CN116505910A - 一种微机械谐振器及其制备方法、微机械振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子技术领域，公开了一种微机械谐振器及其制备方法、微机械振荡器。本发明中谐振振子包括主谐振结构和机械耦合结构，主谐振结构采用方板结构，机械耦合结构采用圆环板或圆板结构，机械耦合结构与主谐振结构连接，且机械耦合结构位于主谐振结构的四角。微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于主谐振结构与机械耦合结构的质量占比进行调控。通过对谐振振子的几何尺寸进行设计，可以实现频率温度曲线的温度拐点的调控，能够满足多种不同场合的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种微机械谐振器及其制备方法、微机械振荡器。
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 Systems，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另一个关键性能指标。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。常见的温度补偿方法包括被动式温度补偿和主动式温度补偿。被动式温度补偿是在设计或制造谐振器时采用的以减少其固有的对温度的依赖性，改变谐振器自身的频率温度特性，如采用重掺杂硅、调整晶向等。主动式温度补偿是在被动式温度补偿的基础上，通过引入电路进行有源温度补偿，如电子电路补偿和微加热腔恒温控制等。
对于高精度时钟应用，通常在被动式温度补偿的基础上采用主动式温度补偿。对于不同的主动补偿温度方式，要求谐振器具有相应的频率温度特性，例如电子电路补偿通常要求谐振器的温度拐点(“0”TCF点)处于室温，而微加热腔恒温控制通常要求谐振器的温度拐点高于工业温度。然而，目前通过调节谐振器的晶向和掺杂浓度的被动式温度补偿方法，难以实现谐振器温度拐点的精确调控。
发明内容
本发明通过提供一种微机械谐振器及其制备方法、微机械振荡器，解决现有技术难以对谐振器的温度拐点进行精确调控的问题。
第一方面，本发明提供一种微机械谐振器，包括：衬底硅片和器件层硅；所述衬底硅片具有空腔结构，所述器件层硅上设置有谐振振子和支撑梁，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接，所述谐振振子悬空在所述衬底硅片的所述空腔结构的上方；所述谐振振子包括主谐振结构和机械耦合结构，所述主谐振结构采用方板结构，所述机械耦合结构采用圆环板结构或圆板结构，所述机械耦合结构与所述主谐振结构连接，且所述机械耦合结构位于所述主谐振结构的四角；所述微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比进行调控。
优选的，通过改变所述机械耦合结构的面积改变所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比，所述机械耦合结构的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述机械耦合结构的模态对应的温度拐点。
优选的，所述主谐振结构的模态为方板伸张模态或面剪切模态，所述机械耦合结构的模态为伸张模态或者剪切模态。
优选的，所述支撑梁位于所述主谐振器结构的中心，数量为一个；或者，所述支撑梁位于所述主谐振器结构的四边中点位置，数量为多个；，所述支撑梁为直梁、T型梁或者折叠梁结构。
优选的，所述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；
所述微机械谐振器还包括：多个固定锚点和电极单元，所述电极单元包括静电驱动/检测电极、压电驱动/检测电极、接地电极中的至少部分电极；多个所述固定锚点均与所述衬底硅片相连，所述静电驱动/检测电极设置在位于所述机械耦合结构的内侧和/或外侧的所述固定锚点上，所述压电驱动/检测电极、所述接地电极均设置在位于所述谐振振子的外围的固定锚点上；
所述微机械谐振器为单晶硅结构时，所述微机械谐振器通过静电驱动/静电检测、静电驱动/压阻检测中的任意一种方式实现；
所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述微机械谐振器通过压电驱动/压电检测、静电驱动/静电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。
优选的，所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述主谐振结构的压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种；所述机械耦合结构采用单晶硅材料制备而成。
优选的，所述单晶硅的晶面为(100)晶面，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；所述主谐振结构的晶向布置范围包括沿<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合选定的掺杂浓度确定所述主谐振结构的晶向布置。
第二方面，本发明提供微机械谐振器的制备方法。
一种如上述的微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为单晶硅结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、提供一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、在所述器件层硅上沉积金属并图形化形成金属焊盘；
步骤3、正面刻蚀所述器件层硅，自停止在所述埋氧层上；
步骤4、背面刻蚀所述衬底硅片，自停止在所述埋氧层上；
步骤5、去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层，得到微机械谐振器的结构。
一种如上述的微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、提供一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、正面刻蚀所述顶层氧化物、所述压电材料、所述器件层硅，自停止在所述埋氧层上；
步骤8、背面刻蚀所述衬底硅片，自停止在所述埋氧层上；
步骤9、去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层，得到微机械谐振器的结构。
第三方面，本发明提供一种微机械振荡器，所述微机械振荡器为未经温度补偿的微机械振荡器、温度补偿微机械振荡器或恒温控制微机械振荡器中的任意一种；
所述微机械振荡器为未经温度补偿的微机械振荡器时，所述微机械振荡器包括如上述的微机械谐振器，以及振荡保持电路；所述振荡保持电路用于为所述微机械谐振器提供闭环振荡激励；
所述微机械振荡器为温度补偿微机械振荡器时，所述微机械振荡器包括如上述的微机械谐振器、振荡保持电路、频率合成器以及温度传感器；所述微机械谐振器的温度拐点处于室温，所述振荡保持电路用于为所述微机械谐振器提供闭环振荡激励，所述温度传感器用于获得环境温度，并将测量获得的温度经温度数字转换后输出至所述频率合成器，所述频率合成器用于调整频率以补偿所述微机械振荡器在整个温度范围内的频率变化；
所述微机械振荡器为恒温控制微机械振荡器时，所述微机械振荡器包括如上述的微机械谐振器、振荡保持电路、温度传感器、温控电路以及加热腔；所述微机械谐振器的温度拐点处于高于微机械谐振器的工作温度范围，所述微机械谐振器置于所述加热腔内，所述振荡保持电路用于为所述微机械谐振器提供闭环振荡激励，所述温度传感器用于获得所述加热腔的实时温度并传输至所述温控电路，所述温控电路用于调节所述加热腔的温度，以使所述微机械谐振器的温度保持在其温度拐点处。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提出的一种微机械谐振器中的谐振振子包括主谐振结构和机械耦合结构，本发明通过添加机械耦合结构，且将机械耦合结构置于主谐振结构的四角，能够降低能量损耗，提高Q值，通过对谐振振子的主谐振结构和机械耦合结构进行设计，通过调节主谐振结构与机械耦合结构的质量占比，可以实现微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点的精确调控。其中，本发明中主谐振结构采用方板结构，机械耦合结构采用圆环板结构或圆板结构，机械耦合结构位于主谐振结构的四角，上述设计使得机械耦合结构位于主谐振结构振动位移的最大处，这种强机械耦合有利于减小能量损耗。此外，机械耦合结构采用圆环板结构时，可以设置内外电极差分激励，或者当主谐振结构的模态为面剪切模态时(即一角收缩一角伸张)，也可以差分激励，上述结构通过差分激励的方式有利于减少电极间的馈通电容，提高信噪比。即本发明提供了一种与现有技术通过调节谐振器的晶向和掺杂浓度的被动式温度补偿方法完全不同的方式，且能够实现谐振器温度拐点的精确调控，使得本发明提供的微机械谐振器能够满足多种不同场合的应用需求。另一方面，利用本发明提供的上述微机械谐振器的温度拐点能够精确调控的特性，本发明还提供了基于微机械谐振器结构构建未经温度补偿的微机械振荡器、温度补偿微机械振荡器、恒温控制微机械振荡器的技术方案，得到的多种微机械振荡器能够满足多种不同场合的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的微机械谐振器的三维结构示意图；
图2-a至图2-b为具有不同机械耦合结构的谐振振子的俯视图；
其中：图2-a为机械耦合结构为圆环板时的谐振器结构；图2-b为机械耦合结构为圆板时的谐振器结构；
图3-a至图3-b为微机械谐振器的模态图；
其中：图3-a为主模态结构为方板伸张模态，机械耦合结构为伸张模态时的谐振器模态；图3-b为主模态结构为面剪切模态，机械耦合结构为伸张模态时的谐振器模态；
图4-a至图4-d为具有不同支撑梁的谐振振子的三维结构示意图；
其中：图4-a为支撑梁位于主谐振器结构中心位置；图4-b为支撑梁位于主谐振器结构四边中点位置，且支撑梁为直梁；图4-c为支撑梁位于主谐振器结构四边中点位置，且支撑梁为T型梁；图4-d为支撑梁位于主谐振器结构四边中点位置，且支撑梁为折叠梁。
图5-a至图5-e为本发明实施例2提供的单晶硅结构的微机械谐振器的制备工艺流程图；
其中：图5-a为SOI圆片的结构示意图；图5-b为沉积金属并图形化形成金属焊盘；图5-c为正面刻蚀所述器件层硅，自停止在埋氧层上；图5-d为背面刻蚀所述衬底硅片，自停止在埋氧层上；图5-e为去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层，得到微机械谐振器结构；
图6-a至图6-i为本发明实施例3提供的金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构的微机械谐振器的制备工艺流程；
其中：图6-a为SOI圆片的结构示意图；图6-b为沉积上电极/压电材料，并对上电极图形化；图6-c为沉积顶层氧化物；图6-d为刻蚀出上电极通孔，露出上电极；图6-e为刻蚀顶层氧化物和压电材料，得到下电极通孔，露出器件层硅；图6-f为沉积金属并图形化，形成金属焊盘；图6-g为正面刻蚀所述顶层氧化物、压电材料、器件层硅，自停止在埋氧层上；图6-h为背面刻蚀所述衬底硅片，自停止在埋氧层上；图6-i为去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层，得到微机械谐振器结构；
图7-a至图7-c为不同应用场合下的微机械振荡器结构示意图；
其中：图7-a为未经温度补偿的微机械振荡器结构；图7-b为温度补偿微机械振荡器结构；图7-c为恒温控制微机械振荡器结构；
图8为谐振器机械耦合结构不同质量占比下的频率偏移-温度曲线
图1、图2-a至2-b、图4-a至4-d：1-主谐振结构，2-机械耦合结构，3-静电驱动/检测电极，4-固定锚点，5-支撑梁，6-静电偏置电极，7-电容间隙，8-器件层硅，9-埋氧层，10-衬底硅片；
图5-a至5-e中：501-衬底硅片，502-埋氧层，503-器件层硅，504-金属焊盘；
图6-a至6-i中：601-衬底硅片，602-埋氧层，603-器件层硅，604-压电材料，605-上电极，606-顶层氧化物，607-金属焊盘；
图7-a至图7-c中：701-微机械谐振器，702-振荡保持电路，703-频率合成器，704-温度传感器，705-温控电路，706-加热腔。
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提供一种微机械谐振器，参见图1，包括：由下至上依次设置的衬底硅片10、埋氧层9和器件层硅8，所述衬底硅片10具有空腔结构，所述器件层硅8上设置有谐振振子和支撑梁5，所述谐振振子通过所述支撑梁5与所述衬底硅片10连接，所述谐振振子悬空在所述衬底硅片10的所述空腔结构的上方；所述谐振振子包括主谐振结构1和机械耦合结构2，所述主谐振结构1采用方板结构，所述机械耦合结构2采用如图2-a所示的圆环板结构或采用如图2-b所示的圆板结构，所述机械耦合结构2与所述主谐振结构1连接，且所述机械耦合结构2位于所述主谐振结构1的四角；所述微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于所述主谐振结构1与所述机械耦合结构2的质量占比进行调控。
具体的，通过改变所述机械耦合结构2的面积改变所述主谐振结构1与所述机械耦合结构2的质量占比，所述机械耦合结构2的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述机械耦合结构2的模态对应的温度拐点。
所述主谐振结构1的模态为方板伸张模态或面剪切模态，所述机械耦合结构2的模态为伸张模态或者剪切模态。
例如，图3-a为所述主谐振结构1的模态为方板伸张模态(即主模态结构为方板伸张模态)，所述机械耦合结构2为伸张模态时对应的谐振器模态；图3-b为主模态结构为面剪切模态，所述机械耦合结构2为伸张模态时对应的谐振器模态。
参见图4-a至图4-d，所述支撑梁5可以位于所述主谐振器结构1的中心(对应图4-a)或位于四边中点位置，所述支撑梁5的数量为一个或多个。
所述支撑梁5位于所述主谐振器结构1四边中点位置时，所述支撑梁5可以为直梁(对应图4-b)、T型梁(对应图4-c)或者折叠梁结构(对应图4-d)。
此外，以静电激励谐振器为例，所述微机械谐振器还包括：静电驱动/检测电极3、静电偏置电极6和固定锚点4；多个所述固定锚点4通过所述埋氧层9与所述衬底硅片10相连；所述静电偏置电极6与谐振振子相连，所述静电驱动/检测电极3设置在位于所述机械耦合结构2的内侧和/或外侧的固定锚点4上，即所述静电驱动/检测电极3可以设置在圆环板结构的内侧的固定锚点4上，也可以设置在圆环板结构的外侧的固定锚点4上，或者，还可以同时设置在圆环板结构的内侧和外侧的固定锚点4上。
上述是以静电激励谐振器为例进行的说明，对于静电激励谐振器，静电偏置施加到与所述静电偏置电极6连接的谐振振子上，通过施加偏置电压与驱动/检测电极之间形成电场，从而产生较大的静电力。施加交流电至所述静电驱动/检测电极3，当频率为谐振频率时，静电激励谐振器的振动位移最大。电容间隙7是静电激励谐振器所必有的结构，电容的大小会影响驱动/检测的静电力的大小。
所述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。所述微机械谐振器为单晶硅结构时，所述微机械谐振器可以通过静电驱动/静电检测，静电驱动/压阻检测中的任意一种方式实现。所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述微机械谐振器可以通过压电驱动/压电检测、静电驱动/静电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。
当所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述主谐振结构1的压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种；所述耦合模态结构2采用单晶硅材料制备而成。
所述单晶硅的晶面为(100)晶面，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。所述主谐振结构1的晶向布置范围包括沿<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述主谐振结构1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。
实施例2：
实施例2提供一种微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为单晶硅结构，所述制备方法如下：
(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501、埋氧层502和器件层硅503，所述器件层硅503的厚度为20-60μm，参见图5-a；
(2)在所述器件层硅503上沉积1 -2μm厚的金属(例如铝)，并图形化形成金属焊盘504，参见图5-b；
(3)正面刻蚀所述器件层硅503，自停止在所述埋氧层502上，参见图5-c；
(4)背面刻蚀所述衬底硅片501，自停止在所述埋氧层502上，参见图5-d；
(5)去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层(例如，通入气态氢氟酸释放)，得到微机械谐振器结构，参见图5-e。
最终得到如实施例1提供的微机械谐振器。
实施例3：
实施例3提供一种微机械谐振器的制备方法，所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构，所述制备方法如下：
(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601、埋氧层602和器件层硅603，所述器件层硅603的厚度为20-60μm，参见图6-a；
(2)在所述器件层硅603上依次沉积压0.5-1μm厚的压电材料604(例如氮化铝)和0.15-0.2μm厚的上电极605(例如钼)，并对所述上电极605图形化，参见图6-b；
(3)沉积一层至少0.2μm厚的顶层氧化物606，参见图6-c；
(4)对所述顶层氧化物606进行刻蚀，得到上电极通孔，并露出所述上电极605的材料，参见图6-d；
(5)对所述顶层氧化物606和所述压电材料604进行刻蚀，得到下电极通孔，并露出所述器件层硅603，参见图6-e；
(6)在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积金属(例如沉积1-2μm厚的铝)并图形化，形成金属焊盘607，参见图6-f；
(7)正面刻蚀所述顶层氧化物606、所述压电材料604、所述器件层硅603，自停止在所述埋氧层602上，参见图6-g；
(8)背面刻蚀所述衬底硅片601，自停止在埋氧层602上，参见图6-h；
(9)去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层(例如，通入气态氢氟酸释放)，得到微机械谐振器结构，参见图6-i。
最终得到如实施例1提供的微机械谐振器。
实施例4：
实施例4对不同应用场合下，在实施例1提供的微机械谐振器的基础上，构建的不同微机械振荡器进行描述。
(1)未经温度补偿的微机械振荡器。
如图7-a所示，未经温度补偿的微机械振荡器包括微机械谐振器701和振荡保持电路702。所述振荡保持电路702为所述微机械谐振器701提供闭环振荡激励，从而输出时钟信号。
(2)温度补偿微机械振荡器。
当单晶硅为n型掺杂，微机械谐振器的主谐振结构为方板伸张模态，微机械谐振器的机械耦合结构为伸张模态，且主谐振结构沿着<100>晶向布置时，通过调节机械耦合结构的质量占比，使得微机械谐振器的温度拐点处于室温。此时，微机械谐振器适合于构成温度补偿微机械振荡器。
如图7-b所示，温度补偿微机械振荡器包括微机械谐振器701、振荡保持电路702、频率合成器703、温度传感器704。在未经温度补偿的微机械振荡器结构的基础上，通过添加所述频率合成器703和所述温度传感器704得到温度补偿微机械振荡器，温度补偿振荡器通过所述温度传感器704经温度数字转换输出至所述频率合成器703调整频率，以补偿微机械振荡器在整个温度范围内的频率变化。
(3)恒温控制微机械振荡器。
当单晶硅为n型掺杂，微机械谐振器的主谐振结构为面剪切模态，微机械谐振器的机械耦合结构为伸张模态，且主谐振结构沿着<110>晶向布置时，通过调节机械耦合结构的质量占比，使得微机械谐振器的温度拐点处于高温度拐点。此时，微机械谐振器适合于构成恒温控制微机械振荡器。
如图7-c所示，恒温控制振荡器包括微机械谐振器701、振荡保持电路702、温度传感器704、温控电路705、加热腔706。在未经温度补偿的微机械振荡器结构的基础上，将微机械谐振器701置于所述加热腔706内，通过所述温度传感器704实时测量所述加热腔706的温度，通过所述温控电路705调节所述加热腔706的温度，使所述微机械谐振器701温度保持在其处于温度拐点时的温度。
下面对本发明的技术效果做进一步说明。
本发明通过在所述微机械谐振器的所述主谐振结构上添加所述机械耦合结构，以及对所述谐振振子的所述主谐振结构和所述机械耦合结构进行设计，可以实现频率温度曲线的温度拐点调控，从而满足各种不同场合的应用需求。
所述微机械谐振器的温度拐点通过改变所述机械耦合结构的面积，进而改变所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比来调整，所述机械耦合结构的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述机械耦合结构的模态对应的温度拐点。
例如，当单晶硅为n型掺杂，所述微机械谐振器的所述主谐振结构为面剪切模态，所述机械耦合结构为伸张模态，且所述主谐振结构沿着<110>晶向布置时，图8为微机械谐振器中的所述机械耦合结构在不同质量占比(不同内径Rin和外径Rout)情况下的频率偏移-温度曲线。其中，图8中的方板对应的是没有机械耦合结构、只有主谐振结构，模态表示主谐振结构的模态的情况，方板的尺寸固定为410×410μm2。图8中的圆环对应的是只有机械耦合结构，模态表示机械耦合结构的模态的情况。设置方板、圆环这两种情况的目的在于说明，将二者结合的机械耦合谐振器的温度拐点是在这两种模态的温度拐点之间。通过调节机械耦合结构采用的圆环板结构的尺寸，进而探究得到不同质量占比情况下的频率偏移-温度曲线。具体的，从图8可以看出，所述主谐振结构具有较高的温度拐点，所述机械耦合结构具有较低的温度拐点，所述谐振振子的温度拐点处于主谐振和耦合模态温度拐点之间，即所述主谐振结构的尺寸确定时，所述机械耦合结构的质量占比越大，所述微机械谐振器的温度拐点越低。
综上，本发明提出的微机械谐振器可以实现频率温度曲线的温度拐点调控，能够满足多同场合的应用需求。
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)
1.一种微机械谐振器，其特征在于：包括：衬底硅片和器件层硅；所述衬底硅片具有空腔结构，所述器件层硅上设置有谐振振子和支撑梁，所述谐振振子通过所述支撑梁与所述衬底硅片连接，所述谐振振子悬空在所述衬底硅片的所述空腔结构的上方；所述谐振振子包括主谐振结构和机械耦合结构，所述主谐振结构采用方板结构，所述机械耦合结构采用圆环板结构或圆板结构，所述机械耦合结构与所述主谐振结构连接，且所述机械耦合结构位于所述主谐振结构的四角；所述微机械谐振器对应的频率温度曲线的温度拐点基于所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比进行调控。
2.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：通过改变所述机械耦合结构的面积改变所述主谐振结构与所述机械耦合结构的质量占比，所述机械耦合结构的面积越大，所述微机械谐振器的温度拐点越接近所述机械耦合结构的模态对应的温度拐点。
3.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述主谐振结构的模态为方板伸张模态或面剪切模态，所述机械耦合结构的模态为伸张模态或者剪切模态。
4.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述支撑梁位于所述主谐振器结构的中心，数量为一个；或者，所述支撑梁位于所述主谐振器结构的四边中点位置，数量为多个；，所述支撑梁为直梁、T型梁或者折叠梁结构。
5.根据权利要求1所述的微机械谐振器，其特征在于：所述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；
所述微机械谐振器还包括：多个固定锚点和电极单元，所述电极单元包括静电驱动/检测电极、压电驱动/检测电极、接地电极中的至少部分电极；多个所述固定锚点均与所述衬底硅片相连，所述静电驱动/检测电极设置在位于所述机械耦合结构的内侧和/或外侧的所述固定锚点上，所述压电驱动/检测电极、所述接地电极均设置在位于所述谐振振子的外围的固定锚点上；
所述微机械谐振器为单晶硅结构时，所述微机械谐振器通过静电驱动/静电检测、静电驱动/压阻检测中的任意一种方式实现；
所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述微机械谐振器通过压电驱动/压电检测、静电驱动/静电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。
6.根据权利要求5所述的微机械谐振器，其特征在于：所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构时，所述主谐振结构的压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种；所述机械耦合结构采用单晶硅材料制备而成。
7.根据权利要求5所述的微机械谐振器，其特征在于：所述单晶硅的晶面为(100)晶面，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；所述主谐振结构的晶向布置范围包括沿<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合选定的掺杂浓度确定所述主谐振结构的晶向布置。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的微机械谐振器的制备方法，其特征在于：所述微机械谐振器为单晶硅结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、提供一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、在所述器件层硅上沉积金属并图形化形成金属焊盘；
步骤3、正面刻蚀所述器件层硅，自停止在所述埋氧层上；
步骤4、背面刻蚀所述衬底硅片，自停止在所述埋氧层上；
步骤5、去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层，得到微机械谐振器的结构。
9.一种如权利要求1-7中任一项所述的微机械谐振器的制备方法，其特征在于：所述微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅复合薄膜结构，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、提供一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、正面刻蚀所述顶层氧化物、所述压电材料、所述器件层硅，自停止在所述埋氧层上；
步骤8、背面刻蚀所述衬底硅片，自停止在所述埋氧层上；
步骤9、去除与刻蚀结构对应的所述埋氧层，得到微机械谐振器的结构。
10.一种微机械振荡器，其特征在于：所述微机械振荡器为未经温度补偿的微机械振荡器、温度补偿微机械振荡器或恒温控制微机械振荡器中的任意一种；
所述微机械振荡器为未经温度补偿的微机械振荡器时，所述微机械振荡器包括如权利要求1-7中任一项所述的微机械谐振器，以及振荡保持电路；所述振荡保持电路用于为所述微机械谐振器提供闭环振荡激励；
所述微机械振荡器为温度补偿微机械振荡器时，所述微机械振荡器包括如权利要求1-7中任一项所述的微机械谐振器、振荡保持电路、频率合成器以及温度传感器；所述微机械谐振器的温度拐点处于室温，所述振荡保持电路用于为所述微机械谐振器提供闭环振荡激励，所述温度传感器用于获得环境温度，并将测量获得的温度经温度数字转换后输出至所述频率合成器，所述频率合成器用于调整频率以补偿所述微机械振荡器在整个温度范围内的频率变化；
所述微机械振荡器为恒温控制微机械振荡器时，所述微机械振荡器包括如权利要求1-7中任一项所述的微机械谐振器、振荡保持电路、温度传感器、温控电路以及加热腔；所述微机械谐振器的温度拐点处于高于微机械谐振器的工作温度范围，所述微机械谐振器置于所述加热腔内，所述振荡保持电路用于为所述微机械谐振器提供闭环振荡激励，所述温度传感器用于获得所述加热腔的实时温度并传输至所述温控电路，所述温控电路用于调节所述加热腔的温度，以使所述微机械谐振器的温度保持在其温度拐点处。
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