專利名稱：包括集成微機(jī)械音叉諧振器的時(shí)基的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時(shí)基，即一種包括有諧振器和用于驅(qū)動(dòng)此諧振器振蕩并響應(yīng)于此振蕩而產(chǎn)生預(yù)定頻率的信號的集成電子電路的裝置。
在從手表及其它時(shí)計(jì)到復(fù)雜的電信裝置的范圍內(nèi)的多種電子裝置中均需要時(shí)基或頻率標(biāo)準(zhǔn)。這種時(shí)基通常由包括石英諧振器和用于驅(qū)動(dòng)諧振器振蕩的電子電路的振蕩器形成?？刹捎昧硗獾某娐穪韺φ袷幤鳟a(chǎn)生的信號進(jìn)行分頻，以便得到較低的頻率。電路的其它部分可用于調(diào)節(jié)頻率，例如通過調(diào)節(jié)分頻電路的分頻比來進(jìn)行。電子電路的部件最好通過CMOS技術(shù)集成在一個(gè)半導(dǎo)體襯底上。不直接涉及頻率處理的其它功能部件可集成在同一襯底上。
石英諧振器的優(yōu)點(diǎn)在于它們具有高品質(zhì)因數(shù)Q，通過它可得到良好的頻率穩(wěn)定性、較低的功耗以及良好的溫度穩(wěn)定性。然而，采用石英諧振器的典型時(shí)基的一個(gè)缺點(diǎn)在于，它需要兩個(gè)部件、即石英諧振器和集成電子電路來提供高精度的頻率。分立石英諧振器需要板上的空間，這種空間在許多情況下是比較缺乏的。例如，用于手表應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)石英諧振器需要2×2×6mm3左右的空間。而且，裝配和連接這兩個(gè)部件會(huì)帶來附加的成本。然而，空間和裝配成本是主要的問題，在不斷擴(kuò)展的便攜式電子裝置的領(lǐng)域中尤其如此。
因此，本發(fā)明的一個(gè)主要目的是通過提供一種包括有集成諧振器的時(shí)基來提供上述問題的解決方案。
本發(fā)明的另一目的是提供一種時(shí)基，它可完全地集成在一個(gè)襯底上，適于大批量生產(chǎn)并與CMOS技術(shù)兼容。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種時(shí)基，它包括具有提高的品質(zhì)因數(shù)Q并因而具有較高的頻率穩(wěn)定性和較低功耗的諧振器。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供這樣一種廉價(jià)的時(shí)基，它只需占用半導(dǎo)體芯片上的非常小的表面積。
因此，本發(fā)明提供了一種包括有諧振器和用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器振蕩并響應(yīng)于所述振蕩而產(chǎn)生預(yù)定頻率的信號的集成電子電路的時(shí)基，其特征在于，所述諧振器為支撐于襯底之上的集成微機(jī)械音叉諧振器，其可根據(jù)第一振蕩模式在基本上平行于所述襯底的平面內(nèi)振蕩，所述音叉諧振器包括從所述襯底中基本上垂直地延伸出來的基體件、與所述基體件相連并包括處于所述平面內(nèi)的至少第一對基本上平行的叉齒的獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)，以及設(shè)置在所述叉齒的附近并與所述集成電子電路相連的電極結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的時(shí)基的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，微機(jī)械音叉諧振器具有較高的品質(zhì)因數(shù)Q。已經(jīng)測量到品質(zhì)因數(shù)高達(dá)50′000，它與采用傳統(tǒng)的石英諧振器所得到的品質(zhì)因數(shù)大致相同。
品質(zhì)因數(shù)Q取決于空氣阻力和諧振器振動(dòng)材料的固有損耗。如果諧振器在真空條件下操作，那么空氣阻力可忽略不計(jì)。固有損耗取決于諧振器的材料和設(shè)計(jì)。已經(jīng)知道，由晶體材料如石英或硅制成的諧振器具有很高Q的振蕩。另外，夾緊部分即諧振器部分的機(jī)械支撐顯著地影響動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)本發(fā)明，音叉諧振器以這樣的方式設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)，其使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的重心在振蕩期間保持不動(dòng)，而且叉齒的彎矩可在基體件的較小區(qū)域內(nèi)得到補(bǔ)償。
從屬權(quán)利要求的目的為實(shí)現(xiàn)有利于高品質(zhì)因數(shù)Q的不同設(shè)計(jì)特征，它們將在下文得到詳細(xì)描述。
另外，對于給定的諧振頻率來說，與其它的諧振器相比，在襯底上形成音叉諧振器所需的表面積較小。例如，設(shè)計(jì)用于32kHz頻率的根據(jù)本發(fā)明的音叉諧振器需要約0.2mm2的芯片面積，這比在本申請人于2000年11月1日提交的未決國際專利申請No.PCT/CH00/00583中所描述的硅環(huán)諧振器所需的芯片面積更小。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，電子電路最好與微機(jī)械音叉諧振器一起集成在襯底上，因此可得到廉價(jià)的時(shí)基。較低的價(jià)格還可通過在采用晶片粘結(jié)技術(shù)的批量生產(chǎn)中對晶片級諧振器進(jìn)行真空密封來得到。
已經(jīng)提出了作為諧振結(jié)構(gòu)的音叉結(jié)構(gòu)，其可用于不同類型的傳感器應(yīng)用，例如加速度、旋轉(zhuǎn)或應(yīng)變傳感器。然而，這些傳感器結(jié)構(gòu)未根據(jù)與本發(fā)明相同的以高品質(zhì)因數(shù)為主要目標(biāo)的準(zhǔn)則來進(jìn)行優(yōu)化，以便得到高精度的時(shí)基。
例如，授予Yoshino等人的美國專利No.5747691描述了一種由單晶硅襯底制成的音叉形振動(dòng)元件。音叉的齒具有薄區(qū)域和厚區(qū)域，以便在施加外力時(shí)允許臂在垂直于振蕩的方向上產(chǎn)生彎曲。此諧振元件已就傳感器應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。
授予Fitzpatrick等人的英國專利No.2300047描述了一種用于提供三維運(yùn)動(dòng)檢測的音叉?zhèn)鞲衅鞯慕M件。
另外，在例如Jensen等人的WO91/03716、Greenwood等人的GB2162314、Norling等人的US4912990的文獻(xiàn)或Beeby等人在Journalof Microelectromechanical Systems，第9卷，No.1(2000)，第104頁及以下上發(fā)表的文章中描述了一種形式為雙頭音叉的微切削加工出的硅諧振應(yīng)變儀。
然而，在上述文獻(xiàn)中并未指出或建議在振蕩器電路中采用這種類型的音叉諧振器來用作頻率標(biāo)準(zhǔn)或時(shí)基。而且，在這些文獻(xiàn)中公開的音叉諧振器的許多設(shè)計(jì)特征使得它們無法適用于頻率穩(wěn)定性和低功耗均很重要的鐘表應(yīng)用中。
本發(fā)明人已經(jīng)描述過了非均勻蝕刻的振蕩音叉結(jié)構(gòu)。然而，結(jié)構(gòu)的非均勻蝕刻不可避免會(huì)產(chǎn)生不同長度的叉齒，這又會(huì)導(dǎo)致這種音叉諧振器的品質(zhì)因數(shù)降低。在題目均為“采用再氧化工藝的凸角結(jié)構(gòu)在由(110)硅制成的音叉諧振器中的應(yīng)用”的M.Giousouf等人于Proc.of Eurosensors XII，Vol.1(1998)，pp.381-384中的文章或M.Giousouf等人在Sensors and Actuators 76(1999)，pp.416-424中的文章中詳細(xì)地討論了這種非均勻蝕刻的音叉諧振器的制造方法和缺點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地理解，這種類型的諧振結(jié)構(gòu)尤其不適于形成高精度的時(shí)基。已經(jīng)在真空中在這種結(jié)構(gòu)上測量到了1000左右的Q因數(shù)，對于作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用來說它太小了。
根據(jù)本發(fā)明的音叉諧振器被優(yōu)化以產(chǎn)生具有高品質(zhì)因數(shù)Q和低功耗的振蕩，并只需占用芯片上非常小的表面積。諧振器可在低至1V的電壓下驅(qū)動(dòng)，這使得可在便攜式電子裝置中采用電池作為電源。此外，本發(fā)明的設(shè)計(jì)特征可促進(jìn)這種諧振器的大批量生產(chǎn)，這是因?yàn)橄鄬夹g(shù)性的加工偏差來說其加工允差增大。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可在襯底上集成溫度測量電路，以便補(bǔ)償溫度對時(shí)基所產(chǎn)生的信號頻率的影響。諧振器的溫度相關(guān)性的這種補(bǔ)償可以輕易地實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)楸景l(fā)明的音叉諧振器具有表現(xiàn)出基本上線性的溫度特性的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可在同一襯底上形成第二微機(jī)械音叉諧振器，以便允許進(jìn)行溫度補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，溫度補(bǔ)償也可采用單一微機(jī)械音叉諧振器來實(shí)現(xiàn)，它能同時(shí)以具有不同諧振頻率的兩個(gè)振蕩模式工作。
在閱讀了參考附圖進(jìn)行的非限制性示例和實(shí)施例的下述詳細(xì)描述后，可以清楚本發(fā)明的其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的包括有微機(jī)械音叉諧振器和集成電子電路的時(shí)基的頂視圖；圖2是包括有通過硅表面微切削加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械音叉諧振器的圖1所示時(shí)基的第一實(shí)施例的頂視圖；圖2a和2b分別為圖2所示實(shí)施例沿線A-A′和B-B′截取的兩個(gè)剖視圖3是包括采用帶有埋入式氧化層的襯底、如硅絕緣體(SOI)襯底制出的微機(jī)械音叉諧振器的圖1所示時(shí)基的第二實(shí)施例的頂視圖；圖3a和3b分別為圖3所示實(shí)施例沿線A-A′和B-B′截取的兩個(gè)剖視圖；圖4是包括采用帶有埋入式氧化層的襯底并通過在襯底背側(cè)上進(jìn)行蝕刻以分離叉齒而制出的微機(jī)械音叉諧振器的圖1所示時(shí)基的第三實(shí)施例的頂視圖；圖4a和4b分別為圖4所示實(shí)施例沿線A-A′和B-B′截取的兩個(gè)剖視圖；圖5a和5b分別顯示第一和第二平面內(nèi)振蕩模式，其中叉齒分別以非對稱或“同相”方式和對稱或“反相”方式振蕩；圖6a和6b是顯示梳形電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的例子的兩個(gè)局部頂視圖；圖7是說明施加在電極上的電壓和叉齒上所得的靜電力之間的關(guān)系的簡圖；圖8a到8c顯示用于防止音叉齒粘附在電極結(jié)構(gòu)上的三種不同設(shè)計(jì)的局部頂視圖；圖9顯示圖2所示的第一實(shí)施例的改進(jìn)；圖9a是圖9所示實(shí)施例沿線A-A′截取的剖視圖；圖10顯示具有開口的諧振器的叉齒的一部分；圖11顯示共用同一基體件并設(shè)計(jì)成呈現(xiàn)兩個(gè)不同諧振頻率的兩個(gè)音叉諧振器；圖12是顯示振蕩的第二模式的頂視圖，其中叉齒在與襯底平面正交的相反方向上進(jìn)行垂直振蕩；以及圖12a和12b分別為圖12的沿線A-A′和B-B′截取的兩個(gè)剖視圖。
圖中的尺寸并未按比例繪制。
圖1示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的時(shí)基的頂視圖。圖中顯示概括地由標(biāo)號1表示的集成時(shí)基，其包括諧振器4和用于驅(qū)動(dòng)諧振器振蕩并響應(yīng)于此振蕩而產(chǎn)生預(yù)定頻率的信號的集成電子電路3。由于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地設(shè)計(jì)出集成電子電路3，因此這個(gè)電路并未詳細(xì)地示出。集成電子電路3和諧振器4最好在同一襯底上實(shí)現(xiàn)和集成，此襯底概括地由標(biāo)號2表示，如圖1所示。優(yōu)選的襯底材料為硅，然而也可采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的同樣適用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的時(shí)基的其它類似材料。
根據(jù)本發(fā)明，諧振器4實(shí)現(xiàn)為單片微機(jī)械音叉諧振器的形式。諧振器4支撐于襯底2之上，并可在平行于襯底2的平面內(nèi)振蕩。音叉諧振器4基本上包括從襯底2上垂直延伸出的基體件5和獨(dú)立的振蕩結(jié)構(gòu)，振蕩結(jié)構(gòu)整體上由標(biāo)號6表示，其與基體件5相連并包括一對基本上平行的叉齒7，8，叉齒7，8設(shè)置成與襯底2平行。應(yīng)當(dāng)注意的是，音叉諧振器4和襯底2之間的唯一機(jī)械連接是音叉基體件5，這就導(dǎo)致了能得到可獨(dú)立移動(dòng)的叉齒7，8。
音叉諧振器4還包括用于驅(qū)動(dòng)諧振器4振蕩并檢測此振蕩的電極結(jié)構(gòu)9，這將在下文中更詳細(xì)地介紹。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在叉齒7，8上分別設(shè)置了梳形結(jié)構(gòu)71，81。這些梳形結(jié)構(gòu)71，81形成了音叉諧振器的電極結(jié)構(gòu)9的一部分，并均包括從各叉齒7，8的側(cè)面基本上垂直延伸出的第一電極件72，82。在圖1中，這些電極件72，82設(shè)置在叉齒7，8的外部，即遠(yuǎn)離存在于叉齒之間的間隙?；蛘?，梳形結(jié)構(gòu)可設(shè)置在叉齒7，8的內(nèi)部。這種選擇需要在叉齒之間存在更寬的間隙，以便在其間容納一個(gè)或兩個(gè)電極(叉齒7和8相互鄰接)。然而，較寬的間隙減小了齒之間的連接，并降低了所需反相振蕩的品質(zhì)因數(shù)Q(圖5b)。
在圖1的例子中，電極結(jié)構(gòu)9還包括分別由標(biāo)號91和92表示的第一和第二梳形電極結(jié)構(gòu)，它們設(shè)置在襯底2上并與叉齒7，8相鄰，從而與梳形結(jié)構(gòu)71，81嚙合。更準(zhǔn)確地說，第一梳形電極結(jié)構(gòu)91包括第二電極件93并與梳形結(jié)構(gòu)71嚙合，使得第一電極件72與第二電極件93相鄰，第二梳形電極結(jié)構(gòu)92包括第二電極件94并與梳形結(jié)構(gòu)81嚙合，使得第一電極件82與第二電極件94相鄰。
可以理解，設(shè)置在叉齒7，8和電極結(jié)構(gòu)91，92上的梳形結(jié)構(gòu)并不是絕對必要的。然而，使用相嚙合的梳形結(jié)構(gòu)是特別有利的，這是因?yàn)榭稍诘凸南碌玫礁呦嘁?。此外，如果使用這種梳形結(jié)構(gòu)的話，則諧振頻率對所施加電壓的依賴性極大地減小。
根據(jù)第一變型，第一梳形電極結(jié)構(gòu)91用于靜電式地驅(qū)動(dòng)音叉諧振器4振蕩，設(shè)置在音叉諧振器4另一側(cè)上的第二梳形電極結(jié)構(gòu)92用于電容式地檢測諧振器的振蕩。因此，導(dǎo)體11，12，13分別用于將第一梳形電極結(jié)構(gòu)91、第二梳形電極結(jié)構(gòu)92和音叉4經(jīng)其基體件5與集成電子電路3相連，集成電子電路3包括可驅(qū)動(dòng)音叉共振的振蕩器電路(未示出)。所得的非常穩(wěn)定的頻率信號還可由集成電路3來處理，例如通過在分頻器中對所得信號進(jìn)行分頻以得到較低的頻率信號。
應(yīng)當(dāng)提出的是，雖然只有一個(gè)電極結(jié)構(gòu)即電極結(jié)構(gòu)91用作驅(qū)動(dòng)電極，然而由于在一個(gè)叉齒內(nèi)引發(fā)的振蕩會(huì)經(jīng)基體件5傳送到另一叉齒上，因此兩個(gè)叉齒均將被驅(qū)動(dòng)振蕩。
還應(yīng)當(dāng)注意的是，諧振器主要具有兩種基本的平面內(nèi)振蕩模式。第一振蕩模式為兩個(gè)叉齒的非對稱振蕩，其中兩個(gè)齒在相同方向上振蕩。第二振蕩模式是叉齒的對稱振蕩，其中兩個(gè)齒在相反方向上振蕩。這兩種平面內(nèi)振蕩模式示意性地顯示在圖5a和5b中，其中為說明起見而放大了振蕩的幅度?？梢岳斫?，可描述為“反相”振蕩模式的第二振蕩模式優(yōu)于第一振蕩模式，因?yàn)楦鶕?jù)此第二振蕩模式，諧振結(jié)構(gòu)的重心基本上保持不動(dòng)。與第二振蕩模式相反，非對稱振蕩將導(dǎo)致更高的能量耗散，因此會(huì)導(dǎo)致更高的振蕩阻尼。
根據(jù)另一變型，第一和第二梳形電極結(jié)構(gòu)91和92連接在一起并均周作驅(qū)動(dòng)電極。因此，最好激勵(lì)出如圖5b所示的叉齒7，8的反相振蕩。在這種情況下，諧振器的振蕩檢測最好通過測量阻抗并檢測共振處的阻抗偏移來完成。
諧振器結(jié)構(gòu)可通過許多不同的技術(shù)工藝來得到。可以使用硅表面微切削加工以及表面和體積微切削加工的組合。圖2，3和4顯示根據(jù)三種不同的微切削加工技術(shù)得到的三種諧振結(jié)構(gòu)的非限制性的例子。也可使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的同樣適用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的音叉諧振器的其它技術(shù)。圖2a，3a，4a及2b，3b，4b是圖2，3和4所示諧振器分別沿線A-A′和B-B′截取的剖視圖。
圖2示意性地顯示位于適當(dāng)?shù)囊r底2上方的由表面微切削加工技術(shù)制出的音叉諧振器4，此襯底最好為硅晶片。根據(jù)此第一技術(shù)，在所謂的犧牲層如氧化硅之上沉積多晶硅層。在形成了此多晶硅層的結(jié)構(gòu)后，部分地去除犧牲層，以便分離出叉齒并形成諧振器的結(jié)構(gòu)。
更詳細(xì)地參考圖2，2a和2b所示的例子，例如在半導(dǎo)體襯底2上沉積第一絕緣氧化層20。在第一氧化層20之上沉積導(dǎo)電材料如多晶硅的第一層30。在形成結(jié)構(gòu)后，此層30形成了分別通向第一電極結(jié)構(gòu)91、第二電極結(jié)構(gòu)92和基體件5的導(dǎo)體11，12和13，如圖所示。或者，導(dǎo)體11，12和13可以是襯底內(nèi)或襯底上的摻雜區(qū)域或金屬化區(qū)域。然后在第一氧化層20和結(jié)構(gòu)層30之上沉積另一氧化層22。對此第二氧化層22進(jìn)行選擇性蝕刻，從而在第二氧化層22中提供開口以允許與導(dǎo)電材料的下方層30電接觸。然后，在第二(犧牲)氧化層22之上和在蝕刻于氧化層22中的連接開口內(nèi)沉積導(dǎo)電材料如多晶硅的第二層32。
最后，對導(dǎo)電材料的第二層32進(jìn)行圖案成形和蝕刻，以形成諧振器4的結(jié)構(gòu)，即基體件5、叉齒7，8以及電極結(jié)構(gòu)91和92。在形成層32的結(jié)構(gòu)后，部分地去除犧牲層2 2以分離出叉齒7，8。應(yīng)當(dāng)理解的是，層22也應(yīng)在基體件5和電極結(jié)構(gòu)91，91之下至少部分地被去除，如圖2a和2b所示。然而，基體件5和電極結(jié)構(gòu)91，92仍被氧化層22的未蝕刻部分22a以及將諧振器4和電極結(jié)構(gòu)91，92與下方導(dǎo)體11，12，13相連的導(dǎo)體材料32a所支撐。
圖3示意性地顯示通過另一稍有不同的技術(shù)制出的音叉諧振器4，這種技術(shù)采用了在例如所謂的硅絕緣體(SOI)襯底中的埋入式氧化層。在形成上方硅層的結(jié)構(gòu)后，部分地去除氧化層以分離出叉齒。
更詳細(xì)地參考圖3，3a和3b，形成由標(biāo)號35表示的上方硅層的結(jié)構(gòu)，從而形成諧振器4以及電極結(jié)構(gòu)91和92。作為選擇，導(dǎo)體11，12和13也可形成于層35中。在形成上方硅層35的結(jié)構(gòu)后，對在硅層35的蝕刻后已經(jīng)暴露出來的下方絕緣層2 5進(jìn)行蝕刻，從而分離出叉齒7，8。如示意圖所示，基體件5和電極結(jié)構(gòu)91，92(以及導(dǎo)體11，12，13)必須設(shè)計(jì)成具有大于叉齒7，8的表面積，以使絕緣層25的一部分在蝕刻工序之后保留下來并仍支撐上方硅層35，如圖3a和3b的剖視圖所示。
圖4示意性地顯示通過第三技術(shù)制出的音叉諧振器4，此技術(shù)也使用了例如SOI襯底中的埋入式氧化層。這里，在形成上方硅層的結(jié)構(gòu)后，對襯底的背側(cè)進(jìn)行蝕刻，從而形成敞開的窗口以允許分離出叉齒。
更詳細(xì)地參考圖4，4a和4b，上方硅層35的結(jié)構(gòu)使得可形成諧振器4以及電極結(jié)構(gòu)91和92。此工序與根據(jù)圖3所示的第二技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的工序類似。然而，之后例如采用化學(xué)蝕刻劑如KOH或TMAH在襯底2的背側(cè)上蝕刻出窗口27。然后在絕緣層25中蝕刻出開口26，因而可分離出叉齒7和8。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，叉齒不會(huì)粘附在襯底上(這使得可制造出用于更低頻率的較長的齒)，然而缺點(diǎn)在于需要密封襯底兩側(cè)(頂部和底部)上的諧振腔，以便在真空條件下操作諧振器。
在芯片級上真空密封諧振結(jié)構(gòu)可通過批量處理技術(shù)來完成，例如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所眾所周知的陽極粘合或硅-硅粘合。
在所有上述制造技術(shù)中，可以理解，可設(shè)置另外的工序以形成其它的導(dǎo)電或非導(dǎo)電層。另外，關(guān)于圖3和4的諧振結(jié)構(gòu)，可以理解，硅層35中的導(dǎo)體11，12，13可由與此結(jié)構(gòu)的各部分相連的附加導(dǎo)電層或者與這些部分直接粘合的導(dǎo)線來代替。
如上所述，諧振器的齒最好設(shè)置為梳形結(jié)構(gòu)，其與電極的梳形結(jié)構(gòu)相嚙合。圖6a顯示根據(jù)設(shè)計(jì)的第一變型的諧振器的叉齒7的自由端7a的詳細(xì)局部視圖。在這里，第一叉齒7和電極結(jié)構(gòu)91的第一和第二電極件72，93(以及圖6a未示出的電極件82，94)分別具有圓弧的形狀。它們的半徑選擇成可在一個(gè)完整振蕩周期內(nèi)跟隨叉齒彎曲線上的一個(gè)固定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因此，它們的半徑是它們在叉齒7(或8)或在電極結(jié)構(gòu)91(或92)上的位置的函數(shù)。
圖6b顯示梳形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一變型的詳細(xì)局部視圖，其中相鄰電極件之間的距離沿著叉齒長度變化。更準(zhǔn)確地說，相鄰電極件之間的距離在叉齒的自由端處縮短。相鄰電極件之間的較短距離使得電容耦合產(chǎn)生局部增大，因此在齒的相應(yīng)部分上產(chǎn)生了更大的靜電力。通過這樣設(shè)計(jì)梳形結(jié)構(gòu)，就可有助于產(chǎn)生圖5b所示的優(yōu)選的基本上對稱的平面內(nèi)振蕩模式，并避免音叉在第一諧波處的振蕩。在另一變型(未示出)中，電極件的長度可沿叉齒長度而變化，從而激勵(lì)所需的振蕩模式。如上所述，根據(jù)操作的第一變型，圖1所示實(shí)施例中的梳形電極結(jié)構(gòu)91用于靜電式地驅(qū)動(dòng)音叉諧振器產(chǎn)生振蕩，相對的梳形電極結(jié)構(gòu)92用于電容式地檢測此機(jī)械振蕩。在電極結(jié)構(gòu)91上施加交流電壓信號，導(dǎo)致在第一叉齒7上產(chǎn)生靜電力，從而產(chǎn)生振蕩，此振蕩被傳送給另一齒8。當(dāng)諧振器工作時(shí)，第二叉齒8的這種振蕩又在相對的那一組電極結(jié)構(gòu)92上引發(fā)交流信號?？梢岳斫猓姌O結(jié)構(gòu)91和92能完全地互換。
根據(jù)用于驅(qū)動(dòng)諧振器振蕩的靜電驅(qū)動(dòng)原理，在施加于電極上的電壓和音叉齒上的所得力之間存在著拋物線關(guān)系。因此，希望在交流電壓上增加一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，以便得到基本上線性的力-電壓關(guān)系。圖7示意性地顯示這種拋物線關(guān)系和通過在交流電壓Uac上增加一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓Udc而得到的線性的力-電壓關(guān)系，其中Uac的幅度比Udc小得多。
在圖1的示意圖中，顯示分別與音叉的第一電極結(jié)構(gòu)91、第二電極結(jié)構(gòu)92和基體件5相連的三條信號線或?qū)w11到13。
根據(jù)第一變型，導(dǎo)體13可用于通過基體件5對音叉諧振器施加直流電壓分量，同時(shí)通過導(dǎo)體11對第一電極結(jié)構(gòu)91施加交流電壓分量，導(dǎo)體12用于檢測在第二電極結(jié)構(gòu)92上引發(fā)的所得信號。根據(jù)第二變型，交流驅(qū)動(dòng)電壓和直流電壓分量可通過導(dǎo)體11而疊加在第一電極結(jié)構(gòu)91上，而音叉諧振器通過導(dǎo)體13連接在一個(gè)固定電位如零位上。在這種情況下，導(dǎo)體12用于檢測信號。同樣可以理解，電極結(jié)構(gòu)91和92可互換，第二電極結(jié)構(gòu)92可用于驅(qū)動(dòng)諧振器振蕩，而第一電極結(jié)構(gòu)91用于檢測。
或者，電極結(jié)構(gòu)9可只用于驅(qū)動(dòng)，而檢測可通過檢測諧振時(shí)的阻抗變化來完成。例如，電極結(jié)構(gòu)91和92可連接在一起，或者，甚至只采用一個(gè)電極結(jié)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)諧振器振蕩。根據(jù)第一變型，在這組電極結(jié)構(gòu)上施加交流驅(qū)動(dòng)電壓，在音叉上施加直流電壓分量。根據(jù)另一變型，可在這組電極結(jié)構(gòu)上施加交流和直流驅(qū)動(dòng)電壓之和，在這種情況下的音叉連接在一個(gè)固定電位如零位上。
對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很明顯，可采用許多其它的電極配置來驅(qū)動(dòng)諧振器振蕩，并最終檢測所得的運(yùn)動(dòng)。因此，圖1所示的設(shè)置不應(yīng)當(dāng)被視為限制了本發(fā)明。例如，可增大叉齒之間的間隙以在其中容納一個(gè)電極結(jié)構(gòu)，此電極結(jié)構(gòu)可用作驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)或檢測電極結(jié)構(gòu)。
圖8a到8c顯示用于防止諧振器叉齒在發(fā)生沖擊時(shí)粘附在電極上的三個(gè)不同的有利設(shè)計(jì)特征。根據(jù)圖8a所示的第一變型，電極件72中的至少一個(gè)72*(對電極件82來說相同)可制成比其它的電極件更長，因此減少了在梳形結(jié)構(gòu)71和梳形電極結(jié)構(gòu)91(或者81和93)相互間機(jī)械接觸時(shí)所產(chǎn)生的粘附力。顯然，當(dāng)電極件93(或者對于第二叉齒來說電極件94)中的一個(gè)比其它的電極件更長時(shí)，可以得到相同的效果。
或者，如圖8b所示，電極件72的末端72a和/或電極件93的末端93a可設(shè)計(jì)成具有尖銳形狀，或至少設(shè)計(jì)為具有適當(dāng)小的表面積以防止叉齒的粘附。顯然，對于第二叉齒8和第二電極結(jié)構(gòu)92來說也是如此。
最后，如圖8c中的變型所示，在叉齒7的自由端7a處設(shè)置了位于襯底2上的止動(dòng)結(jié)構(gòu)28，此自由端7a設(shè)有可與止動(dòng)結(jié)構(gòu)28協(xié)同操作的延伸部分78。此止動(dòng)結(jié)構(gòu)28設(shè)計(jì)成可限制叉齒7的角運(yùn)動(dòng)，并因此能在例如因機(jī)械沖擊而產(chǎn)生過大的角運(yùn)動(dòng)時(shí)防止其粘附在電極結(jié)構(gòu)91上。同樣，對于第二叉齒8來說顯然也是如此。
所有上述特征可以適當(dāng)?shù)姆绞浇M合在一起，以便得到有效的防粘附結(jié)構(gòu)。
圖9和9a顯示圖2，2a和2b所示的微機(jī)械音叉諧振器4的改進(jìn)。圖9a顯示圖9沿線A-A′截取的剖視圖。在襯底2的表面上(或襯底2的表面下，在這種情況下是第一氧化層20之上)的至少一部分獨(dú)立的振蕩結(jié)構(gòu)6即叉齒7和8的下方設(shè)置導(dǎo)電圖案31，此導(dǎo)電圖案31的形狀是襯底2表面上的獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)6的延伸部分。此導(dǎo)電圖案31可在導(dǎo)電材料的第一層30中與導(dǎo)體11，12，13同時(shí)形成。此外，導(dǎo)電圖案31可與連接在基體件5上的導(dǎo)體13直接電接觸，從而使導(dǎo)電圖案31和獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)6處于相同的電位?；蛘撸瑢?dǎo)電圖案31可在另外的工序中例如由金屬形成。
將導(dǎo)電圖案31連接在與獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)6相同的電位上抑制了音叉諧振器4和襯底2的表面之間與襯底2垂直的作用力，導(dǎo)致了與所施加的電壓無關(guān)的諧振頻率。此外，這種導(dǎo)電圖案31還可防止齒7，8粘附在襯底上?？梢匀菀椎乩斫猓部稍诓捎闷渌夹g(shù)制出的諧振器、例如圖3，3a和3b或者圖4，4a和4b所示的諧振器上增加類似的導(dǎo)電圖案。
通過改變裝置的幾何形狀尺寸、即叉齒的長度和寬度，就可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)音叉諧振器的諧振頻率，這可從音叉諧振頻率的下述所謂的“Karolus”表達(dá)式中看出，其中齒的長度為I，寬度為w，并且音叉由楊氏模量為E且密度為ρ的材料制成fr=c·wI2Eρ]]>其中c為取決于音叉的精確形狀和操作模式的常數(shù)。
對于這種音叉諧振器的大批量生產(chǎn)來說重要的是，應(yīng)當(dāng)將不同芯片間的諧振頻率保持在較小的公差內(nèi)。從上述表達(dá)式中可以容易地看出，音叉諧振器的諧振頻率與音叉的厚度無關(guān)。因此，例如多晶硅表面微切削加工而制出的音叉的諧振頻率與所沉積的多晶硅層的厚度無關(guān)，因此其工藝穩(wěn)定性可得到顯著的提高。
通過仔細(xì)地設(shè)計(jì)音叉的尺寸可以極大地降低因工藝參數(shù)的微小偏差所引起的諧振頻率的誤差。特別是，如圖10示意地說明的，可在叉齒7，8中設(shè)置開口65，以便降低諧振頻率與工藝參數(shù)的相關(guān)性。實(shí)際上，如果齒7，8的寬度在處理后例如因過度蝕刻而小于所需的寬度，那么音叉的諧振頻率將低于設(shè)計(jì)頻率。然而，與此同時(shí)，設(shè)置在齒7，8中的開口65較大，因而減小了齒7，8的質(zhì)量，并補(bǔ)償了諧振頻率的降低(應(yīng)當(dāng)指出的是，諧振頻率的上述表達(dá)式并不適用于例如圖10所示的帶有開口的音叉)。當(dāng)出現(xiàn)過度蝕刻時(shí)，梳形結(jié)構(gòu)71，81的電極件72，82對音叉諧振頻率具有與開口65相同的效果。
開口65最好設(shè)置成接近于齒7，8的自由端7a，8a，以便對諧振頻率具有較大的影響而不會(huì)影響音叉諧振器的品質(zhì)因數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械音叉諧振器所需的表面積相對于所得到的諧振頻率來說非常小。例如，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)用于32kHz的相當(dāng)?shù)偷念l率的音叉諧振器需要約0.2mm2的表面積。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要相對較大的表面積以得到這樣低的頻率。對于給定的幾何設(shè)計(jì)來說，尺寸和頻率成反比，即幾何尺寸越大，頻率越低。
在0到60℃的溫度范圍內(nèi)，音叉諧振器的諧振頻率是溫度的非常近似的線性函數(shù)。在65kHz的諧振頻率下，已經(jīng)觀察到諧振頻率的熱系數(shù)為-30ppm/℃左右。因此，最好在同一襯底上結(jié)合具有輸出信號的溫度測量電路，其可用于通過充分地調(diào)節(jié)時(shí)基所產(chǎn)生的信號頻率來補(bǔ)償頻率偏差。
為此，根據(jù)本發(fā)明的時(shí)基最好包括集成的溫度測量電路(未示出)。在P.Krumenacher和H.Oguey的文章“CMOS技術(shù)中的智能溫度傳感器”，Sensors and Actuators，A21-A23(1990)，第636-638頁中描述了這種溫度測量電路的一個(gè)例子。在這里，例如通過用本領(lǐng)域的技術(shù)人員所周知的抑制技術(shù)來對分頻電路的分頻比進(jìn)行操作，就可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
或者，可在同一芯片上集成兩個(gè)具有不同諧振頻率的音叉諧振器，這種設(shè)置允許通過測量兩個(gè)諧振器的頻率差異(由于均由相同材料制成，因此兩個(gè)音叉諧振器具有相同的溫度系數(shù))來精確地測定芯片的溫度。有利的是，如圖11所示，具有不同諧振頻率的兩個(gè)音叉諧振器4和4*共用同一基體件5，以便減小芯片上所需的表面積。
采用根據(jù)本發(fā)明的集成時(shí)基具有雙重優(yōu)點(diǎn)第一，音叉諧振器的溫度相關(guān)性是線性的，其便于補(bǔ)償溫度所需的電子信號處理。第二且更重要的是，音叉諧振器的較小尺寸和整體式集成使第二諧振器只需稍微增大芯片即可，無需外部連接。
或者，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別有利的實(shí)施例，可以采用一個(gè)能同時(shí)以兩種振蕩模式操作的音叉諧振器。第一模式是上述的平面內(nèi)振蕩模式(圖5b)。第二振蕩模式可以是垂直振蕩模式，其中叉齒7，8進(jìn)行正交于襯底平面的基本上垂直的振蕩。此垂直振蕩模式可被靜電式地激勵(lì)，并通過使用襯底上的位于音叉齒下方的其它電極來電容式地檢測。兩種模式可選擇成具有不同的頻率，因此可通過測量與溫度直接相關(guān)的頻率差異來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。垂直振蕩和平面內(nèi)振蕩這兩種模式的不同諧振頻率通過選擇叉齒的矩形截面來得到。
垂直振蕩模式最好應(yīng)當(dāng)為叉齒的非對稱垂直振蕩，其中齒的振蕩朝向相反的方向。實(shí)際上，在非對稱垂直振蕩的情況下，振蕩期間由叉齒施加在基體5上的力相互抵消，而它們在叉齒沿相同方向垂直振蕩的情況下相加，這樣便導(dǎo)致功率耗散增大，并因此得到較低的品質(zhì)因數(shù)。然而，垂直振蕩模式也可為叉齒的對稱垂直振蕩。
圖12，12a和12b是允許叉齒沿相反方向垂直振蕩的電極配置的示意的說明。如這些圖所示，兩組電極100和120設(shè)置在叉齒7，8的表面或其之下的表面區(qū)域上。第一組電極100驅(qū)動(dòng)叉齒7，8垂直振蕩，第二組電極120檢測此垂直振蕩。驅(qū)動(dòng)電極組100設(shè)置在叉齒7，8的自由端部分之下，而檢測電極組120設(shè)置在叉齒7，8之下并位于基體件5和驅(qū)動(dòng)電極組100之間。然而可以理解，電極100和120可以完全地互換。
更準(zhǔn)確地說，為了驅(qū)動(dòng)叉齒振蕩以使叉齒在如圖所示的相反方向上振蕩，最好將驅(qū)動(dòng)電極組100分成處于各叉齒7，8之下的兩個(gè)電極，如圖所示，對這兩個(gè)電極提供反相的信號。顯然，檢測電極組120也可類似地分成具有反相信號的兩個(gè)電極。
在上文中已經(jīng)針對一些具體的實(shí)施例描述了本發(fā)明，然而可以理解，這些實(shí)施例并不意味著限制了本發(fā)明。實(shí)際上，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的前提下，各種修改和/或改編是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種時(shí)基，它包括諧振器(4)和用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器(4)振蕩并響應(yīng)于所述振蕩而產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的信號的集成電子電路(3)，其特征在于，所述諧振器為襯底(2)所支撐的集成微機(jī)械音叉諧振器(4)，其可根據(jù)第一振蕩模式在基本上平行于所述襯底(2)的平面內(nèi)振蕩，所述音叉諧振器(4)包括從所述襯底(2)中基本上垂直地延伸出來的基體件(5)；與所述基體件(5)相連并包括處于所述平面內(nèi)的至少第一對基本上平行的叉齒(7，8)的獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)；和設(shè)置在所述叉齒(7，8)附近并與所述集成電子電路(3)相連的電極結(jié)構(gòu)(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)基，其特征在于，所述電子電路(3)與所述微機(jī)械音叉諧振器(4)一起集成在所述襯底(2)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)基，其特征在于，每一個(gè)所述叉齒(7，8)配備有位于所述平面內(nèi)并包括從所述叉齒(7，8)的第一側(cè)基本上垂直地延伸出來的第一電極件(72，82)的梳形結(jié)構(gòu)(71，81)，所述電極結(jié)構(gòu)(9)包括至少一個(gè)梳形電極結(jié)構(gòu)(91，92)，其與叉齒(7，8)的所述梳形結(jié)構(gòu)(71，81)嚙合，并包括與所述第一電極件(72，82)相鄰的第二電極件(93，94)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的時(shí)基，其特征在于，所述電極件(72，82，93，94)具有圓弧的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的時(shí)基，其特征在于，相鄰電極件(72，82，93，94)之間的距離沿所述叉齒(7，8)的長度變化，使得相鄰電極件(72，82，93，94)之間的距離在所述叉齒(7，8)的自由端(7a，8a)處縮短。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的時(shí)基，其特征在于，在所述襯底(2)上鄰近于各所述叉齒(7，8)的自由端(7a，8a)處設(shè)有止動(dòng)結(jié)構(gòu)(28)，以便限制所述叉齒(7，8)的運(yùn)動(dòng)，并防止它們在發(fā)生沖擊時(shí)粘附在所述電極結(jié)構(gòu)(9)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的時(shí)基，其特征在于，所述電極件(72，82，93，94)的末端(72a，93a)是尖銳的，或具有適當(dāng)小的表面積，從而可防止所述叉齒(7，8)在發(fā)生沖擊時(shí)粘附在所述電極結(jié)構(gòu)(9)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的時(shí)基，其特征在于，所述電極件(72，82，93，94)中的至少一個(gè)(72*)比其它的更長，從而可防止所述叉齒(7，8)在發(fā)生沖擊時(shí)粘附在所述電極結(jié)構(gòu)(9)上。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的時(shí)基，其特征在于，所述電極結(jié)構(gòu)包括與所述叉齒(7，8)中的第一叉齒(7)相鄰并用于驅(qū)動(dòng)所述音叉諧振器(4)振蕩的第一電極結(jié)構(gòu)(91)；和與所述叉齒(7，8)中的另一叉齒(8)相鄰并用于檢測由所述音叉諧振器(4)的振蕩產(chǎn)生的信號的第二電極結(jié)構(gòu)(92)，其中所述獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)通過所述基體件(5)而連接在固定的電位上，在所述第一電極結(jié)構(gòu)(91)和獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)之一或兩者上施加穩(wěn)定的直流電壓分量(Udc)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的時(shí)基，其特征在于，所述電極結(jié)構(gòu)(9)包括至少一個(gè)設(shè)置成與所述叉齒(7，8)中的一個(gè)或兩個(gè)相鄰并用于驅(qū)動(dòng)所述音叉諧振器(4)振蕩的電極結(jié)構(gòu)，所述獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)通過所述基體件(5)而連接在固定的電位上，在所述至少一個(gè)電極結(jié)構(gòu)(91，92)和獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)之一或兩者上施加穩(wěn)定的直流電壓分量(Udc)，以及通過檢測諧振時(shí)的阻抗變化來完成檢測。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的時(shí)基，其特征在于，所述第一振蕩模式為對稱振蕩模式，其中兩個(gè)叉齒(7，8)在相反方向上振蕩。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)基，其特征在于，在所述襯底(2)的表面上且在所述獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)的至少一部分的下方設(shè)置與所述獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)形狀基本相同的導(dǎo)電圖案(31)，所述獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)和所述導(dǎo)電圖案處于相同的電位。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)基，其特征在于，在所述叉齒(7，8)中設(shè)有開口(65)，以便充分地補(bǔ)償蝕刻不足或蝕刻過度對所述音叉諧振器(4)的諧振頻率的影響。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的時(shí)基，其特征在于，所述時(shí)基還包括集成溫度測量電路，用于補(bǔ)償溫度對所述時(shí)基產(chǎn)生的信號頻率的影響。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到14中任一項(xiàng)所述的時(shí)基，其特征在于，所述時(shí)基還包括第二微機(jī)械音叉諧振器(4*)，其支撐于所述襯底(2)之上并適合于以與所述第一諧振器的諧振頻率不同的諧振頻率振蕩，采用這兩個(gè)諧振頻率之間的與溫度有關(guān)的頻率差異來補(bǔ)償溫度對所述時(shí)基產(chǎn)生的信號頻率的影響。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的時(shí)基，其特征在于，所述第一和第二音叉諧振器(4，4*)共用同一基體件(5)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到14中任何一個(gè)所述的時(shí)基，其特征在于，在所述獨(dú)立振蕩結(jié)構(gòu)(6)的下方設(shè)置電極(100，120)、使得可驅(qū)動(dòng)和檢測其諧振頻率與所述第一振蕩模式的諧振頻率不同的第二振蕩模式，采用這兩種振蕩模式的諧振頻率之間的與溫度有關(guān)的頻率差異來補(bǔ)償溫度對所述時(shí)基產(chǎn)生的信號頻率的影響。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的時(shí)基，其特征在于，所述第二振蕩模式為垂直振蕩模式，其中兩個(gè)叉齒(7，8)在基本上垂直于所述襯底(2)的相反方向上振蕩。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的時(shí)基，其特征在于，所述襯底(2)和所述音叉諧振器(4)由硅材料制成。
全文摘要
描述了一種包括諧振器(4)和用于驅(qū)動(dòng)諧振器振蕩并響應(yīng)于此振蕩而產(chǎn)生預(yù)定頻率的信號的集成電子電路(3)的時(shí)基。諧振器為支撐于襯底(2)之上的集成微機(jī)械音叉諧振器(4)，其在基本上平行于襯底的平面內(nèi)振蕩。音叉諧振器包括從襯底中基本上垂直地延伸出來的基體件(5)、獨(dú)立的基本上平行的叉齒(7，8)和設(shè)置在叉齒附近并與集成電子電路相連的電極結(jié)構(gòu)(9)。
文檔編號H03H9/21GK1481612SQ01820933
公開日2004年3月10日 申請日期2001年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月21日
發(fā)明者M·吉?dú)W索夫, H·屈克, R·普拉茨, M 吉?dú)W索夫 申請人:伊塔瑞士鐘表制造股份有限公司