FI124453B

FI124453B - Mikromekaaninen resonaattorijärjestelmä ja menetelmä sen valmistamiseksi

Info

Publication number: FI124453B
Application number: FI20105849A
Authority: FI
Inventors: Tuomas Pensala; Antti Jaakkola; Jyrki Kiihamäki
Original assignee: Valtion Teknillinen
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2014-09-15
Also published as: EP2603975A1; EP2603975B1; EP2603975A4; FI20105849L; FI20105849A0; US20120038431A1; WO2012020173A1; FI20105849A; US8786166B2

Description

Mikromekaaninen resonaattorijärjestelmä ja menetelmä sen valmistamiseksi Keksinnön ala

Keksintö koskee mikromekaanisia resonaattoreita ja erityisesti resonaattoriryhmiä, sekä menetelmää niiden valmistamiseksi. Tällaiset resonaattoriryhmät käsittävät 5 patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan ominaisuudet. Erityisesti keksintö koskee Lame-moodin resonaattoreita.

Keksinnön tausta

Resonaattoreita käytetään elektroniikassa yleisesti tuottamaan signaalia tarkalla ja vakaalla taajuudella. Resonaattorit valmistetaan enimmäkseen kvartsikiteistä, joilla on hyvä 10 taajuustarkkuus ja taajuuden lämpötilavakaus. Kideresonaattoreiden valmistuksen tuotantoprosessi on kuitenkin erilainen kuin useimpien muiden, pääasiassa piistä valmistettujen sähköpiirien tuotantoprosessi. Niinpä kvartsikideresonaattorit ovat yleensä erillisiä komponentteja, jolloin tarvitaan erilliset vaiheet elektroniikkalaitteiden tuotantoprosessissa.

15 Kvartsikidekomponentit tapaavat olla myös kooltaan suuria. Olisi toivottavaa voida tarjota piistä tai muista puolijohdemateriaaleista valmistettuja MEMS-resonaattoreita helpottamaan integrointia esim. piipohjaisten komponenttien kanssa, co ° Eräs ongelma liittyen piipohjaisiin resonaattoreihin koskee niiden aktuointia.

Elektrostaattisessa aktuoinnissa elektrodit sijoitetaan yhdelle tai useammalle 20 resonaattorikappaleen sivulle sellaisella tavalla, että resonaattorikappaleen ja elektrodin ί väliin muodostuu kapea väli. Jännite resonaattorin ja elektrodien välillä johtaa Q_ σι elektrostaattiseen voimaan, jota voidaan käyttää neliömoodi- tai Lame-resonanssin aktuointiin. Esimerkiksi Mattila et ai, ”Silicon Micromechanical Resonators for RF-o o Applications", Physica Scripta. Voi. Tl 14, 181-183, 2004, kuvaa elektrostaattisesti

C\J

25 aktuoidun pii resonaattorin, joka ilmaisee neliömoodia. Jotta kuitenkin saataisiin tarpeeksi vahva elektromekaaninen kytkentä, elektrostaattinen aktuointi vaatii yleensä korkean (> 20 2 V) bias-jännitteen ja kapeat (< 200 nm) välit muunninelementtien ja resonaattorin välissä. Bias- ja välirajoitteet ovat huomattavia haittoja IC-suunnitteluun ja MEMS-prosessointiin liittyen. Erityisesti bias-rajoite monimutkaistaa oskillaattori ohjauksen IC-suunnittelua, sillä halvat prosessit eivät ole yhteensopivia alle ~5 V jännitteen kanssa, ja IC:ssä tapahtuva 5 tasavirran tuottaminen syö tehoa. Välirajoite monimutkaistaa prosessia, sillä tyypilliset kaupalliset MEMS-prosessit pystyvät vain >= 2 pm:n väleihin. Kapeat välit ovat myös ESD-riski, mikä vähentää laitteiden luotettavuutta.

Tiedetään myös käytettävän pietsosähköistä aktuointia, jossa pietsosähköinen kalvo on kasvatettu resonaattorirakenteeseen, mutta tämä lähestymistapa on sopiva vain tiettyjen 10 resonanssimoodien virittämiseen. Esimerkiksi Lame-moodi on ongelmallinen pietsosähköisille aktuointimenetelmille yksikideresonaattoreissa, kuten piilevyresonaattoreissa. Aikaisemmin Lame-moodi on onnistuneesti tuotettu pietsosähköisesti vain kvartsille tai erityisille keraamisille kiderakenteille, kuten 155° kierretyille Y-leikatuille LiNbCh-levyille (esim. Nakamura, K. et ai, "Lame-mode 15 piezoelectric resonators and transformers usingLiNbOs crystals" Ultrasonics Symposium, 1995. Proceedings., 1995 IEEE, 7.-10. marraskuuta 1995, voi. 2, 999 - 1002).

Toinen ongelma koskien piipohjaisia resonaattoreita on, että niillä on suuri resonanssitaajuuden lämpötilaliikehdintä. Liikehdintä johtuu pääosin piin Youngin moduulin lämpötilariippuvuudesta, joka aiheuttaa noin -30 ppm/C taajuuden 20 lämpötilakertoimen (temperature coefficient of frequency, TCF). Tämä saa aikaan resonanssitaajuuden vaihtelun johtuen muutoksista ympäristön lämpötilassa. On ” mahdollista kompensoida lämpötilariippuvuutta lämpötilasensorilla ja siihen liittyvällä o ^ elektronisella ohjauspiiristöllä, mutta ei ole ollut mahdollista saada halvan teknologian Y avulla aikaan resonaattoria, jolla on riittävän pieni lämpötilaliikehdintä, mikä olisi sopivaa O) ^ 25 massatuotantosovelluksille ja kilpailisi kvartsin laadun kanssa. Lisäksi lämpötilan

X

Q- kompensointipiirin käyttö lisää energiankulutusta, mikä on merkittävä haitta erityisesti ^ paristolla toimivissa laitteissa. Edelleen kompensointipiirillä on tapana kasvattaa sähköistä o kohinaa resonaattoripiirissä. On myös mahdollista vakauttaa resonaattorin lämpötilaa ^ lämpötilan eristämisellä ja resonaattorin kontrolloidulla lämmittämisellä/jäähdyttämisellä.

30 Tämä ratkaisu kuitenkin lisää myös laitteen energiankulutusta ja tekee laitteesta monimutkaisen valmistaa. Lämpötilan kompensointipiirit ovat myös hitaita kontrolloimaan 3 eivätkä kykene siksi kompensoimaan nopeita tai suuria muutoksia ympäröivässä lämpötilassa riittävän hyvin.

J. S. Wanget ai,"Sputtered C-Axis Inclined Piezoelectric Films and Shear Wave Resonators", esitelty the 37th Frequency Control Symp., Philadelphia, 1.-3. kesäkuuta 5 1983, 1983, 1-3, esittävät, että p+-seostettu pii näyttäisi omaavan positiivisen lämpötilakertoimen ja yhdessä ZnO- ja AIN-kalvojen kanssa tällaista piitä voidaan käyttää kaltevan kulman (inclined-angle) leikkausmoodiresonaattoreiden, joiden kokonaislämpötilakerroin on lähellä nollaa, valmistuksessa.

Viime aikoina on A.K. Samarao et ai toimesta osoitettu, “Passive TCF Compensation in 10 High Q Silicon Micromechanical Resonators,” IEEE International Conference on Micro

Electro Mechanical Systems (MEMS 2010), 2010, pp. 116-119, että piin raskas p-seostaminen vähentää dramaattisesti tilavuusaaltoresonaattorin (bulk acoustic wave resonator) TCF:ää parannetulla leikkausaaltojen (shear wave) kontribuutiolla. Yllä mainitut ongelmat liittyen resonaattorin aktuointiin kuitenkin pysyvät ennallaan.

15 US 2010/0127596 esittelee MEMS-resonaattorin, joka sisältää boori-seostetun resonaattorialueen TCF:n vähentämiseksi. Resonaattori voi käsittää pietsosähköisen kerroksen resonaattorin päällä sekä input/output-elektrodit pietsosähköisen kerroksen päällä. Tällainen rakenne ei kykene tuottamaan Lame-moodia levyn muotoisessa resonaattorissa.

20 On myös ehdotettu, että käytettäisiin yhdistelmärakenteita resonaattoreissa, jolloin niissä £2 olisi vastakkaisia lämpötilakertoimia käsittäviä kerroksia. Dokumentti US 4719383 0 ^ esittelee leikkausaaltoresonaattorirakenteen, jossa resonoivalla säteellä on viistosti V kasvatettu pietsosähköinen kerros ja p+-seostettu piikerros. Kun pietsosähköisellä σ> kerroksella on negatiivinen lämpötilakerroin, on raskaasti p+-seostetulla piikerroksella

X

01 25 puolestaan positiivinen lämpötilakerroin. Pietsosähköisen ja seostetun piikerroksen paksuudet tehdään sellaisiksi, että resonaattorin kokonaislämpötilakerroin on lähellä g nollaa.

δ

C\J

Tällaisiin resonaattoreiden yhdistelmärakenteisiin liittyy myös tiettyjä haittapuolia. Ensiksi, US 4719383:n p+-seostus tehdään diffuusiolla materiaalin pinnan kautta.

30 Diffuusio on tyypillisesti hidas prosessi, ja siksi seostettu kerros ei voi olla kovin paksu.

4

Piikerroksen paksuuden kasvattaminen aiheuttaisi lisäksi aktuoinnin kytkennän huonontumisen. Tämän seurauksena, koska resonanssi taajuus on resonaattorirakenteen kokonaispaksuuden funktio, on mahdollista tuottaa resonaattoreita vain korkeilla taajuuksilla. Patenttidokumentti mainitsee sopivia taajuuksia 300 MHz:n yläpuolelta. On 5 kuitenkin lukuisia sovelluksia, joissa vaaditaan matalampia resonanssitaajuuksia, esimerkiksi alueella 1-100 MHz, erityisesti 10-100 MHz, käytettäväksi esimerkiksi referenssitaajuutena. US 4719383 :n ratkaisu ei ole toteuttamiskelpoinen niin matalille resonanssitaajuuksille.

Toinen ongelma liittyen US 4719383 :n yhdistelmärakenteeseen koskee 10 resonanssitaajuuden tarkkuutta. Paksuussuuntautuneessa leikkausaaltoresonaattorissa resonanssitaajuus vaatii tarkan paksuuden saavuttamista resonaattorirakenteelle. Vaikuttaa kuitenkin hyvin vaikealta saavuttaa riittävä tarkkuus paksuudelle, ja siksi on hankalaa saavuttaa vaadittu resonanssitaajuuden tarkkuus. Massatuotannossa tällaisten resonaattoreiden resonanssitaajuuksien hajonta on tavallisesti suuri, ja niinpä sellaisten 15 resonaattoreiden, jotka täyttävät vaaditun spesifikaation, tuotto jää usein matalaksi, ellei niitä paranneta paikallisella korjauksella, esim. ionisäde-etsauksella, joka kuitenkin kasvattaa prosessin monimutkaisuutta ja kustannuksia huomattavasti. Lisäongelma, joka liittyy tunnetun tekniikan säteen värinään perustuviin MEMS-resonaattoreihin, on se, että pienikokoisella resonaattori säteellä on pieni värähtelevä massa, ja siksi resonaattori 20 kykenee säilömään vain pienen määrän värähtely energiaa. Tämä puolestaan saa aikaan resonaattorin matalan signaali-kohinasuhteen ja siten ulostulevan signaalitaajuuden epävakauden.

δ

CM

ϊ= Keksinnön yhteenveto i O)

Keksinnön tavoitteena on tuottaa uudenlainen resonaattorirakenne, erityisesti piipohjainen cc 25 resonaattorirakenne, jolla ainakin osa yllä mainituista ongelmista voidaan välttää. Tavoite o ^ saavutetaan tarjoamalla resonaattoriryhmä, jolla on patenttivaatimuksen 1 ominaisuudet.

m o o Keksintö pohjautuu ajatukseen, että vähintään kahta resonaattorielementtiä viritetään samanaikaisesti käyttämällä pietsosähköistä muunninta, joka järjestetään sivusuuntaisesti näiden vähintään kahden resonaattori elementin suhteen ja näiden vähintään kahden 5 resonaattorielementin väliin. Muunnin sovitetaan sopivalla ohjauksella virittämään resonanssitila resonanssielementeille siten, että resonanssithan resonanssitaajuus on olennaisesti riippuvainen vain resonaattorimateriaalin, kuten piin, jäykkyysmatriisin elastisesta parametrista C44.

5 Erään sovellutusmuodon mukaan resonanssitila on Lame-moodi. Edullisesti resonaattorielementit, joita on vähintään kaksi, ovat erillisiä neliölevyjä tai neliöalalevyjä, jotka ovat osa suurempaa resonaattorirunkoa. Pietsosähköinen muunnin on kytketty resonaattori elementteihin niiden ensimmäisiltä kylkisivuilta ja sovitettu tuottamaan voima yhdensuuntaisesti toisten, niiden kohtisuorien kylkisivujen kanssa.

10 Erään toisen sovellutusmuodon mukaan resonanssimoodi on Face-Shear-moodi. Edullisesti resonaattorielementit, joita on vähintään kaksi, ovat erillisiä neliölevyjä. Pietsosähköinen muunnin on kytketty resonaattorielementteihin niiden kulmiin tai niiden kulmien läheisyyteen ja sovitettu tuottamaan voima yhdensuuntaisesti niiden diagonaalien kanssa.

Vielä erään sovellutusmuodon mukaan resonanssimoodi on viinilasimoodi (Wine glass 15 mode). Edullisesti resonaattorielementit, joita on vähintään kaksi, ovat erillisiä ja kiekon muotoisia eli pyöreitä tai elliptisiä.

Resonaattorielementtien ankkurointi substraattiin voidaan toteuttaa resonanssimoodin solmukohdista.

Pietsosähköisellä muuntimella on edullisesti yhteinen piikerros resonaattorielementtien, 20 joita on vähintään kaksi, kanssa, ja se on mekaanisesti kytketty mainittuihin δ resonaattorielementteihin sillan kautta kyseisessä kerroksessa. Muunnin voidaan varustaa c\j -7 A pietsosähköisellä kerroksella, joka on kerrostettu tai kasvatettu piikerroksen päälle, ja o elektrodivälineillä, jotka on kytketty pietsosähköiseen kerrokseen. Esimerkiksi x metallielektrodit voidaan sijoittaa pietsosähköisen kerroksen molemmille puolille (ylä- ja

CL

25 alapuolelle). Piikerros voi myös toimia elektrodina, ainakin jos se on seostettu olemaan ra sähköisesti johtava, o ^ Esillä oleville menetelmille resonaattorin valmistamiseksi ja taajuussignaalin tuottamiseksi ovat tunnusomaisia patenttivaatimusten 24 ja 25 piirteet.

6

Keksinnön lisätavoite on tuottaa MEMS-resonaattorirakenteitaJoiden lämpötilaa voidaan kompensoida tehokkaasti sisäisesti.

Tämä tavoite saavutetaan käyttämällä puolijohdekerrostajoka on seostettu tuomaan sen taajuuden lämpötilakerroin (TCF) lähemmäksi nollaa kuin kyseisellä 5 puolijohdemateriaalilla luontaisesti. Esimerkiksi piin tapauksessa sopiva seostaminen voidaan saavuttaa boorilla Jolloin syntyy p+-seostettu piikide.

Muita edullisia keksinnön sovellutusmuotoja käsitellään epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja. Käyttämällä pietsosähköisesti aktuoitua 10 resonaattoria, jonka resonanssitaajuus on riippuvainen vain elastisesta parametrista C44, vältetään elektrostaattisen aktuoinnin bias-jännitteeseen ja välien kokoon liittyvät käytännön rajoitteet. Resonaattorielementti itsessään voidaan myös pitää yksinkertaisempana. Lisäksi, koska resonaattorin ankkurointi voidaan tehdä sen solmukohdista, energiahäviöt resonaattorista ympäröiviin rakenteisiin on havaittu pieniksi.

15 Koko resonaattorirakenne voidaan valmistaa käyttämällä olemassa olevia semiconductor-on-insulator (SOI) -prosessointiteknologioita, sisältäen cavity-SOI:n (cSOI)Ja voidaan integroida muihin SOI-laitteisiin.

Erityisiä etuja koskien resonaattorisuunnittelua saavutetaan, jos resonanssimoodi on Lame-moodi, koska resonaattorielementti voi käsittää lukuisia neliöalalevyjä (virtuaalisia neliö-20 Lame-resonaattoreita), jotka muodostavat suuremman resonaattorikappaleen. Niinpä o voidaan toteuttaa erilaisia resonaattorimuotoja.

T On syytä korostaa, että esillä olevan vain C44-riippuvaisen moodin virittäminen ei ole O) mahdollista pietsoaktiivisella ohutkalvolla, joka kasvatetaan resonaattorilevyn päälle sillä

X

£ tavoin, että pietsokalvon c-akseli on kohtisuorassa resonaattorilevyn määrittämää tasoa ^ 25 kohtaan. Esimerkiksi Lame-moodin tapauksessa perustavanlaatuinen syy tähän on, että °o g Lame-moodi on leikkausaaltojen superpositio, ja siksi jokainen (häviävän pieni) elementti resonaattorin sisällä säilyttää tilavuutensa - minkä seurauksena jokainen pintaelementti säilyttää aina pinta-alansa. Tätä vastoin pietsosähköinen vaikutus pietso-ohutkalvon sisällä vaatisi pinta-alamuutoksia piiresonaattorin ja ohutkalvon rajapinnassa. Tämän ristiriidan 7 vuoksi sähkömekaaninen kytkentä Lame-moodiin ei tapahdu. Keksintö ratkaisee tämän ongelman tehokkaalla tavalla.

Tulee huomioida, että on myös muita resonaattorilevymuotoja ja resonanssimoodeja, jotka jakavat samankaltaisia ominaisuuksia neliön muotoisen, Lame-moodissa toimivan 5 levyresonaattorin kanssa. Yhteenvetona nämä näille moodeille ja muodoille yhteiset ominaisuudet ovat: - Resonanssi perustuu tilavuusleikkausaaltoihin (bulk acoustic shear waves) resonaattorin sisällä.

- Kun resonaattori muodostetaan yksikiteisestä piistä, resonanssitaajuus on 10 riippuvainen oleellisesti vain jäykkyysmatriisin C44-elementistä (eli ei kahdesta muusta jäykkyysmatriisin riippumattomasta elementistä en ja C12), kun resonaattorikappale on oikealla tavalla asetettu kidesuuntiin nähden.

- Resonanssimoodi säilyttää paikallisesti tilavuutensa, ja siksi sitä ei voi sähköisesti virittää käyttämällä resonaattorin päälle kasvatettua ohutkalvoa. Keksitty 15 lateraalisesti järjestettyjen resonaattoriryhmien ja väliin asetettujen pietsomuunninkappaleiden muunninmenetelmä soveltuu kuitenkin kunnollisen sähkömekaanisen kytkennän saavuttamiseen.

Esillä olevan resonaattorin taajuus on kääntäen verrannollinen resonaattori elementti en sivun pituuteen L tai halkaisijaan D. Resonaattori elementin muotoja koko voidaan η 20 määrittää litografialla, ja siksi mitoista voidaan tehdä hyvin tarkkoja. Niinpä ° resonanssitaajuuskin voidaan tehdä hyvin tarkaksi. Esillä olevan resonaattorin taajuusalue voidaan suunnitella sopivaksi (esim. 5-150 MHz) monille käytännön sovelluksille. Mikä tärkeintä, on mahdollista valmistaa hyvin pienen paksuuden (< 300 pm) resonaattorikomponentteja, jotka värähtelevät alle 150 MHz taajuusalueella.

CL

? 25 Lame- tai Face-Shear-moodissa resonoivassa neliölevyssä tai viinilasitilassa resonoivassa

LO

o kiekossa värähtelevä massa on suhteellisen suuri, jolloin resonaattori voi tarjota korkean o «m signaalikohina-arvon. Taajuuskohinasta aiheutuva taajuuden epävakaus on täten pieni.

8

Keksintöä voidaan käyttää korvaamaan nykyään käytettyjä kvartsikidevärähtelijöitä ja lämpötilakompensoituja kidevärähtelijä (XO/TCXO) -oskillaattoreita erilaisissa laitteissa. Lisäksi keksintöä voidaan käyttää lämpötilakompensoituna taajuussyntetisaattorina yhdessä integroitujen piiristöjen kanssa värähtelijöiden/taajuuden tuottamiseen.

5 Käyttämällä raskaasti p-seostettua piikidettä neliön muotoisen piiresonaattorin Lame-moodin lämpötilariippuvuutta voidaan vähentää alle -3 ppm/C arvoon ja jopa enemmän.

Ilmaus, että resonanssitaajuus on “riippuvainen oleellisesti vain elastisesta parametrista C44”, tarkoittaa, että taajuus ei merkittävästi riipu muista resonaattorimateriaalin elastisista parametreista, kuten en ja Cn piin tapauksessa. Tätä käsitellään tarkemmin jäljempänä.

10 Seuraavaksi keksinnön sovellutusmuotoja kuvataan tarkemmin viitaten liitteenä oleviin piirroksiin.

Piirrosten lyhyt kuvaus

Kuviossa la näkyy ylhäältäpäin pietsoaktuoidun Lame-moodiresonaattorin periaate käsittäen kaksi resonoivaa levyä.

15 Kuviossa Ib näkyy ylhäältäpäin eräs pietsoaktuoidun Lame-moodiresonaattorin sovellutusmuoto käsittäen neljä resonoivaa levyä.

Kuviossa 2a näkyy esimerkki pietsomuunninmallista, joka on sijoitettu kahden resonaattorielementin väliin, co ° Kuviossa 2b näkyy FEM-laskettu Lame-moodin muoto neliölevyresonaattorissa.

^ 20 Kuvioissa 3a-3d näkyy pietsomuuntimen erilaisia mahdollisia muotoja, g Kuvioissa 4a-4e näkyy ylhäältäpäin kaavamaiset muodot erilaisista pietsoaktuoiduista

CL

^ Lame-moodin resonaattorirakenteista.

co o Kuvio 5a kuvaa menettelytavan esimerkillisen Lame-resonaattorimuodon sovittamiseksi ° pietso-ohjaukselle.

9

Kuvio 5b kuvaa yleiset säännöt mielivaltaisen Lame-resonaattorimuodon sovittamiseksi pietso-ohjaukselle.

Kuviossa 6 näkyy erityinen pietsoaktuoitu Lame-moodin resonaattoriryhmämuoto.

Kuviot 7a ja 7b kuvaavat eri SOI-prosessointitekniikoita keksinnön mukaisen 5 pietsoaktuoidun Lame-moodin resonaattorin valmistamiseksi.

Kuviossa 8 näkyy esimerkillinen pietsomuuntimen kerrosrakenne perspektiivinäkymänä.

Kuvioissa 9a ja 9b näkyy tyypillinen lämmön ja taajuuden riippuvuus puhtaassa piiresonaattorissa ja vähentynyt lämmön ja taajuuden riippuvuus raskaasti B-seostetussa resonaattorissa, vastaavasti.

10 Kuvioissa 10a ja 10b näkyy teoreettisesti mahdollisia mutta käytännössä huonompia pietsomuunninkonfiguraatioita.

Kuvioissa 1 la - 11c näkyy korkeamman asteen Lame-resonaattoreita.

Kuviossa 12 näkyy epäsäännöllisiä Lame-resonaattoreita.

Kuvioissa 13a ja 13b näkyy vaihtoehtoisia resonaattorimuotoja keksinnön muiden 15 sovellutusmuotojen (Face-Shear- ja viinilasimoodit, vastaavasti) mukaisesti.

Sovellutusmuotojen yksityiskohtainen kuvaus ^ Keksintö kuvaillaan nyt tarkemmin, erityisellä fokuksella Lame-moodin resonaattoreihin ja ^ lyhyesti esitellen myös muita edullisia moodeja. Ensin kuitenkin kuvataan tarkemmin piin i ^ C44-riippuvuuden käsite sekä keksinnön erityisiä etuja koskien lämpötilakompensointia.

i σ> ^ 20 C44-riippuvat resonanssimoodit

CC

CL

<35 Mielivaltaisen muotoisen resonaattorin moodin resonanssitaajuus on yleisessä muodossa 't oo o 1 [Έ " £V p (A) 10 missä c on materiaalin yleistetty elastinen moduuli, p on materiaalin tiheys ja L on resonaattorin yleistetty dimensio. Yksikiteiselle piille elastiset ominaisuudet tulevat kolmesta riippumattomasta elastisesta parametrista c\\, Cu ja C44, ja yleistetty elastinen moduuli c on näiden kolmen elastisen parametrin funktio 5 c = e(cn, C12, C44)·

Mikä tärkeää, vakio A riippuu resonaattorin muodosta, resonaattorin suhteellisesta orientaatiosta piikiteen akseleihin nähden sekä tarkasteltavasta erityisestä resonanssimoodista.

Piin elastiset parametrit riippuvat vahvasti lämpötilasta (tyypillisesti noin -60 ppm/°C).

10 Tämän seurauksena resonanssitaajuus muuttuu lämpötilan mukaan (vähäinen vaikutus tulee lämpölaajenemisesta, joka vaikuttaa molempiin arvoihin L ja p). On huomattu, että C44:n termistä riippuvuutta voidaan vähentää p-seostamalla piitä raskaasti boorilla, eli dc44/dTtulee hyvin pieneksi verrattuna sen alkuperäiseen arvoon suuren boorikonsentraation kanssa. On myös havaittu, että c\\ ja en muuttuvat vähemmän 15 booriseostuksen vaikutuksesta.

Täyden edun saamiseksi yllä mainitusta ilmiöstä yksikideresonaattorin lämpötilan kompensoimiseksi resonanssimoodin tulisi riippua vain arvosta c44: 9 f/dc n = 0,9 f / dc%2 = 0 ja df/dcM^ 0. (c) Tällaisia moodeja ovat esimerkiksi neliölevyresonaattorin Lame- ja Face-Shear-moodit ja ^ 20 kiekon muotoisen levyresonaattorin viinilasimoodi. Kaikissa näissä tapauksissa ^ resonaattorin asettaminen kiteen suuntiin nähden täytyy valita sopivasti.

g Todellisuudessa, johtuen suunnittelukompromisseista ja epätäydellisestä valmistuksesta,

CL

(jj ei-C44-parametreille jää myös aina jonkin verran kontribuutiota. Tässä keksinnössä on 23 kuitenkin edullisempaa, että: o δ

CVJ

11 \df/dcn\ < 0.20 x \df/dc44\ ja W/dCi2\ < 0.20 X \d//dc44\

Niinpä yleisesti ottaen sallitaan korkeintaan 20% kontribuutio resonanssi taajuuteen kummastakin ei-c44-komponentista. Malleja, joissa ei-c44-kontribuutiot ovat alle 10% ja jopa alle 5%, on kuitenkin mahdollista toteuttaa. Esimerkki suunnittelukompromissista on 5 pietsosähköisen muunninkappaleen sisällyttäminen sivusuuntaisesti järjestettyjen resonaattorien väliin: Muunninkappaleen muodonmuutos on laajeneva (eli ei sisällä leikkauskomponentteja), ja siksi siitä seuraa yhdistetyn resonaattori taajuuden ei-c44-kontribuutiota. Esimerkki epätäydellisestä valmistamisesta on kiteen suunnan järjestäminen väärin resonaattorin kanssa.

10 Lame-moodi

Kuten yllä on lyhyesti selitetty, keksintö voidaan toteuttaa kytkemällä kaksi tai useampi Lame-resonaattoria yhteen yhdellä tai useammalla erillisellä, sivuille sijoitetulla pietsomuunninkappaleella. Ehdotettua periaatetta voidaan käyttää tavallisilla (ei-kompensoiduilla) piiresonaattoreilla, mutta tärkeämpää on, että se mahdollistaa Lame-15 moodin TCF-kompensaatio-ominaisuuden hyödyntämisen.

Alla selitetään joitakin esimerkkejä käytännöllisistä rakenteista.

Viitaten kuvioon la malli koostuu yksinkertaisimmassa muodossaan kahdesta co 5 neliöresonaattorilevystä 10A, 10B, ja niiden välissä on pietsomuunnin 12 kytkettynä sen C\l .A vastakkaisista kylkisivuista resonaattorilevyihin 10A, 10B. Pietsomuuntimen 12 cl, 20 laajeneminen ja supistuminen on kytketty resonaattorilevyihin 10A, 10B, ja sitä voidaan x käyttää tuomaan levyt haluttuun Lame-moodiin. Resonaattorilevyt 10A, 10B ovat

CC

kylki sivuiltaan erotettu ympäröivistä rakenteista lukuun ottamatta ankkureita 19 niiden O) oq kulmissa.

m o ° Kuviossa Ib näkyy neljän levyn neliöresonaattorirakenne, jossa kaksi ensimmäistä 25 pietsomuunninta 12, jotka toimivat ensimmäisessä vaiheessa, on asetettu yhdensuuntaisesti vastaavien ensimmäisten resonaattorilevyparien 10A, 10B ja 10C, 10D väleihin. Lisäksi 12 kaksi toista pietsomuunninta 12', jotka toimivat toisessa vaiheessa, jossa on 180°:een siirto ensimmäiseen vaiheeseen, on asetettu kohtisuoraan ensimmäisiin pietsomuuntimiin 12 nähden toisten resonaattorilevyparien 10A, lOCja 10B, 10D väleihin. Täten pietsomuuntimien toiminnan polariteetti ja suunta valitaan riippuen niiden sijoittelusta 5 ryhmässä. Pietsomuuntimet voivat toimia tunnistin- tai ohjauselementteinä.

Resonaattori elementit ovat edullisesti neliölevyjä. Niiden sivun pituus voi olla esimerkiksi 100 - 1000 pm. Tyypillinen sivun pituus on 320 pm. Resonaattorielementin paksuus voi olla esimerkiksi 5-100 pm. Tyypillinen paksuus on 30 pm.

Erään edullisen sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementit ja niiden välissä oleva 10 pietsosähköinen muunninelementti käsittävät yhteisen puolijohdekerroksen, kuten piikerroksen. Yhteinen kerros tarkoittaa erityisesti, että resonaattorielementit ja vähintään yksi pietsomuuntimen kerros jalostetaan samasta SOI-kiekon kerroksesta (laitekerros, device layer).

Viitaten nyt kuvioon 2a pietsosähköinen muunninelementti 22 on mekaanisesti kytketty 15 resonaattori elementteihin 20 A, 20B pietsosähköisen muunninelementin ja resonaattorielementtien 20A, 20B välissä olevan laitekerroksen yhtenäisten siltojen 23 kautta. Sillat 23 ovat edullisesti kapeita, ja niiden leveys on edullisesti alle 10 %, erityisesti alle 5 % resonaattorielementtien 20A, 20B sivun pituudesta. Jotta saavutetaan maksimaalinen energiansiirto muuntimesta resonaattorielementtiin 20A, 20B, 20 pietsomuuntimen molemmissa päissä olevat sillat 23 sijoitetaan vastaavien m resonaattorielementtien 20A, 20B sivujen keskikohtaan. Vaihtoehtona pietsomuuntimen ° sijoittamiselle täsmälleen sivun keskikohtaan se voidaan sijoittaa muuhun kohtaan sivulla, ^ edullisesti ei yli 20 % sivun pituutta etäämmälle keskipisteestä. Joissakin tilanteissa olisi ^ kuitenkin edullisempaa sijoittaa pietsomuunnin lähemmäksi ankkuripisteitä vähentämään | 25 muuntimien kytkentää resonaattorielementteihin.

σ> g Kuviossa 2b näkyy Lame-resonanssimoodin elementtimallilaskelma (finite element model, m 2 ° FEM) 320x320 pm resonaattorilevyssä. Voidaan nähdä, että solmupisteet ovat lähellä o 00 kulmia ja resonaattorin keskellä. Solmupisteiden pieni siirtymä kulmista, verrattuna eristetyn yksittäisen levyn Lame-moodin moodimuotoon, johtuu pienestä häiriöstä 30 resonaattorilevyyn liitetystä muuntimesta.

13

Yllä mainitut esimerkit, jotka on selitetty viitaten kuvioihin la ja Ib, voidaan yleistää mille tahansa resonaattorigeometrialle, joka on jaettavissa identtisen muotoisiin alaneliöihinja jossa mielivaltainen määrä alaneliöitä korvataan oikean polariteetin pietsomuunninkappaleilla. Kuviot 5a ja 5b kuvaavat tätä periaatetta ja kuviot 4a-4c 5 esittävät käytännön esimerkkejä. Viitaten ensin kuvioon 5a siinä näkyy resonaattorilevy, joka on jaettu alalevyjen matriisiin. Täten jokainen muiden alalevyjen välissä oleva alalevy Xn/Ym (n,m = 1, 2, 3 ...) voidaan korvata sopivasti vaiheistetulla ja suunnatulla pietsomuunninkappaleella, kuten kuviossa 5b näkyy.

Tulee huomioida, että alalevyt toimivat resonaattorielementteinä keksinnön tarkoituksessa. 10 Jako voi olla vain virtuaalinen, mikä on hyödyllistä korkeamman asteen harmonisten moodien, joita voidaan virittää mielivaltaisen muotoisiin levyihin, luonnehtimiseksi ja suunnittel emi seksi.

Kuvioissa 4a-4e resonaattorialalevyjä on merkitty numeroilla 40 ja 40' riippuen niiden resonanssin vaiheesta (180° siirtymä). Pietsomuuntimia on merkitty vastaavasti numeroilla 15 42 ja 42'.

Perustuen yllä oleviin esimerkkeihin voidaan ymmärtää, että ryhmä voi käsittää melkein minkä tahansa muotoisen kaksiulotteisen matriisin resonaattori elementtejä. Voi olla yksi tai useampia pietsosähköisiä muunninelementtejä jäljestettynä resonaattorielementtien väliin ja sovitettuna värähtelemään samassa vaiheessa tai 180 astetta siirretyssä vaiheessa, 20 riippuen niiden sijainnista matriisissa.

$2 Erään sovellutusmuodon mukaan ryhmä käsittää vähintään kaksi pietsosähköistä o ^ muunninelementtiä, jotka jäljestetään värähtel emään samaan suuntaan, kuten kuvioissa 4a V ja 4b nähdään. Erään sovellutusmuodon mukaan ryhmä käsittää vähintään kaksi σ> ^ pietsosähköistä muunninelementtiä, jotka järjestetään värähtelemään kohtisuoriin suuntiin,

X

EE 25 kuten kuviossa 4e nähdään.

CD

°o Kuviossa 6 näkyy erityinen suorakulmaisten resonaattori levyjen muodostelma, joka on o ς jaettu 9 alalevyyn 60, 60'. Keskimmäinen levy on korvattu erityisellä muunninkappaleella C\1 62. Erityinen muunninkappale käsittää keskielementin, joka toimii yhteisenä pisteenä, ja neljä pietsomuunninta, jotka on kiinnitetty ensimmäisistä päistään tähän yhteiseen 30 pisteeseen ja toisista päistään neljään naapuri alalevyyn 60'. Keskielementti voi olla tai olla 14 olematta ankkuroituna substraattiin. Vaihtoehtoisesti pietsomuuntimet kiinnitetään suoraan toisiinsa yhteisessä pisteessä. Pietsomuunninten polariteetit eroavat eri orientaatioissa. Käyttämällä sellaista konfiguraatiota Lame-moodi voidaan kätevästi virittää yhdestä symmetriapisteestä, mikä vähentää vaaditun johdotuksen tai johteiden määrää rakenteessa. 5 On huomattava, että tämä sovellutusmuoto jää esillä olevan keksinnön piiriin, koska siinä on vähintään yksi pietsosähköinen muunninelementti järjestettynä sivuttain vähintään kahden resonaattorielementin suhteen näiden vähintään kahden resonaattorielementin välissä ja sovitettuna virittämään Lame-resonanssimoodi näissä resonanssi elementeissä. Täten tämä sovellutusmuoto jää keksinnön piiriin. Yleisesti ottaen ryhmä voi käsittää 10 vähintään kaksi, edullisesti neljä, pietsosähköistä muunninelementtiä, jotka on ankkuroitu niiden yksiltä sivuiltaan ankkurointipisteeseen ryhmän sisällä ja toisilta sivuiltaan eri resonaattorielementteihin. Ankkurointipiste voi olla staattinen (kiinteä) suhteessa substraattiin tai ei-staattinen (kelluva).

Resonaattoriin viritetty Lame-moodi perustuu leikkausaaltoihin, ja se voi olla ensimmäistä 15 tai mitä hyvänsä korkeampaa astetta. Ensimmäisen asteen moodi käsittää kaksi diagonaalisesti etenevää leikkausaaltoa neliölevyssä. Korkeamman asteen moodeissa tämä ehto täyttyy jokaisessa alalevyssä. Parhaan suorituksen saavuttamiseksi, eli häviöiden pitämiseksi minimissä, ja seostamalla saavutettavan lämpötilakompensoinnin maksimihyödyn saamiseksi, jos soveltuvaa, resonaattorielementteihin viritetty moodi tulisi 20 olla oleellisesti riippuvainen vain piin elastisen matriisin elementtien C44-termistä.

Järjestelmän epäideaalisuuksien, kuten ankkuroinnin ja valmistuksen toleranssien, vuoksi saatetaan havaita myös elastisten termien Cu tai Cu pieni mutta käytännössä lähes o merkityksetön vaikutus.

V Yleisesti ottaen Lame-moodi voi syntyä neliön muotoisessa resonaattorissa joillakin o 25 kideleikkauksilla, eli tietylle yhdistelmälle kiekon tasoa ja levyn orientaatiota kyseisen

X

£ tason sisällä. Lame-moodin taajuus on annettuna yleisessä muodossa σ> 00 1 Γηl LO f A / shear 1 y C\J v ' missä Cxy shear merkitsee elastisen matriisin tasonsuuntaista leikkauskomponenttia, p on materiaalin tiheys ja sqrt(2)L on levyn diagonaalin pituus.

15

Kaksi tärkeää Lame-moodin tapausta erityisesti kuuluu keksinnön piiriin:

Ensimmäinen tapaus käsittää - (lOO)-piikiekon, jonka levyn sivut on suunnattu <110>-suuntien mukaanja - (110)-piikiekon, jonka yksi levydiagonaali on suunnattu <110>-suunnan mukaanja 5 toinen <100>-suunnan mukaan.

Näissä tapauksissa leikkaustermin määrittää yksittäinen elastisen matriisin elementti c44, ja yhtälö 1 voidaan kirjoittaa muotoon f — ^ h44 ^2Ly p (2)

Toinen tapaus käsittää 10 - (lOO)-piikiekon, jonka levysivut on suunnattu <100>-suuntien mukaan.

Tätä leikkausta varten saamme c:n c^hear = (en - Cn)!2, ja resonanssitaajuus saadaan yhtälöstä 1 / Cu — C\2 /=“V—· (3)

Yllä olevia moodeja voidaan luonnehtia “puhtaiksi jännitysmoodeiksi” tai tilavuuden „ 15 säilyttäviksi moodeiksi.

δ c\j

Myös korkeamman asteen Lame-moodeja voi esiintyä levyssä. Yleisesti ottaen ir korkeamman asteen Lame-moodi voi ilmetä suorakulmaisessa levyssäjonka sivujen Q_ (j) pituuksien suhde on rationaaliluku (eli leveys ja pituus ovat kokonaislukusuhteessa).

“ 20 Esimerkkejä tällaisista korkeamman asteen moodeista näkyy kuvioissa 4a-4e. Oletetaan, o o että suorakulmaisella levyllä on korkeus //ja leveys w ja että N h ja Nw merkitsevät sivujen

CM

pituuksien suhteen termejä 16 _ ^ h ΛΓ«/ (4) kun suhde on sievennetty pienimpiin yhteisiin termeihinsä. Kaava Lame-moodin taajuuksille, sisältäen korkeampien moodien taajuudet, saadaan nyt yhtälöstä 1 fi- , = nxfth—=-W —-

V

f 1 .s hear f, “““ I Ϊ jr-- (* ^ K f t ““ X. Ä ^ 1$ * * f γ2·?ι/γ P " ' ' (5) 5 Kuvion 11a resonaattorille saadaan h : w = 1 : 2, ja n li ^-xy,shear n 1 I ^xy .shear f ~ τι x ^ .4 / —--= n x 2 4 / —--, V2AV P \fö.u‘ V p (6)

Kuvion 11a moodimuodolle n = 1.

Kuvion 1 Ib resonaattorille saadaan h : w = 1 : 1, ja n 1 I ('xy, shear n 1 / ^xy,shear f = n x —, / —--= n x 2 / —--, \f2h V P V 2w V P (7) 10 Kuvion 1 Ib moodimuodolle n = 2.

£2 Kuvion 11c resonaattorille saadaan h : w = 2 : 3, ja δ c\j i i— n Λ 1 /¾¾ .shear 0 1 / ^xy,shear ' f = ?i, x 2 _ . —--= n x 3 ^ 4 / —--, " y/2h V P V2w\ P (8)

X

CL

Kuvion 11c moodimuodolle n = 1. Kuviossa 12 näkyy esimerkkejä resonaattorimuodoista, en ro jotka koostuvat yhdistelmistä tavallisia neliölevy-yksiköitä (virtuaalisia neliön muotoisia m ? 15 Lame-resonaattoreita). Tällaiset resonaattorimuodot kuuluvat keksinnön piiriin. Yhtälön 00 (5) kaltaista kaavaa ei voida antaa näiden rakenteiden resonanssitaajuudelle, koska niiden yleinen muoto on mielivaltainen. Sen sijaan yhdistelmäresonaattorin taajuus on täsmälleen sama kuin yhtälössä (1) annettujen perusrakennuspalikoiden taajuus.

17

Lopuksi tulee huomata, että kuvioissa 10a ja 10b näkyvät konfiguraatiot, vaikkakin teoreettisesti mahdollisia, eivät johtaisi hyviin resonaattorirakenteisiin käytännössä, sillä pietsomuuntimet toimisivat ankkureina, jotka on kiinnitetty muihin kuin solmukohtiin suhteessa resonanssimoodin muotoon. Niinpä energiaa siirtyisi ympäröiviin rakenteisiin ja 5 resonaattoreilla olisi alhaiset Q-arvot. Esillä oleva ratkaisu, jossa jokainen pietsomuunnin sijoitetaan kahden identtisen neliöresonaattorielementin väliin, ei aiheuta tällaista ongelmaa ankkurointiin. Resonaattorielementtien Lame-resonanssin moodimuoto muuttuu merkityksettömän vähän pietsomuuntimien sisällyttämisen vuoksi, ja levyankkurit ovat vain elementtien solmukohdissa (kulmissa).

10 Lämpötilakompensointi

Mennen nyt resonaattorin lämpötilakompensointiin, resonaattorielementit voidaan valmistaa seostetusta, edullisesti p+-seostetusta, erityisesti booriseostetusta puolijohdekerroksesta, erityisesti piikerroksesta. Tämä vähentää resonaattorin TCF:ää merkittävästi. Edullisesti muuntim(i)en puolijohdekerros on myös vastaavalla tavalla 15 seostettu kerros.

Seostuskonsentraatio mainitussa puolijohdekerroksessa on edullisesti sellainen, että levyn resonanssi taajuuden TCF on suuruudeltaan pienempi kuin 20 ppm/K, edullisesti suuruudeltaan pienempi kuin 10 ppm/K. Suuruudeltaan pienempien kuin 3 ppm/K TCF:ien on havaittu olevan mahdollisia.

20 Erään edullisen sovellutusmuodon mukaan laitekerros on piitä, joka on raskaasti ” booriseostettu siten, että seostuskonsentraatio on tyypillisesti vähintään 1019 cm"3 o ^ erityisesti 3* 1019-3* 1020 cm'3. Kerros voidaan myös seostaa germaniumilla vähentämään V vetorasitusta, jonka p+-seostus aiheuttaa. Esillä olevan patenttihakemuksen keksijät ovat O) havainneet, että germaniumilla seostamisella on myös vaikutusta vähentää materiaalin

X

£ 25 toisen asteen lämpötilakerrointa verrattuna materiaaliin, joka on vain booriseostettu. Tämä 5 voi olla merkittävä ominaisuus, jotta saavutettaisiin tarkka lämpötilakompensaatio laajalla co o lämpötila-alueella.

δ

C\J

On syytä huomata, että levyn peruspiimateriaalin lisäksi resonaattori voi sisältää myös muita rakenteita, joilla voi olla negatiivinen lämpötilakerroin. Siksi on parempi saavuttaa 30 seostamalla ja mahdollisesti muilla keinoin tällainen resonaattorilevyn lämpötilakertoimen 18 kompensointi, että resonaattorin resonanssitaajuuden kokonaislämpötilakerroin on lähellä nollaa. Tämä voi tarkoittaa, että erillisen resonaattorilevyn lämpötilakerroin ilman muita resonaattorirakenteita olisi lievästi positiivinen.

Resonaattorin lämpötilakompensaatio on edullisesti täysin passiivinen, mikä tarkoittaa, että 5 se perustuu materiaalisiin ja rakenteellisiin ominaisuuksiin eikä lisäenergian syöttämiseen jäijestelmään, jotta lämpötilaliikehdintä saataisiin kompensoitua.

Erään sovellutusmuodon mukaan levyssä on piidioksidikerros. Piidioksidikerroksella on positiivinen lämpötilakerroin, jolloin on mahdollista kasvattaa resonaattorilevyn lämpötilakertoimen absoluuttista arvoa, jos p+-seostuksen vaikutus ei ole riittävä mistä 10 tahansa syystä.

Kuvioissa 9a ja 9b näkyy lämpötila-taajuuskäyrät puhtaalle piiresonaattorille ja booriseostetulle piiresonaattorille. Voidaan nähdä, että edellisen -30 ppm/K lineaarinen TCF on vähentynyt jälkimmäisen arvoon -1.8 ppm/K. Tämä edustaa valtavaa parannusta resonaattoriin käytännön toteutuksia varten.

15 Vaihtoehtoiset moodimuodot

Kuvioissa 13a ja 13b näkyy muiden keksinnön sovellutusmuotojen mukaisia resonaattorirakenteita ja moodimuotoja.

Kuvion 13a esimerkissä (neliön muotoisen levyresonaattorin Face-Shear-moodi) resonaattorilevyt on kytketty niiden välissä olevaan pietsomuuntimeen niiden kulmista ja £2 20 ankkuroitu substraattiin niiden sivuilta. Täten resonaattorilevyt ovat timantin muotoisia o ^ neliölevyjä ja sovitettu resonoimaan Lame-moodia muistuttavassa jännitysmoodissa.

V Katkoviivat kuvaavat ei-epämuodostunutta muotoa, kun taas yhtenäinen harmaa alue O) kuvaa Face-Shear-moodin muotoa. Face-Shear-moodin muoto on sellainen, että

X

£ matalahäviöinen ankkurointi kunkin sivun keskeltä on mahdollinen. Tämän tyyppisiä ^ 25 resonaattoreita käsitellään artikkelissa Angel T-H Lin, Jize Yan, ja Ashwin A. Seshia, oo g “Electrostatically Transduced Face-Shear Mode Silicon MEMS Microresonator,” teoksessa IEEE International Frequency Control Symposium (Newport Beach, 2010), 534-538.

19

Neliön muotoisen levyresonaattorin Face-Shear-moodin resonanssitaajuus on (ainoastaan) C44-nippuvainen ainakin seuraavissa tapauksissa: - (100)-piikiekko, j onka levyn sivut on suunnattu < 100>-suuntien mukaan, j a - (110)-piikiekko, j onka yksi levyn sivu on suunnattu <110> mukaan ja toinen sivu 5 <100> mukaan.

Kuvion 13b esimerkissä (viinilasimoodi) resonaattorilevyt ovat pyöreitä. Pietsomuunnin on kytketty resonaattorilevyihin tuottamaan voima 45° kulmassa suhteessa niihin suuntiin, jotka symmetrisesti levyn ympärille sijoitetut vastakkaisten ankkureiden parit määrittävät. Tämän tyyppisiä resonaattoreita käsittelee M. A Abdelmoneum, M. U Demirci, ja C. T.C 10 Nguyen, “Stemless wine-glass-mode disk micromechanical resonators,” teoksessa IEEE

The Sixteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2003. MEMS-03 Kioto, 2003, 698-701.

Kiekon muotoisen levyresonaattorin viinilasimoodilla on neljä solmukohtaa kiekon kehällä. Nämä solmukohdat jakavat kiekon kehän neljään yhtä suureen osaan.

15 Matalahäviöinen ankkurointi solmukohdissa on suoraviivaista.

Kiekon muotoisen levyresonaattorin viinilasimoodin resonanssitaajuus on (ainoastaan) C44-riippuvainen ainakin seuraavissa tapauksissa: - (lOO)-piikiekko, jonka ankkureita kiekon vastakkaisilla puolilla yhdistävät (virtuaaliset) viivat, jotka on suunnattu <100>-suuntien mukaan co 20 - (llO)-piikiekko, jossa vastakkaisilla puolilla olevia ankkureita yhdistää yksi ^ (virtuaalinen) viiva, joka on suunnattu <110>-suunnan mukaan, ja toinen tällainen viiva on suunnattu <100>-suunnan mukaan.

X

cc

Ei ole mahdollista muodostaa korkeamman asteen moodeja tai jakaa monimutkaista muotoa alalevyihin, jotka resonoisivat Face-Shear-moodissa tai viinilasimoodissa siihen o 25 tapaan, kuin voidaan tehdä Lame-levyille, kuten yllä on esitetty. Tulee kuitenkin huomata, o «m että kuvioiden 13a ja 13b mukaisia resonaattorilevyjä voidaan yhdistää muodostamaan kaksiulotteisia resonaattoriryhmiä, esimerkiksi samaan tapaan kuin kuviossa Ib on esitetty Lame-levyjen kohdalla.

20

Pietsomuuntimet

Viitaten kuvioon 8 pietsomuunnin voi käsittää piirungon 80, jonka päälle kerros 86 pietsosähköistä materiaalia, kuten AlN, ZnO, tai PZT, on kasvatettu. Pietsosähköisen kerroksen 86 päällä on elektrodikerros 88. Tässä rakenteessa piirunko 80 toimii yhtenä 5 elektrodina ja elektrodikerros 88 toisena elektrodina. Potentiaaliero elektrodien välillä muodostaa z-suuntaisen sähkökentän pietsosähköisen ohutkalvon kanssa. Tämä sähkökenttä luo x- ja y-suuntaiset voimat pietsoristikytkentäkertoimen e31 ja pietsosähköisen kertoimen e33 kautta (epäsuorasti johtuen Poisson-vaikutuksesta), ja näistä voimista seuraa alla olevan piikerroksen sivusuuntainen deformaatio. Tämän kaltainen 10 pietsomuunnin toimii tehokkaana pietsosähköisenä muuntimena, joka pakottaa värähtelevän voiman resonaattorilevyyn, joka on mekaanisesti kytketty sen kanssa, ja täten ohjaa levyjen Lame-resonanssia. Pietsomuuntimen piirunko 80 voi olla myös seostettu, jotta sillä olisi matala TCF samaan tapaan kuin resonaattorilevyillä.

Vaihtoehtoisesti kuviossa 8 näkyvälle konfiguraatiolle pietsomuunnin voi käsittää kaksi 15 metallielektrodia, jotka on sijoitettu eri puolille pietsosähköistä kerrosta. Täten ei ole välttämätöntä käyttää piikerrosta elektrodina.

Kuvioissa 3a-3d näkyy erilaisia mahdollisia pietsomuunninten muotoja ja niiden kytkentöjä resonaattorielementteihin (vain yksi puolikas kahden elementin ryhmästä näkyvissä, ja symmetriataso sijaitsee pystysuorassa orientaatiossa kuvioiden oikeassa 20 laidassa).

” Kuten alaa tunteva henkilö asian ymmärtää, pietsomuunnin voi toimia ohjauslohkona, o ^ mikä tarkoittaa, että kun positiivinen/negatiivinen jännite syötetään pietsoaktiivisen V kerroksen yli, venyttävä/supistava voima vaikuttaa resonaattorilevyyn. Vaihtoehtoisesti o pietsomuuntimella voi olla tunnistinlohkon rooli, mikä tarkoittaa, että j os ulkoiset voimat

X

£ 25 venyttävät/supistavat pietsoaktiivista kerrosta, positiivinen/negatiivinen varaus kerääntyy ^ yläelektrodiin (negatiivinen/positiivinen varaus vastaavasti alaelektrodiin). Kumman oo o tahansa tarkoituksen pietsomuuntimia voi olla yksi tai useampi laitteessa erikseen tai samanaikaisesti riippuen sen käyttötarkoituksesta. Lisäksi kun resonaattori kytketään sähköisesti 1-porttisena laitteena, yksi pietsomuunnin voi toimia ohjauslohkona ja 30 tunnistuslohkona samanaikaisesti.

21

Valmistusmenetelmä

Esillä oleva resonaattorirakenne voidaan yleisesti valmistaa siten, että 5 - otetaan puolijohdekiekko, jolla on laitekerros, jonka erottaa eristävä kerros, kuten pii oksi di, - muodostetaan mainitusta laitekerroksesta vähintään kaksi resonaattorielementtiä siten, että resonaattori elementit sijaitsevat sivusuuntaisesti toisiinsa nähden ryhmänä, 10 - muodostetaan laitekerroksesta vähintään yksi muunninelementtiosio, joka sijaitsee sivusuuntaisesti suhteessa resonaattorielementteihin ja joka on mekaanisesti kytketty mainittuihin resonaattorielementteihin, - järjestetään pietsosähköinen kerros mainitun muunninelementtiosion päälle, ja - muodostetaan sähköinen kontakti mainittuun pietsosähköiseen kerrokseen, jotta se 15 muodostaisi muunninelementin, joka kykenee pietsosähköisesti virittämään Lame- resonanssimoodin resonaattorielementeissä.

Kuviot 7a ja 7b kuvaavat yksityiskohtaisemmin cavity-SOI (cSOI) ja normaali-SOI- prosessit esillä olevan kaltaisen resonaattorirakenteen valmistamiseksi. Näissä esimerkeissä SOI-kiekko on Si-Si02-(seostettu)Si-kiekko. cSOI-prosessi käsittää sen, että co ^ 20 (1) otetaan hapetettu piikiekkoa, joka käsittää ensimmäisen piikerroksen ^ (käsittelykerros, handling layer) ja ensimmäisen oksidikerroksen, o (2) valmistetaan onkalo ensimmäiseen piikerrokseen ensimmäisen oksidikerroksen läpi

X

ja järjestetään toinen piikerros (laitekerros, device layer) ensimmäisen 5 oksidikerroksen päälle, co m o g 25 (3) järjestetään pietsoaktiivinen kerros (esim. A1N) toisen piikerroksen päälle c\j kohdakkain onkalon kanssa, 22 (4) hapetetaan tai saostetaan oksidikerros ylemmän piikerroksen vapaalle pinnalle tuottamaan toinen oksidikerros, (5) poistetaan paikallisesti toinen oksidikerros, jotta toinen piikerros paljastuisi paikallisesti ja jotta saostetun oksidin tapauksessa myös pietsoaktiivinen kerros 5 paljastuisi, (6) järjestetään sähkönjohteita (esim. Mo) toisen oksidikerroksen päälle pietsoaktiiviseen kerrokseen ja paljastettuun toiseen piikerrokseen, jotta kyettäisiin johtamaan sähköpotentiaalia pietsoaktiivisen kerroksen läpi, (7) etsataan pystysuoria ojia rakenteeseen, jotta saataisi erotettua resonaattori elementti 10 ja pietsomuuntimet sopivasti toisistaan ja ympäröivistä rakenteista, kuten yllä on kuvattu, jolloin vain niin kutsutut ankkurit jäävät tukemaan resonaattorielementtiä.

Normaali-SOI-prosessi käsittää sen, että (1) otetaan SOI-kiekko, joka käsittää ensimmäisen piikerroksen (käsittelykerros), ensimmäisen oksidikerroksen ja toisen piikerroksen (laitekerros), ja järjestetään 15 paikallinen pietsoaktiivinen kerros (esim. A1N) toisen piikerroksen päälle, (2) hapetetaan tai saostetaan oksidikerros ylemmän piikerroksen vapaalle pinnalle tuottamaan toinen oksidikerros, (3) poistetaan paikallisesti toinen oksidikerros, jotta toinen piikerros paljastuisi paikallisesti ja jotta saostetun oksidin tapauksessa myös pietsoaktiivinen kerros

CO

o 20 paljastuisi, i V (4) käytetään sähkönjohteita (esim. Mo) toisen oksidikerroksen päällä pietsoaktiiviseen o kerrokseen j a palj astettuun toi seen piikerrokseen, j otta ky ettäi siin tuottamaan

X

£ sähköpotentiaalia pietsoaktiivisen kerroksen yli, en S (5) etsataan pystysuoria ojia rakenteeseen, jotta saataisi erotettua resonaattori elementti ? 25 ja pietsomuuntimet ympäröivistä rakenteista, jolioin vain niin kutsutut ankkurit 00 jäävät tukemaan resonaattorielementtiä, 23 (6) etsataan vaakasuoria onkalolta ensimmäiseen oksidikerrokseenJotta saataisi erotettua toinen piikerros sopivasti ensimmäisestä piikerroksesta.

Kuvioissa 7a ja 7b ojat (vapautusetsaus, release etching) on kuvattu oikealla puolella pietsomuunninta ja onkaloa, kun taas ankkureiden sijainnissa oleva rakenne (ei-vapauttava, 5 non-releasing) on kuvattu vasemmalla puolella pietsoaktiivista kerros ja onkaloa.

Laitekerros voidaan seostaa yllä kuvatulla tavalla, esimerkiksi boorilla, joko ennen laitekerroksen asettamista substraatille tai jälkeenpäin lisäämällä prosessiaskel sitä tarkoitusta varten.

SOI-prosessoinnin jälkeen resonaattorirakenne edullisesti tyhjiökoteloidaan. co δ c\j i O)

X

cc

CL

CD

CO

m o δ c\j

Claims

24
1. Mikrosähkömekaaninen resonaattoriryhmäjoka käsittää - vähintään kaksi puolijohdemateriaalista valmistettua resonaattorielementtiä (10A, 10B), jotka järjestetään sivusuuntaisesti toisiinsa nähden ryhmäksi, 5. vähintään yhden muunninelementin (12), joka on kytketty mainittuihin resonaattori elementteihin (10A, 10B)ja kykenee virittämään resonanssimoodin resonaattori elementteihin (10A, 10B), tunnettu siitä, että - mainittu vähintään yksi muunninelementti (12) on pietsosähköinen 10 muunninelementti, joka on jäljestetty sivusuuntaisesti suhteessa mainittuihin vähintään kahteen resonaattorielementtiin (10A, 10B) ja näiden vähintään kahden resonaattorielementin (10A, 10B) väliin ja sovitettu virittämään resonaattorielementteihin (10A, 10B) mainittuna resonanssimoodina sellaisen resonanssimoodin, jonka resonanssitaajuus on riippuvainen oleellisesti vain 15 resonaattorielementtien (10A, 10B) materiaalin elastisen moduulin elastisesta parametrista C44 siten, että puolijohdemateriaalin jäykkyysmatriisin jokaisen muun elastisen parametrin kuin C44:n kontribuutio resonaattorin resonanssitaajuuteen on alle 20%.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että mainittu ^ 20 resonanssimoodi on Lame-moodi. o c\j
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että a? resonaattori elementit (10A, 10B) käsittävät X o- - neliölevyjä, jotka on tehty (lOO)-piikiekosta siten, että levyn sivut on suunnattu ^ < 110>- suuntien mukaan, tai 00. o 25. neliölevyjä, jotka on tehty (110)-piikiekosta siten, että yksi levydiagonaali on C\J suunnattu <110>-suunnan mukaan ja toinen <100>-suunnan mukaan. 25
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että mainittu resonanssimoodi on Face-Shear-moodi.
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että resonaattori elementit (10A, 10B) käsittävät 5. neliölevyjä, jotka on tehty (lOO)-piikiekosta siten, että levyn sivut on suunnattu <100>-suuntien mukaan, tai - neliölevyjä, jotka on tehty (110)-piikiekosta siten, että yksi levyn sivu on suunnattu <110>-suunnan mukaan ja toinen <100>-suunnan mukaan.
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että mainittu 10 resonanssimoodi on viinilasimoodi.
7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että resonaattori elementit (10A, 10B) käsittävät - kiekon muotoisia levyjä, jotka on tehty (lOO)-piikiekosta ja symmetrisesti ankkuroitu neljästä kiekon pisteestä siten, että virtuaaliset viivat, jotka yhdistävät 15 ankkureita vastakkaisilla puolilla kiekkoa on suunnattu <100>-suuntien mukaan, tai - kiekon muotoisia levyjä, jotka on tehty (110)-piikiekosta ja symmetrisesti ankkuroitu neljästä kiekon pisteestä siten, että yksi virtuaalinen viiva, joka yhdistää ankkureita vastakkaisilla puolilla kiekkoa on suunnattu <110>-suunnan mukaan, ja toinen tällainen viiva on suunnattu <100>-suunnan mukaan. δ ^ 20 8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että co ° resonaattorielementeillä (10A, 10B) on vähintään neljä heijastussymmetria-akselia oo sivusuuntaisessa tasossa. X X CL
9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että g resonaattori elementit (10A, 10B) ja pietsosähköinen muunninelementti (12) käsittävät o £ 25 yhteisen puolijohdekerroksen, kuten piikerroksen. c\j
10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että pietsosähköinen muunninelementti (12) on mekaanisesti kytketty molempiin 26 resonaattorielementteihin (10A, 10B) pietsosähköisen muunninelementin ja resonaattorielementtien (10A, 10B) välissä olevien yhtenäisten siltojen kautta.
11. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että ryhmä käsittää kaksiulotteisen matriisin, jossa on vähintään kolme resonaattori elementtiä 5 (10A, 10B, IOC, 10D) ja vähintään yksi pietsosähköinen muunninelementti (12, 12'), joka on järjestetty yhden resonaattorielementtiparin väliin.
12. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että ryhmä käsittää vähintään kaksi pietsosähköistä muunninelementtiä (12, 12'), jotka on järjestetty eri resonaattorielementtiparien väliin ja sovitettu värähtelemään samassa 10 vaiheessa tai 180 astetta siirretyssä vaiheessa, riippuen niiden sijainnista matriisissa.
13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että ryhmä käsittää vähintään kaksi pietsosähköistä muunninelementtiä (12, 12'), jotka on jäljestetty värähtelemään samassa suunnassa.
14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että ryhmä 15 käsittää vähintään kaksi pietsosähköistä muunninelementtiä (12, 12'), jotka on järjestetty värähtelemään kohtisuorissa suunnissa.
15. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että ryhmä käsittää vähintään kaksi, edullisesti neljä, pietsosähköistä muunninelementtiä, jotka on kiinnitetty yksiltä puoliltaan yhteiseen pisteeseen ryhmä sisällä ja toisilta puoliltaan eri 20 resonaattorielementteihin. 't δ ^ 16. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että CD ? ryhmä käsittää lukuisia vierekkäisiä resonaattori elementtejä jatkuvassa muodostelmassa oo siten, että jokainen resonaattori elementti edullisesti muodostuu yhdistelmästä X a. perusneliölevy-yksikköjä, jotka toimivat virtuaalisena neliö-Lame-resonaattorina. σ> S 25 17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että jatkuva 2 muodostelma määrittää tyhjän tilan, joka on yhden tai useamman yksittäisen ^ resonaattori elementin kokoinen, j a muunninelementti on j äij estetty mainittuun tyhj ään tilaan. 27
18. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että ryhmällä on neliön tai suorakaiteen muotoinen ulkoinen muoto.
19. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että resonaattorielementit on valmistettu seostetusta, edullisesti p+-seostetusta, erityisesti 5 booriseostetusta, puolijohdekerroksesta, kuten piikerroksesta.
20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että seostuskonsentraatio mainitussa puolijohdekerroksessa on sellainen, että levyn resonanssitaajuuden taajuuden lämpötilakertoimen TCF absoluuttinen arvo on suuruudeltaan pienempi kuin 30 ppm/K, erityisesti suuruudeltaan pienempi kuin 20 10 ppm/K, edullisesti suuruudeltaan pienempi kuin 10 ppm/K.
21. Patenttivaatimuksen 19 tai 20 mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että seostuskonsentraatio mainitussa puolijohdekerroksessa on vähintään 1019 cm'3.
22. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että jokainen resonaattorielementti on yksittäinen neliölevy tai neliöalalevy (40, 40'), joka on 15 osa suurempaa resonaattorikappaletta.
23. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen resonaattoriryhmä, tunnettu siitä, että vähintään yksi muunninelementti käsittää pietsosähköisen muunninelementin, joka käsittää puolijohdekerroksen, joka on valmistettu samasta puolijohdekerroksesta kuin mainitut vähintään kaksi resonaattori elementtiä, ja pietsosähköisen kerroksen, kuten A1N-, ZnO-, tai
20 PZT-kerroksen, ja lisäksi sen päälle jäljestetyn elektrodi kerroksen. δ ^ 24. Menetelmä mikrosähkömekaanisen resonaattoriryhmän valmistamiseksi, joka CO S1 menetelmä käsittää sen, että oo x - otetaan puolijohdekiekko, jolla on laitekerros, CL 5 muodostetaan mainitusta laitekerroksesta vähintään kaksi resonaattorielementtiä oo o 25 (10A, 10B) siten, että resonaattorielementit sijaitsevat sivusuuntaisesti toisiinsa nähden ryhmänä, 28 - muodostetaan laitekerroksesta vähintään yksi muunninelementtiosio, joka sijaitsee sivusuuntaisesti resonaattori elementteihin nähden ja on mekaanisesti kytketty mainittuihin resonaattorielementteihin (10A, 10B), - saostetaan pietsosähköinen kerros mainitun muunninelementtiosion päälle, ja 5. muodostetaan sähköinen kontakti mainittuun pietsosähköiseen kerrokseen, jotta muodostuisi muunninelementti (12), joka kykenee pietsosähköisesti virittämään Lame-resonanssimoodin resonaattorielementteihin (10A, 10B).
25. Menetelmä taajuussignaalin tarjoamiseksi elektroniikkalaitteelle, joka käsittää jonkin patenttivaatimuksen 1-23 resonaattorin, joka menetelmä käsittää sen, että 10. tarjotaan sähköinen ohjaussignaali pietsosähköiseen muunninelementtiin (12), jotta resonaattoriryhmän resonaattori elementit (10A, 10B) värähtelisivät mainitussa resonanssimoodissa, - otetaan mainittu taajuussignaali tunnistinmuuntimesta, joka on kytketty resonaattori ryhmään, 15. johdetaan taajuussignaali elektroniikkalaitteen toiseen osaan. 't δ c\j i CO o oo X cc CL CD co m o δ c\j 29