本公開涉及微機電系統(tǒng)(mems)諧振器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、物聯(lián)網(wǎng)(iot)的出現(xiàn)已經(jīng)產(chǎn)生了在可穿戴設(shè)備、智能電話以及用于工業(yè)和消費者應(yīng)用的遠程感測中使用的無數(shù)基于傳感器的設(shè)備。定時參考在這些設(shè)備中是普遍存在的并且?guī)椭峁┯糜诟檿r間、使數(shù)字集成電路(ic)中的事件同步、以及處理信號的信號。高精度微機電系統(tǒng)(mems)諧振器對于這種高性能電子應(yīng)用可能是期望的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本公開的目的是實現(xiàn)改進的溫度補償mems設(shè)備，諸如諧振器。
2、根據(jù)本公開，提供了一種mems諧振器設(shè)備。mems諧振器設(shè)備包括：支撐結(jié)構(gòu)；復(fù)合本征模諧振器元件，該復(fù)合本征模諧振器元件包括至少兩個子區(qū)域，其中，孤立的至少兩個子區(qū)域中的每一個子區(qū)域被配置為與來自至少兩個本征模的集合的相應(yīng)本征模諧振并且具有相應(yīng)的n階頻率的溫度系數(shù)(tcfnk)，其中，至少兩個子區(qū)域包含第一子區(qū)域和第二子區(qū)域，其中，孤立的第一子區(qū)域被配置為與來自至少兩個本征模的集合的第一本征模諧振并且具有特定摻雜劑類型、特定摻雜濃度、相對于晶軸的第一取向和第一tcfnk，其中，孤立的第二子區(qū)域被配置為與來自至少兩個本征模的集合的第二本征模諧振并且具有特定摻雜劑類型、特定摻雜濃度、相對于晶軸的第二取向和第二tcfnk，并且其中，(i)第一tcfnk大于復(fù)合本征模諧振器元件的期望的第n階頻率的溫度系數(shù)(tcfn期望)并且第二tcfnk小于tcfn期望，或者(ii)第一tcfnk小于tcfn期望并且第二tcfnk大于tcfn期望；至少一個錨，該至少一個錨將復(fù)合本征模諧振器元件耦合到支撐結(jié)構(gòu)；至少一個驅(qū)動電極，用于致動復(fù)合本征模諧振器元件；以及至少一個感測電極，用于感測復(fù)合本征模諧振器元件。
3、根據(jù)本公開，提供了一種用于設(shè)計mems諧振器設(shè)備的方法。該方法包括：為復(fù)合本征模諧振器元件選擇期望的第n階頻率的溫度系數(shù)(tcfn期望)，其中，復(fù)合本征模諧振器元件包括至少兩個子區(qū)域，其中，至少兩個子區(qū)域中的每一個子區(qū)域被配置為與來自至少兩個本征模的集合中的相應(yīng)本征模諧振，并且被配置為具有相應(yīng)的n階頻率的溫度系數(shù)(tcfnk)；提供至少兩個子區(qū)域中的第一子區(qū)域，其中，孤立的第一子區(qū)域被配置為與來自至少兩個本征模的集合的第一本征模諧振，并且具有特定摻雜劑類型、特定摻雜濃度和相對于晶軸的第一取向，并且其中，第一子區(qū)域具有第一tcfnk；提供至少兩個子區(qū)域中的第二子區(qū)域，其中，孤立的第二子區(qū)域被配置為與來自至少兩個本征模的集合的第二本征模諧振，并且具有特定摻雜劑類型、特定摻雜濃度和相對于晶軸的第二取向，并且其中，第二子區(qū)域具有第二tcfnk；對于包括至少兩個子區(qū)域的復(fù)合本征模諧振器元件，確定(tcfn總)的n階頻率的溫度系數(shù)；以及調(diào)諧tcfn總使得其近似等于tcfn期望，其中調(diào)諧tcfn總包括改變第一或第二tcfnk中的至少一個，使得(i)第一tcfnk大于tcfn期望并且第二tcfnk小于tcfn期望或者(ii)第一tcfnk小于tcfn期望并且第二tcfnk大于tcfn期望。
1.一種mems諧振器設(shè)備，所述設(shè)備包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備是(i)電容式換能的或(ii)壓電式換能的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個子區(qū)域中的每一個子區(qū)域通過接觸區(qū)域連接到至少一個其他子區(qū)域，其中，所述接觸區(qū)域從最大位移振幅的點延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個子區(qū)域中的每一個子區(qū)域通過接觸區(qū)域連接到至少一個其他子區(qū)域，其中，所述接觸區(qū)域被最小化，使得由于所述至少兩個子區(qū)域的非理想耦合而導(dǎo)致的模態(tài)失真被最小化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述接觸區(qū)域進一步包括棒，并且其中所述棒的體積小于所述復(fù)合本征模諧振器元件的體積的5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個子區(qū)域進一步包括第三子區(qū)域，其中，所述孤立的第三子區(qū)域與所述第一本征模諧振并且具有所述特定摻雜劑類型、所述特定摻雜濃度、相對于所述晶軸的所述第一取向和所述第一tcfnk。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個子區(qū)域進一步包括第四子區(qū)域和第五子區(qū)域，其中，所述孤立的第四子區(qū)域和所述孤立的第五子區(qū)域兩者都與所述第一本征模諧振并且具有所述特定摻雜劑類型、所述特定摻雜濃度、相對于所述晶軸的所述第一取向和所述第一tcfnk。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個子區(qū)域進一步包括第六子區(qū)域、第七子區(qū)域、第八子區(qū)域和第九子區(qū)域，其中，所述孤立的第六子區(qū)域、所述孤立的第七子區(qū)域、所述孤立的第八子區(qū)域和所述孤立的第九子區(qū)域與所述第一本征模諧振并且具有所述特定摻雜劑類型、所述特定摻雜濃度、相對于所述晶軸的所述第一取向和所述第一tcfnk。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，與來自所述至少兩個本征模的集合的所述相應(yīng)本征模的孤立的所述相應(yīng)諧振頻率近似相等。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個本征模的集合包括選自由以下各項組成的組的兩個或更多個本征模(i)lamé本征模、(ii)面剪切本征模、(iii)方形延伸本征模、(iv)寬度延伸本征模、(v)長度延伸本征模、(vi)n階環(huán)本征模、(vii)呼吸本征模、(viii)酒杯本征模和(ix)更高階lamé本征模。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，將孤立的所述至少兩個子區(qū)域的所述tcfnk組合以使所述復(fù)合本征模諧振器元件的頻率的n階溫度系數(shù)(tcfn總)近似等于所述tcfn期望。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述n階包括所述一階，并且其中，tcfn期望近似等于0ppm/℃。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述n階包括所述二階，并且其中，tcfn期望近似等于0ppm/℃2。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述n階包括所述一階，并且其中，tcfn期望是非零值，所述非零值至少部分地補償所述復(fù)合本征模諧振器元件的頻率的三階溫度系數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個子區(qū)域中的每一個子區(qū)域具有所述特定摻雜劑類型和所述特定摻雜濃度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述復(fù)合本征模諧振器元件進一步包括在所述至少兩個子區(qū)域中的一個或多個子區(qū)域中的一個或多個腔。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述復(fù)合本征模諧振器元件的有效質(zhì)量與孤立的至少兩個子區(qū)域中的每一個子區(qū)域的所述有效質(zhì)量之和具有<10％的差。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為作為(i)振蕩器或(ii)諧振傳感器操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包括單晶硅、碳化硅、多晶硅、石英、石墨烯和多晶金剛石中的至少一種。
20.一種用于設(shè)計mems諧振器設(shè)備的方法，所述方法包括：
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，調(diào)諧tcfn總使得其近似等于tcfn期望包括以下各項中的一者或多者：(i)執(zhí)行有效質(zhì)量調(diào)諧，(ii)執(zhí)行諧振模式調(diào)諧，或(iii)將腔添加到所述至少兩個子區(qū)域中的一個或多個子區(qū)域，使得改變所述第一或第二tcfnk中的至少一者。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進一步包括提供所述至少兩個子區(qū)域中的第三子區(qū)域，其中，所述孤立的第三子區(qū)域與所述第一本征模諧振并且具有所述特定摻雜劑類型、所述特定摻雜濃度、相對于所述晶軸的所述第一取向和所述第一tcfnk。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進一步包括提供所述至少兩個子區(qū)域中的第四子區(qū)域和第五子區(qū)域，其中，所述孤立的第四子區(qū)域和所述孤立的第五子區(qū)域兩者都與所述第一本征模諧振并且具有所述特定摻雜劑類型、所述特定摻雜濃度、相對于所述晶軸的所述第一取向和所述第一tcfnk。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括提供所述至少兩個子區(qū)域中的第六子區(qū)域、第七子區(qū)域、第八子區(qū)域和第九子區(qū)域，其中，所述孤立的第六子區(qū)域、所述孤立的第七子區(qū)域、所述孤立的第八子區(qū)域和所述孤立的第九子區(qū)域與所述第一本征模諧振并且具有所述特定摻雜劑類型、所述特定摻雜濃度、相對于所述晶軸的所述第一取向和所述第一tcfnk。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，與來自所述至少兩個本征模的集合的所述相應(yīng)本征模的孤立的所述相應(yīng)諧振頻率近似相等。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述至少兩個本征模的集合包括選自由以下各項組成的組的兩個或更多個本征模(i)lamé本征模、(ii)面剪切本征模、(iii)方形延伸本征模、(iv)寬度延伸本征模、(v)長度延伸本征模、(vi)n階環(huán)本征模、(vii)呼吸本征模、(viii)酒杯本征模和(ix)更高階lamé本征模。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，將所述孤立的至少兩個子區(qū)域的所述tcfnk組合以使所述tcfn總近似等于所述tcfn期望。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述n階包括所述一階，并且其中，tcfn期望近似等于0ppm/℃。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述n階包括所述二階，并且其中，tcfn期望近似等于0ppm/℃2。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述n階包括所述一階，并且其中，tcfn期望是非零值，所述非零值至少部分地補償所述復(fù)合本征模諧振器元件的頻率的三階溫度系數(shù)。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述至少兩個子區(qū)域中的每一個子區(qū)域具有所述特定摻雜劑類型和所述特定摻雜濃度。