FI126586B - Uudet mikromekaaniset laitteet - Google Patents

Uudet mikromekaaniset laitteet Download PDF

Info

Publication number
FI126586B
FI126586B FI20115151A FI20115151A FI126586B FI 126586 B FI126586 B FI 126586B FI 20115151 A FI20115151 A FI 20115151A FI 20115151 A FI20115151 A FI 20115151A FI 126586 B FI126586 B FI 126586B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
resonator
mode
silicon
resonator element
micromechanical device
Prior art date
Application number
FI20115151A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20115151L (fi
FI20115151A0 (fi
FI20115151A (fi
Inventor
Tuomas Pensala
Antti Jaakkola
Maria Ganchenkova
Mika Prunnila
Jyrki Kiihamäki
Original Assignee
Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy
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
Application filed by Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy filed Critical Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy
Publication of FI20115151A0 publication Critical patent/FI20115151A0/fi
Priority to FI20115151A priority Critical patent/FI126586B/fi
Priority to CN201280009253.4A priority patent/CN103444079B/zh
Priority to KR1020137024650A priority patent/KR101724661B1/ko
Priority to JP2013553977A priority patent/JP6109752B2/ja
Priority to PCT/FI2012/050157 priority patent/WO2012110708A1/en
Priority to US13/985,876 priority patent/US9559660B2/en
Priority to EP12747759.4A priority patent/EP2676366B1/en
Publication of FI20115151L publication Critical patent/FI20115151L/fi
Publication of FI20115151A publication Critical patent/FI20115151A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI126586B publication Critical patent/FI126586B/fi

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0078—Constitution or structural means for improving mechanical properties not provided for in B81B3/007 - B81B3/0075
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/0072—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/0072—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks
    • H03H3/0076—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficients
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • 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
    • 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
    • H03H2009/02488—Vibration modes
    • H03H2009/02496—Horizontal, i.e. parallel to the substrate plane
    • H03H2009/02503—Breath-like, e.g. Lam? mode, wine-glass mode
    • 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
    • H03H2009/02488—Vibration modes
    • H03H2009/02519—Torsional
    • 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
    • H03H2009/241—Bulk-mode MEMS resonators
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Landscapes

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

Description

Uudet mikromekaaniset laitteet Keksinnön ala
Keksintö liittyy mikromekaanisiin laitteisiin ja erityisesti niiden lämpötilakompensointiin. Erityisesti keksintö liittyy MEMS-resonaattoreihin. Keksinnön mukaisella laitteella on patenttivaatimuksen 1 ja/tai 26 johdanto-osien ominaisuudet.
Keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 28 johdanto-osan mukaista menetelmää. Keksinnön tausta
Laajalti käytetyt kvartsikidepohjaiset resonaattorit voidaan potentiaalisesti korvata mikromekaanisilla, tyypillisesti piipohj ai silla resonaattoreilla monissa sovelluksissa. Piiresonaattorit voidaan tehdä pienemmiksi kuin kvartsiresonaattorit, ja piiresonaattoreille on lukuisia standardivalmistusmenetelmiä. Piipohjaisiin resonaattoreihin liittyvä ongelma on kuitenkin, että niillä on korkea resonanssitaajuuden lämpöliikehdintä. Liikehdintä johtuu pääosin piin Youngin moduulin lämpötilariippuvuudesta, joka aiheuttaa noin -30 ppm/°C taajuuden lämpötilakertoimen (temperature coefficient of frequency, TCF). Tämä saa resonanssitaajuuden heilahtelemään johtuen muutoksista ympäristön lämpötilassa.
Suuri luontainen lämpötilaliikehdintä estää piipohjaisiaresonaattoreita tulemasta kvartsikiteiden hallitsemille värähtelijämarkkinoille. On kuitenkin tunnettua, että lämpötilariippuvuutta kompensoidaan useilla tavoilla. Tunnetun tekniikan ratkaisut sisältävät: - Aktiivinen kompensointi lämpötilasensorilla ja siihen liittyvä elektroninen ohjauspiiristö, mutta ei ole ollut mahdollista saada aikaan resonaattoria, jolla on riittävän pieni lämpötilaliikehdintä sellaisen edullisen teknologian avulla, joka sopisi massatuotantosovelluksille ja kilpailisi kvartsin laadun kanssa. Lisäksi lämpötilan kompensointipiirin käyttö lisää energiankulutusta, mikä on merkittävä haitta erityisesti paristolla toimivissa laitteissa. Edelleen kompensointipiirillä on taipumus kasvattaa sähköistä kohinaa resonaattoripiirissä. - Aktiivinen kompensointi vakauttamalla resonaattorin lämpötilaa lämpötilaeristyksellä ja resonaattorin kontrolloidulla lämmittämisellä/jäähdyttämisellä. Tämä ratkaisu kuitenkin myös lisää laitteen energiankulutusta ja tekee laitteesta monimutkaisen valmistaa. Lämpötilan kompensointipiirit ovat myös hitaita kontrolloinnissa eivätkä kykene siksi kompensoimaan nopeita tai suuria muutoksia ympäröivässä lämpötilassa riittävän hyvin. - Passiivinen kompensointi lisäämällä amorfista SiC>2:a, joka tuo vastakkaismerkkistä lämpötilaliikehdintää rakenteeseen. Tämä kuitenkin johtaa monimutkaisempaan valmistusprosessiin ja kompromissiin resonaattorin suorituskyvyssä. - Passiivinen kompensointi raskaalla p-tyypin seostuksella, kuten booriseostuksella, kompensoi vahvasti C44-karakterisoiduille leikkausmoodeille, kuten Lamé-moodille, mutta vähemmän tai ei ollenkaan joillekin muille moodeille rajoittaen sovellettavuutta hyvin erityisiin moodeihin ja viritysgeometrioihin pietsoaktuoinnin tapauksessa. Erityisesti p-tyypin seostus ei kompensoi hyvin laajenevia (extensional) moodeja.
Passiivisia kompensointimenetelmiä käsitellään saman hakijan vielä julkaisemattomissa suomalaisissa patenttihakemuksissa 20105849 ja 20105851, samoin kuin niissä siteeratuissa viitteissä, erityisesti A.K. Samarao et al., “Passive TCF Compensation in High Q Silicon Micromechanical Resonators,” IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2010), 2010, 116-119; US 2010/0127596 ja US 4719383. A.K. Samaraon et ai. kirjoittama artikkeli"Intrinsic Temperature Compensation of Highly Resistive High-Q Silicon Microresonators via Charge Carrier Depletion", Frequency Control Symposium (FCS), 2010 IEEE International, 1.-4. kesäkuuta 2010, s. 334-339, tuo esiin tilavuusaaltoresonaattorin, joka käsittää booriseostetun (p-seostus) piiresonaattorielementin resonaattorin lämpötilaliikehdinnän vähentämiseksi.
Booriseostettu (p-seostus) resonaattorielementti käsittää lisäksi yhden tai useamman kerroksen diffusoitua fosforia (n-seostus), jotta saadaan luotua yksi tai useampi pn-rajapinta resonaattorielementtiin. pn-rajapinnoilla, jotka muodostavat ehdyttämisalueen alhaisella varauksenkuljettajakonsentraatiolla, on se vaikutus, että voitaisi saavuttaa -3 ppm/°C:n TCF.
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, tuovat esiin myös mahdollisuuden piin n-tyypin seostamiseen fosforilla, jotta saataisi parannettua TCF:ää lisää. He ilmoittavat 0,05 ppm/°C:n lämpötilaliikehdinnän termisesti diffuusioseostetussa piiresonaattorissa. Diffuusioseostuksesta kuitenkin seuraa vahva varauksenkuljettajien konsentraatiogradientti resonaattorissa, janoin 1*1019 cm'3 tai korkeampi n-seostusaineen konsentraatio, joka osoitetaan jäljempänä tarvittavan tehokkaaseen T-kompensointiin, voidaan luoda vain alueelle, joka työntyy noin 2 mikronin paksuuteen laitteen pinnasta. Saavutetut pitoisuustasot voivat myös olla riippuvaisia laitteen täsmällisestä muodosta, mikä asettaa suunnittelurajoitteita. Niinpä resonaattorin suunnittelulle on ankaria rajoitteita esimerkiksi sen tilavuuden, paksuuden ja resonanssimoodien saatavuuden suhteen. Esimerkiksi tilavuusaaltomoodit eivät lämpötilakompensoidu tehokkaasti diffuusioseostetuissa resonaattoreissa.
Niinpä on tarvetta parannetuille piiresonaattoreille ja muille laitteille.
Keksinnön tiivistelmä
Keksinnön eräs tavoite on saada aikaan parannettu lämpötilakompensoitu mikromekaaninen laite, kuten resonaattori. Erityisesti keksinnön eräs tavoite on saada aikaan resonaattorimalli, joka tarjoaa enemmän suunnittelujoustavuutta. Yksi tavoite on tarjota resonaattorirakenne, joka voidaan teollisesti valmistaa yksinkertaisella tavalla.
Keksintö tarjoaa lisäksi joukon uusia käytännöllisiä lämpötilakompensoitujen resonaattorien malleja eri tarkoituksiin.
Erään näkökulman mukaan keksinnön mukainen laite käsittää värähtelevän tai poikkeutuvan elementin, joka on tehty piistä, joka käsittää runsaan konsentraation n-tyypin seostusainetta, sekä viritys- tai mittausvälineet toiminnallisesti yhdistettynä mainittuun värähtelevään tai poikkeutuvaan elementtiin. Lisäksi värähtelevä tai poikkeutuva elementti on oleellisesti homogeenisesti seostettu mainitulla n-tyypin seostusaineella.
Erään näkökulman mukaan keksinnön mukainen laite käsittää värähtelevän tai poikkeutuvan elementin, joka on tehty piistä, joka käsittää runsaan konsentraation n-tyypin seostusainetta, sekä viritys- tai mittausvälineet toiminnallisesti yhdistettynä mainittuun värähtelevään tai poikkeutuvaan elementtiin. Värähtelevää tai poikkeutuvaa piielementtiä voidaan luonnehtia jouseksi tai joukoksi jousia, joilla on olennainen rooli laitteen toiminnallisuudelle. Jos jous(i)en orientaatio on sellainen, että sen jousivakio (joka on tavallisesti elastisen matriisin elementtien en, en, C44 funktio) on enimmäkseen riippuvainen termistä C11-C12, jousivakion lämpötilavaihtelua voidaan merkittävästi vähentää n-seostuksella. Koska jouset ovat olennainen osa laitteen toiminnallisuutta, laitteen suorituskyvyn vaihtelu lämpötilan funktiona minimoidaan tällä tavoin.
Erään näkökulman mukaan keksinnön mukainen laite käsittää värähtelevän tai poikkeutuvan elementin, joka on tehty piistä, joka käsittää runsaan konsentraation n-tyypin seostusainetta, viritys- tai mittausvälineet toiminnallisesti yhdistettynä mainittuun värähtelevään tai poikkeutuvaan elementtiin, sekä piin kideorientaation, joka suhteessa värähtelevän tai poikkeutuvan elementin resonanssin tai poikkeutuksen suuntaan valitaan poikkeamaan vähemmän kuin 30°, edullisesti vähemmän kuin 15°, suunnasta, joka maksimoi laitteen lämpötilakertoimen. Erään sovellutusmuodon mukaan kideorientaatio valitaan maksimoimaan laitteen lämpötilakerroin. Esimerkkejä valitun kidesuunnan vaikutuksesta annetaan myöhemmin tässä dokumentissa.
Erään näkökulman mukaan keksinnön mukainen laite käsittää n-seostetun resonaattori elementin ja muunninvälineet virittämään resonanssimoodi resonaattorielementtiin. Resonanssimoodi voi olla yksi seuraavista: - leikkausmoodi levyresonaattorielementissä, - neliömoodi (square extensional, SE) levyresonaattorielementissä, - leveysmoodi (width extensional, WE) levyresonaattorielementissä, - taipuva (flexural) moodi levyresonaattorielementissä, - laajeneva (extensional) moodi palkkiresonaattorielementissä, - taipuva (flexural) moodi palkkiresonaattorielementissä, tai - torsiomoodi (torsional) palkkiresonaattorielementissä.
Esillä oleva menetelmä mikromekaanisen laitteen valmistamiseksi käsittää sen, että - järjestetään piikiekko, joka käsittää n-seostetun, edullisesti homogeenisesti n-seostetun laitekerroksen, - prosessoidaan piikiekko muodostamaan elementti n-seostetusta laitekerroksesta siten, että elementti kykenee poikkeutumaan tai värähtelemään, - jäljestetään viritys- tai mittausvälineet toiminnallisesti kytkettynä mainittuun elementtiin virittämään resonanssimoodi elementtiin tai aistimaan elementin resonanssitaajuus tai poikkeutuman aste.
Yllä mainitut näkökulmat voidaan toteuttaa sellaisinaan tai minä tahansa niiden sopivana yhdistelmänä ja/tai yhden tai useamman spesifisen jäljempänä kuvatun sovellutusmuodon kanssa. Jotkut sovellutusmuodoista ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.
Keksinnön sovellusalueet käsittävät esimerkiksi mikromekaaniset taajuusreferenssikiteet ja mikromekaaniset sensorit, jotka käsittävät resonoivan tai poikkeutuvan elementin olennaisena osana sensoria. Termi poikkeutuva kattaa liikkeen (esim. kaartumisen, venymisen, kiertymisen ja kääntymisen) kaikkiin suuntiin, jotka koskevat elementin kuormittamista sen C11-C12 -riippuvaisen jousivakion kautta.
Seuraavassa käsittelyssä keskitytään keksinnön sovellutusmuotoon, jossa värähtelevä tai poikkeutuva elementti on resonaattorielementti.
Erään sovellutusmuodon mukaan n-tyypin seostusaineen konsentraatio resonaattorissa on 193 193 vähintään 1,0*10 cm', edullisesti vähintään 1,1*10 cm' ja tyypillisesti vähintään 1,2*10 cm' . Tavallisesti konsentraatio on alle 10 cm' . Niinpä resonaattorissa on vahva ylimäärä negatiivisia elektronivarauksenkuljettajia. Yllä mainittujen konsentraatiorajojen yläpuolella on mahdollista saavuttaa käytännöllisiä resonaattoreita, joilla TCF on lähes nolla. Yleensä konsentraatioraja on matalin Lamé-moodeille. Muille moodeille nolla-TCF-raja on tyypillisesti hieman korkeampi.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementti on oleellisesti vapaa p-tyypin seostusaineista.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementti on oleellisesti homogeenisesti seostettu n-tyypin seostusaineella. Edullisesti seostuskonsentraatiolla ei ole enempää kuin 10 % paikallista vaihtelua resonaattori elementin sisällä.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementti käsittää kiteen, joka on kasvatettu Czochralski-menetelmällä, jossa n-tyypin seostusaine on valmiiksi läsnä kiteen kasvatusvaiheessa. Erään toisen sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementti käsittää kiteen, joka on epitaktisesti kasvatettu siten, että n-tyypin seostusaine on läsnä jo kasvatusvaiheessa. Molemmista näistä menetelmistä seuraa kiteen homogeeninen seostus.
Resonaattori voi olla tehty piistä, ja seostusaine voi olla fosforia, antimonia tai arseenia, esimerkiksi.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementin minimikoko on vähintään 5 pm, tyypillisesti vähintään 7 pm. Tällaisia suhteellisen paksuja resonaattoreita ei voida käytännössä seostaa homogeenisesti diffuusioseostuksella. Levyresonaattorien tapauksessa pienin ulottuvuus on tyypillisesti paksuus.
Erään sovellutusmuodon mukaan esillä oleva laite sovitetaan aktuoitavaksi ilman bias-virtaa käyttämällä ei-termisiä aktuointimenetelmiä. Tämä voidaan saada aikaan pietsosähköisillä ohutkalvoviritystavoilla tai sähköstaattisilla viritystavoilla, kuten jäljempänä kuvataan tarkemmin.
Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja. Keksijät ovat kokeellisesti osoittaneet, että resonaattoreita, joissa käytännöllisesti katsoen ei ole lämpötilaliikehdintää, ja jopa resonaattorien ylikompensointi voidaan saada aikaan keksinnön mukaisilla n-seostetuilla resonaattoreilla. Tällaista käyttäytymistä ei ole osoitettu p-seostuksella saavutettavilla seostustasoilla toistaiseksi. Lisäksi p-seostetut resonaattorit ilmentävät lämpötilakompensointi-ilmiötä vain, kun niitä ohjataan vahvasti C44-leikkausjäykkyystermistä riippuvassa resonanssimoodissa, mikä rajoittaa p-seostuksen sovellettavuutta lämpötilakompensointiin suhteelliseen kapeaan joukkoon resonanssimoodeja. Koskien tunnettuja resonaattorei ta Joilla on n-tyypin seostusalueita, TCF on vielä suhteellisen matala. Vaikka monissa sovelluksissa halutaan lopulta lähellä nollaa oleva TCF, tarvitaan ratkaisuja, jotka voivat taijota vieläkin korkeamman TCF:n, jota voidaan sitten vaihtaa muita suunnitteluparametreja vastaan. Esillä oleva keksintö vastaa tähän tarpeeseen. n-seostettujen resonaattorien tapauksessa resonanssimoodeja, joiden taajuus on riippuvainen pääasiassa termistä c-n - Cu, missä Cu ja en ovat elastisen matriisin elementtejä, voidaan lämpötilakompensoida. Joukko C11-C12 -karakterisoituja resonanssimoodeja ja -geometrioita esitellään tässä dokumentissa yksityiskohtaisesti. Yleisesti ottaen keksintöä voidaan soveltaa esim. leikkausmoodiresonaattoreihin, kuten levyresonaattoriin Lamé-moodissa, ja laajenevissa taipumis- ja torsioresonanssimoodeissa värähteleviin palkkeihin, sekä niiden yleisluonteisempiin yhdistelmiin. Niinpä keksinnöllä vastataan parantuneen joustavuuden tavoitteeseen.
Verrattuna resonaattoreihin, joissa on useita pn-rajapintoja, esillä oleva malli on helpompi valmistaa, pn-rajapintoja ei tarvita lämpötilakompensointivaikutuksen aikaansaamiseksi. Lisäksi lämpötilakompensointivaikutus on merkittävämpi vahvalla n-seostuksella: positiivista tai nollan TCF:ää ei ole näytetty toteen perustuen pn-rajapintoihin.
Verrattuna diffuusioseostettuihin epähomogeenisiin resonaattoreihin keksinnöllä on myös suuria etuja. Diffuusioseostettuja resonaattoreita, joilla on jousia, jotka muodostavat suuria (paksuus > 2 pm tai pienin läpileikkausmitta > 4 pm) jatkuvia tilavuuksia, ei voida homogeenisesti seostaa diffuusiomenetelmällä. Tällaiset laitteet ovat haluttuja monissa yhteyksissä. Esimerkkejä ovat: A. BAW-MEMS-resonaattorit, kuten levyresonaattorit, joilla on suhteellisen suuri tilavuus (paksuus >=10 pm ja/tai sivumitat suuremmat kuin 50 pm). Resonaattorin suuri tilavuus ja tämän seurauksena jousen, joka täytyy n-seostaa, suuri tilavuus tarvitaan hyvään energianvarastointikapasiteettiin, mikä johtaa laitteen matalaan kohinaan (signaali-kohinasuhteeseen). Esimerkkejä tämän tyyppisistä MEMS-resonaattoreista, jotka voidaan toteuttaa käyttämällä esillä olevaa keksintöä, ovat SE-moodin, Lamé-moodin ja leveysmoodin levyresonaattorit.
Toisaalta jos levy oli lävistetty tiheällä ryhmällä reikiä sellaisella tavalla, että etäisyys mistä tahansa laitteen pisteestä pintaan olisi alle 2 pm, vaadittavan hilan pitäisi olla hyvin tiheä, ja reikien pitäisi olla hyvin pieniä halkaisijaltaan. Lisäksi reikien hila (erityisesti tiheänä) voisi häiritä laitteen toimintaa (johtaa esimerkiksi kasvaneisiin häviöihin resonaattorissa), voisi tehdä laitteesta herkemmän valmistuksen epätarkkuuksille ja hankaloittaisi prosessia vakavasti. B. Jousi, jolla on suuremmat mitat, sietää paremmin valmistuksen epätarkkuuksia. Oletetaan esimerkiksi, että epätarkkuus prosessissa jousen leveyden määrittämiseksi on 0,1 pm. Jousivakion suhteellinen virhe nimellisesti 2 pm leveässä jousessa olisi 5 %. Tällaiseen jouseen perustuvalla resonaattorilla olisi 25000 ppm taajuusepätarkkuus. Toisaalta samalla prosessointiepätarkkuudella 20 pm leveään jouseen perustuva resonaattori johtaisi vain 2500 ppm taajuusepätarkkuuteen.
Valmistamisen näkökulmasta mahdollisuus käyttää homogeenisesti esiseostettua kiekkoa yksinkertaistaa prosessia, koska sopivasti seostettuja kiekkoja voi ostaa kiekkovalmistajalta ja standardia MEMS-prosessivuota ei tarvitse muuttaa erillisen seostusvaiheen vuoksi.
Esillä olevaa keksintöä on havainnollistettu sekä teoreettisesti että kokeellisesti. Teoreettiset laskelmat osoittavat, että C11-C12 -karakterisoitujen moodien lämpötilaliikehdintään voi vaikuttaa vapaiden elektronien lisääminen raskaalla n-tyypin seostuksella. Kokeellisesti on havainnollistettu mm. hyvin lämpötilakompensoituja neliömoodin resonaattorielementtejä ja jopa ylikompensoituja Lamé-moodin resonaattori elementtejä. Termi ”ylikompensoitu” tarkoittaa, että resonaattorielementti itsessään ilman siihen kytkettyjä lisäelementtejä (esim. muuntimille tarpeellisia kerroksia tai lisämuunninlohkoja) ilmentää positiivista lämpötilaliikehdintää, eli TCF > 0 lämpötilassa 25°C.
Keksijät ovat myös saaneet selville, että verrattuna perinteisiin p-seostettuihin piiresonaattoreihin on jopa vahvempi lämpötilakompensointivaikutus, kun pii on raskaasti n-seostettu fosforilla. Samankaltaista käyttäytymistä voidaan odottaa myös muilta n- seostusaineilta, koska teoria (katso kuvauksen loppu), joka täsmää hyvin kokeellisten tulosten kanssa, on riippumaton spesifisestä n-seostusaineena käytetystä elementistä. On osoitettu, että keksinnön avulla jopa ylikompensoitujen (siten TCF > 0) piiresonaattoreiden valmistus on käytännössä mahdollista. Tämä omalta osaltaan taijoaa uusia mahdollisuuksia erilaisten uusien resonaattoreiden kehittämiselle eri tarkoituksiin, joihin vain kvartsipohjaiset resonaattorit ovat olleet ajateltavissa tähän saakka.
Keksinnön erityisen tärkeät sovellutusmuodot käsittävät lämpötilakompensoidun neliöresonanssimoodin, joka voidaan helposti aktuoida sekä pietsosähköisesti että sähköstaattisesti ja jolla on myös muita haluttuja ominaisuuksia. Tärkeä on myös puhtaasti C11-C12 -karakterisoitu Lamé-moodi, jolla on positiivinen lämpötilaliikehdintä (tai TCF), mikä osoittaa, että on varaa ylikompensoida piitä, jotta saataisiin suunniteltua monimateriaalisen (kuten pietsoaktuoidun ohutkalvo-) laitteen lämpötilaliikehdintä lähelle nollaa.
Palkkiresonaattorin lähellä nollaa oleva TCF-käyttäytyminen voidaan saavuttaa mm. i) optimoimalla seostuskonsentraatiota siten, että maksimi-TCF on lähellä nollaa, tai ii) lisäämällä kiteeseen lisää seostusaineita, mahdollisesti p-tyyppiä, tai iii) lisäämällä lisää resonaattoriosia, jotka muuttavat resonaattorin kokonais-TCF:n lähelle nollaa, tai iv) asettamalla resonaattori elementin suunnan tarkasti kulmaan, joka poikkeaa optimi suunnasta kiteen suhteen, tai v) edellä mainittujen yhdistelmällä.
Termi “lämpötilakompensoitu” viittaa siihen, että resonaattorin taajuuden lämpötilakerroin (temperature coefficient of frequency, TCF) on korkeampi kuin sellaisen resonaattorin, joka on tehty piikiteestä standardeilla seostustasoilla, eli korkeampi kuin noin -30 ppm/°C, edullisesti korkeampi kuin -20 ppm/°C.
Termi “lähellä nollaa” (TCF tai lämpötilaliikehdintä) tarkoittaa TCF:ää välillä -5 - +5 ppm/°C.
Ilmaisut, että tietyn resonanssimoodin taajuutta karakterisoivat tai hallitsevat matriisi el ementtitermit (C11-C12) muodostaa keksinnön erään näkökulman ja tarkoittaa, että värähtelevä tai poikkeutuva pii-elementti on suunnattu suhteessa piin kiteeseen ja sovitettu resonoimaan resonanssimoodissa, jonka taajuuskontribuutiosta enempää kuin 20 % ei tule muista termeistä (esim. C44-termistä).
Kidesuuntia merkitään sulkunotaatiolla, esim. [100], Tällä notaatiolla tarkoitetaan mitä tahansa ekvivalenttia suuntaa: esim. [100] on ekvivalentti [010]:n tai [001]:n kanssa
Kun elastisen matriisin elementteihin en, C12 ja C44 viitataan tekstissä, oletetaan, että nämä elementit on annettu [100]-kideakseleilla. Tällä määritelmällä esimerkiksi piin elastisen matriisin elementit ovat suunnilleen (en, C12, C44) = (166, 64, 80) GPa.
Seuraavaksi keksinnön sovellutusmuotoja ja etuja käsitellään tarkemmin viitaten mukaan oheisiin piirroksiin.
Piirrosten lyhyt kuvaus
Kuviot la ja Ib kuvaavat ylä-ja poikkileikkausnäkymiä sähköstaattisesti aktuoiduista levyresonaattoreista, jotka on valmistettu SOI- tai CSOI-kiekolle.
Kuviot 2a ja 2b kuvaavat ylä- ja poikkileikkausnäkymiä pietsosähköisesti aktuoiduista levyresonaattoreista, jotka on valmistettu SOI- tai CSOI-kiekolle.
Kuviossa 3 näkyy Lamé-moodin taajuuden terminen riippuvuus, kun levyresonaattori on järjestetty sellaisella tavalla, että levyn sivut yhtenevät [100]-suuntien kanssa.
Kuviossa 4 näkyy SE-moodin taajuuden terminen riippuvuus, kun levyresonaattori on jäljestetty sellaisella tavalla, että levyn sivut yhtenevät [100]-suuntien kanssa.
Kuviossa 5 näkyy pietsosähköisesti aktuoitu Lamé-resonaattoriryhmä.
Kuvio 6 kuvaa taipuvan/pituutta laajenevan palkkiresonaattorin lämpötilakertoimen kaikille mahdollisille palkin orientaatioille suhteessa piikiteeseen.
Kuviot 7-15 kuvaavat esimerkillisiä moodimuotoja käyttäen hyväksi n-seostusta lämpötilaliikehdinnän säätämiseksi sekä vastaavien simuloitujen TCF-arvojen riippuvuutta relevanteista suunnitteluparametreista: - kuvio 7: Levyresonaattori Lamé-/face-shear-moodissa - kuvio 8: Levyresonaattori neliömoodissa - kuvio 9: Levyresonaattori taipuvissa moodeissa - kuvio 10: Levyresonaattori leveysmoodissa - kuvio 11: Palkkiresonaattori 1. kertaluvun pituusmoodissa - kuvio 12: Palkkiresonaattori 3. harmonisessa pituusmoodissa - kuvio 13: Palkkiresonaattori tason sisäisessä taipuvassa moodissa - kuvio 14: Palkkiresonaattori tasosta poikkeavassa taipuvassa moodissa - kuvio 15: Palkkiresonaattori torsiomoodissa
Kuviossa 16 näkyy esimerkillinen yhdistelmäresonaattori.
Kuvioissa 17a-17c näkyy piin elastisten vakioiden Cu, en ja C44 herkkyydet n-seostusaineen konsentraation funktiona.
Kuviossa 18 näkyy piin elastisen matriisin termin en - en herkkyys n-seostusaineen konsentraation funktiona.
Kuviossa 19 näkyy kahden neliömoodin, Lamé-moodin ja taipuvan palkkimoodin sijainnit (Q/P, R/P)-tasossa.
Sovellutusniuotojen yksityiskohtainen kuvaus
Esillä oleva keksintö esittelee erään sen näkökulman mukaisen idean ja sovelluksia piin raskaasta n-tyypin (esim. fosforilla) seostuksesta resonanssitaajuuden lämpötilaliikehdinnän kompensoimiseksi pii-MEMS-resonaattoreissa. Kuten jäljempänä esitetään, keksintöä voidaan soveltaa - eri muotoisiin resonaattoreihin, kuten palkkiresonaattoreihin ja levyresonaattoreihin ja niiden yhdistelmiin, - eri aaltotyyppeihin, kuten pitkittäisiin ja leikkaustilavuusaaltoihin (bulk acoustic wave, BAW), ja - eri resonanssimoodeihin, sisältäen torsio-, taipuvat ja laajenevat moodit.
Alla on annettu monia spesifisiä esimerkkejä näistä muunnelmista sellaisen lyhyen n-seostuksen yleisten näkökulmien käsittelyn jälkeen, joka on sovellettavissa useisiin tai kaikkiin spesifisistä esimerkeistä.
Piin lämpötilaliikehdintä standardiseostustasoilla, jos erityisiä toimenpiteitä ei tehdä, on suuruusluokkaa -30 ppm/°C. Keksinnön tyypillisten sovellutusmuotojen mukaan n-seostetun piiresonaattorin lämpötilaliikehdintä on -20 - +20, erityisesti -5 - +5 ppm/°C, riippuen mm. seostuskonsentraatiosta, kideorientaatiosta, moodimuodosta, geometrisesta mallista ja resonaattorin häiritsevistä materiaalirakenteista. On tavallista, että TCF-käyrät määritetään sovittamalla N-asteinen (tyypillisesti N=3) polynomifunktio mitattuun lämpötilaliikehdintädataan 25°C lämpötilassa. Ellei toisin mainita, tässä viitatut lämpötilaliikehdintäarvot (tai TCF-arvot) on annettu 25°C:ssa. Arvot voivat poiketa niistä muissa lämpötiloissa johtuen lämpötila/taajuus-käyrän epälineaarisuudesta, mitä voi ilmetä, kuten myöhemmin käsitellään tarkemmin
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattori elementti käsittää n-seostetun piikiteen, joka on oleellisesti vapaa (tavallisten puhtaustasojen sisällä) p-tyypin seostusaineista, antaen -3 ppm/°C tai korkeamman TCF:n.
Erään sovellutusmuodon mukaan n-tyypin seostus on homogeenista tavallisten valmistustoleranssien sisällä läpi koko resonaattorin paksuuden. Niinpä resonaattorielementin sisällä ei ole eri tavoin käyttäytyvien materiaalien rajapintoja.
Seuraavassa kuvattu kokeellinen ja teoreettinen tutkimus osoittaa, että n-tyypin seostuksella moodien kompensointia karakterisoi pääasiassa jäykkyystermi C11-C12, verrattuna aikaisemmin tunnettuihin moodeihin, joita karakterisoi C44-jäykkyystermi ja joiden lämpötilaa kompensoi p-seostus.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattori elementti käsittää piikiteen, joka on seostettu fosforilla suhteellisen suureen seostuskonsentraatioon 1018... 1020 cm'3. Tällainen konsentraatio on lämpötilaliikehdinnältään riittävä lähellä nollaa (TCF > -3 ppm/°C) olevien resonaattorien, jotka toimivat neliölevymoodissa (SE), jota hallitsee jäykkyysvakio Cu, valmistamista varten. Tällainen konsentraatio on myös riittävä sellaisten lämpötilaliikehdinnältään riittävän lähellä nollaa (TCF > -3 ppm/°C) olevien resonaattorien valmistamiseksi, jotka toimivat C11-C12 -karakterisoidussa Lamé-moodissa, ja lisäksi on mahdollista saavuttaa TCF > 0 ppm/°C, mikä selittää lisäohutkalvojen, kuten elektrodien ja pietsokalvon, negatiivista lämpötilaliikehdintävaikutusta.
Resonaattorielementti voi käsittää kiteen, joka on kasvatettu esimerkiksi epitaktisesti tai Czochralski-menetelmällä. Sopivia menetelmiä esitellään esim. teoksessa Handbook of Semiconductor Silicon Technology, Toim.: O'Mara, W.C.; Herring, R.B.; Hunt, L.P. © 1990 William Andrew Publishing/Noyes.
Resonaattorin aktuointi
Keksinnön mukainen mikromekaaninen resonaattori voidaan aktuoida tunnetuilla muunninvälineillä itsessään. Erään sovellutusmuodon mukaan muunninvälineet käsittävät pietsosähköisen aktuaattorielementin. Erään toisen sovellutusmuodon mukaan muunninvälineet käsittävät sähköstaattiset aktuaattorivälineet.
Kuvioissa la ja Ib näkyy perusmalli sähköstaattisesti aktuoitavastaMEMS-resonaattorista, joka on valmistettu piisubstraatille 18. Laitekerros substraatin päällä käsittää resonaattori elementin 16, joka on erotettu laitekerroksen ympäristöstä, eli elektrodikerroksesta 10, ja substraatista raolla 12. Ankkurit (ei näkyvissä) pitävät resonaattori elementtiä 16 paikallaan. Resonaattori elementin 16 kylkisivuilla on elektrodit 14. Kun vaihteleva aktuointijännite kytketään yli raon 14 elektrodikerroksesta 10 elektrodeihin 14, resonaattorielementti 16 voidaan asettaa värähtelemään.
Kuvioissa 2a ja 2b näkyy perusmalli pietsosähköisesti aktuoitavasta MEMS-resonaattorista, joka on valmistettu piisubstraatille 28. Resonaattorielementti 26 on varustettu päälle asetetulla pietsosähköisellä kerroksella 27. Kytkemällä jännite yli pietsosähköisen kerroksen 27 esim. sen päälle jäljestetystä johtavasta elektrodista (ei näkyvissä) resonaattorielementtiin itseensä, pietsosähköinen kerros kohdistaa voiman myös resonaattorielementtiin 26.
Esillä olevaa keksintöä voidaan yleisesti ottaen soveltaa sekä sähköstaattisesti että pietsosähköisesti aktuoitavissa resonaattoreissa.
Erityisen tärkeä on lämpötilakompensoitu neliömoodiresonaattori (square extensional, SE), joka voidaan helposti virittää käyttämällä pietsosähköistä kerrosta ja elektrodikerrosta saostettuna n-seostetun resonaattori elementin päälle. Kuten jäljempänä on esitetty, on havaittu, että SE-moodilla on lähellä nollaa oleva TCF (-1 ppm/°C). SE-moodi voidaan virittää myös sähköstaattisesti.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattori käsittää n-seostetun resonaattori elementin (TCF > 0) ja pietsosähköisen kerroksen (esimerkiksi A1N) ja elektrodikerroksen muodostaakseen pietsoaktivoitavan MEMS-resonaattorin. Pietsosähköisellä kerroksella ja elektrodikerroksella tiedetään olevan negatiivinen TCF. Resonaattorin kokonais-TCF on kuitenkin lähellä nollaa johtuen resonaattorielementin TCF:n ylikompensoinnista sellaisenaan. Tämä järjestely on erityisen sopiva lämpötilakompensoiduille SE-moodiresonaattoreille.
Viitaten kuvioon 5, Lamé-moodi voidaan myös virittää käyttäen pietsosähköistä aktuaattoria, esimerkiksi kuten dokumentissa FI 20105849 on esitelty, järjestämällä vähintään kaksi resonaattorielementtiä 50A, 50B sivusuuntaisesti suhteessa toisiinsa ryhmäksi sekä vähintään yksi pietsosähköinen muunninelementti 52 resonaattori elementtien 50A, 50B väliin ja kytkettynä resonaattorielementteihin. Muita levyresonaattorimoodeja, kuten face-shear-moodi tai viinilasimoodi, voidaan vastaavasti myös virittää esillä olevan keksinnön laajuudessa.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattori käsittää ryhmän ylikompensoituja (TCF > 0) resonaattorielementtejä 50A, 50B sekä alikompensoidun pietsosähköisen aktuaattorin 12 kytkettynä resonaattorielementteihin 50A, 50B. Resonaattorin kokonais-TCF on näin sen yksittäisten komponenttien TCF:ien välissä ja voidaan suunnitella olemaan lähellä nollaa.
Kuvion 5 esimerkissä on esitetty kahden levyn Lamé-resonaattoriryhmä. Kuitenkin, kuten laajasti käsitellään dokumentissa FI 20105849, jonka relevantti sisältö sisällytetään tässä viitteellä, ryhmä voi olla kaksiulotteinen ja käsittää useita resonaattorilevyjä ja pietsomuuntimia erilaisissa muodostelmissa.
Resonaattorin geometria
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattori elementti on palkki. Termi “palkki” (beam) yleisesti viittaa resonaattori elementteihin, joiden tasossa oleva sivusuhde (leveys vs. pituus) on vähintään 5. Tyypillisesti sivusuhde on vähintään 10.
Erään sovellutusmuodon mukaan resonaattorielementti on levy. Levy voi olla suorakulmainen. Se voi esimerkiksi olla neliölevy. Levy voi myös olla monikulmainen, pyöreä tai elliptinen. Levyn sivusuhde (mikä tahansa sivumitta vs. paksuus) on alle 5.
Riippuen halutusta resonanssimoodista ja lämpötilakompensoinnin tasosta resonaattorin kideorientaatiota vaihdellaan suhteessa sen sivujen orientaatioon, ankkurointipisteisiin ja/tai aktuointitapaan. Seuraavassa edullisia resonanssigeometrioita ja resonanssimoodeja käsitellään teoreettisesti optimaalisimmassa kideorientaatiossa, eli TCF:n maksimoivassa orientaatiossa. Kuitenkin, kuten myöhemmin käsitellään viitaten kuvioon 6, poikkeamista tästä optimaalisesta orientaatiosta voidaan hyödyntää TCF:n säätämiseksi.
Seuraava käsittely on jaettu kappaleisiin resonaattorielementin muodon mukaan. Ensin käsitellään oleellisesti kaksiulotteisen levyn käsittäviä resonaattoreita. Sitten käsitellään oleellisesti yksiulotteisia palkkiresonaattoreita. Lopuksi esitellään joitakin resonaattorien yleistyksiä, ja monimutkaisempia muotoja ja muunnelmia, jotka hyödyntävät keksintöä, käsitellään lyhyesti.
Resonaattoreiden ankkurointi voidaan toteuttaa missä tahansa sopivassa kohdassa, joka mahdollistaa halutun resonanssimoodin ilmestymisen resonaattorielementtiin. Tyypillisesti ankkureiden ei tarkoiteta merkittävästi kontribuoivan resonaattorielementin toimintaan eikä niitä pidetä resonaattorielementin osana. Kuitenkin, kuten jäljempänä käsitellään, on joitakin erityisiä malleja, joissa ankkurit on suunniteltu olemaan palkkeja, joilla on huomattava vaikutus resonanssiominaisuuksiin ja erityisesti resonaattorin TCF:ään. Tässä tapauksessa ankkurit ovat osa resonaattorielementtiä.
Levvresonaattorit
Leikkausmoodin levyresonaattorit
Neliöpiilevyyn, jossa kideorientaatio piikiekossa on (100) ja levyn sivut on suunnattu [100]-suuntien mukaan, viritetty Lamé-moodi on esimerkki puhtaasta leikkausmoodiresonaattorista, joka voi täysin hyödyntää n-seostusta. Tässä konfiguraatiossa Lamé-moodin resonanssitaajuus on verrannollinen termiin sqrt(cn-ci2).
Esimerkkinä levyn, jonka mitat (pituus x leveys x korkeus) ovat 320 pm * 320 pm * 10 pm, Lamé-moodimuoto on kuvattu kuviossa 7a. Lamé-moodi ilmestyy 10 MHz:ssä. Tämän perus-Lamé-moodimuodon lisäksi keksintö kattaa myös korkeamman kertaluvun Lamé-moodin muunnelmat. Ensimmäisen kertaluvun moodi muodostuu kahdesta diagonaalisesti etenevästä leikkausaallosta neliölevyssä Korkeamman asteen moodeissa tämä ehto täyttyy jokaisessa neliöalilevyssä, johon resonaattori näennäisesti jakautuu. Korkeamman kertaluvun Lamé-moodeja käsitellään laajemmin dokumentissa FI 20105849. Vastaavan luonteinen leikkausaalto viritetään levyresonaattoriin, jota on kierretty 45 astetta resonaattorin tasossa. Tätä moodia kutsutaan face-shear-moodiksi, ja se on lähes puhtaasti leikkausluonteinen. Face-shear-moodin moodimuoto näkyy kuviossa 7b. Resonanssitaajuus on 9 MHz.
Elementtimallisimulaatiot osoittavat, että kun levyä käännetään (lOO)-tasossa, moodi asteittain vaihtuu Lamé-moodista face-shear-moodiksi, ja resonanssitaajuutta samanaikaisesti lasketaan 10 MHz:stä 9 MHz:iin. Lineaarinen TCF eri n-seostusainekonsentraatioille voidaan laskea käyttäen FEM-simulaatioita ja jäykkyysmatriisin elementtien lämpötilaherkkyyksiä teoriasta.
Lamé-moodin TCF:n kehittyminen face-shear-moodin TCF:ksi, kun levyä kierretään (lOO)-tasossa, näkyy kuviossa 7c. 0/90 asteen tason sisäinen kiertokulma vastaa levyä, jonka sivut on jäljestetty [100]-suuntien kanssa: tässä orientaatiossa Lamé-moodi ilmenee. 45 asteen kiertokulmassa sivut on jäljestetty [110]-suuntien kanssa, ja face-shear-moodi ilmestyy. Välikulmilla tila asteittain muuttuu Lamé-moodista face-shear-moodiksi. (110)-tasossa voidaan havaita moodeja, jotka ovat samankaltaisia kuin yllä mainitut Lamé-/face-shear-moodit, mutta ne eivät ole yhtä puhtaita kuin (lOO)-tasossa niiden sqrt(cn-ci2)-riippuvuuden suhteen; niinpä viittaamme näihin pseudo-Lamé-moodina ja pseudo-face- shear-moodina seuraavassa. Tämä johtuu siitä, että (110)-taso on vähemmän symmetrinen kuin (lOO)-taso. 0/90 asteen tason sisäisellä kierrolla levyn yksi sivu asettuu [100]:n mukaan, kun taas toinen orientoituu [110] :n mukaan. Samaan tapaan 45 asteen tason sisäisellä kiertokulmalla diagonaalit orientoituvat [100]:n ja [110]:n mukaan. Kuviossa 7d näkyy TCF-arvot pseudo-Lamé-moodille (0/90 asteen tason sisäinen kierto), pseudo-face-shear-moodille (45 astetta) sekä ”sekoitus”moodit välikulmilla. TCF-arvot kuvioissa 7c ja 7d on laskettu FEM-simulaatiolla: resonanssitaajuuden herkkyys suhteessa elastisen matriisin elementteihin en, Cu ja C44 on erotettu moodisimulaatioista, ja lineaariset TCF-arvot on laskettu eri n-seostusainekonsentraatioilla käyttäen elastisen matriisin elementtien lämpötilaherkkyyksiä teoriasta (”VTT teor.” -nimetyt datapisteet). ”Bourgeois n matala”/”Bourgeois p matala” -nimetyt datapisteet ovat referenssikäyriä, jotka edustavat piitä suhteellisen heikolla n-/p-seostusainekonsentraatiolla (katso C. Bourgeois et ai., “Design of resonators for the determination of the temperaturecoefficients of elastic constants of monocrystalline silicon,”, Frequency Control Symposium, 1997, Proceedings of the 1997 IEEE International, 1997, 791-799) (vastaavat Si-ominaisvastukset ovat 4 Ohm*m ja 0,05 Ohm*m ”Bourgeois n matala”:lle ja ”Bourgeois p matala”:lle vastaavasti). +1.3 ppm/°C vakiokontribuutio lämpölaajenemisesta on oletettu kaikelle datalle (katso luvut ”Teoreettinen malli resonaattorin TCF:lle " ja "Teoreettinen malli jäykkyysmatriisin elementtien lämpötilaherkkyyksille”). Lasketun datan annettu kuvaus koskee mitä tahansa vastaavan tyyppisiä datakäyriä alla olevassa käsittelyssä, ellei toisin mainita. Kuvioissa 8a ja 8b ”teor. appr.” -nimetty viiva on laskelma ideaaliselle leikkausmoodille, jonka taajuus on verrannollinen termiin sqrt(cn-ci2); elastisen matriisin elementtien lämpötilaherkkyyksiä teoriasta n-seostusaineen konsentraatiolla n=5*1019cm'3 on käytetty. Kokeellinen data näkyy kuviossa 7c selitteellä "VTT kokeellinen, n=5el9".
Seuraavia havaintoja voidaan tehdä datasta kuvioissa 7c ja 7d: - TCF simuloidulle Lamé-moodille vastaa “teor. appr.” -käyrää, mikä vahvistaa simulaation oikeellisuutta; Lamé-moodin resonanssitaajuuden muoto tunnetaan analyyttisesti, ja taajuus on verrannollinen termiin sqrt(cn-ci2). 19 3 - n-seostusaineen konsentraatiolla n=5* 10 cm' Lamé-moodi, face-shear-moodi ja moodit välikulmilla ovat ylikompensoituja siten, että TCF >~ +13 ppm/°C. n- seostusaineen konsentraatiolla n=2*1019 cm"3 sama pätee siten, että TCF >~ +6 ppm/°C. 19 3 - Konsentraatio, jolla TCF on nolla Lamé-moodille, on noin n = 1,2* 10 cm" . - Kokeellinen datavastaa hyvin simuloitua dataa. - (110)-tasossa kvasi-Lamé ja kvasi-face-shear-moodeilla sekä välikulmien moodeilla on yli nollan TCF, kun n=5*1019 cm'3 ja n=2*1019cm"3, vaikka johtuen symmetrian puutteesta (110)-tason sisällä moodit eivät ole puhtaita leikkausmoodeja. - Minkä tahansa moodeista TCF voidaan nollata valitsemalla konsentraatiotaso sopivasti arvolla n<2*1019cm"3. - Tyypillinen piin TCF, noin -30 ppm/°C, havaitaan suhteellisen alhaisella n- tai p-seostuksella.
Lamé-moodi on tärkeä, koska sen lämpötilaliikehdintää voidaan ylikompensoida hyvin toteuttamiskelpoisilla seostusainetasoilla. Kokeellisesti on osoitettu, että jopa+18 ppm/°C TCF voidaan saavuttaa tällaisessa resonaattorissa.
Keksintö ei rajoitu yksinkertaisiin neliölevy-Lamé-moodin levyresonaattoreihin, vaan myös monimutkaisia muunnelmia, jotka voidaan teoreettisesti jakaa alineliöihin, voidaan toteuttaa. Periaate on sama kuin se, jota käsitellään laajemmin suomalaisessa saman hakijan patenttihakemuksessa nro 20105849.
Neliömoodin (Square extensional, SE) levvresonaattorit SE-moodi viritettynä neliöpiilevyyn, jossa kideorientaatio piikiekossa on (100) ja levyn sivut on orientoitu [100]-suuntien mukaan, edustaa esimerkkiä laajenevan moodin resonaattorista, joka voi hyödyntää n-seostusta. SE-moodi 13 MHz:ssä on kuvattu kuviossa 8a samankaltaiselle levyresonaattorille, jollaista käsiteltiin edellisessä esimerkissä Lamé-tai face-shear-moodin resonaattorista.
Kuvio 8b kuvaa lasketut SE-moodin lämpötilakertoimet, kun levyresonaattoria kierretään (lOO)-tasossa. 0/90 asteen tason sisäinen kiertokulma vastaa sitä, että levyn sivut on suunnattu [100]-suuntien mukaan, ja 45 astetta vastaa sivujen asettamista [110]:n mukaan.
Havainnot ovat: - TCF saavuttaa suurimman arvonsa levylle, jonka sivut on asetettu [100]-suuntien mukaan. - Kokeellinen data täsmää melko hyvin simuloituun dataan. Noin -1 ppm/°C:n havaittu poikkeama kokeen ja simulaation välillä voidaan lukea kulma-ankkureiden aiheuttamaksi. (Järjestelmän hienosäätöä ankkureilla tai keskireiällä resonaattorielementissä käsitellään myöhemmin.) - Jälleen matalalla p- tai n-seostustasolla saadaan aikaan tyypillinen piin TCF, noin -30 ppm/°C. - “SE100”-otsikoitu piste kuviossa 19 osoittaa, että SE-moodi levyssä, jonka sivut on suunnattu [100]-suuntien mukaan, täyttää lämpötilakompensointikriteerin. Vastaavanlainen levy suunnattuna [110] :n kanssa ei täytä kriteeriä.
Taipuvan moodin levyresonaattorit
Taipuvat satulamoodit, joita esiintyy neliön muotoisissa levyresonaattoreissa, ovat vahvasti C11-C12 -karakterisoituja moodeja, kun ne on suunnattu sopivasti kideakseliin nähden. Resonanssitilan satulapinnanmuoto karakterisoi satulamoodeja, mistä seuraa kaksi toisiaan leikkaavaa solmulinjaa (sijaintijoukkoja, joissa ei ole poikkeamaa) läpi resonaattorirungon (enemmän satulamoodien käsittelyä, katso FI20105851). Kahden tyyppisiä satulamoodeja levyissä, joiden mitat (leveys * pituus * paksuus) ovat 320 pm * 320 pm * 10 pm, näkyy kuvioissa 9a ja 9b.
Simulaatioiden mukaan kuvion 9a satulamoodilla on maksimaalinen (yli nollan, olettaen riittävän korkean n-seostusaineen konsentraation (>l,2*1019/cm3)) TCF, kun - levy on valmistettu (lOO)-tasoon ja levyn sivut on suunnattu [100]-suuntiin, tai - levy on valmistettu (110)-tasoon ja levyn yksi sivu on suunnan [100] mukainen ja toinen sivu on suunnan [110] mukainen.
Kuvion 9b satulamoodilla on maksimaalinen (yli nollan) TCF, kun - levy on valmistettu (lOO)-tasoon ja levyn diagonaalit on suunnattu [100]-suuntiin, tai - levy on valmistettu (110)-tasoon ja diagonaalien yksi sivu on suunnan [100] mukainen ja toinen diagonaali on suunnan [110] mukainen.
Kuten dokumentissa FI20105851 on käsitelty tarkemmin, satulamoodit eivät rajoitu suorakulmaisiin levyihin, ja samanluonteisia moodeja on olemassa esim. kiekon muotoisissa levyissä.
Edellä käsiteltyjen satulamoodien lisäksi muitakin taipuvia (kaartuvia) resonanssimoodeja, joita voidaan lämpötilakompensoida n-seostuksella, voidaan virittää levyresonaattoriin. Näiden moodien voidaan karakterisoida olevan samankaltaisia moodeja kuin palkkiresonaattorin (käsitellään myöhemmin erillisessä osiossa) tasosta poikkeavat taipuvat moodit. Levyresonaattori voidaan kuvata palkiksi, jonka sivujen mitat (korkeus, leveys) ovat lähellä toisiaan tai samat.
Leveyttä laajenevat fwidth extensional) levyresonaattorit Käy ilmi, että kun neliölevyresonaattorin yhden sivun pituutta vaihdellaan, moodimuoto vaihtuu asteittain neliömoodista (kuvio 8a) leveysmoodiin (width extensional, WE) (kuvio 10a), 320*680*10 pm3 kokoisen resonaattorin leveysmoodi 12 MHz:ssä, missä tason sisäinen laajeneminen tapahtuu pienemmän sivun määrittämään suuntaan.
Mielenkiintoista kyllä, WE-moodi on herkempi lämpötilakompensoinnille n-seostuksella kuin SE-moodi. Kuviossa 10b näkyy simuloidut TCF:tresonanssimoodeille, jotka kehittyvät WE-moodista SE-moodiksi ja jälleen takaisin WE-moodiksi, kun resonaattorin yhtä sivua muutetaan 230 pm:stä 680 pm:iin ja toisen sivun pituus pidetään 320 pm:nä. SE-moodilla sivun pituudella 320 pm on matalin TCF, ja TCF kasvaa, kun sivun pituuksien sivusuhde erkanee arvosta 1. Kuvaaja antaa ymmärtää, että WE-moodia voidaan lämpötilakompensoida n-seostusaineen konsentraatiolla noin 2,3*1019 cm'3, kun sivujen suhde on yli 2:1.
Palkkiresonaattorit
Palkkiresonaattorin laajenevan/taipuvan resonanssin taajuuden vs. elastisen matriisin elementtien välisen suhteen approksimaatio
Youngin moduuli materiaalin elementin yksiulotteiselle venymiselle/kutistumiselle saadaan kaavasta Y1D = T/S, missä T on rasitus venyvään/kutistuvaan suuntaan ja S on siihen liittyvä kuormitus. Oletamme, että mitään rasituksia ei kohdistu materiaali elementtiin suunnissa, jotka ovat kohtisuoria T:hen. Jos oletamme, että materiaalilla on kuutiollinen kidesymmetria, rasituksen vs. kuormituksen suhde saadaan matriisiyhtälöstä [T]= [c][S], missä [T] ja [S] ovat 6x1 rasitus- ja kuormitusmatriisit vastaavasti, ja [c] on 6x6 elastinen matriisi, jolla on kolme itsenäistä elementtiä Cu, Cu ja C44. Kun ratkaistaan Y1D venytykselle [100]-kideakselien suuntaan, saadaan tulokseksi Y1D = Cll-2*Cl22/(Cll+Cl2)2
Palkin taivutusjäykkyys ja laajenemisjäykkyys ovat verrannollisia YlD:hen. Siksi taipuvan (kaartuvan) resonanssimoodin tai laajenevan resonanssimoodin resonanssitaajuus on verrannollinen termiin sqrt(YlD). "YlD"-nimetty piste kuviossa 19 osoittaa, että laajenevat/taipuvat resonanssimoodit kuuluvat sellaisten resonanssimoodien luokkaan, joita voidaan lämpötilakompensoida n-seostuksella. Kuviossa 6 näkyy YlD:stä lasketun lineaarisen TCF:n arvo kaikilla mahdollisilla kuutiokiteen kideorientaatioilla. Laskelma perustuu teoriaan, ja n-seostuksen konsentraatio n=5*1019cm'3 on oletettu. TCF maksimoituu [100]-suuntia pitkin. Tämä approksimatiivinen tulos antaa ymmärtää, että palkin taipuvaa tai laajenevaa resonanssia voidaan lämpötilakompensoida, kun palkki on orientoitu [100]-suunnan mukaan tai ei merkittävästi poikkea [100]-suunnasta. Simuloidut esimerkit jäljempänä tarjoavat lisätodisteita tästä.
Torsiopalkkeja, joilla on suorakulmaisia poikkileikkauksia, käsitellään tarkemmin jäljempänä. Keksintö voidaan kuitenkin yleistää palkkeihin, joilla on ei-suorakulmaisia poikkileikkauksia (esim. ympyrä tai ellipsi) Ja jopa palkkeihin Joiden poikkileikkaus vaihtelee palkin pituudelta (esim. kaventuva palkki).
Laajenevien moodien palkkiresonaattorit
Palkin muotoisella rungolla on pituuslaajeneva resonanssi, missä resonanssia karakterisoi resonaattorin supistuminen/laajeneminen. Resonanssitaajuus saadaan likimain yhtälöstä f=sqrt(YlD/p)/2L, missä Y1D on Youngin moduuli edellä määritellylle venytykselle ID, p on resonaattorin tiheys ja L on resonaattorin pituus. Kuten yllä on annettu ymmärtää, resonanssia voidaan lämpötilakompensoida n-seostuksella, kun resonaattorin pituusdimensio on suunnattu [100]-kidesuunnan mukaan (tai kun poikkeama [100]-suunnasta on pieni). Resonaattori voidaan valmistaa mille hyvänsä kiekkotasolle.
Esimerkki palkkiresonaattorin laajenevasta resonanssimoodista näkyy kuviossa 11a. Palkin mitat (pituus x leveys x korkeus) ovat 320 pm * 5 pm * 10 pm.
Kuviot 1 Ib ja 11c (katso selite kuviossa 11c) kuvaavat, kuinka lineaarinen TCF muuttuu, kun kuvion 11a palkkiresonaattoria kierretään tasossa (100) tai tasossa (110). (lOO)-tasolle (kuvio 1 Ib) tason sisäiset kiertokulmat 0 tai 90 vastaavat palkin olemista suunnattuna [100]-suunnan mukaan, kun taas 45 astetta vastaa suuntaamista [110]:n mukaan. (110)-tasolle (kuvio 11c) tason sisäinen kiertokulma 0 vastaa suuntaamista [100]:n mukaan ja 90 astetta vastaa suuntaamista [110] :n mukaan, ”teor. appr.” -nimetty käyrä on YlD:hen perustuva laskelma teoriasta poimittujen elastisen matriisin elementtien lämpötilaherkkyyksien kanssa n-seostusaineen konsentraatiolla n=5*10 cm' . Kaikki muu nimetty data on, kuten Lamé-/face-shear-moodeihin liittyvässä käsittelyssä edellä on kuvattu.
Voidaan tehdä seuraavat havainnot: - Seostusaineen konsentraatiolle n=5*1019 cm'3 resonaattorit Jotka on suunnattu [100]-suunnan mukaan, ovat ylikompensoituja, TCF >10 ppm/°C. - Seostusaineen konsentraatiolle n=5*1019 cm'3 TCF nollautuu likimain 20 asteen poikkeamalla [100]:sta. - Optimaaliselle suunnalle lähellä nollaa oleva TCF saavutetaan likimain konsentraatiolla n=l,6*1019 cm'3. - YlD:hen perustuva approksimaatio ja simuloitu data täsmäävät hyvin toistensa kanssa. - Tyypillinen piin TCF, noin -30 ppm/°C, saadaan suhteellisen matalalla n- tai p-seostuksella.
Ensimmäisen kertaluvun pituusmoodin, joka on kuvattu kuviossa 11a, lisäksi korkeamman kertaluvun pituusmoodeja voidaan lämpötilakompensoida samanlaiseen tapaan. Kuvio 12a kuvaa samalle resonaattorille, kuin yllä on käsitelty, kolmannen kertaluvun laajenevan moodin moodimuodon. Yhden keskellä olevan solmupisteen sijaan resonanssimoodilla on kolme solmupistettä sen pituusakselin varrella.
Kuviot 12b ja 12c kuvaavat lasketut lämpötilakertoimet kolmannen kertaluvun pituusmoodille. Havainnot ovat oleellisesti samanlaisia kuin ensimmäisen kertaluvun pituusmoodille.
Taipuvan moodin palkkiresonaattorit
Samankaltainen palkki, johon edellä on viitattu pituusmoodien yhteydessä, voidaan virittää myös taipuvaan moodiin (sisältäen tason sisäisen ja tasosta poikkeavan taipumisen). Taipuvan moodin resonanssi on verrannollinen termiin sqrt(YlD), ja siksi sitä voidaan lämpötilakompensoida n-seostuksella, kun se on suunnattu [100]-kidesuunnan mukaan samaan tapaan kuin edellä käsitelty pituuslaajeneva resonaattori.
Kuvio 13a kuvaa edellisistä esimerkeistä tutun palkkiresonaattorin alimman kertaluvun tason sisäisen taipuvan resonanssimoodin.
Kuviot 13b ja 13c kuvaavat laskettuja lämpötilakertoimia ensimmäisen kertaluvun tason sisäiselle taipuvalle moodille. Tulokset ovat hyvin samanlaisia, kuin mitä ne olivat pituuslaaj enevalle resonanssimoodille.
Kuviossa 13a kuvatun ensimmäisen kertaluvun taipuvan moodin lisäksi myös korkeamman kertaluvun moodeja voidaan käyttää. Esimerkkinä tällaisesta moodista kuviossa 14a näkyy kuvaus korkeamman kertaluvun tasosta poikkeavasta taipuvasta moodista. Resonaattorin mitat ovat jälleen samat kuin edellisissä esimerkeissä.
Kuviot 14b ja 14c kuvaavat laskettuja lämpötilakertoimia tälle korkeamman kertaluvun tasosta poikkeavalle taipuvalle moodille. Lämpötilakompensointi näyttäisi toimivan samaan tapaan kuin yllä olevissa esimerkeissä. Voidaan huomata, että kontribuutio resonanssitaajuuteen muista kuin (cn-cu) -termeistä kasvaa hieman korkeamman kertaluvun moodille, kun verrataan edellisiin esimerkkeihin, ja siksi esim. suurin mahdollinen ylikompensointi arvolla n=5*1019 cm'3 on vähän pienempi. Samasta syystä pienin n-seostusaineen konsentraatio, jolla TCF voidaan nollata, on matalampi: simulaation mukaan tämä alempi raja on likimain n=l,8*1019 cm'3.
Torsiomoodin palkkiresonaattorit
Kuviossa 15a näkyy ensimmäisen kertaluvun torsioresonanssin moodimuoto palkille, jonka mitat (pituus * leveys * korkeus) ovat 320 pm * 40 pm * 10 pm. Torsioakselin määrittää palkin pituusdimensio. Torsioresonanssi on vahvasti riippuvainen termistä (cn-C12), kun torsioakseli on suunnattu [110]-akselin mukaan ja suurempi palkin poikkileikkausmitoista on myös suunnattu [110]:n mukaan (tämä sitoo pienemmän poikkileikkausmitan suunnatuksi [100]:n mukaan).
Ehdot torsiopalkin poikkileikkauksen sivusuhteelle ja tarvittavalle n-seostuksen konsentraatiolle määrittyvät tarkemmin simulaatiotuloksissa, jotka on esitetty kuvioissa 15b, 15c ja 15d, missä ensimmäisen kertaluvun torsiomoodin TCF:ää eri n-seostusaineen konsentraatiotasoilla on simuloitu palkin paksuuden funktiona (palkin pituus ja leveys ovat identtisiä kuvioon 15a nähden).
Kuviossa 15b näkyy simulaatiotulos palkille, joka on valmistettu 110-tasolle siten, että sen pituus on [110]-suunnan mukainen.
Kuviossa 15c näkyy simulaatiotulos palkille, joka on valmistettu 100-tasolle siten, että sen pituus on [110]-suunnan mukainen.
Kuviossa 15d näkyy simulaatiotulos palkille, joka on valmistettu 110-tasolle siten, että sen pituus on sen suunnan mukainen, joka saadaan kiertämällä palkkia tason sisällä 35 astetta [110]-suunnasta kohtia [100]:aa.
Havainnot ovat: - Kuvioissa 15b ja 15c näkyvissä tapauksissa TCF O saavutetaan n-seostusaineen konsentraatiolla n=5*1019 cm'3 likimain 40 mikronin paksuudella, mikä on tapaus, jossa palkin paksuus on yhtä suuri kuin palkin leveys. Niinpä lämpötilakompensointi on mahdollista - palkille, joka on valmistettu (lOO)-tasoon ja jonka pituus on [110]-suunnan mukainen ja jonka leveys on suurempi kuin tai likimain yhtä suuri kuin korkeus (paksuus) - palkille, joka on valmistettu (110)-tasoon ja jonka pituus on [110]-suunnan mukainen ja jonka korkeus (paksuus) on suurempi kuin tai likimain yhtä suuri kuin leveys. - Kuviot 15b ja 15c osoittavat, että matalin n-seostusaineen konsentraatio, jolla lämpötilakompensointi on vielä mahdollinen (äärimmäisillä poikkileikkauksen sivusuhteilla) on likimain n=l,3*1019 cm'3. - Kuviossa 15d näkyy, että palkille, joka on valmistettu (110)-tasoon, on olemassa välikulma, jolla TCF-riippuvuus palkin poikkileikkauksen sivusuhteesta minimoituu. Tämä suunta näyttää olevan 20-50 astetta, erityisesti lähellä 35 astetta kallistusta [110]-suunnasta kohti [100]:aa. TCF:n riippumattomuus poikkileikkauksen sivusuhteesta on edullista käytännössä, koska se tarjoaa kestävyyttä prosessin vaihteluita vastaan ja mahdollistaa suuremman vapauden laitteen suunnittelijalle (esim. laite voi sisältää useita torsiojousia, joilla on eri poikkileikkauksen sivusuhteet, ja kaikilla noilla jousilla on samanlainen vaikutus TCF:ään).
Simulaatiot tehtiin 5 asteen askelissa, ja tapaukset 30/40 asteen kallistuksella olivat huonompia kuin esitetty tapaus. Optimaalisen kallistussuunnan oletetaan esiintyvän 33 ja 37 asteen välillä. Mikä tärkeää, välikulmaa, joka tuottaisi samanlaisen sivusuhderiippumattomuuden, ei löydetä palkeille, jotka on valmistettu (lOO)-tasoon.
Kuviossa 15a kuvatun ja kuvioiden 15b-d yhteydessä käsitellyn ensimmäisen kertaluvun torsiomoodin lisäksi korkeamman kertaluvun torsiomoodien TCF-käyttäytyminen on samanluonteista, ja niitä voidaan myös käyttää.
Yleistyksiä ia muunnelmia
Yllä mainittuja periaatteita ja resonaattorirakenteita voidaan soveltaa erilaisin tavoin, jotta saataisiin aikaan monimutkaisempia resonaattorikokonaisuuksia. Niinpä resonaattorin muoto voidaan suunnitella vastaamaan tietyn sovelluksen tarpeita, ja lämpötilakompensointi voidaan silti säätää toivotulle tasolle. Esimerkiksi lisää massakuormituselementtejä voidaan tuoda levy- tai palkkiresonaattoreihin säätämään resonaattorin resonanssitaajuutta. Taipuvan moodin massakuormitettuja resonaattoreita itsessään käsitellään laajemmin saman hakijan suomalaisessa patenttihakemuksessa nro 20105851.
Mitä tahansa yhdistelmäresonaattoria, joka voidaan jakaa massaelementt(e)i(h)in ja jouseen/jousiin, voidaan lämpötilakompensoida n-seostuksella, kun resonanssimoodi on sellainen, että vähintään osa jousista - kokee laajenemista tai kaartumista (taipumista), ja samaan aikaan jouset ja niiden orientaatio suhteessa kiteeseen täyttävät edellä laajenevan/taipuvan moodin palkkiresonaattorien yhteydessä esitetyt ehdot. - kokee vääntöä (torsion), j a samaan aikaa j ousi/j ouset j a sen/niiden mitat täyttävät edellä torsiomoodin palkkiresonaattorien yhteydessä esitetyt ehdot.
Tulee huomata, että yhdistelmäresonaattori voi sisältää useita jousia, ja yksittäiset jouset voivat itsenäisesti kokea laajenemista, kaartumista tai vääntöä (torsion).
Kuviossa 16 näkyy yksinkertainen esimerkillinen yhdistelmäresonaattorimalli, joka voidaan jakaa jouseen ja massaan. Tällä systeemillä on resonanssimoodeja, joissa jousi kokee laajenevaa, taipuvaa tai torsiovärähtelyä, ja siksi näitä resonanssitiloja voidaan lämpötilakompensoida n-seostuksella, kun jousen suuntaaminen kiteen ja jousen mitoituksen kanssa valitaan oikein: laajeneville/taipuville moodeille riittävä ehto (olettaen oikean seostustason) on, että palkin pääakseli on orientoitu [100]-kidesuunnan mukaan, ja torsiomoodeille orientaatioehdot ovat tiukemmat, kuten yllä on käsitelty. Käsittely 1 uvussa Leikkein s m oodin levyresonaattorit rajoittui (pseudo-)Lamé-moodeihin ja (pseudo-)face-shear-moodeihin neliölevyresonaattoreissa. Kuten ammattitaitoinen henkilö ymmärtää, resonaattorirungon ei tarvitse olla neliön muotoinen kyetäkseen resonoimaan leikkausmoodissa, jonka taajuus olisi (cn-cn) -karakterisoitu. Esimerkiksi niin kutsuttu pyöreän resonaattorilevyn viinilasiresonanssimoodi on (cn-cn) -karakterisoitu leikkausmoodi, jota voidaan lämpötilakompensoida. Vielä lisäksi, muodon poikkeamisen salliminen täydellisestä neliön tai kiekon muodosta asymmetrisempiin muotoihin asteittain muuttaa vahvasti (cn-cn) -karakterisoidut leikkausmoodit moodeiksi, joilla on heikompi (C11-C12) -riippuvuus, jota kuitenkin johtuen ylikompensointikyvystä n-seostuksella voidaan silti lämpötilakompensoida sopivalla n-seostusaineen konsentraatiolla.
Yleisesti ottaen, vaikka tällaiset modifikaatiot voivat tuoda epäideaalisuuksia systeemiin ja vähentää resonaattorielementin n-seostuksen lämpötilakompensointivaikutusta suhteessa yksinkertaisiin muotoihin, haluttu kompensointitaso voi silti hyvin olla saavutettavissa johtuen ylikompensointikyvystä n-seostuksella. n-seostettuien resonaattorien optimointi ia käytännön sovellukset
Kuten on ilmeistä edellä olevasta käsittelystä, monia resonaattorimalleja voidaan ylikompensoida keksinnön avulla. Tämä tosiseikka osoittaa, että on jonkin verran ”löysää” käytettäväksi, kun optimoidaan resonaattorin kokonaissuorituskykyä. Tavoite on tyypillisesti saada kokonaislämpötilakompensointi lähelle nollaa. Tämä voitaisiin saavuttaa esimerkiksi optimoimalla taajuus vs. lämpötila -käyttäytymistä: - Säätämällä n-seostusaineen seostuskonsentraatiota sopivasti. - Sisällyttämällä lisää seostusaineita, tyypillisesti yhteismäärältään alle 50 %, erityisesti 1-49 %, tyypillisesti alle 30 %, kaikkien seostusaineatomien määrästä. Lisäseostusaineet voivat olla n- tai p-tyyppiä tai molempia. - Valitsemalla resonaattorielementin kulma suhteessa piikiteeseen sopivasti. Mikä tahansa poikkeama optimaalisesta kulmasta saa TCF:n putoamaan. Niinpä poikkeuttamalla ylikompensoituja resonaattoreita optimaalisen suunnan akselista (tyypillisesti kiertämällä resonaattoria lateraalisessa tasossa) TCF:ää voidaan säätää halutulle tasolle. Kiertokulma voi olla esim. ± l°-30°. - Järjestämällä resonaattorirakenteeseen lisää osia, vaihtoehtoisesti negatiivisilla TCF:illä. Näin resonaattorin kokonais-TCF voitaisi säätää nollaan sopivalla materiaalivalikoimalla ja resonaattorimallilla. Lisäosat voivat käsittää esimerkiksi lisää massaelementtejä, jotka ovat osa resonaattori elementtiä, tai ankkureita tai muunninelementtejä, joita ei yleisesti pidetä resonaattorielementin osina. Pietsoaktuoitu SE-resonaattori ja Lamé-resonaattoriryhmä, jotka kuvataan tarkemmin jäljempänä, ovat esimerkkejä tällaisista malleista.
Erityispiirteitä
Kuten aikaisemmassa patenttihakemuksessamme PCT/FI2010/050935 on käsitelty, BAW-resonaattorien valmi stustoleranssien vaikutusta voidaan minimoida jäljestämällä vähintään yksi tyhjä tila resonaattori elementtiin. FEM-simulaatioissa on havaittu, että keskellä oleva tyhjä tila järjestettynä n-seostettuun resonaattoriin voi kasvattaa resonaattorin TCF:ää. Esimerkiksi SE-moodin neliölevyresonaattorin, jonka mitat ovat 320 x 320 x 10 pm3, tapauksessa havaittiin yli +2 ppm/°C kasvu TCF:ssä, kun levyn keskelle luotiin 100 mikrometriä halkaisijaltaan oleva keskellä oleva tyhjä tila (olettaen n-seostusaineen tiheydeksi 5*1019 cm'3). Samanlaista käyttäytymistä voidaan odottaa myös muilta moodeilta. Tämän seurauksena, keksinnön erään näkökulman mukaan, n-seostettu resonaattorielementti käsittää vähintään yhden tyhjän tilan, tyypillisesti syvennyksen tai läpi menevän reiän muodossa resonaattorielementissä. Edullisesti tyhjä tila on suljetun silmukan muodostavan syvänteen muodossa. Tyypillisesti tyhjä tila järjestetään keskelle resonaattori elementtiä, mutta se voi myös sijaita epäkeskisessä paikassa, tai voi olla ryhmä symmetrisesti tai epäsymmetrisesti järjestettyjä tyhjiä tiloja.
Keksinnön erään toisen näkökulman mukaan resonaattorilevyn ankkurit on suunniteltu palkeiksi, joilla on huomattava vaikutus resonaattorin lämpötilakompensointiominaisuuksiin. Tässä yhteydessä termi ”huomattava vaikutus” tarkoittaa, että ne vaikuttavat resonaattorin TCF:ään vähintään 2 ppm/°C.
Vielä erään muun näkökulman mukaan resonaattorilaite käsittää vähintään kaksi erillistä resonaattori elementtiä, joilla on TCF-ero, edullisesti suuruusluokkaa 30-50 ppm/°C. Vähintään toinen tai molemmat resonaattorielementeistä voi olla n-seostettu. Erään edullisen sovellutusmuodon mukaan molemmat resonaattorielementit on n-seostettu, tyypillisesti samalla konsentraatiolla, mutta niiden kideorientaatiot eroavat 45°. Voisi esimerkiksi olla kaksi Lamé-resonaattoria, joista yhden TCF on -30 ppm/°C ja toisen TCF on +18 ppm/°C. Molempien kahden resonaattori elementin mittausta voidaan käyttää lämpötilakompensointiin hyödyntäen TCF-eroa. Tämän kaltainen menetelmä kuvataan tarkemmin dokumentissa US 7145402.
Teoreettinen malli resonaattorin TCF:lle
Resonaattorin taajuus saadaan yleisessä muodossa yhtälöstä
missä c on materiaalin yleinen jäykkyys (joka huomioi resonanssimoodin, resonaattorin muodon ja sen orientaation suhteessa kiteeseen), p on materiaalin tiheys jaL on resonaattorin yleinen mitta.
Kun lämpötila muuttuu, resonanssitaajuus muuttuu johtuen muutoksesta materiaalin parametreissä ja resonaattorin mitoissa. Resonanssitaajuuden lämpötilakerroin
riippuu materiaalin parametreista seuraavalla tavalla:
missä a on lämpölaajenemisen lineaarinen kerroin, joka huomioi resonaattorin pidentymisen, ja akustisen nopeuden TC on
mikä j ohtaa yhtälöön
Yleensä selvästi dominoiva vaikutus on ensimmäisellä termillä, eli jäykkyyden lämpötilakertoimella TCc, kun taas lämpölaajenemisen vaikutus on paljon pienempi. Jos resonoivan materiaalin 7Uc:tä kykenee muuttamaan tarpeeksi voimakkaasti, lämpötilavakaita resonaattoreita voidaan toteuttaa. Seuraava mallin kokeellinen todentaminen osoittaa, että piin raskaalla n-seostuksella tämä voidaan saavuttaa.
Teoreettinen malli iävkkvvsmatriisin elementtien lämpötilaherkkyyksille
Kirjoittajat ovat teoreettisesti mallintaneet vapaiden elektronien kontribuution piin elastisiin vakioihin käyttäen Keyesin monilaaksolähestymistapaa (R.W. Keyes, Solid State Physics, Voi. 20, 1967). Malli sisältää yhden sovitusparametrin, muodonmuutospotentiaalin. Muodonmuutospotentiaaliparametri sovitettiin dataan, jonka on julkaissut Hall ("Electronic Effect in the Elastic Constants of n-Type Silicon", Physical Review, Vol. 161 (2), 756-761, 1967), käyttäen datapisteitä lämpötila-alueella T = 100 ... 308 K.
Kuvioissa 17a-c näkyy elastisen matriisin parametrien lämpötilaherkkyydet n-seostusaineen tasolle n = 0,5*1019 cm'3 ... 10*1019 cm'3 (dcy/dT-yksiköt ovat Pa/C). Koska monilaaksoteoria n-seostusaineille ennustaa, että elastisen matriisin termin C44 herkkyys säilyy muuttumattomana, Hallin keräämää dataa käytettiin estimoimaan C44:n lämpötilaherkkyys. Cndle ja ciiJle lämpötilaherkkyydet saatiin tästä teoriasta.
Teorian ennusteiden havaittiin täsmäävän kokeelliseen dataan melko hyvällä tasolla (katso kokeellinen osio jäljempänä). Kun TCF:t on laskettu käyttäen teorian tuloksia, on aina oletettu, että lämpölaajenemiskerroin on normaalille (ei-seostetulle tai heikosti seostetulle) piille, eli a = 2,6 ppm/°C yleisessä TCF-teoriassa yllä.
Cn-Ci 7-karakterisoituien moodien määritelmä
Ilmaisuja “tietyn resonanssimoodin taajuutta karakterisoivat tai hallitsevat matriisielementtitermit (cn-c^)” tai ”enimmäkseen riippuvainen termistä C11-C12” selvennetään seuraavassa.
Edellä esitetty teoreettinen malli kykenee ennustamaan elastisen vakion lämpötilaherkkyydet dcij/dT n-seostusaineen konsentraation funktiona. Resonaattorin lämpötilariippuvuuden minimoimiseksi olisi toivottavaa, että vakion lämpötilaherkkyys olisi nolla jollakin seostusaineen konsentraatiotasolla. Näin ei näytä käyvän vakioille Cu, C12 ja C44, mutta tutkiessa termien en ja C12 erotusta näemme, että herkkyys d(cn-ci2)/dT on nolla suunnilleen seostusaineen konsentraatiolla n=l,2*1019 cm'3, katso kuvio 18. Tämä tulos antaa ymmärtää, että on mahdollista lämpötilakompensoida resonaattoria, jos resonaattorin muoto, sen orientaatio suhteessa kiteeseen ja kyseessä oleva resonanssimoodi ovat sellaisia, että yleinen jäykkyys (katso luku Teoreettinen malli resonaattorin TCF:lle) c on verrannollinen termiin C11-C12. Tällainen moodi on esimerkiksi levyresonaattorin Lamé-moodi.
Sillä, että “c on verrannollinen termiin C11-C12”, tarkoitetaan seuraavaa: oletetaan, että yleinen jäykkyys c voidaan ilmaista lineaarisena polynomina
missä F, Q' ja R' ovat vakioita. Polynomi voidaan muuttaa muotoon
missä saamamme uusi vakio on Q=Q'+P.
Sillä, että “yleinen jäykkyys c on verrannollinen termiin C11-C12”, tarkoitetaan, että vakio P poikkeaa nollasta ja että Q=R=0. Lämpötilan kompensointiominaisuutta voidaan kuitenkin soveltaa laajempaa luokkaan resonaattoreita kuin vain niihin, joille edellä käsitelty tiukka ehto toteutuu. Kuten kuviossa 18 näkyy, herkkyys d(cn-ci2)/dT saavuttaa positiivisia arvoja yli n=l,2*1019 cm'3 konsentraatioilla. Samaan aikaan dc^/dT ja dc44/dT pysyvät negatiivisina (katso luku Teoreettinen malli resonaattorin TCF:lle). Siksi on mahdollista lämpötilakompensoida resonanssimoodia, jonka yleisen jäykkyyden c yhtälöllä on nollasta poikkeavat Q- ja R-tekijät: positiivisen vaikutuksen termistä d(cn-ci2)/dT kumoaa kontribuutio(t) termeistä dc^/dT ja/tai dc44/dT resonaattorille, jolla on sopiva moodi ja orientaatio kiteen kanssa sekä optimaalinen n-seostusaineen konsentraatio. Tällaisia ”epäpuhtaita” (cn-cn) -moodeja ovat esim. palkkiresonaattorin taipuvat ja laajenevat resonanssimoodit. Yksityiskohtaisia esimerkkejä on esitetty muualla tässä dokumentissa.
Yleisesti ottaen resonanssimoodin yleisen jäykkyyden c ei tarvitse olla Cij-tekijöiden lineaarinen funktio - tyypillisesti epäpuhtaille leikkausmoodeille funktio ei ole lineaarinen (katso Palkkiresonaattorin laajenevan/taipuvan resonanssin taajuuden vs. elastisen matriisin elementtien välisen suhteen approksimaatio). Koska jäykkyyden dcy/cij suhteelliset muutokset ovat aina pieniä tämän keksinnön yhteydessä, voidaan käyttää yleisen jäykkyyden lineaarista laajennusta (lineaarinen laajennus tehdään pisteessä [en, C12, C44] = [166, 64, 80] GPa, joka edustaa tavallisen (oleellisesti ei-seostetun) piin jäykkyystermejä, voidaan käyttää, koska seostus ei suuresti vaikuta piin jäykkyyden absoluuttiseen arvoon). Polynomiapproksimaatio yleisen jäykkyyden muutokselle dc voidaan kirjoittaa muodossa
Resonaattorin taajuus on verrannollinen termiin sqrt(c) (katso Teoreettinen malli resonaattorin TCF:lle). Johtuen suhteellisten muutosten dcy/cy sekä yleisen jäykkyyden dc/c pienestä kokoluokasta voimme linearisoida myös relaation taajuuden muutokselle, ja saamme
jolla on samaa polynomimuotoa oleva kerroin, kuin yllä on kuvattu. Lämpötilaherkkyyksien suhteen ilmaistessa relaatio luetaan
Moodilla, jota voidaan lämpötilakompensoida, on df/dT >= 0 jollakin n-seostusaineen konsentraatiotasolla. Ehto resonanssimoodille, jota voidaan lämpötilakompensoida, saadaan siten lineaarisesta epäyhtälöstä
Numeerinen estimaatti voidaan johtaa: kuviosta 18 löydämme maksimiarvon [d(cn-ci2)/dT]max = 3,5MPa/C, ja kuvioista 17b ja 17c löydetään seuraavat minimiarvot: [dci2/dT]min= -7,9MPa/C ja [dc44/dT]min= -4,4MPa/C. Määrittämällä x=Q/P ja y=R/P epäyhtälö saadaan muotoon
Olettaen 5 % virhemarginaali lasketuissa arvoissa (katso Teoreettinen malli resonaattorin TCF:lle) päädymme epäyhtälöön
Niinpä kaikki pisteet (Q/P, R/P), jotka jäävät suoran -l,8*x + 1 alle, edustavat moodeja, joita voidaan lämpötilakompensoida.
Yhteenvetona moodia voidaan lämpötilakompensoida n-seostuksella, kun sen linearisoidulla taajuuden muutoksella df (matriisin elementtien dcy muutosten funktiona), joka voidaan kirjoittaa muotoon
on kertoimet P, Q ja R, jotka toteuttavat epäyhtälön
Kuviossa 19 näkyy, missä eri sovellutusmuotojen yhteydessä käsitellyt moodit sijaitsevat (Q/P, R/P)-tasossa. Moodit, joita voidaan lämpötilakompensoida, kuuluvat varjostettuun alueeseen. Nimi "Y1D" viittaa approksimaatioon palkin taipuvalle/laajenevalle moodille, kun palkki on orientoitu [100]-suunnan mukaan (katso Palkkiresonaattorin laajenevan/taipuvan resonanssin taajuuden vs. elastisen matriisin elementtien välisen suhteen approksimaatio).
Kokeellinen todentaminen
Homogeenisen n-seostuksen vaikutus yksikidepii-MEMS-resonaattorin lämpötilakertoimiin on kokeellisesti testattu. Levyresonaattoreita valmistettiin SOI-kiekoille, joiden laitekerros n-seostettiin fosforilla konsentraatioon ~5 * 1019 cm'3. Laitteet karakterisoitiin lämpötila-alueella T = 40 ... 80°C, ja lämpötila vs. resonanssi taajuus -käyrät erotettiin.
Yhteensä neljä eri resonanssimoodia kahdessa eri resonaattori tyypissä karakterisoitiin. Testatut resonaattori tyypit olivat - levy resonaattori mitoilla (pituus x leveys x korkeus) 320 pm * 320 pm * 10 pm levyn sivujen ollessa suunnattuja [100]-suuntien mukaan, valmistettuna (100)-piiki ekolle, ja - samankaltainen resonaattori kuin yllä mutta 45 astetta kierrettynä tasossa, eli sivujen ollessa suunnattuja [110]-suuntien mukaan.
Molemmille resonaattorityypeille karakterisoitiin neliöresonanssimoodi sekä Lamé-resonanssimoodi.
Taajuus vs. lämpötila -data mittauksista näkyy kuvioissa 3a, 3b, 4a ja 4b, ja erotetut lineaariset TCF:t on esitetty yhteenvetona taulukossa 1 yhdessä teorian ennusteiden kanssa.
Taulukko 1
Tärkeimmät havainnot olivat: 1. [100]-suunnatun levyn Lamé-moodin havaittiin olevan ylikompensoitu lineaarisella TCF:llä ~ +18 ppm/°C. 2. [100]-suunnatun levyn SE-resonanssimoodilla oli lähellä nollaa oleva TCF -1 ppm/°C. 3. [110]-suunnatun levyn Lamé-moodin TCF muuttui hyvin vähän n-seostuksella. 4. Tässä esitetyn teorian ennusteet näyttävät pitävän hyvin yhtä kokeellisen datan kanssa.
Voidaan nähdä, että kuvaajat eivät ole täysin lineaarisia, vaan läsnä on havaittavissa oleva toisen kertaluvun termi (vakio ”b”). On oletettavaa, että käyrät voidaan linearisoida esim. käyttäen lisäseostusaineita piikiteessä.
Yllä oleva sovellutusmuotojen kuvaus, teoria ja kokeet sekä oheiset piirrokset ovat pelkästään havainnollistaviin tarkoituksiin, eikä niitä ole tarkoitettu rajoittamaan keksintöä, jonka laajuus on määritelty seuraavissa patenttivaatimuksissa. Patenttivaatimukset tulee tulkita niiden täydessä laajuudessa ottaen ekvivalenssi huomioon.

Claims (29)

1. Mikromekaaninen tilavuusaaltolaite, joka käsittää - värähtelevän tai poikkeutuvan elementin (16; 26) Joka on tehty piistä jolla on kideorientaatio ja joka käsittää n-tyypin seostusainettaja joka on oleellisesti homogeenisesti seostettu mainitulla n-tyypin seostusaineellaja - viritys- tai mittausvälineet (10, 12, 14; 20, 22, 24, 27), jotka on toiminnallisesti yhdistetty mainittuun värähtelevään tai poikkeutuvaan elementtiin (16; 26), tunnettu siitä, että värähtelevän tai poikkeutuvan elementin (16; 26) piikiderakenteen kideorientaatio poikkeaa vähemmän kuin 30° suunnasta, joka maksimoi laitteen lämpötilakertoimen.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että värähtelevä tai poikkeutuva elementti (16; 26) käsittää n-tyypin seostu sai netta vähintään l,0*1019cm'3, tyypillisesti vähintään 1,1 * 1019 cm'3 ja edullisesti vähintään 1,2* 1019 cm'3 keskimääräisellä konsentraatiolla.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että värähtelevän tai poikkeutuvan elementin (16; 26) vähimmäismitta on 5 μηι tai enemmän, erityisesti 7 μιη tai enemmän.
4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että - värähtelevä tai poikkeutuva elementti (16; 26) on resonaattori elementti, ja - viritys- tai mittausvälineet käsittävät muunninvälineen virittämään resonanssimoodi resonaattorielementtiin (16; 26).
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) on sovitettu resonoimaan leikkausmoodissa, kuten Lamé- tai face-shear-moodissa, ja n-tyypin seostusaineen konsentraatio on vähintään 1,1 * 1019 cm'3, edullisesti vähintään l,2*1019cm'3.
6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) on sovitettu resonoimaan neliömoodissa ja n-tyypin seostusaineen konsentraatio on vähintään 2*1019 cm'3.
7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) on sovitettu resonoimaan pituus- tai leveysmoodissa tai tason sisäisessä tai tasosta poikkeavassa taipuvassa moodissa ja n-tyypin seostusaineen konsentraatio on vähintään 1,6*1019 cm'3.
8. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että värähtelevän tai poikkeutuvan elementin (16; 26) seostusaine on fosforia, arseenia tai antimonia.
9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) on vapaa pn-rajapinnoista.
10. Jonkin patenttivaatimuksen 4-9 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että - resonaattori el ementti( 16; 26) käsittää rungon, j oka voidaan j akaa vähintään yhteen massaelementtiin (16; 26) ja vähintään yhteen jouseen, ja - resonaattorielementti (16; 26) on sovitettu resonoimaan resonanssimoodissa, jossa yksi tai useampi jousi kokee vääntöä (torsion).
11. Jonkin patenttivaatimuksen 4-9 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että - resonaattorielementti (16; 26) käsittää rungon, joka voidaan jakaa vähintään yhteen massaelementtiin ja vähintään yhteen jouseen, ja - resonaattorielementti on sovitettu resonoimaan resonanssimoodissa, jossa yksi tai useampi jousi kokee taipumista ja/tai laajenemista.
12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että jousen orientaatio on [100]-kidesuunnan mukainen.
13. Jonkin patenttivaatimuksen 4-12 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) on suunnattu piin kidematriisin mukaisesti siten, että resonaattori ilmentää resonanssimoodia, jonka taajuuskontribuutiosta korkeintaan 20% tulee muista elastisen matriisin termeistä kuin Cn-Ci2.
14. Jonkin patenttivaatimuksen 4-13 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattori elementti (16; 26) käsittää levyn, kuten neliölevyn.
15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattori elementti (16; 26) käsittää levyn, joka voidaan jakaa joukkoon samanlaisia alineliöitä.
16. Patenttivaatimuksen 14 tai 15 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattori elementti (16; 26) on sovitettu resonoimaan Lamé-resonanssimoodissa.
17. Patenttivaatimuksen 14 tai 15 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) on sovitettu resonoimaan neliöresonanssimoodissa (square extensional, SE).
18. Jonkin patenttivaatimuksen 14-17 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) käsittää suorakulmaisen levyn, joka on valmistettu piin (100)-ki ekolle siten, että levyn sivut yhtenevät resonaattori elementin piikiteen [100]-suuntien kanssa.
19. Jonkin patenttivaatimuksen 4-13 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että resonaattorielementti (16; 26) on palkki.
20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että palkki on valmistettu piin - (100)-kiekolle tai (110)-kiekolle siten, että palkin pääakseli on orientoitu piin [110]-suunnan mukaan, tai - (110)-kiekolle siten, että palkin pääakseli on sen suunnan mukainen, joka saadaan kiertämällä palkkia tasossa 20-50 astetta piin [110]-suunnasta kohti [100]-suuntaa, ja sovitettu resonoimaan torsiomoodissa.
21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että palkin pääakseli on orientoitu piin [100]-suunnan mukaan siten, että palkki sovitetaan resonoimaan laajenevassa tai taipuvassa moodissa.
22. Jonkin patenttivaatimuksen 4-21 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että piiresonaattorielementti käsittää n-tyypin seostusaineen lisäksi toisen seostusaineen, kuten p-tyypin tai toisen n-tyypin seostusaineen.
23. Jonkin patenttivaatimuksista 4-22 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että se käsittää ensimmäisen resonaattorielementin (16; 26) lisäksi vähintään yhden toisen resonaattori elementin, joka on mekaanisesti kytketty ensimmäiseen resonaattorielementtiin siten, että mainituilla ensimmäisellä ja toisella elementillä on eri kontribuutiot resonaattorin taajuuden kokonaislämpötilakertoimeen (TCF)
24. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että viritys- tai mittausvälineet käsittävät pietsosähköiset ohutkalvoviritysvälineet tai sähköstaattisen viritysvälineet.
25. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että laite on sovitettu aktuoitavaksi ilman bias-virtaa.
26. Mikromekaaninen tilavuusaaltolaite, joka käsittää - värähtelevän tai poikkeutuvan elementin (16; 26), joka on tehty piistä, joka käsittää n-tyypin seostusainetta, - viritys- tai mittausvälineet (10, 12, 14; 20, 22, 24, 27) toiminnallisesti kytkettynä mainittuun värähtelevään tai poikkeutuvaan elementtiin (16; 26), tunnettu siitä, että värähtelevä tai poikkeutuva pii-elementti (16; 26) on suunnattu suhteessa piin kiteeseen ja sovitettu resonoimaan resonanssimoodissa, jonka taajuuskontribuutiosta korkeintaan 20% tulee muista elastisen matriisin termeistä kuin cn-Cl2.
27. Patenttivaatimuksen 26 mukainen mikromekaaninen laite, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää jonkin patenttivaatimuksista 1-25 ominaisuudet.
28. Menetelmä mikromekaanisen tilavuusaaltolaitteen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että - otetaan piikiekko, jolla on kideorientaatio j a joka käsittää homogeenisesti n-seostetun laitekerroksen, - prosessoidaan piikiekkoa elementin (16; 26) muodostamiseksi n-seostetusta laitekerroksesta siten, että elementti (16; 26) kykenee poikkeutumaan tai värähtelemään ja sen kideorientaatio poikkeaa vähemmän kuin 30° suunnasta, joka maksimoi laitteen lämpötilakertoimen, - jäljestetään viritys- tai mittausvälineet (10, 12, 14; 20, 22, 24, 27), jotka on toiminnallisesti kytketty mainittuun elementtiin (16; 26), virittämään resonanssimoodi elementtiin tai havaitsemaan elementin (16; 26) resonanssi taajuutta tai poikkeutuman astetta.
29. Patenttivaatimuksen 28 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valmistetaan jonkin patenttivaatimuksista 1-27 mukainen laite. Patentkrav
FI20115151A 2011-02-17 2011-02-17 Uudet mikromekaaniset laitteet FI126586B (fi)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20115151A FI126586B (fi) 2011-02-17 2011-02-17 Uudet mikromekaaniset laitteet
CN201280009253.4A CN103444079B (zh) 2011-02-17 2012-02-17 微机械装置及制造微机械装置的方法
KR1020137024650A KR101724661B1 (ko) 2011-02-17 2012-02-17 신규한 마이크로메카닉 디바이스
JP2013553977A JP6109752B2 (ja) 2011-02-17 2012-02-17 新規な微小機械デバイス
PCT/FI2012/050157 WO2012110708A1 (en) 2011-02-17 2012-02-17 Novel micromechanical devices
US13/985,876 US9559660B2 (en) 2011-02-17 2012-02-17 Micromechanical devices comprising n-type doping agents
EP12747759.4A EP2676366B1 (en) 2011-02-17 2012-02-17 Novel micromechanical devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20115151A FI126586B (fi) 2011-02-17 2011-02-17 Uudet mikromekaaniset laitteet

Publications (4)

Publication Number Publication Date
FI20115151A0 FI20115151A0 (fi) 2011-02-17
FI20115151L FI20115151L (fi) 2012-08-18
FI20115151A FI20115151A (fi) 2012-08-18
FI126586B true FI126586B (fi) 2017-02-28

Family

ID=43629823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20115151A FI126586B (fi) 2011-02-17 2011-02-17 Uudet mikromekaaniset laitteet

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9559660B2 (fi)
EP (1) EP2676366B1 (fi)
JP (1) JP6109752B2 (fi)
KR (1) KR101724661B1 (fi)
CN (1) CN103444079B (fi)
FI (1) FI126586B (fi)
WO (1) WO2012110708A1 (fi)

Families Citing this family (30)

* 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
US8941191B2 (en) * 2010-07-30 2015-01-27 Cornell University Method of actuating an internally transduced pn-diode-based ultra high frequency micromechanical resonator
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
WO2014042020A2 (ja) 2012-09-13 2014-03-20 株式会社村田製作所 振動装置及びその製造方法
SG11201508861WA (en) 2013-05-13 2015-11-27 Murata Manufacturing Co Vibrating device
CN105379115B (zh) 2013-05-13 2017-10-13 株式会社村田制作所 振动装置
WO2014185280A1 (ja) 2013-05-13 2014-11-20 株式会社村田製作所 振動装置
US9412934B2 (en) * 2013-05-20 2016-08-09 Murata Manufacturing Co., Ltd. Microelectromechanical resonator
CN105229923B (zh) * 2013-05-20 2018-01-26 株式会社村田制作所 改进的微机电共振器
US9705470B1 (en) 2014-02-09 2017-07-11 Sitime Corporation Temperature-engineered MEMS resonator
US9712128B2 (en) 2014-02-09 2017-07-18 Sitime Corporation Microelectromechanical resonator
US11664781B2 (en) 2014-07-02 2023-05-30 Stathera Ip Holdings Inc. Methods and devices for microelectromechanical resonators
US11111135B2 (en) * 2014-07-02 2021-09-07 My01 Ip Holdings Inc. Methods and devices for microelectromechanical pressure sensors
EP3202036B1 (en) * 2014-10-03 2020-05-27 Teknologian Tutkimuskeskus VTT OY Temperature compensated beam resonator
CN107005224B (zh) * 2014-10-03 2021-06-15 芬兰国家技术研究中心股份公司 温度补偿板谐振器
WO2016051023A1 (en) 2014-10-03 2016-04-07 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Temperature compensated compound resonator
WO2016098868A1 (ja) * 2014-12-17 2016-06-23 株式会社村田製作所 圧電振動子及び圧電振動装置
WO2017168055A1 (en) 2016-04-01 2017-10-05 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Stabile micromechanical devices
JP6644355B2 (ja) * 2016-05-26 2020-02-12 株式会社村田製作所 共振子及び共振装置
FI127787B (fi) * 2016-07-01 2019-02-28 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Mikromekaaninen resonaattori
US10291203B2 (en) * 2016-07-12 2019-05-14 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric MEMS resonator with a high quality factor
US10676349B1 (en) 2016-08-12 2020-06-09 Sitime Corporation MEMS resonator
FI128032B (fi) 2017-09-05 2019-08-15 Tikitin Oy Uuniohjattu taajuusreferenssioskillaattori ja menetelmä sen valmistamiseksi
FI128208B (fi) * 2018-02-08 2019-12-31 Tikitin Oy Kytketty MEMS-resonaattori
FI128436B (fi) 2018-02-08 2020-05-15 Tikitin Oy MEMS-resonaattorijärjestely
FI131017B1 (fi) 2019-04-12 2024-08-02 Kyocera Tech Oy Mems-resonaattori
US10958235B2 (en) * 2019-08-21 2021-03-23 Murata Manufacturing Co., Ltd. Thickness mode resonator
US11448085B2 (en) 2019-11-11 2022-09-20 Raytheon Technologies Corporation Remote temperature measurement system for gas turbine engine
CN113285687B (zh) * 2021-03-05 2023-02-03 天津大学 温度补偿型薄膜体声波谐振器及其形成方法、电子设备

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4358745A (en) 1981-03-16 1982-11-09 International Business Machines Corporation Semiconductor surface acoustic wave device
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
US5815054A (en) * 1997-05-27 1998-09-29 Motorola Inc. Surface micromachined acoustic wave piezoelectric crystal with electrodes on raised ridges and in spaces therebetween
JP4193521B2 (ja) * 2002-03-20 2008-12-10 ソニー株式会社 燃料電池装置及び燃料電池の制御方法
US6707351B2 (en) * 2002-03-27 2004-03-16 Motorola, Inc. Tunable MEMS resonator and method for tuning
US6985051B2 (en) * 2002-12-17 2006-01-10 The Regents Of The University Of Michigan Micromechanical resonator device and method of making a micromechanical device
FR2854993B1 (fr) * 2003-05-15 2005-07-15 Suisse Electronique Microtech Resonateurs integres et base de temps incorporant de tels resonateurs
US7144750B2 (en) * 2003-06-12 2006-12-05 Dalsa Semiconductor Inc. Method of fabricating silicon-based MEMS devices
JP2007505543A (ja) 2003-09-10 2007-03-08 コニンクリユケ フィリップス エレクトロニクス エヌ．ブイ． 電気機械的トランスデューサおよび電気装置
US7068125B2 (en) * 2004-03-04 2006-06-27 Robert Bosch Gmbh Temperature controlled MEMS resonator and method for controlling resonator frequency
WO2006000611A1 (en) 2004-06-24 2006-01-05 Nokia Corporation Frequency synthesizer
EP1997225B1 (en) * 2006-03-09 2009-09-02 Nxp B.V. Mems resonator having at least one resonator mode shape
US7446619B2 (en) * 2006-06-14 2008-11-04 Sitime Corporation Temperature measurement system having a plurality of microelectromechanical resonators and method of operating same
US7564162B2 (en) * 2006-12-13 2009-07-21 Georgia Tech Research Corp. Process compensated micromechanical resonators
US7907035B2 (en) * 2007-12-18 2011-03-15 Robert Bosch Gmbh MEMS resonator array structure and method of operating and using same
JP2009190150A (ja) * 2008-02-18 2009-08-27 Sanyo Electric Co Ltd マイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法。
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
EP2302792B1 (en) 2009-09-22 2012-11-14 Nxp B.V. Resonator
US8513864B2 (en) * 2009-10-14 2013-08-20 Gavin Ho Micromechanical resonator with enlarged portion
FI20105851A (fi) 2010-08-13 2012-02-14 Valtion Teknillinen Mikromekaaninen resonaattori ja menetelmä sen valmistamiseksi
FI124453B (fi) 2010-08-13 2014-09-15 Valtion Teknillinen Mikromekaaninen resonaattorijärjestelmä ja menetelmä sen valmistamiseksi

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012110708A1 (en) 2012-08-23
FI20115151L (fi) 2012-08-18
FI20115151A0 (fi) 2011-02-17
KR101724661B1 (ko) 2017-04-18
EP2676366A4 (en) 2014-08-06
US9559660B2 (en) 2017-01-31
JP6109752B2 (ja) 2017-04-05
CN103444079B (zh) 2017-05-31
KR20140021571A (ko) 2014-02-20
EP2676366B1 (en) 2020-12-02
EP2676366A1 (en) 2013-12-25
CN103444079A (zh) 2013-12-11
JP2014507096A (ja) 2014-03-20
US20140077898A1 (en) 2014-03-20
FI20115151A (fi) 2012-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI126586B (fi) Uudet mikromekaaniset laitteet
US8558643B2 (en) Micromechanical device including N-type doping for providing temperature compensation and method of designing thereof
EP3202035B1 (en) Temperature compensated plate resonator
EP3202036B1 (en) Temperature compensated beam resonator
CN107408933B (zh) 温度补偿复合谐振器
JP7266077B2 (ja) マイクロメカニカル共振器
JP2019525526A (ja) 高ｑ値を有する圧電ｍｅｍｓ共振子
JP6195015B2 (ja) 改良された微小電気機械的共振器
FI129591B (fi) Mems-resonaattori korkealla hyvyysluvulla ja sen käyttö

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY

FG Patent granted

Ref document number: 126586

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B