近似线性。单晶硅为p型重掺杂时，对于拉梅模态、剪切模态谐振器沿着<110>晶向布置时，谐振器具有较高的温度拐点，沿着<100>晶向布置时，谐振器具有较低的温度拐点，在工作温度范围区间近似线性。在掺杂浓度确定，且谐振器沿常规晶向布置时，谐振器具有特别高的温度拐点时。通过调节谐振器的单晶硅晶向可以调节温度拐点至合适的温度。对于非常规的晶向，其频率偏移-温度曲线是在<100>晶向和<110>晶向对应的曲线之间，即温度拐点在两种晶向对应的温度拐点之间，因此当单晶硅的掺杂浓度一定时，单晶硅晶向根据具体掺杂浓度确定。
所述恒温控制微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，谐振器为双端口激励工作方式，当在一端驱动/检测电极10施加交流信号，经电极引线7、上电极通孔6对压电层加载电压，压电材料由于逆压电效应发生形变进而带动谐振振子机械振动；谐振信号再经另一端上电极通孔6、电极引线7被另一端驱动/检测电极10检测到，从而抑制寄生信号。
所述恒温控制微机械谐振器的加热方式为在对称位置的加热电极9之间施加加热电压，电流经下电极通孔12，通过所述微加热梁11、所述隔热框5和时钟输出谐振振子1和所述温度传感谐振振子2时，在硅结构上产生焦耳热，可以将所述恒温控制微机械谐振器加热到一个固定的温度，采用上述加热方式下所述恒温控制微机械谐振器的温度分布图如图4所示，可见采用对称式加热方式下的所述时钟输出谐振振子1、所述温度传感谐振振子2以及所述隔热框5上的温度分布均匀。
所述恒温控制微机械谐振器的测温方式采用双谐振器频率差测温，通过测量谐振振子频率差的方式实时监控谐振器整体结构实际温度变化。基于频率测温的温度控制原理图如图5所示，可在位于所述恒温控制微机械谐振器对称轴一侧的两个加热电极9之间施加加热正电压Vh+，在对称轴另一侧的两个加热电极9之间施加加热负电压Vh-，即可实现加热功能。通过驱动检测电极10可输出两个谐振振子谐振频率差f1-f2＝Δf，将检测信号反馈至PID控制，通过PID算法控制输出加热电压，将两个谐振振子谐振频率差Δf控制为时钟输出谐振振子处于温度拐点时的两个谐振振子频率差Δf0，即可控制微机械谐振器整体温度保持不变，最终实现恒温控制功能。
实施例2：
实施例2提供一种如实施例1提供的恒温控制微机械谐振器的恒温控制方法，所述恒温控制方法包括：
在恒温控制微机械谐振器的加热电极上施加加热电压，将谐振振子加热至预设温度；
分别获得时钟输出谐振振子的频率偏移-温度曲线、温度传感谐振振子的频率偏移-温度曲线；
基于所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的频率偏移-温度曲线的差异，对所述恒温控制微机械谐振器的实际温度变化进行实时监控，得到温度变化信息；
基于所述温度变化信息，对所述恒温控制微机械谐振器的工作温度进行调控，实现恒温控制。
其中，施加加热电压时，在位于所述恒温控制微机械谐振器的对称轴一侧的两个加热电极之间施加加热正电压Vh+，在位于所述恒温控制微机械谐振器的对称轴另一侧的两个加热电极之间施加加热负电压Vh-。
通过驱动/检测电极输出所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的谐振频率差，并反馈至PID控制器，所述PID控制器基于所述谐振频率差对输出的加热电压进行调控，将所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的谐振频率差控制为所述时钟输出谐振振子处于温度拐点时两者对应的预设频率差，以控制所述恒温控制微机械谐振器的工作温度保持不变。
实施例3：
基于实施例1中的恒温控制微机械谐振器的结构，实施例3提供上述恒温控制微机械谐振器的制备方法，具体步骤如下：
(1)提供一带空腔结构的SOI圆片，器件层硅片厚度为20～60μm；参见图6-a，所述SOI圆片从下至上依次包括：衬底硅片21、埋氧层22和器件层硅23；
(2)在SOI圆片上依次沉积0.5～1μm厚压电薄膜氮化铝和0.15～0.2μm厚上电极钼，并对上电极图形化；参见图6-b，此步骤得到的结构从下至上依次包括：衬底硅片21、埋氧层22、器件层硅23、压电材料24和上电极25；
(3)沉积一层至少0.2μm厚氧化物；参见图6-c，此步骤得到的结构从下至上依次包括：衬底硅片21、埋氧层22、器件层硅23、压电材料24、上电极25和顶层氧化物26；
(4)刻蚀所述顶层氧化物26得到上电极通孔，露出所述上电极25，参见图6-d；
(5)刻蚀所述顶层氧化物26和所述压电材料24得到下电极通孔，露出所述器件层硅23，参见图6-e；
(6)在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积1～2μm厚的铝，并图形化形成金属焊盘27，参见图6-f；
(7)在上述结构上进行刻蚀，得到如实施例1所述的恒温控制微机械谐振器的结构，参见图6-g。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。
Claims (10)
1.一种恒温控制微机械谐振器，其特征在于：包括：微加热腔和谐振振子：所述微加热腔包括恒温控制模块、驱动检测模块和连接模块；所述谐振振子包括时钟输出谐振振子和温度传感谐振振子；
所述恒温控制模块包括微加热梁、隔热框、支撑锚点、内支撑梁、加热电极和电阻测温电极；所述驱动检测模块包括驱动/检测电极；所述连接模块包括衬底硅片和至少四个固定锚点；
所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子均位于所述隔热框的内部，并分别通过所述支撑锚点、所述内支撑梁与所述隔热框直接相连；所述隔热框与所述固定锚点之间通过所述微加热梁连接；所述时钟输出谐振振子、所述温度传感谐振振子、所述隔热框和所述微加热梁均悬空在所述衬底硅片的上方，并通过所述固定锚点与所述衬底硅片相连；所述驱动/检测电极、所述加热电极、所述电阻测温电极均位于所述固定锚点上；
所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子沿不同晶向布置，所述恒温控制微机械谐振器关于所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子形成的晶向夹角的角平分线对称。
2.根据权利要求1所述的恒温控制微机械谐振器，其特征在于：所述时钟输出谐振振子沿着其频率偏移-温度曲线的温度拐点高于工作温度区间的晶向布置，所述温度传感谐振振子沿着其频率偏移-温度曲线在工作温度区间为线性曲线的晶向布置。
3.根据权利要求1所述的恒温控制微机械谐振器，其特征在于：所述隔热框的结构为多种轴对称图形中的任意一种或多种的组合，所述轴对称图形包括圆形、方形和六边形；所述微加热梁采用蛇形折叠梁、U形梁、直梁中的任意一种或多种的组合；所述时钟输出谐振振子和所述温度传感谐振振子的结构相同，对应的结构为矩形板、固支梁、圆盘、圆环、固支梁中的任意一种或多种的组合；所述支撑锚点为直梁、T型梁或者折叠梁结构。
4.根据权利要求1所述的恒温控制微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子的工作模态为体模态、弯曲模态中的任意一种或多种的组合，所述体模态包括长度伸张、宽度伸张、方板伸张、圆板伸张、拉梅、面剪切、宽度剪切、长度剪切和酒杯式。
5.根据权利要求1所述的恒温控制微机械谐振器，其特征在于：所述恒温控制微机械谐振器为单晶硅结构或者金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构。
6.根据权利要求5所述的恒温控制微机械谐振器，其特征在于：所述单晶硅为N型或P型重掺杂，其掺杂浓度范围为4.0×1019/cm3至2.0×1020/cm3；所述单晶硅的掺杂浓度用于调节所述谐振振子的温度拐点；所述谐振振子的晶向布置范围包括沿所述单晶硅<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述谐振振子的晶向布置。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的恒温控制微机械谐振器的恒温控制方法，其特征在于：所述恒温控制方法包括：
在恒温控制微机械谐振器的加热电极上施加加热电压，将谐振振子加热至预设温度；
分别获得时钟输出谐振振子的频率偏移-温度曲线、温度传感谐振振子的频率偏移-温度曲线；
基于所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的频率偏移-温度曲线的差异，对所述恒温控制微机械谐振器的实际温度变化进行实时监控，得到温度变化信息；
基于所述温度变化信息，对所述恒温控制微机械谐振器的工作温度进行调控，实现恒温控制。
8.根据权利要求7所述的恒温控制微机械谐振器的恒温控制方法，其特征在于：施加加热电压时，在位于所述恒温控制微机械谐振器的对称轴一侧的两个加热电极之间施加加热正电压Vh+，在位于所述恒温控制微机械谐振器的对称轴另一侧的两个加热电极之间施加加热负电压Vh-。
9.根据权利要求7所述的恒温控制微机械谐振器的恒温控制方法，其特征在于：通过驱动/检测电极输出所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的谐振频率差，并反馈至PID控制器，所述PID控制器基于所述谐振频率差对输出的加热电压进行调控，将所述时钟输出谐振振子与所述温度传感谐振振子的谐振频率差控制为所述时钟输出谐振振子处于温度拐点时两者对应的预设频率差，以控制所述恒温控制微机械谐振器的工作温度保持不变。
10.一种如权利要求1-6中任一项所述的恒温控制微机械谐振器的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、提供一带空腔结构的SOI圆片，所述SOI圆片从下到上依次包括衬底硅片、埋氧层和器件层硅；
步骤2、在所述器件层硅上依次沉积压电材料和上电极，并对所述上电极图形化；
步骤3、在所述上电极上沉积顶层氧化物；
步骤4、对所述顶层氧化物进行刻蚀，得到上电极通孔，并露出所述上电极；
步骤5、对所述顶层氧化物和所述压电材料进行刻蚀，得到下电极通孔，并露出所述器件层硅；
步骤6、在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积金属并图形化，形成金属焊盘；
步骤7、刻蚀得到恒温控制微机械谐振器的结构。
Priority Applications (1)
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| CN202211292419.XA CN115580260A (zh) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 一种恒温控制微机械谐振器及其恒温控制方法、制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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