FI123933B - Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi - Google Patents

Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI123933B
FI123933B FI20115465A FI20115465A FI123933B FI 123933 B FI123933 B FI 123933B FI 20115465 A FI20115465 A FI 20115465A FI 20115465 A FI20115465 A FI 20115465A FI 123933 B FI123933 B FI 123933B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
temperature
semiconductor element
resonator
areas
regions
Prior art date
Application number
FI20115465A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20115465A (fi
FI20115465A0 (fi
Inventor
Tuomas Pensala
Antti Jaakkola
Mika Prunnila
Original Assignee
Teknologian Tutkimuskeskus Vtt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=44071592&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=FI123933(B) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Teknologian Tutkimuskeskus Vtt filed Critical Teknologian Tutkimuskeskus Vtt
Priority to FI20115465A priority Critical patent/FI123933B/fi
Publication of FI20115465A0 publication Critical patent/FI20115465A0/fi
Priority to US13/468,052 priority patent/US8558643B2/en
Priority to EP12786090.6A priority patent/EP2707953B1/en
Priority to CN201280023350.9A priority patent/CN103650343B/zh
Priority to ES12786090.6T priority patent/ES2582328T3/es
Priority to PCT/FI2012/050456 priority patent/WO2012156585A1/en
Priority to JP2014510842A priority patent/JP5877242B2/ja
Priority to KR1020137033278A priority patent/KR101668835B1/ko
Publication of FI20115465A publication Critical patent/FI20115465A/fi
Publication of FI123933B publication Critical patent/FI123933B/fi
Application granted granted Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0072—For controlling internal stress or strain in moving or flexible elements, e.g. stress compensating layers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0081—Thermal properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02086—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02102—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/02433—Means for compensation or elimination of undesired effects
    • H03H9/02448—Means for compensation or elimination of undesired effects of temperature influence
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/2447—Beam resonators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0242—Gyroscopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0271—Resonators; ultrasonic resonators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0161—Controlling physical properties of the material
    • B81C2201/0163—Controlling internal stress of deposited layers
    • B81C2201/0164—Controlling internal stress of deposited layers by doping the layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0161—Controlling physical properties of the material
    • B81C2201/0163—Controlling internal stress of deposited layers
    • B81C2201/0167—Controlling internal stress of deposited layers by adding further layers of materials having complementary strains, i.e. compressive or tensile strain
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0174—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making multi-layered devices, film deposition or growing
    • B81C2201/0176—Chemical vapour Deposition
    • B81C2201/0177—Epitaxy, i.e. homo-epitaxy, hetero-epitaxy, GaAs-epitaxy
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
    • H03H2009/2442—Square resonators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi Keksinnön ala
Keksintö liittyy mikromekaanisten laitteiden, erityisesti resonaattorien, lämpötilakompensointiin. Keksinnön mukainen laite ja menetelmä käsittävät itsenäisten 5 patenttivaatimusten j ohdanto-osien piirteet.
Keksinnön tausta
Laajasti käytetyt kvartsikiteisiin perustuvat resonaattorit voidaan potentiaalisesti korvata mikromekaanisilla, tyypillisesti piipohjaisilla resonaattoreilla monissa sovelluksissa. Piiresonaattoreista voidaan tehdä pienempiä kuin kvartsiresonaattoreista, ja 10 piiresonaattoreille on lukuisia standardivalmistusmenetelmiä. Piipohjaisiin resonaattoreihin liittyy kuitenkin se ongelma, että niillä on korkea resonanssitaajuuden lämpötilaliikehdintä. Liikehdintä johtuu pääasiassa piin Youngin moduulin lämpötilariippuvuudesta, joka aiheuttaa noin -30 ppm/°C taajuuden lämpötilakertoimen (temperature coefficient of frequency, TCF). Tämä saa resonanssitaajuuden heilahtelemaan johtuen muutoksista 15 ympäröivässä lämpötilassa. Tavallisesta piistä tehdyillä MEMS-resonaattoreilla on noin 3000 ppm lämpötilaliikehdintä 100°C leveällä lämpötilavälillä.
Suuri luontainen lämpötilaliikehdintä estää piipohjaisia resonaattoreita tulemasta
CO
i- kvartsikiteen hallitsemille värähtelijämarkkinoille. On kuitenkin tunnettua kompensoida c\i . lämpötilariippuvuutta erilaisilla keinoilla. Tunnetun tekniikan ratkaisut sisältävät: o i ° 20 - Aktiivinen kompensointi lämpötilasensorilla ja siihen liittyvällä elektronisella
Ec ohjauspiiristöllä, mutta ei ole ollut mahdollista saada aikaan resonaattoria riittävän
Lo alhaisella lämpötilaliikehdinnällä matalan kustannustason teknologialla, joka olisi co io sopiva massatuotantosovelluksiin ja kilpailisi kvartsin laadun kanssa.
o Lämpötilakompensointipiirin käyttö lisää myös energiankulutusta, mikä on cvj 25 merkittävä haitta erityisesti paristoilla toimivissa laitteissa. Lisäksi kompensointipiirillä on taipumusta lisätä sähköistä kohinaa resonaattoripiirissä.
2 - Aktiivinen kompensointi vakauttamalla resonaattorin lämpötilaa lämpötilaeristyksellä ja resonaattorin ohjatulla lämmityksellä/jäähdytyksellä. Tämä ratkaisu kuitenkin lisää myös laitteen energiankulutusta ja tekee laitteesta monimutkaisen valmistaa. Lämpötilakompensointipiirit ovat myös hitaita 5 ohjaukseltaan eivätkä kykene siksi kompensoimaan nopeita tai suuria muutoksia ympäröivässä lämpötilassa riittävän hyvin.
- Passiivinen kompensointi lisäämällä amorfista SiC^ta, joka ilmentää vastakkaismerkkistä lämpötilaliikehdintää rakenteeseen. Tämä teknologia kuvataan tarkemmin esim. julkaisussa “Temperature compensation in silicon-based 10 microelectromechanical resonators”, F. Schoen et al. (ISBN: 978-1-4244-2978- 3/09) ja kansainvälisessä patenttihakemuksessa PCT/FI2010/050744. Kompensointi S1Ο2:11a johtaa kuitenkin monimutkaisempaan valmistusprosessiin ja resonaattorin suorituskyvyn kompromisseihin.
- Passiivinen kompensointi raskaalla p-tyypin seostuksella, kuten booriseostuksella, 15 kompensoi vahvasti C44-luonnehdittuja leikkausmoodeja, kuten Lame-moodia, mutta vähemmän tai ei ollenkaan joitakin toisia moodeja, rajoittaen käyttökelpoisuutta melko erityisiin moodeihin ja viritysgeometrioihin pietsoaktuoinnin tapauksessa. Erityisesti p-tyypin seostus ei kompensoi hyvin laajenevia (extensional) moodeja. Homogeenisesti seostetulla p-tyypin 20 piiresonaattorilla on noin 300 ppm lämpötilaliikehdintä 100°C:een suuruisella välillä.
co g Passiivisia kompensointimenetelmiä käsitellään saman hakijan vielä julkaisemattomissa g suomalaisissa patenttihakemuksissa 20105849, 20105851 ja 20115151, samoin kuin niiden g lainaamissa viitteissä, erityisesti A.K. Samarao et ah, “Passive TCF Compensation in High g 25 Q Silicon Micromechanical ResonatorsIEEE International Conference on Micro Electro
CL
^ Mechanical Systems (MEMS 2010), 2010, 116-119; US 2010/0127596 ja US 4719383.
co 1- A.K. Samaraon et ai. artikkeli, "Intrinsic Temperature Compensation of Highly Resistive 0 c\J High-Q Silicon Microresonators via Charge Carrier Depletion", Frequency Control
Symposium (FCS), 2010 IEEE International, 1.-4. kesäkuuta 2010, sivut: 334-339, 30 esittelee tilavuusaaltoresonaattorin, joka käsittää booriseostetun (p-seostus) 3 piiresonaattorielementin resonaattorin lämpötilaliikehdinnän vähentämiseksi. Booriseostettu (p-seostus) resonaattorielementti käsittää lisäksi yhden tai useamman kerroksen diffusoitua fosforia (n-seostus) luomaan yhden tai useamman pn-rajapinnan resonaattorielementtiin. pn-rajapinnoilla, jotka muodostavat ehdyttämisalueen alhaisella 5 varauksenkuljettajakonsentraatiolla, on se vaikutus, että voidaan saavuttaa paikallinen TCF -3 ppm/°C.
Hajjam et ai. "Sub-100ppb/°C Temperature Stability in Thermally Actuated High Frequency Silicon Resonators via Degenerate Phosphorous Doping and Bias Current Optimization", IEEE International Electron Device Meeting, joulukuu 2010, esittelevät 10 myös mahdollisuuden piin n-tyypin seostukseen fosforilla TCF:n parantamiseksi edelleen. He raportoivat 0,05 ppm/°C paikallisen lämpötilasiirtymän termisesti diffuusioseostetussa piiresonaattorissa. Diffuusioseostuksesta seuraa kuitenkin vahva varauksenkuljettajien gradientti resonaattorissa, ja noin 1 * 1019 cm'3 tai korkeampi n-seostusaineen konsentraatio, joka osoitetaan myöhemmin tarvittavan tehokkaaseen T-kompensointiin, voidaan luoda 15 vain alueeseen, joka työntyy noin 2 mikronin paksuuteen laitteen pinnasta. Saavutetut konsentraatiotasot saattavat olla myös riippuvaisia laitteen täsmällisestä geometriasta, mikä asettaa suunnittelurajoitteita. Niinpä resonaattorin suunnittelulle on ankaria rajoituksia suhteessa esimerkiksi sen tilavuuteen, paksuuteen ja resonanssimoodien saatavuuteen. Esimerkiksi tilavuusaaltomoodit eivät kompensoidu tehokkaasti diffuusioseostetuissa 20 resonaattoreissa.
Tunnetut kompensointitekniikat tarjoavat alhaisen lämpötilaliikehdinnän vain $2 lämpötilaväleillä, jotka ovat usein liian kapeita esim. kuluttajaelektroniikkakäyttöön.
o c\j g Niinpä on tarvetta parannelluille lämpötilakompensoiduille puolijohderesonaattoreille ja o muille laitteille.
c\j ΐ 25 n
CD
^ Keksinnön yhteenveto ° Keksinnön tavoitteena on tarjota uudenlainen lämpötilakompensoitu puolijohderakenne, jonka lämpötilaherkkyysominaisuuksia voidaan hyvin hallita ei vain paikallisesti, eli yhdessä lämpötilassa, vaan laajalla lämpötilavälillä, sekä menetelmä sen valmistamiseksi.
4
Tavoite saavutetaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa määritellyllä keksinnöllä.
Erään sovellutusmuodon mukaan mikromekaaninen laite käsittää puolijohde-elementin ankkuroituna tukevaan rakenteeseen siten, että se kykenee poikkeutumaan tai resonoimaan, siten, että elementti käsittää vähintään kahden tyyppisiä alueita, joilla on erilaiset 5 materiaaliominaisuudet. Materiaaliominaisuudet ja materiaalien suhteelliset tilavuudet määrittävät tehokkaan materiaalin, jolla on halutut lämpötilakompensointiominaisuudet.
Tarkemmin sanottuna kukin mainituista alueista käsittää yhden tai useamman n-tyypin seostusaineen siten, että alueiden seostuskonsentraatiot, seostusaineet ja/tai kideorientaatiot konfiguroidaan siten, että yleisen jäykkyyden (generalized stiffness) lämpötilaherkkyydet 10 ovat vastakkaista merkkiä vähintään yhdessä lämpötilassa erillisille alueille, ja puolijohde-elementin yleisen jäykkyyden kokonaislämpötilaliikehdintä on 50 ppm tai vähemmän 100°C:een suuruisella lämpötilavälillä. Tämä lämpötilaväli keskittyy tyypillisesti 25°C ympärille.
Lisäksi varustetaan ohjaus- tai aistinvälineet toiminnallisesti kytkettynä mainittuun 15 puolijohde-elementtiin aktuoimaan tai aistimaan mainittua resonanssia tai poikkeutumaa. Voidaan myös käyttää sekä ohjaus- että aistinvälineitä.
Termiä “lämpötilaliikehdintä” (puolijohde-elementin yleisen jäykkyyden jollakin lämpötilavälillä) käytetään tekemään ero lämpötilaherkkyyden paikalliseen mittaamiseen vain yhdessä lämpötilassa (yleensä ilmaistuna TCF:nä yksiköissä ppm/°C). Resonaattorin 20 tapauksessa yleisen jäykkyyden lämpötilaliikehdintä on kaksi kertaa resonaattorin taajuuden lämpötilaliikehdintä.
δ ^ Termi “yleinen jäykkyys” on puolijohdemateriaalin elastisten parametrien funktio, eli O) ? nimillä en, Cu, C44 tunnettujen parametrien kuutiokiteiden, kuten piikiteiden, tapauksessa.
o c\j x Erään sovellutusmuodon mukaan alueet, joilla on eri materiaaliominaisuudet, ovat erillisiä
CL
25 alueita, mikä tarkoittaa, että alueiden välissä on jyrkkä rajapinta materiaaliominaisuuksissa, co
Erään toisen sovellutusmuodon mukaan alueet muodostaa jatkuva yhden tai useamman ^ materiaaliominaisuuden gradientti.
c\j
Erään sovellutusmuodon mukaan yleisen jäykkyyden lämpötilaherkkyydet ovat eri alueille yleisesti vastakkaista merkkiä läpi mainitun lämpötilavälin, tai ainakin suurimman osan 5 siitä. Siis alueella tai alueilla, joissa yhdellä alueista on positiivinen lämpötilakerroin ja toisella alueella on negatiivinen kerroin.
Lämpötilaherkkyydet saattavat muuttua suuruudeltaan ja etumerkiltään lämpötila välin sisällä. Voi esimerkiksi olla niin, että mainitulla ensimmäisellä alueella on negatiivinen 5 lämpötilaherkkyys toisessa lämpötilassa, joka poikkeaa ensimmäisestä lämpötilasta, ja mainitulla toisella alueella on positiivinen yleisen jäykkyyden lämpötilaherkkyys tässä toisessa lämpötilassa.
Erään edullisen sovellutusmuodon mukaan vähintään yksi ensimmäinen alue ja vähintään yksi toinen alue käsittävät eri seostuskonsentraatiot yhtä tai useampaa n-tyypin 10 seostusainetta. Nämä eri n-seostuksen konsentraatiot edistävät tai kokonaan aiheuttavat eron lämpötilaherkkyyksissä.
Erään sovellutusmuodon mukaan mainittu vähintään yksi ensimmäinen alue ja vähintään yksi toinen alue käsittävät eri n-tyypin seostusaineet. Eri seostusaineet edistävät tai kokonaan aiheuttavat eron lämpötilaherkkyyksissä.
15 Erään sovellutusmuodon mukaan mainittu vähintään yksi ensimmäinen alue ja vähintään yksi toinen alue käsittävät eri kideorientaatiot. Kideorientaatiot edistävät tai kokonaan aiheuttavat eron lämpötilaherkkyyksissä.
Erään sovellutusmuodon mukaan ero lämpötilaherkkyyksissä on seuraus kahdesta tai useammasta yllä mainitusta konfiguraatiosta.
£2 20 Erään sovellutusmuodon mukaan alueet on konfiguroitu siten, että puolijohde-elementin δ ^ yleisen jäykkyyden kokonaislämpötilaliikehdintä on 10 ppm tai vähemmän 100°C:een σ> ? suuruisella lämpötilavälillä.
o c\j x Alueet, joilla on eri materiaaliominaisuudet, ovat mekaanisesti yhteen liitettyjä siten, että
CL
ne muodostavat resonaattorielementin, esimerkiksi, jonka kokonaislämpötilaliikehdintä m ^ 25 eroaa kummankin erillisen alueen lämpötilaliikehdinnästä. Erään sovellutusmuodon ^ mukaan alueet on pinottu toistensa päälle puolijohde-elementin paksuussuunnassa. Erään 00 sovellutusmuodon mukaan alueet on järjestetty sivusuuntaisesti eli leveyssuunnassa suhteessa toisiinsa puolijohde-elementissä. Jos alueita on enemmän kuin kaksi, myös yhdistelmä näitä menettelytapoja on mahdollinen.
6
Erään sovellutusmuodon mukaan mainittuja vähintään kahta aluetyyppiä toistetaan jaksollisesti muodostamaan superhilarakenne. Tämä tarkoittaa, että resonaattorin kahdessa paikassa on sarja alueita oleellisesti samassa muodossa. Esimerkiksi kahden eri tyyppisen alueen A ja B tapauksessa voi olla pino ABAB. Kolmen eri tyyppisen alueen A, B ja C 5 tapauksessa voi olla pino ABC ABC.
o
Erään sovellutusmuodon mukaan seostuskonsentraatio yhdessä aluetyypissä on 5el9 cm' 3 iq 3 tai vähemmän ja enemmän kuin 5el9 cm' (= 5*10 cm' ) toisessa aluetyypissä.
Erään sovellutusmuodon mukaan seostuskonsentraatio yhdessä aluetyypissä on 2el9 cm' 3 tai vähemmän ja enemmän kuin 2el9 cm' toisessa aluetyypissä.
10 Erään sovellutusmuodon mukaan sen tyyppiset alueet, joilla on suurempi (suurin) n-seostuskonsentraatio kuin toisen tyyppisellä (toisen tyyppisillä) mainituista alueista, varustetaan suuremmalla tilavuudella kuin toisen tyypin alueet.
Erään sovellutusmuodon mukaan sen tyypin alueiden seostuskonsentraatio, joilla on suurempi (suurin) n-seostuskonsentraatio kuin toisen tyyppisellä (kaikista tyypeistä) 15 mainituista alueista, muodostaa vähintään 35 % puolijohde-elementin kokonaistilavuudesta.
Eräässä erityisessä sovellutusmuodossa laite käsittää yhden aluetyypin seostuskonsentraatiolla 5el9-2e20 cm' siten, että tämä aluetyyppi kattaa 35-75 % resonoivan elementin kokonaistilavuudesta, sekä toisen aluetyypin, jota ei seosteta tai 20 jonka seostuskonsentraatio on alle 2el8 cm' , siten, että tämä aluetyyppi kattaa 25-65 % δ resonoivan elementin kokonaistilavuudesta.
c\j i O) S5 Erään sovellutusmuodon mukaan n-seostuskonsentraatio kussakin alueessa on oleellisesti o 00 homogeeninen.
X
cc
CL
Erään sovellutusmuodon mukaan puolijohde-elementti on resonaattorielementti, joka on ^ 25 suunnattu puolijohdemateriaalin kidematriisin kanssa siten, että resonaattori ilmentää ^ resonaattorimoodia, jonka mooditaajuutta hallitsee resonaattorielementin
C\J
puolijohdemateriaalien elastisuustermi (cn-cn). Tämä ilmaus tarkoittaa, että korkeintaan 20 % taajuuskontribuutiosta tulee muista termeistä (esim. C44-termistä).
7
Alueet voivat olla esim. epitaktisesti kasvatettuja piikerroksia (pystysuuntainen pinoaminen). Erään sovellutusmuodon mukaan alueet ovat ojia, jotka on valmistettu ojan uudelleentäyttöprosessilla (trench refill process) (vaakasuuntainen pinoaminen). Erään sovellutusmuodon mukaan käytetään implantaatio-ja hehkutusprosessia. Vielä erään 5 lisäsovellutusmuodon mukaan käytetään kiekkojen kiinnitystekniikkaa. Näitä tekniikoita voidaan myös yhdistää sopivalla tavalla, jotta saadaan aikaan haluttu rakenne puolijohde-elementille.
Erään sovellutusmuodon mukaan laite on resonaattori, jossa puolijohde-elementti on resonoiva elementti, joka on ankkuroitu tukevaan rakenteeseen, ja laite käsittää sähköisen 10 ohjausvälineiden virittämään resonanssimoodi resonoivaan elementtiin. Resonaattoria voidaan käyttää erilaisissa sovelluksissa, esimerkiksi sellaisissa, joissa kvartsiresonaattoreita tai muun tyyppisiä piiresonaattoreita tällä hetkellä käytetään.
Ohjaus- tai aistinvälineet voi käsittää esim. pietsosähköiset ohjaus- tai aistinvälineiden järjestettynä mekaaniseen kontaktiin puolijohde-elementin kanssa. Sähköstaattista 15 aktuointia voidaan käyttää myös.
Jos ohjaus-ja/tai aistinvälineilla on merkittävä kontribuutio laitteen lämpötilaherkkyyteen, seostuskonsentraatiot tai aluetyyppien suhteelliset tilavuudet sovitetaan kompensoimaan ohjaus-ja/tai aistinvälineiden vaikutukset lämpötilaherkkyyteen.
Erään sovellutusmuodon mukaan esillä oleva menetelmä mikromekaanisen laitteen 20 suunnittelemiseksi käsittää sen, että co o - valitaan peruspuolijohdemateriaali puolijohde-elementille, g - valitaan n-seostusaine lisättäväksi puolijohdemateriaaliin, i ° - suunnitellaan puolijohdemateriaalin sisäinen rakenne,
X
o- missä sisäisen rakenteen suunnittelu käsittää sen, että määritetään vähintään kaksi n- S 25 seostettujen kerrosten n-seostusaineen konsentraatiota, tyyppiä ja/tai kideorientaatioita >— sekä niiden suhteelliset tilavuudet erillisissä puolijohde-elementin alueissa siten, että S puolijohde-elementin yleisen jäykkyyden lämpötilaherkkyyden liikehdintä on alle 50 ppm, erityisesti alle 10 ppm, 100°C:een suuruisella lämpötilavälillä.
8
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementti käsittää Czochralski-menetelmällä kasvatetun kiteen, jossa yksi tai useampi n-tyypin seostusaine on valmiina jo kiteen kasvatusvaiheessa. Erään toisen sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementti käsittää kiteen, joka on epitaktisesti kasvatettu yhden tai useamman n-tyypin seostusaineen ollessa 5 siinä valmiina jo kasvatusvaiheessa. Molempia näitä menetelmiä voidaan käyttää tuottamaan kiteeseen homogeeninen seostus kullakin erillisellä alueella. Valmistaminen on suoraviivaista esim. muuttamalla kuhunkin erilliseen alueeseen saostetun n-seostusaineen määrää.
Keksintö tarjoaa merkittäviä etuja. Patenttivaatimusten mukaiset rakenteet ovat osoittaneet 10 suurta potentiaalia passiivisessa lämpötilakompensoinnissa laajoilla lämpötilaväleillä. Ei ainoastaan ensimmäisen kertaluvun lämpötilakerroin, vaan myös korkeampien kertalukujen, erityisesti toisen ja vaihtoehtoisesti kolmannen kertaluvun lämpötilakertoimet kompensoituvat tehokkaasti.
Erityisesti tehokkaan materiaalin konfiguraatio voidaan suunnitella siten, ettäpuolijohde-15 elementin eri materiaalien lämpötilakerrointen ensimmäisen j a toisen kertaluvun termit kumoavat toisensa patenttivaatimusten mukaiselle tasolle. Kuten esimerkit ja teoria alla osoittavat, tästä seuraa merkittävä suhteellinen lasku kokonaislämpötilaliikehdinnässä laajalla lämpötilavälillä verrattuna tehokkaan materiaalin komponentteihin yksinään.
Koko resonaattorirakenne voidaan tehdä n-seostetusta materiaalista ilman tarvetta käyttää 20 esimerkiksi oksideja, jotka aiheuttavat häviötä suorituskyvyssä.
£2 Keksintöä voidaan soveltaa ainakin kaikille monilaaksopuolijohdemateriaaleille, joista n- o ^ seostettu pii on yksi esimerkki.
σ> o i o Rakenne voidaan myös toteuttaa ilman p-seostusaineita. Tämän seurauksena pn- x rajapintojen mukanaolo resonaattorissa vältetään.
25 Seuraavaksi keksinnön sovellutusmuodot kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin ^2 piirroksiin.
δ
C\J
Piirrosten lyhyt kuvaus 9
Kuviossa 1 näkyy, kuinka lämpötilaliikehdintä muuttuu, jos homogeenisesti seostettu resonaattori korvataan superhilalla.
Kuviot 2a-c kuvaavat yksityiskohtaisemmin lämpötilakompensoinnin periaatetta taajuutena lämpötilan funktiona kahdelle eri n-seostusaineen konsentraatiolle (n) ja niiden 5 superhilakokoonpanolle.
Kuvio 3 kuvaa homogeenisesti seostetun resonaattorin tapauksessa (a) resonanssitaajuuden vaihtelun (ppm:nä) seostusaineen konsentraation funktiona korkeuskäyräkuvana, (b) kokonaistaajuusvaihtelun 100°C lämpötilavälillä seostusaineen konsentraation funktiona ja (c) taajuuden vaihtelun lämpötilan funktiona optimaalisella seostusainetiheydellä.
10 Kuvioissa 4-9 (a)-(c) näkyy kuvaajat, jotka vastaavat kuvioita 3a-c erilaisille konfiguraatioille keksinnön sovellutusmuotojen mukaisesti.
Kuvioissa 7d ja 8d näkyy taajuus lämpötilan funktiona alueille ja superhiloille joidenkin keksinnön sovellutusmuotojen mukaisesti.
Kuvioissa 10-14 näkyy taajuusero ppm:nä lämpötilan funktiona keksinnön muille 15 sovellutusmuodoille ja esimerkeille.
Kuvioissa 15-17 näkyy kuvaajat ja kaaviot, jotka tukevat keksinnön tukemiseksi suoritettuja teoreettisia tutkimuksia.
00 Sovellutusmuotojen yksityiskohtainen kuvaus δ
CvJ
σ) 20 Seuraavassa selostuksessa kuvataan sovellutusmuoto, jossa cp o puolijohderesonaattorielementin erilliset alueet käsittävät eri n-seostusainekonsentraatiot,
CvJ
x sekä joitakin muunnelmia, cc
CL
g Yksinkertaistetussa kuvassa resonaattoritaajuuden kulmakerroin lämpötilan funktiona on ^ positiivinen tai negatiivinen j okaisessa lämpötilapisteessä riippuen seostusaineen ° 25 konsentraatiosta. Nämä vaikutukset voidaan yhdistää kumoamaan toisensa, ei vain joissakin pisteissä vaan laajalla lämpötila-alueella, jos resonaattori on muodostettu 10 optimoidusta tehokkaasta materiaalista, joka käsittää mielivaltaisia sivuttaisia ja/tai pystysuoria alueita eri seostustasoilla.
Näiden alueiden ei tarvitse olla diskreettejä: konsentraatiot resonaattorirungon sisäpuolella voivat myös vaihdella jatkuvasti resonaattoritilavuuden sisällä, ja sama kumoava vaikutus 5 voidaan saavuttaa.
Erään sovellutusmuodon mukaan puolijohde-elementti on palkki. Termi ’’palkki” viittaa yleisesti elementteihin, joiden tason sisäinen sivusuhde (leveys vs. pituus) on vähintään 5. Tyypillisesti sivusuhde on vähintään 10.
Erään sovellutusmuodon mukaan puolijohde-elementti on levy. Levy voi olla 10 suorakulmainen. Se voi esimerkiksi olla neliölevy. Levy voi myös olla monikulmio, pyöreä tai elliptinen. Levyn sivusuhde (mikä tahansa sivumitta vs. paksuus) on alle 5.
Erään näkökulman mukaan keksinnön mukainen laite käsittää vähintään osittain n-seostetun resonaattorielementin ja muunninvälineiden virittämään resonanssimoodi resonaattorielementtiin. Resonanssimoodi voi olla yksi seuraavista: 15 - leikkausmoodi levyresonaattorielementissä, - neliömoodi (square extensional, SE) levyresonaattorielementissä, - leveysmoodi (width extensional, WE) levyresonaattorielementissä, - taipuva moodi levyresonaattorielementissä, co ^ - laajeneva moodi palkkiresonaattorielementissä, σ> 1 20 - taipuva moodi palkkiresonaattorielementissä, tai c\j
Er - torsiomoodi palkkiresonaattorielementissä.
Q_ S Erään sovellutusmuodon mukaan resonoiva elementti sovitetaan viritettäväksi
LO
1- ohjausvälineillä Lame-moodiin, joka on erityinen esimerkki leikkausmoodista δ f'J suorakulmaisessa levyssä.
11
Jos resonaattorielementti on levy, se voidaan valmistaa (lOO)-kiekolle siten, että levyn sivut yhtenevät resonaattorielementin puolijohdemateriaalin kiteen [100]-suuntien kanssa.
Jos resonaattorielementti on palkki, joka on sovitettu resonoimaan torsiomoodissa, se voidaan valmistaa 5 - (100)-kiekolle tai (110)-kiekolle siten, että palkin pääakseli suunnataan puolijohdemateriaalin [110]-suunnan mukaisesti, tai - (110)-kiekolle siten, että palkin pääakseli on sellaisen suunnan mukainen, joka saadaan kiertämällä palkkia tasossa 20-50 astetta puolijohdemateriaalin [110]-suunnasta kohti [100]-suuntaa.
10 Jos resonaattorielementti on palkki, joka on sovitettu resonoimaan laajenevassa tai taipuvassa moodissa, palkin pääakseli voidaan suunnata puolijohdemateriaalin [100]-suunnan mukaisesti.
Näitä moodeja, sopivia geometrioita ja kideorientaatioita niille ja niiden paikallista lämpötilakompensointia käsitellään tarkemmin aikaisemmassa hakemuksessamme FI 15 20115151, jonka olennaiset osat on sisällytetty tässä viittauksin.
Erään sovellutusmuodon mukaan tehokas materiaali käsittää pystysuoran superhilan, jossa piikerrokset vuorottelevat eri n-seostuskonsentraatioilla. On osoitettu, että alle 10 ppm liikehdintä 100°C laajalla lämpötilavälillä voidaan saavuttaa tällaisella konfiguraatiolla.
Esimerkillinen piikerrosten superhilapino vuorottelevilla seostustasoilla ni ja n2 on kuvattu $2 20 kuvioissa 1 ja 2c. Esimerkkejä resonanssimoodeista, joita voidaan kompensoida tämän o ^ muotoisella järjestelyllä ovat levyresonaattorin Lame-moodi sekä tietyt palkkiresonaattorin o ? taipuvat/laaj enevat j a torsiomoodit. Käytännöllinen tapa valmistaa pystysuuntainen o 00 piisuperhila on kasvattaa pii epitaktisesti substraatille, n-seostusaineen konsentraatiota £ voidaan ohjata kasvatuksen aikana, mikä tuottaa paksuudesta riippuvan S 25 konsentraatioprofiilin.
LO
ς Töinen käytännöllinen tapa muodostaa piisuperhila on kiinnittää kiekoista yhteen kaksi c\j piikiekkoa, joilla on eri n-seostusainekonsentraatiot. Kiinnitettyjen kiekkojen paksuuksia pitäisi hallita sellaisella tavalla, että niiden mittasuhteet ovat oikeat lämpötilasta johtuvan taajuusliikehdinnän minimoimiseksi.
12
Epitaksian lisäksi eri seostustasot voidaan luoda implantaatiolla ja sen jälkeisellä hehkutuksella. Tässä menetelmässä puolijohteen yläpintaan istutetaan suuri annos n-tyypin seostusaineita. Hehkutusvaihe aktivoi annoksen ja samanaikaisesti ohjaa seostusaineita syvemmälle puolijohteeseen. Näin syntyy pystysuuntainen seostusprofiili. Suojaamalla eri 5 alueita ennen implantaatiota tällä menetelmällä voidaan saada aikaan myös sivusuuntaisia profiileja. Tämä menetelmä voidaan yhdistää kiekkojen yhteen kiinnittämiseen, mikä mahdollistaa esimerkiksi aktiivisen Si-kerroksen pohjapinnalle SOI-kiekossa (silicon-on-insulator) korkeamman seostuskonsentraation kuin yläpinnalla. Tällainen rakenne voidaan edelleen istuttaa ylhäältäpäin (ja hehkuttaa), kun Si-kerroksen ala-ja yläosilla on 10 korkeampi seostus ja keskiosalla alhaisempi seostus.
Keksinnön mukaisia laitteita voidaan aktuoida sellaisenaan tunnetuilla ohjaus- eli muunninvälineillä. Erään sovellutusmuodon mukaan muunninvälineet käsittävät pietsosähköisen aktuaattorielementin. Erään toisen sovellutusmuodon mukaan muunninvälineet käsittävät sähköstaattiset aktuaattorivälineet. Tarkemmin näitä tekniikoita 15 käsitellään dokumentissa FI 20115151 ja sen viitteissä.
Alla käsitellään yksityiskohtaisemmin joitakin esimerkillisiä levyresonaattorimalleja Lame-moodissa sekä esimerkki palkkiresonaattorista.
Homogeeninen seostus (Lami-resonaattori) 20 Tarkastellaan ensin, kuinka homogeenisesti seostetun Lame-resonaattorin taajuus o käyttäytyy n-seostusaineen tiheyden (cm'3) ja lämpötilan (K) funktiona. Kuviossa 3a näkyy σ> resonanssitaajuuden ppm-vaihtelu korkeuskäyräkuvana (taajuudet T = 300 K:ssä ovat i o olleet viitteenä ppm-vaihtelun laskelmille, ja jyrkkyys n:n funktiona on poistettu x kuvaajasta).
CL
g 25 Havaitaan, että on kaksi tasannealuetta: yksi noin kohdassa loglO(n) = 19 ja toinen ^ kohdassa loglO(n) = 20,2. Kumpikaan näistä tasanteista ei kuitenkaan ole ’’vaakasuora” - ° minkä seurauksena taajuus muuttuu lämpötilan funktiona kaikille n-seostusaineen tiheyksille n.
13
Kokonaistaajuusvaihtelu koko lämpötilavälillä T = 250 ... 350 K kullakin n-seostusaineen tiheydellä näkyy kuviossa 3b.
Edellä mainittuja tasanteita vastaavia minimikohtia on kaksi. Kokonaislaajuus vaihtelun Λ mimmi 100 ppm 100°C välillä saadaan kohdassa n = l,55e20 cm' . Kuviossa 3c näkyy 5 taajuuden vaihtelu lämpötilan funktiona n-seostusaineen tiheydellä, jolla minimointi tapahtuu.
Superhilan konfiguraatioesimerkki 1 (levyresonaattori Lame-moodissa)
Kuvioissa 4a-4c näkyy kuvioita 3a-3c vastaavat kuvaajat mutta käyttäen superhilaa 10 seuraavin suunnitteluparametrein: na = l,44e20 cm'3, pa = 0,656 (noin 66 %) nb = lel9 cm'3, pb = 0,344 (noin 34 %) missä nj tarkoittaa n-seostusainekonsentraatiota ja pi tarkoittaa materiaalin i suhteellista tilavuutta. Tämä konfiguraatio vähentää kokonaistaajuusvaihtelua 100 ppm:stä 3 ppm:ään 15 100°C:een suuruisella välillä.
Superhilan konfiguraatioesimerkki 2 (levyresonaattori Lam0-moodissa) £2 On suotuisaa, jos matalampia n-seostusaineen tiheyksiä voidaan käyttää superhilalle.
δ ^ Kuvioissa 5a-5c näkyy kuvaajat, jotka vastaavat kuvioita 4a-4c ja 3a-3c mutta käyttäen σ> ? 20 superhilaa seuraavin suunnitteluparametrein: o
CM
x na = 7,87el9 cm'3, pa = 0,639 (noin 64 %)
CU
CL
g nb = lei8 cm'3, pb = 0,361 (noin 36 %) m ^ Tämä konfiguraatio vähentää kokonaistaajuusvaihtelua 100 ppm:stä 9 ppm:ään 100°C:een 00 suuruisella välillä, mikä ei ole yhtä hyvä kuin edellä, mutta se saavutetaan merkittävästi 25 matalammalla konsentraatiotasolla.
14
Superhilan konfiguraatioesimerkki 3 (palkkiresonaattori laajenevassa tai taipuvassa moodissa)
Esimerkit edellä osoittavat, että Lame-moodin resonaattorin lämpötilaliikehdintää voidaan 5 vähentää käyttämällä n-seostettua piisuperhilaa. Vastaavaan tapaan keksintöä voidaan soveltaa laajenevan tai taipuvan resonanssimoodin palkkiresonaattoreihin.
Tällaisen resonanssimoodin lämpötilaliikehdintä voidaan minimoida esim. superhilapinolla, jossa na = l,03e20 cm'3, pa = 0,733 (noin 73 %) 10 nb = 9el8 cm'3, pb = 0,267 (noin 27 %)
Kuvioissa 6a-6c näkyy kuvaajat, jotka vastaavat kuvioita 3-5 tälle tapaukselle. Laskettu kokonaistaajuusliikehdintä on 6 ppm 100°C:een suuruisella välillä.
Samalla tavoin sopivat, taajuusliikehdinnän minimoivat suunnitteluparametrit voidaan löytää palkkiresonaattoreille myös torsioresonanssimoodissa.
15
Superhilan konfiguraatioesimerkki 4 (levyresonaattori Lame-moodissa) Tämä esimerkki osoittaa, että vaikutusta voidaan soveltaa superhilaan, jossa matalamman po n-seostusainekonsentraation (materiaali “b”) alue on ’’seostamatonta” tai suhteellisen o heikosti seostettua piitä siten, että materiaalin ”b” resonaattorilla yksinään olisi 1.
O) 9 20 kertaluvun lämpötilakerroin suuruusluokaltaan -30 ppm/°C. Materiaalin ”b” o ^ elastisuusmatriisin elementtien Cij arvot lämpötilan funktiona on laskettu käyttäen dataa x £ lähteestä C. Bourgeois et ah, “Design of resonators for the determination of the temperature coefficients of elastic constants of monocrystalline silicon”, Frequency Control Symposium, 1997, Proceedings of the 1997 IEEE International, 1997, 791-799. 25 Materiaalin ”b” oletetaan olevan n-tyypin fosforiseostettua piitä ominaisvastuksella 0,05 Ωαη, joka vastaa alle 3*1017 cm'3 fosforikonsentraatiota. Materiaalin ”a” ominaisuudet lasketaan jäljempänä esitetyn teoriaosan teorian kautta.
15
Optimaalisessa konfiguraatiossa materiaalin “a” n-seostusainekonsentraatio on na = 7,50el9 cm' , ja materiaalien ”a” ja ”b” suhteelliset määrät ovat pa = 0,68 (68 %) ja pb = 0,32 (32 %).
Kuvioissa 7a-7c näkyy kuvaajat, jotka vastaavat kuvioita 3-6 tälle tapaukselle.
5 Kokonaistaajuusliikehdintä on 8 ppm 100°C:een suuruisella välillä.
Kuvio 7d kuvaa yksittäiset kontribuutiot materiaaleista “a” ja “b” ja esittää superhilan lämpötilariippuvuuden yksityiskohtaisesti. Kuvion otsikot sisältävät lämpötilakertoimet kolmanteen kertalukuun asti.
Tämän esimerkin tuloksen tukemana sekä esimerkissä laskettujen simuloitujen heikosti 10 n/p-seostettujen kiteisten piimateriaalien lisäksi materiaali “b” voi olla myös monikiteistä piitä, jolla tiedetään olevan lineaarinen, noin -30 ppm/°C TCF.
Supported by the result of this example, in addition to the simulated weakly n/p -doped crystalline silicon materials calculated in the example, material "b" can also be poly crystalline silicon, which is known to have a linear TCF of approximately 15 -30ppm/C.
Superhilan konfiguraatioesimerkki 5 (levyresonaattori Lame-moodissa) Tämä esimerkki on vastaava kuin esimerkki 4 edellä sillä poikkeuksella, että materiaali “b” on suhteellisen heikosti p-seostettu heikon n-seostuksen sijaan. Jälleen materiaalin ”b” co o 20 lämpötilakerroin on noin -30 ppm/°C. Materiaalin ”b” elastisuusmatriisin elementtien Cy <j) arvot lämpötilan funktiona on laskettu käyttäen dataa lähteestä C. Bourgeois et ai.
o i o Materiaalin ”b” oletetaan olevan p-tyypin booriseostettua piitä ominaisvastuksella 4 Qcm, x joka vastaa alle 1 * 1016 cm'3 boorikonsentraatiota. Materiaalin ”a” ominaisuudet lasketaan
CL
teoriaosassa esitetyn teorian kautta, co ^ 25 Optimaalisessa konfiguraatiossa materiaalin “a” optimaalinen n-seostusainekonsentraatio ° on na = 7,15el9 cm'3, ja materiaalien ”a” ja ”b” suhteelliset määrät ovat pa = 0,68 (68 %) ja pb = 0,32 (32 %).
16
Kuvioissa 8a-8c näkyy kuvaajat, jotka vastaavat kuvioita 3-7 tälle tapaukselle. Kokonaistaajuusliikehdintä on 8 ppm 100°C:een suuruisella välillä.
Kuvio 8d kuvaa yksittäiset kontribuutiot materiaaleista “a” ja “b” ja esittää superhilan lämpötilariippuvuuden yksityiskohtaisesti. Kuvion otsikot sisältävät lämpötilakertoimet 5 kolmanteen kertalukuun asti.
Superhilan konfiguraatioesimerkki 6 (levyresonaattori Lame-moodissa lämpölaajenemisvaikutuksen kanssa)
Kaikissa edeltävissä esimerkeissä lämpölaajenemisvaikutukset on jätetty huomiotta. Kuten 10 jäljempänä osassa ’’Teoreettinen malli resonaattorin lineaariselle TCFdle” käsitellään, lämpölaajenemisesta tulee kontribuutiota resonaattorin TCF:ään. Tämä esimerkki kuvaa, mitä tapahtuu optimaaliselle superhilakokoonpanolle, kun lämpölaajenemisvaikutukset otetaan huomioon. Lämpölaajenemiskertoimia toiseen kertalukuun asti on käytetty laskuissa siten, kuin ne on ilmoitettu lähteessä C. Bourgeois et ai.
15 Kuvioissa 9a-c näkyy tulokset esimerkille, joka on vastaavanlainen kuin kuvioissa 7a-c (esimerkki 4) sillä poikkeuksella, että lämpölaajenemisvaikutus on huomioitu.
On huomattava, että optimaalinen superhilakonfiguraatio muuttuu arvoista (na = 7,50el9 cm'3, pa = 0,68, pb = 0,32) arvoihin (na = 5,94el9 cm'3, pa = 0,48, pb = 0,52), jotka tuottavat 5 ppm kokonaistaajuusliikehdinnän 100°C:een suuruisella lämpötilavälillä. co oj 20 Tämä esimerkki osoittaa, että keksintöä voidaan käyttää vähentämään huomattavasti i o resonaattorin kokonaistaajuusliikehdintää patenttivaatimusten mukaiselle välille huolimatta ^ lämpölaajenemisen vaikutuksesta, mutta sopivien superhilaparametrien löytäminen saattaa ί kuitenkin muuttua. Yleisesti ottaen kahden materiaalin superhilassa jos materiaalityyppi, g jolla on suurempi n-seostuskonsentraatio kuin toisella materiaalityypillä, muodostaa S 25 vähintään 35 % puolijohde-elementin kokonaistilavuudesta, tämä ehto voidaan täyttää.
δ
C\J
17
Superhilan konfiguraatioesimerkki 7 (levyresonaattori Lame-moodissa, elementtimenetelmäsimulaatio) 320x320x15 um -piilevylle suoritettiin elementtimenetelmän moodianalyysi vahvistamaan esimerkin 2 pätevyys. Levy mallinnettiin sisältämään pystysuuntainen pino kahta aluetta, 5 j öistä alue A on pohj akerros paksuudella pa* 15 um j a seostusaineen konsentraatiolla na j a alue B on yläkerros paksuudella pb* 15 um ja seostusaineen konsentraatiolla nt,. Levyn sivut suunnattiin [100]-kidesuuntien mukaan.
Simulaatioihin käytettiin Comsol multiphysicsiä. Analyysi suoritettiin eri lämpötiloille (T = 250 ... 350 K), ja jäykkyysmatriisin elementit cy laskettiin materiaaleille Aja B kussakin 10 lämpötilassa jäljempänä teoriaosassa kuvatun teorian mukaan.
Täsmälleen samojen parametrien käyttäminen kuin esimerkissä 2, eli na = 7,87el9 cm' , pa
O
= 0,639, nb = lei8 cm' ja pb = 0,361, tuottaa lämpötilan funktiona taajuuden vaihtelun, joka vastaa erittäin hyvin esimerkissä 2 laskettua.
Kuviossa 10 näkyy taajuusero ppm:nä lämpötilan funktiona. Siniset pisteet (B) osoittavat 15 simuloitua dataa. Punainen käyrä (R) näyttää 3. kertaluvun polynomin sovitettuna
simulaatiodataan. Vihreä käyrä (G) osoittaa esimerkissä 2 laskettua dataa. Hyvin vähäinen ero voi olla syntynyt johtuen numeerisesta epätarkkuudesta (suurin mahdollinen FEM-verkon elementtikoko oli 50x50x5 um) sekä myös johtuen siitä, että resonanssimoodia saattaa hieman häiritä (paksuussuunnissa) epäsymmetrinen pino, jonka materiaalit A ja B
20 muodostavat, co δ c\j σ> ? Superhilan konfiguraatioesimerkki 8 (palkkiresonaattori pituusmoodissa (length en extensional), elementtimenetelmäsimulaatio) x
IX
CL
Samalla tavoin kuin esimerkissä 7, simuloitiin palkkiresonaattorin pituutta laajenevaa 5? 25 resonanssimoodia mitoilla 320*20*15 um (sivut suunnattu [ 100]-kidesuuntien mukaan).
^ Kuviossa 11 näkyy ppm-yksiköissä taajuuden vaihtelu, joka pitää yhtä esimerkin 2 CM 3 3 tuloksen kanssa. Superhilaparametrit olivat na = l,03e20 cm' , pa = 0,733, nb = 9el8 cm' ja Pb = 0,267 (kuten esimerkissä 2).
18
Superhilan konfiguraatioesimerkki 9 (palkkiresonaattori tason sisäisessä taipuvassa moodissa, elementtimenetelmäsimulaatio)
Esimerkin 8 palkkiresonaattorin tason sisäistä taipuvaa (kaartuvaa) resonanssimoodia 5 simuloitiin. Koska resonanssitaajuuden riippuvuus parametreista cy poikkeaa hieman esimerkin 8 pituusresonanssimoodista (käsitelty dokumentin FI20115151 yhteydessä), havaitaan jonkin verran suurempi taajuusliikehdintä (25 ppm 100°C:een suuruisella välillä), kun superhilaparametrit ovat vastaavia kuin esimerkissä 8 (kuvio 12a).
Optimaalisempi superhilakonfiguraatio kuitenkin saadaan kasvattamalla materiaalin A 10 suhteellista määrää vähän: kun superhilaparametrit ovat na = 1,03e20 cm'3, pa = 0,75, nb = o 9el8 cm' ja pb = 0,25, saavutetaan 5 ppm kokonaistaajuusliikehdintä 100°C:een suuruisella välillä (katso kuvio 12b).
Superhilan konfiguraatioesimerkki 10 (palkkiresonaattori tasosta poikkeavassa taipuvassa 15 moodissa, elementtimenetelmäsimulaatio) Tässä esimerkissä tarkastellaan esimerkkien 8 ja 9 palkin tasosta poikkeavaa taipuvaa (kaartuvaa) resonanssimoodia. Tässä tapauksessa analyyttinen menetelmä tehokkaan materiaalin resonanssitaajuuden laskemiseksi ei enää käy, kuten käsitellään osassa ’’Vaikutuksen keskiarvoistaminen”. Kun käytetään superhilaparametreja esimerkistä 9, £2 20 taajuusliikehdintä pysyy yli 200 ppm tasolla (kuvio 13a).
δ
CvJ
6> Optimaalisempi superhilakonfiguraatio on l,03e20 cm'3, pa = 0,89, nb = 9el8 cm'3 ja pb = o o 0,11. Näillä parametreillä saavutetaan 6 ppm taajuusliikehdintä 100°C:een suuruisella x välillä (kuvio 13b).
Q.
m
CO
m ^ 25 Superhilan konfiguraatioesimerkki 11 (palkkiresonaattori torsiomoodissa, ^ elementtimenetelmäsimulaatio) 19
Palkkiresonaattoria torsioresonanssimoodissa simuloitiin samaan tapaan kuin edellisissä esimerkeissä. Palkin sivumitat olivat 320x20 um, ja sen paksuus oli 10 um. Sivut suunnattiin [110]-suuntien mukaan; paksuussuunnan määrittävä normaali oli [100].
Superhilakokoonpanolla na = l,03e20 cm' , pa = 0,90, nb = 9el8 cm' ja pb = 0,10 5 saavutettiin 5 ppm taajuusliikehdintä 100°C:een suuruisella välillä (kuvio 14).
Keksinnön muunnelmia Muunnelmia
Esimerkit edellä toimivat todisteena keksinnön toteuttamiskelpoisuudelle. On olemassa 10 loputon joukko eri tyyppisiä kerroskombinaatioita lämpötilaliikehdinnän minimoiville superhiloille erilaisia resonaattorimalleja ja resonaattorimoodeja varten, jotka sisältyvät keksinnön laajuuteen. Esimerkiksi - voidaan käyttää useampaa kuin kahta n-konsentraatiota kerroksille, - on vapaus valita kerrosten paksuudet j a j ärj estys, 15 - superhilan ei tarvitse olla diskreetti pino (esimerkiksi n-konsentraatiota voidaan vaihdella jatkuvasti paksuuden funktiona), - superhilalla voi olla periodisuutta kahdessa ulottuvuudessa (voi esimerkiksi olla joukko paikallisia alueita yhtä materiaalityyppiä toisessa materiaalityypissä kiekon o tasossa), σ> ° 20 - joku tai jotkut alueista voivat olla seostamattomia tai p-seostettuja, erityisesti p'- o ^ seostettuja (n < 1016cm'3).
X
CC
CL
Resonaattorin taajuuden lämpötilavaste voidaan räätälöidä myös eri optimointitavoitteella
CD
J kuin lämpötilaliikehdinnän minimoinnilla. Esimerkiksi pietsoaktivoitavan resonaattorin ς tapauksessa tavoite voi olla kompensoida ei-piiosien (pietsomateriaali + siihen liittyvät C\1 25 metallit) kontribuutio taajuusliikehdintään. Tällaisessa tapauksessa termi resonaattorielementti kattaa myös ei-piiosat, sillä ne vaikuttavat resonanssitaajuuteen ja resonoivat elementin mukana.
20
Keksinnön periaatteita voidaan soveltaa ei vain resonaattoreihin vaan mihin hyvänsä muihinkin mikromekaanisiin laitteisiin (esim. kiihtyvyysanturi tai gyroskooppi), jotka sisältävät yhden tai useamman jousen, joka on oleellinen osa laitteen toiminnallisuutta ja kokee taipumista, laajenemista tai vääntymistä laitteen toimintatilassa. Tämä johtuu siitä, 5 että minkä tahansa laajenemista, taipumista tai torsiota kokevan jousen jäykkyyden k lämpötilaliikehdintää voidaan vähentää käyttämällä n-seostettua superhilaa. Siksi keksintöä voidaan soveltaa mille tahansa MEMS-laitteelle, jonka suorituskyky riippuu tällaisista jousista.
Tehokkaan materiaalin ei myöskään tarvitse olla superhila eli toistuva rakenne. Sen sijaan 10 joitakin muitakin kerroskonfiguraatioita voidaan myös käyttää, olettaen että ne muodostavat yhteen kytketyn jousijärjestelmän ja lämpötilaherkkyyksien kulmakertoimet sopivat yhteen kussakin halutun lämpötilavälin pisteessä.
Teoria 15 Teoreettiset tarkastelut tarjoavat lisätukea keksinnölle. Alla esitellään lyhyesti joitakin malleja, joita voidaan käyttää yllä esitettyjen esimerkkien selittämiseksi.
Vaikutuksen keskiarvoistaminen
Pohditaan ensin pystysuuntaisesta pinosta tehtyä superhilaa. Resonaattorin oletetaan resonoivan resonanssimoodissa, jonka taajuus on riippumaton paksuudesta. Tämä oletus m 20 pätee esim. levyresonaattorin Lame-resonanssimoodille, ja likimain se pätee δ 00 levyresonaattorin neliömoodille sekä palkkiresonaattorin leveys-/pituusresonanssimoodille.
σ> cp o Yleisesti resonaattoria voidaan kuvata jousi-massasysteeminä (k, m). Tämän seurauksena
CM
x piisuperhilasta ni/n2 tehtyä resonaattoria voidaan mallintaa kahden jäykästi kytketyn
CL
jousimassan {ki,mi) ja (k2,m2) systeeminä, katso kuvio 17. Tässä lähestymistavassa yhteen m ^ 25 niputetun mallin parametrit k„ mi edustavat kontribuutiota superhilapinon kaikista tyypin i m ^ kerroksista, o
CM
21
Koska rinnakkaiset jouset voidaan laskea yhteen, pätee, että yhdistelmäresonaattorin taajuus on ’’virtuaalisten” resonaattoritaajuuksien painotettu neliöllinen keskiarvosumma (rms sum): /ow λ2 _ ^total _ kl+k2 total) — — m total m\ +m2 = — K / mtotal ) + — (m2/ mroral) ml m2 = Pi(Wi)2 +P2(2¥i)2 5 f total - VA/ι2 +Plfl2 , missä painotuksetpt ovat materiaalien 1 ja 2 suhteelliset määrät.
Tulos voidaan yleistää tapaukselle, jossa on mielivaltainen määrä eri kerroksia, eli kerrostyyppejä voi olla useampia kuin kaksi: 10 ftotai =τΐΣιΡίίί2
Tulos voidaan edelleen formuloida jatkuville profiileille: CO ' z=0 δ
CVJ
^ missä f(z) on infinitesimaalisen ohuen, paksuutta dz olevan ’’virtuaalisen resonaattorin” ^ taajuus, ja d on resonaattorin kokonaispaksuus.
CVJ
Er 15 Esimerkit 1-6 edellä on laskettu analyyttisesti käyttäen edellä kuvattua root-mean-square -
CL
lq keskiarvoistuskaavaa. Menetelmän pätevyys voidaan todistaa vertaamalla esimerkkiä 2 co S esimerkkiin 7 (levyresonaattorin Lame-moodi), ja vertaamalla esimerkkiä 3 esimerkkiin 8 o (palkkiresonaattorin pituusmoodi), joissa yhtäpitävyys elementtisimulaation (finite element
CVJ
simulation) tulosten kanssa on havaittu erittäin hyväksi.
22
Jos resonanssimoodi sellainen, että sen taajuus ei ole riippumaton paksuudesta ja/tai jos tehokas materiaali ei perustu pystysuuntaiseen superhilapinoon (superhila voi olla sivusuuntainen, tai yleisesti alueet eri seostusainekonsentraatioilla voivat muodostaa hyvin rajoittamattoman geometrisen järjestelyn kahdessa tai kolmessa ulottuvuudessa), edellä 5 käsitelty root-mean-square -keskiarvoistuskaava ei päde enää. Tällaisissa tapauksissa eri alueet resonaattorirungossa kontribuoivat eri painotuksilla resonaattorin yleiseen jäykkyyteen. Esimerkki tällaisesta tapauksesta on palkkiresonaattorin tasosta poikkeava taipuva (kaartuva) resonanssi: tilavuuselementeillä lähellä palkin ylä-/alapintaa on suurempi vaikutus resonaattorin yleiseen jäykkyyteen kuin keskellä olevilla 10 tilavuuselementeillä.
Näissä tapauksissa yleinen lähestymistapa positiivisten/negatiivisten (ensimmäistä ja korkeampia kertalukuja olevien) lämpötilakerrointen kumoamiseen on vielä käyttökelpoinen sopivasti valituilla seostusainekonsentraatioilla ja suhteellisilla tilavuuksilla sekä mahdollisesti sopivasti valitulla alueiden järjestämisellä. Nuo 15 optimaaliset kokoonpanot voidaan selvittää esim. elementtisimulaatioilla. Esimerkeissä 7-11 näkyy tällaisia FEM-simuloituja kokoonpanoja tietyille resonanssimoodeille.
Teoreettinen malli resonaattorin lineaariselle TCFdle Resonaattorin taajuus voidaan ilmaista yleisessä muodossa
” 20 f=±xE
o L \ p c\j ’ ^ O) ? missä c on materiaalin yleinen jäykkyys (joka huomioi resonanssimoodin, resonaattorin o geometrian ja sen orientaation suhteessa kiteeseen), p on materiaalin tiheys ja L on
X
resonaattorin yleinen mitta, m
CD
J Yleinen jäykkyys on elastisuusparametrien en, Cu ja C44 funktio.
S 25 Lämpötilan muuttuessa resonanssitaajuus muuttuu johtuen muutoksista materiaalin parametreissä ja resonaattorin mitoissa. Resonanssitaajuuden lämpötilakerroin 23 re,
’ fdT
riippuu materiaalin parametreista seuraavalla tavalla: TCf = TCV - a, missä a on lineaarinen lämpölaajenemiskerroin ottaen huomioon resonaattorin 5 pitenemisen, ja akustisen nopeuden TC on TC, =- = 7 (rcc - TCP) = i (TC, + ia), v aT 2 2 mistä saadaan rc,=t(rct+a)
Yleensä selvästi hallitseva vaikutus on ensimmäisellä termillä eli jäykkyyden 10 lämpökertoimella TCc, kun taas lämpölaajenemisen vaikutus on paljon pienempi. Jos resonoivan materiaalin TCc:tä kykenee muuttamaan tarpeeksi vahvasti, voidaan toteuttaa lämpötilavakaita resonaattoreita.
Elastisuusvakion lämpötilariippuvuudet lämpötilan funktiona co 15 Kirjoittajat ovat teoreettisesti mallintaneet vapaiden elektronien kontribuution piin ° elastisuusvakioihin (en, Cn, C44) käyttäen Keyesin monilaaksolähestymistapaa (R.W.
o Keyes, Solid State Physics, Voi. 20, 1967). Malli sisältää yksittäisen sovitusparametrin, o c\j yksiakselisen muodonmuutospotentiaalin Eu. Tämä parametri sovitettiin Hallin £ julkaisemaan dataan ("Electronic Effect in the Elastic Constants of n-Type Silicon", LO 20 Physical Review, vol 161 (2), 756-761, 1967) käyttämällä datapisteitä lämpötilavälillä T = 100 ... 308 K. Sovituksesta saatiin Eu = 9,6 eV. Tilatiheyden massalle (density of states ° mass) käytämme standardiarvoa nide= 0,32*me (missä me on elektronin lepomassa).
24
Dokumentissa FI 20115151 teoriaa käytettiin selittämään resonaattorin lineaarisen TCF:n minimointia: sopivalle resonaattorigeometrialle ja tietylle resonanssimoodille lineaarinen TCF voitiin nollata optimaalisella n-seostusainekonsentraation tasolla.
Nyt teoriaa käytetään selittämään lämpötilaliikehdinnän minimointia laajemmalla välillä 5 johtuen korkeamman kertaluvun lämpötilaherkkyysvaikutusten kompensoinnista.
Kuvioissa 15a-c näkyy piin elastisuusvakioiden (en, cn, C44) käyttäytyminen seostusainekonsentraation ja lämpötilan funktiona. Elastisuusvakioarvot on laskettu absoluuttiselle lämpötilavälille T = 250 ... 350K sekä seostusainekonsentraatioille n = lei8 ... Ie20 1/cm3.
10 Mikä tärkeää lämpötilakompensoinnille, on tiettyjä resonanssimoodeja, joiden taajuus riippuu vahvasti erotustermistä C11-C12 (tällaisia moodeja käsitellään enemmän dokumentissa FI 20115151; esimerkkejä näistä moodeista ovat neliön muotoisen levyn Lame-moodi ja palkin laajenevat/torsiomoodit). Erotus C11-C12 on piirretty kuvioon 16a.
Käy ilmi, että riippuen seostusainekonsentraatiosta, C11-C12 voi olla lämpötilan kasvava tai 15 laskeva funktio. Esimerkkejä tällaisista tapauksista kuvataan ympyröillä/rasteilla j varustetuilla viivoilla kuvioissa 16a ja 16b: arvolla n = 5el8/cm c 11 -c 12 on laskeva funktio, o ja arvolla n = 7el9/cm c 11 -c 12 kasvaa lämpötilan myötä. Välikonsentraatioilla käyrät kuviossa 16a ovat miltei yhdensuuntaisia x-akselin kanssa, mikä tarkoittaa, että termin cn-C12 vaihtelu on suhteellisen pientä lämpötilan funktiona - tätä kuvaa vinoneliöillä o 20 varustettu viiva kuvioissa 16a ja 16b vastaten arvoa n = l,2el9/cm . Mitä tulee lineaariseen ” TCF:ään tällaisella konsentraatioarvolla, TCF on nolla (TCF määritellään käyrän δ ^ kulmakertoimena, kun T = 25°C eli T = 298 K).
σ> o o Jopa tässä optimaalisessa pisteessä on kuitenkin huomattavaa epälineaarista käyttäytymistä x jäljellä, mikä johtaa termin C11-C12 muutokseen lämpötilan funktiona. Tämä on hyvin
CL
25 havaittavissa kuviossa 16c, joka on suurennettu versio kuviosta 16b. Tämän seurauksena m J
näyttää siltä, että vakioseostusainekonsentraatiolla resonanssimoodin taajuusliikehdintä, ^ joka riippuu vahvasti termistä C11-C12, olisi yli 100 ppm 100°C:een suuruisella c\j lämpötilavälillä myös silloin, kun seostusaineen konsentraatio on optimaalinen.
25
Teoria vahvistaa keksinnön toimivuuden. Kaksi (tai useampi) eri tavoin seostettua piialuetta voivat toimia yhdessä sellaisella tavalla, että syntyvän yhdistelmän/tehokkaan materiaalin lämpötilakäyttäytyminen on sen rakenneosien painotettu summa.
Kuviossa 16d näkyy tehokkaan materiaaliesimerkin termin cn-ci2 käyttäytyminen Λ 5 lämpötilan funktiona, ja se koostuu 63,9 % kontribuutiosta n = 7,87el9/cm -seostettua materiaalia ja 36,1 % kontribuutiosta n = lel8/cm3 -seostettua materiaalia. On oletettu, että elastisuusmatriisin elementit en ja C12 tehokkaalle materiaalille on annettu rakenneosien elastisuusmatriisin elementtien vastaavina painotettuina keskiarvoina, kuten on käsitelty tarkemmin osassa ’’Vaikutuksen keskiarvoistaminen”.
10 co δ c\j O) cp o
CVJ
X
X
Q.
LO
CO
LO
δ
C\J

Claims (29)

1. Mikromekaaninen laite, joka käsittää - puolijohde-elementin, joka kykenee poikkeutumaan tai resonoimaan ja käsittää 5 vähintään kaksi aluetta, joilla on erilaiset materiaaliominaisuudet, - ohjaus- tai aistinvälineet toiminnallisesti kytkettynä mainittuun puolijohde-elementtiin, tunnettu siitä, että - vähintään yksi mainituista alueista käsittää yhden tai useamman n-tyypin 10 seostusaineen, - alueiden suhteelliset tilavuudet, seostuskonsentraatiot, seostusaineet ja/tai kideorientaatiot on konfiguroitu siten, että o alueiden yleisen jäykkyyden lämpötilaherkkyydet ovat vastakkaista merkkiä vähintään yhdessä lämpötilassa, ja 15. puolijohde-elementin yleisen jäykkyyden kokonaislämpötilaliikehdintä on 50 ppm tai vähemmän 100°C:een suuruisella lämpötilavälillä.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut vähintään yksi m ensimmäinen alue ja vähintään yksi toinen alue ovat erillisiä alueita ja käsittävät eri ° seostuskonsentraatiot yhtä tai useampaa n-tyypin seostusainetta. i O) ^ 20
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut vähintään yksi ^ ensimmäinen alue ja vähintään yksi toinen alue käsittävät eri n-tyypin seostusaineet. ir CL
^ 4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut CO J vähintään yksi ensimmäinen alue ja vähintään yksi toinen alue käsittävät eri 1 kideorientaatiot. (M
5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittujen alueiden yleisen jäykkyyden lämpötilaherkkyydet ovat vastakkaista merkkiä suurimmassa osassa mainittua lämpötilaväliä, edullisesti oleellisesti läpi koko lämpötilavälin.
6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että alueet on 5 konfiguroitu tuottamaan 10 ppm tai pienempi puolijohde-elementin yleisen jäykkyyden lämpötilaliikehdintä 100°C:een suuruisella lämpötilavälillä.
7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut alueet on pinottu toistensa päälle puolijohde-elementin paksuussuunnassa.
8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut alueet on 10 järjestetty puolijohde-elementissä sivusuuntaisesti toisiinsa nähden.
9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut alueet on järjestetty puolijohde-elementissä säännöllisesti vähintään yhdessä ulottuvuudessa toistuvaan konfiguraatioon muodostamaan superhilarakenne.
10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut 15 alueet on jäijestetty puolijohde-elementissä sivusuuntaiseksi kaksiulotteiseksi ryhmäksi.
11. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että kaikki mainitut alueet on seostettu samalla n-tyypin seostusaineella eri konsentraatioin.
12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että seostuskonsentraatio yhdessä alueessa on 5el9 cm'3 tai vähemmän ja yli 5el9 cm'3 toisessa alueessa, co 0 ^ 20
13. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että seostuskonsentraatio 01 Λ Λ S1 yhdessä alueessa on 2el9 cm' tai vähemmän ja yli 2el9 cm' toisessa alueessa, o C\1
14. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että sen tyypin CC alueet, joilla on suurempi n-seostuskonsentraatio kuin toisella tyypillä mainituista alueista, LO ^ muodostavat vähintään 35 % puolijohde-elementin kokonaistilavuudesta. LO ° 25
15. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että seostuskonsentraatio kussakin alueessa on oleellisesti homogeeninen.
16. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että vähintään yksi alueista on epitaktinen piikerros.
17. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että vähintään yksi alueista käsittää uran, joka on valmistettu uran uudelleentäyttöprosessilla (trench refill 5 process).
18. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että vähintään yksi alueista on valmistettu implantaatio-ja lämpökäsittelyprosessilla.
19. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että vähintään osa alueista on kiinnitetty yhteen kiekkojen kiinnitystekniikalla (wafer bonding).
20. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että puolijohde- elementti on resonoiva elementti, joka on ankkuroitu sitä tukevaan rakenteeseen, ja laite käsittää sähköiset ohjausvälineet virittämään resonanssimoodi resonoivaan elementtiin.
21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laite, tunnettu siitä, että resonoiva elementti on levy, joka on sovitettu viritettäväksi mainitulla sähköisillä ohjausvälineillä johonkin 15 seuraavista moodeista: - leikkausmoodi, kuten Lame-moodi, - neliömoodi (square extensional, SE), - leveysmoodi (width extensional, WE), co o - taipuva moodi. i O) ? 20
22. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laite, tunnettu siitä, että resonoiva elementti on o 00 palkki, joka on sovitettu viritettäväksi mainitulla sähköisellä ohjausvälineillä johonkin X £ seuraavista moodeista: m co J - laajeneva moodi, - taipuva moodi, 25. torsiomoodi.
23. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että se käsittää - yhden aluetyypin seostuskonsentraatiolla 5el9-2e20 cm'3 siten, että tämä aluetyyppi vastaa 35-75 %:sta resonoivan elementin kokonaistilavuudesta, - toisen aluetyypin, jota ei ole seostettu tai jonka seostuskonsentraatio on alle 2el8 5 cm'3 siten, että tämä aluetyyppi vastaa 25-65 %:sta resonoivan elementin kokonaistilavuudesta.
24. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että ohjaus- tai aistinvälineet käsittävät pietsosähköiset ohjaus- ja/tai aistinvälineet järjestettynä mekaaniseen kontaktiin puolijohde-elementin kanssa.
25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen laite, tunnettu siitä, että aluetyyppien seostuskonsentraatiot ja suhteelliset tilavuudet on sovitettu kompensoimaan pietsosähköisten ohjaus- ja/tai aistinvälineiden vaikutusta lämpötilakertoimeen.
26. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että - mainitulla ensimmäisellä alueella on negatiivinen yleisen jäykkyyden 15 lämpötilaherkkyys toisessa lämpötilassa, joka eroaa ensimmäisestä lämpötilasta, - mainitulla toisella alueella on positiivinen yleisen jäykkyyden lämpötilaherkkyys tässä toisessa lämpötilassa.
27. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu lämpötila-alue keskittyy 25°C:een ympärille. δ , 20
28. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että puolijohde- σ> ^ elementti on resonaattorielementti, joka on suunnattu puolijohdemateriaalin kidematriisin ^ suhteen siten, että resonaattori ilmentää resonanssimoodia, jonka mooditaajuutta hallitsee ^ resonaattorielementin puolijohdemateriaalien elastisuustermi (C11-C12). LO co
29. Menetelmä jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukaisen mikromekaanisen laitteen 5 25 suunnittelemiseksi käsittäen sen, että C\1 - valitaan peruspuolijohdemateriaali puolijohde-elementille, - valitaan vähintään yksi n-seostusaine lisättäväksi puolijohdemateriaaliin, - suunnitellaan puolijohdemateriaalin sisäinen rakenne, tunnettu siitä, että mainittu sisäisen rakenteen suunnittelu käsittää sen, että määritetään vähintään kaksi n-seostusainetta, n-seostusainekonsentraatiota ja/tai n-seostetun aineen kideorientaatiota sekä niiden suhteelliset tilavuudet puolijohde-elementin erillisillä alueilla 5 siten, että puolijohde-elementin yleisen jäykkyyden kokonaislämpötilaliikehdintä on alle 50 ppm, erityisesti alle 10 ppm, 100°C:een suuruisella lämpötilavälillä. co δ CM CD O o C\J X CC CL LO CO 't LO δ C\l
FI20115465A 2011-05-13 2011-05-13 Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi FI123933B (fi)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20115465A FI123933B (fi) 2011-05-13 2011-05-13 Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi
US13/468,052 US8558643B2 (en) 2011-05-13 2012-05-10 Micromechanical device including N-type doping for providing temperature compensation and method of designing thereof
KR1020137033278A KR101668835B1 (ko) 2011-05-13 2012-05-11 마이크로기계 장치 및 그 설계 방법
CN201280023350.9A CN103650343B (zh) 2011-05-13 2012-05-11 微机械装置及其设计方法
EP12786090.6A EP2707953B1 (en) 2011-05-13 2012-05-11 Micromechanical device
ES12786090.6T ES2582328T3 (es) 2011-05-13 2012-05-11 Dispositivo micromecánico
PCT/FI2012/050456 WO2012156585A1 (en) 2011-05-13 2012-05-11 Micromechanical device and method of designing thereof
JP2014510842A JP5877242B2 (ja) 2011-05-13 2012-05-11 微小機械素子及びその設計方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20115465A FI123933B (fi) 2011-05-13 2011-05-13 Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi
FI20115465 2011-05-13

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20115465A0 FI20115465A0 (fi) 2011-05-13
FI20115465A FI20115465A (fi) 2012-11-14
FI123933B true FI123933B (fi) 2013-12-31

Family

ID=44071592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20115465A FI123933B (fi) 2011-05-13 2011-05-13 Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8558643B2 (fi)
EP (1) EP2707953B1 (fi)
JP (1) JP5877242B2 (fi)
KR (1) KR101668835B1 (fi)
CN (1) CN103650343B (fi)
ES (1) ES2582328T3 (fi)
FI (1) FI123933B (fi)
WO (1) WO2012156585A1 (fi)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8234774B2 (en) 2007-12-21 2012-08-07 Sitime Corporation Method for fabricating a microelectromechanical system (MEMS) resonator
US9319020B2 (en) * 2010-10-19 2016-04-19 Georgia Tech Research Corporation Temperature compensation in a semiconductor micromechanical resonator via charge carrier depletion
US9090451B1 (en) 2011-07-19 2015-07-28 Integrated Device Technology, Inc. Microelectromechanical resonators having offset [100] and [110] crystal orientations
US9695036B1 (en) * 2012-02-02 2017-07-04 Sitime Corporation Temperature insensitive resonant elements and oscillators and methods of designing and manufacturing same
US8916407B1 (en) 2012-03-29 2014-12-23 Sitime Corporation MEMS device and method of manufacturing same
SG11201508862UA (en) 2013-05-13 2015-11-27 Murata Manufacturing Co Vibrating device
SG11201508860QA (en) 2013-05-13 2015-11-27 Murata Manufacturing Co Vibrating device
SG11201508861WA (en) 2013-05-13 2015-11-27 Murata Manufacturing Co Vibrating device
TWI538396B (zh) * 2013-05-20 2016-06-11 國立清華大學 微機電共振器之主動式溫度補償方法及其共振器
US9412934B2 (en) 2013-05-20 2016-08-09 Murata Manufacturing Co., Ltd. Microelectromechanical resonator
WO2014188317A1 (en) 2013-05-20 2014-11-27 Murata Manufacturing Co., Ltd. An improved microelectromechanical resonator
US9712128B2 (en) 2014-02-09 2017-07-18 Sitime Corporation Microelectromechanical resonator
US9705470B1 (en) 2014-02-09 2017-07-11 Sitime Corporation Temperature-engineered MEMS resonator
WO2016051023A1 (en) 2014-10-03 2016-04-07 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Temperature compensated compound resonator
EP3202035B1 (en) * 2014-10-03 2019-04-10 Teknologian Tutkimuskeskus VTT OY Temperature compensated plate resonator
WO2016051022A1 (en) * 2014-10-03 2016-04-07 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Temperature compensated beam resonator
CN106797207B (zh) * 2014-12-17 2021-04-20 株式会社村田制作所 压电振子以及压电振动装置
US10185797B2 (en) * 2015-06-15 2019-01-22 Cadence Design Systems, Inc. Methods and devices for extraction of MEMS structures from a MEMS layout
FI127787B (fi) * 2016-07-01 2019-02-28 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Mikromekaaninen resonaattori
FI127940B (fi) * 2016-07-01 2019-05-31 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Mikromekaaninen resonaattori ja menetelmä mikromekaanisen resonaattorin trimmaamiseksi
US10676349B1 (en) 2016-08-12 2020-06-09 Sitime Corporation MEMS resonator
CN107045565A (zh) * 2017-01-12 2017-08-15 王炳超 高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法
US11533042B2 (en) * 2018-01-16 2022-12-20 Georgia Tech Research Corporation Distributed-mode beam and frame resonators for high frequency timing circuits
CN117882295A (zh) * 2021-09-03 2024-04-12 京瓷技术公司 温度稳定mems谐振器

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4719383A (en) 1985-05-20 1988-01-12 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Piezoelectric shear wave resonator and method of making same
US6557419B1 (en) * 1996-12-31 2003-05-06 Honeywell International Inc. Zero TCF thin film resonator
US6958566B2 (en) * 2001-08-16 2005-10-25 The Regents Of The University Of Michigan Mechanical resonator device having phenomena-dependent electrical stiffness
US6987432B2 (en) * 2003-04-16 2006-01-17 Robert Bosch Gmbh Temperature compensation for silicon MEMS resonator
EP1665527B1 (en) * 2003-09-10 2011-05-18 Nxp B.V. Electromechanical transducer and electrical device
US7068125B2 (en) * 2004-03-04 2006-06-27 Robert Bosch Gmbh Temperature controlled MEMS resonator and method for controlling resonator frequency
US7102467B2 (en) * 2004-04-28 2006-09-05 Robert Bosch Gmbh Method for adjusting the frequency of a MEMS resonator
JP2007005909A (ja) * 2005-06-21 2007-01-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気機械信号選択素子、その製造方法およびそれを用いた電気機器
US20070057734A1 (en) * 2005-09-09 2007-03-15 Ruby Richard C Oscillatory circuit having two oscillators
CN101346879B (zh) * 2005-12-23 2012-12-05 Nxp股份有限公司 Mems谐振器、制造这种谐振器的方法以及mems振荡器
US7446619B2 (en) * 2006-06-14 2008-11-04 Sitime Corporation Temperature measurement system having a plurality of microelectromechanical resonators and method of operating same
CN100463364C (zh) * 2006-06-16 2009-02-18 阎济泽 微电子机械系统共振器及其制作方法
JP5122888B2 (ja) * 2007-08-27 2013-01-16 セイコーインスツル株式会社 発振子、発振子の製造方法、及び発振器
FR2932923B1 (fr) 2008-06-23 2011-03-25 Commissariat Energie Atomique Substrat heterogene comportant une couche sacrificielle et son procede de realisation.
FR2933824B1 (fr) 2008-07-11 2010-08-13 St Microelectronics Sa Resonateur a ondes de volume
US8143971B2 (en) 2008-07-11 2012-03-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. MEMS resonator
EP2313973B1 (en) * 2008-08-08 2012-01-04 Nxp B.V. An electromechanical transducer and a method of providing an electromechanical transducer
US8354332B2 (en) 2008-11-26 2013-01-15 Georgia Tech Research Corporation Methods of forming micro-electromichanical resonators having boron-doped resonator bodies containing eutectic alloys
JP2010162629A (ja) 2009-01-14 2010-07-29 Seiko Epson Corp Ｍｅｍｓデバイスの製造方法
JP2012531097A (ja) * 2009-06-19 2012-12-06 ジョージア・テック・リサーチ・コーポレイション 受動温度補償を提供する高密度トレンチアレイを有するマイクロメカニカル共振器を形成する方法
EP2302792B1 (en) * 2009-09-22 2012-11-14 Nxp B.V. Resonator
FI20095988A0 (fi) * 2009-09-28 2009-09-28 Valtion Teknillinen Mikromekaaninen resonaattori ja menetelmä sen valmistamiseksi
US9319020B2 (en) * 2010-10-19 2016-04-19 Georgia Tech Research Corporation Temperature compensation in a semiconductor micromechanical resonator via charge carrier depletion
FI123534B (fi) 2012-02-13 2013-06-28 Kone Corp Nostolaitteen köysi, hissi ja menetelmä köyden valmistamiseksi
FI126111B (fi) 2012-05-07 2016-06-30 Maricap Oy Menetelmä ja laitteisto materiaalin syöttämiseksi rotaatiomuokkainlaitteeseen
FI126702B (fi) 2012-08-17 2017-04-13 Waertsilae Finland Oy Menetelmä monisylinteripolttomoottorin käynnistämiseksi

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014519260A (ja) 2014-08-07
US20120286903A1 (en) 2012-11-15
FI20115465A (fi) 2012-11-14
EP2707953B1 (en) 2016-04-13
FI20115465A0 (fi) 2011-05-13
US8558643B2 (en) 2013-10-15
CN103650343A (zh) 2014-03-19
KR101668835B1 (ko) 2016-10-28
KR20140026560A (ko) 2014-03-05
ES2582328T3 (es) 2016-09-12
WO2012156585A1 (en) 2012-11-22
EP2707953A1 (en) 2014-03-19
EP2707953A4 (en) 2014-12-03
JP5877242B2 (ja) 2016-03-02
CN103650343B (zh) 2016-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI123933B (fi) Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi
FI126586B (fi) Uudet mikromekaaniset laitteet
EP3202035B1 (en) Temperature compensated plate resonator
US7806586B2 (en) Composite mechanical transducers and approaches therefor
JP7266077B2 (ja) マイクロメカニカル共振器
EP3202036B1 (en) Temperature compensated beam resonator
US20080204173A1 (en) Composite mechanical transducers and approaches therefor
JP2016524399A (ja) 改良された微小電気機械的共振器

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 123933

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B

PC Transfer of assignment of patent

Owner name: TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY