CN1768475A - 硅微型机电系统谐振器的温度补偿 - Google Patents

Abstract

借助于补偿刚度或压缩/拉伸应变的施加，主动或被动地减小微机械谐振器内的热致频率变化。根据热膨胀系数选择各种组成材料以用于在基底上形成谐振器组件。当这些组成材料经受温度变化时，其相对膨胀产生补偿刚度或压缩/弹性应变。

Description

硅微型机电系统谐振器的温度补偿

背景技术

本发明总体上涉及微型机电系统(MEMS)。MEMS是通过将小型化元件可操作地设置在基底上而形成的器件。利用生产如传感器和致动器的光刻和其他微制造技术构造这些元件。

一些常规微机械结构以梁结构对所施加力的反应(例如，振动、偏转或扭转)为基础。这种梁结构通常具有或模塑为具有矩形截面。但是，梁的实际“矩形”程度依赖于形成该梁的蚀刻方法的各向异性。梁在悬浮的刚性板中用作横向振动器或悬臂装置。这是根据无支承运动探测器进行的自然选择。特别注意到，MEMS越来越多地将谐振器结构中的梁用作时钟和信号滤除电路的一部分。

单晶半导体、例如硅是制造谐振器梁的明显可选择材料。这种材料具有良好的机械强度和高的本征品质因数。此外，硅基材料的形成和处理是在集成电路工业几十年的经验基础上努力得到的发展完善的领域。

使用多晶硅例如可以设计出在几何结构方面具有较大灵活性的谐振器。但是，简单而常用的弯曲梁和横向振动梁结构不仅用于说明相关常规谐振器的一些性能，而且用于说明以下本发明的一些方案。

参看图1，借助端部锚固件(anchor)5在半导体基底3上悬置具有矩形截面和一定长度的梁1而形成弯曲的梁结构。典型地，驱动电极(未示出)与所述梁相关联，即置于梁附近的静电场中。梁由电极产生的静电场激励并与静电场中的振动产生共振。

当对梁的表面施加力时，即所述表面受到应力。该应力的平均值σ可表示为负载力F除以力的作用面积A，或：

σ＝F/A

当承受应力时，材料被推压(或拉伸)变形。应变ε是所述材料弹性限度范围内的变形的量度，并等于长度变化ΔL除以原始长度L_o，或：

ε＝ΔL/L_o

所关注的大部分材料随负载线性变形。由于负载与应力成比例且变形与应变成比例，故应力与应变线性相关。与这两种量度相关的比例常数公知为所述材料的弹性模量或杨氏模量并由符号“E”表示。已知杨氏模量适用于大多数材料。

根据平行于梁宽度“w”的振动方向所计算出的梁的机械刚度(mechnical stiffness)k_M与杨氏模量E和梁的几何结构的一些量值成比例，所述量值对于具有矩形截面的梁而言包括长度“L”和高度“h”：

$k_M\≈\frac{E\·h\·w^3}{L^3}$             公式1

可以理解，适用于大多数关注材料的杨氏模量按照导热系数(α_E)随温度变化。例如，多晶硅具有30ppm/K°的导热系数。此外，梁结构的几何形状也随温度变化，通常随温度上升而膨胀。同样，作为示例，多晶硅具有2.5ppm/K°的热膨胀系数α_exp。

对于一些梁的设计和相关模塑目的以及给定的具有各向同性导热系数的材料，梁宽度方面的热膨胀作用主要由梁长度方面的热膨胀作用所抵消，从而产生梁的高度方面的残留线性影响。

抛开静电力的影响，可由以下公式并通过这些假定限定梁的谐振频率(f)：

$f\≈\frac{1}{2\·\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{k_M}{m_{\mathrm{eff}}}}$             公式2

其中，m_eff为梁的有效质量，其随温度保持不变。

假定梁的谐振频率对于谐振器的整体性能很关键，则必须在运行温度范围内保持相对的稳定。鉴于公式2中给出的关系，如果机械刚度保持不变，则频率将保持不变。但是，由于杨氏模量的热致变化倾向于引起梁机械刚度的变化，所以通常并不会产生上述情况。因此，需要一些外部影响来“补偿”由于温度变化而引起的谐振频率的必然变化。

已经进行了在存在着变化温度的情况下解决谐振器梁频率稳定性问题的一些在先尝试。例如，参见Wan-Thai Hsu在MEMS2002(-7803-785-2/02 IEEE)中发表的“刚度补偿温度不敏感微机械谐振器”。但是，上述尝试聚焦在垂直振动补偿问题上并指定于与CMOS集成不相容的金或类似材料的补救用途。

对于其他梁设计及相关的模塑目的，具有矩形截面的谐振器梁的频率(f)可由以下公式表示：

$f\≈\frac{t}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}(1+\frac{L^2}{7t^2}S)$             公式3

其中“ρ”为形成梁的材料的密度，“S”是施加于梁上的弹性应变。

随着温度上升，L和t由于热膨胀也增大，但由于L比t大很多的事实使得L的变化的影响占主导地位。因此，频率倾向于随温度增大而减小，反之亦然。从前述公式也可以清楚地得出，随着温度的增大，施加于梁上的压缩应变将作为温度的函数增强频率的敏感性。相反，随着温度的增大，施加于梁上的拉伸应变将作为温度的函数降低频率的敏感性。通过首先假定作为温度变化d(T)函数的频率变化d(f)等于零的期望关系能够更好地理解上述情况。产生取代和等同表达式：

${\mathrm{\α}}_{\exp }(1+\frac{L^2}{7t^2}S)=\frac{L^2}{7t^2}\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dT}}$             公式4

对于大多数的实际情况，所施加的应变S将远小于1。在这种假定情况下，公式4中描述的关系变为：

$\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dT}}=\frac{{7t}^2}{L^2}{\mathrm{\α}}_{\exp }$            公式5

从该表达式中可再次清楚地看出，梁谐振频率的热致变化可能被梁上所施加的弹性应变的变化(d(S))降低(即补偿)或增强。

不幸地，硅的杨氏模量的导热系数处于30ppm/K的量级。该事实导致了在振动梁频率中存在18ppm/℃范围内的相当大的温度漂移。假定对温度稳定性的名义需求在0.1-50ppm的范围内，并且通常运行温度在-40℃至+85℃内变化，则推定的MEMS设计者在设计温度稳定谐振器方面面临相当大的挑战。

很明显，对于运行温度范围内的微机械谐振器的频率稳定性需要高效的补偿机制。该机制不应依赖于与CMOS集成器件不相容的材料的加入。

发明内容

本发明致力于微机械谐振器的温度补偿问题。存在主动和被动两种解决方案。实际上，也存在着在同一解决方案中采用主动和被动两种技术的情况。主动解决方案的特征在于从谐振器结构自身以外的电路或装置为谐振器施加外部影响。被动解决方案则利用了在选定形成谐振器结构的半导体材料中发现的固有和不同(全异)的热膨胀性能。

在第一方面中，本发明提供一种补偿包括振动梁和电极的微机械谐振器中的热致频率变化的主动方法。所述方法包括针对所需谐振频率确定实际运行频率，并随后为谐振器施加补偿刚度，以维持所需的谐振频率。在一相关实施例中，通过由电极施加于梁上的静电力提供补偿刚度。

在一些主动补偿解决方案中，可利用反馈电路确定谐振器的频率，所述反馈电路直接检测实际运行频率或检测谐振器的运行温度。根据反馈电路的相应输出信号，施加于电极上的电压产生变化，以便在振动梁上提供补偿静电刚度。

在主动补偿解决方案的一种可选设置中，振动梁和电极之间的工作间隙被调整，以用于改变施加于梁上的补偿刚度。

但是，本发明的其他方面也可很方便地适用于在运行温度范围内被动地实现谐振器的频率稳定性。例如，根据本发明的一种制造微机械谐振器的方法形成由第一材料构成的梁结构和/或一个或多个相关支承结构以及至少部分地由第二材料构成的电极。其中适当地选择具有不同热膨胀系数的第一和第二材料，以使得这些元件关于温度的相对膨胀倾向于被动地调节梁和电极之间的工作间隙，以改变施加于梁上的补偿刚度，从而使得谐振器频率在指定温度范围内基本保持稳定。

具有多种形成具有不同于基底、梁和/或梁支承结构的有效热膨胀系数的电极的方式。杠杆臂可用于放大不同热膨胀效果。在一相关实施例中，通过在半导体基底上沉积活性层形成电极和梁。所述活性层具有第一热膨胀系数。此后，电极主体被改性，以便结合具有不同热膨胀系数的第二材料。在该实施例和类似实施例中，第一和/或第二材料可以从包含以下可能材料的材料组中方便地选取：硅、多晶硅、外延多晶硅(Epi-poly)、低压化学气相沉积多晶硅(LPCVD-poly)、氧化硅、锗、硅锗化合物、氮化硅和碳化硅。

在另一些被动补偿解决方案中，微机械谐振器形成在第一材料型基底上。之后由第二材料型活性层形成与一个或多个支承结构相关的振动梁和电极。一个或多个支承结构的锚固件和电极设置在基底上的不同横向位置处，以使得基底上的这些元件的相对热膨胀倾向于调节梁和电极之间的工作间隙，从而补偿梁振动随温度的频率变化。

在另一紧密相关方面中，本发明提供一种借助锚固件悬置于基底上的微机械谐振器。为此，锚固件将梁固定在基底上，并且所述锚固件还包括由具有不同热膨胀系数的两个或更多材料形成的复合结构。当相对于用于形成基底的材料适当地选择形成所述锚固件的材料时，这些材料之间的相对热膨胀用于在梁上施加压缩或拉伸应变。梁上的适当应变用于补偿热致频率变化。在谐振器设计中可结合杠杆臂，以便放大施加到梁上的压缩或拉伸应变。

附图说明

下面将参照附图进行详细描述。这些附图示出了本发明的不同方面，并且在不同附图中表示相同结构、组件、材料和/或元件的适当参考数字用类似的符号标记。应当理解，不同于所示的特定结构、组件、材料和/或元件，可以设想属于本发明范围内的这些结构、组件、材料和/或元件的各种组合。

图1示出了常规的弯曲梁结构；

图2A和2B为根据本发明的包括横向振动梁的示例性微机械谐振器的俯视图；

图3示出了本发明的一个示例性方面中用于调节图2中所示工作间隙的伸展机构；

图4A、4B、5和6示出了适用于本发明的示例性复合电极；

图7示出了在根据本发明的另一示例性实施例中的杠杆臂的进一步结合和使用；

图8和9A-C示出了本发明又一方面中的横向设置的复合锚固件的使用；

图9D和9E示出了图9C的实施例沿虚线a-a截取的截面图；

图10示出了适于在根据本发明另一方面的梁结构上施加压缩或拉伸应变的微机械谐振器；

图11示出了包括图3和4B的被动和主动补偿技术的本发明的示例性实施例。

具体实施方式

以下描述在表面微机械加工方面存在的几种设计可能性、方法和/或机械结构，从而能够补偿微机械谐振器内的热致频率改变。根据本发明，在上述谐振器的制造中，半导体兼容材料是非常适合的。

在以下全部说明中，在教导的实例中推定使用半导体兼容材料。在当前强调微机械结构的CMOS集成化的情况下，这种材料的偏爱是可以理解的。但是，尽管具有更少电流的设计优势，也可以使用与上述设计不兼容的材料。兼容材料不限于硅或硅基组分，但包括能够由常规集成电路技术制造和/或集成在半导体基底上的所有材料。作为优选，根据本发明的谐振器可以是分立的，或者可以很容易地集成到更大MEMS器件和/或包括集成电路的器件(例如CMOS电路)中。

实际上，本发明消除了形成谐振器的(多种)材料的杨氏模量的温度系数。术语“谐振器”包含所有可以具有所需机械或机电振动的结构。在以下实例中，由推定具有矩形截面的梁结构形成谐振器。这种假定从以下明显事实中获得，即对于具有矩形截面的谐振器梁的说明比非矩形梁结构更容易理解。但是，本发明并不限于具有矩形截面的谐振梁。

如上所述，已知谐振器的频率根据温度变化(或漂移)。因此，需要一些补偿机制或机构，以在变化的运行温度的影响下固定谐振器的“频率”。优选通过设计几何结构而不是工艺参数适当地提供热补偿。此外，被动(或固有)热补偿优于通过外部电路实现的主动控制。然而，本发明也适用于主动热补偿的解决方案。

以下将描述本发明的若干优选实施例。这些实施例是教导使用和形成本发明的实例。但是，其仅仅是一些实例，而不能完全限定本发明的范围，本发明的范围由以下权利要求予以限定。

从上述公式2中可以得出，在缺乏静电力作用的情况下，可根据其机械刚度k_M限定谐振器频率。为了独立于温度维持恒定的频率，必须补偿谐振器的频率的必然变化。

在本发明的一个方面中，对谐振器施加补偿刚度，以便抵消热致频率变化。术语“补偿刚度”广泛地表示任何施加于谐振器上的修正力。不同于从谐振器的内在组成获得的机械刚度，补偿刚度由施加到谐振器外部的外力产生。

例如，静电力可用作谐振器中的补偿刚度。电极和振动梁之间的静电力F_el可表示为：

$F_{\mathrm{el}}=\frac{1}{2}\·\mathrm{\ϵ}\·\frac{A}{{(d-x)}^2}{U}^2$          公式6

其中ε为介电常数，A为梁和电极之间的面积，d为梁和电极之间的间隙，x为由振动引起的偏移，U为施加的电压。

在因振动而引起的偏移可忽略不计时，补偿静电刚度可表示为：

$k_{\mathrm{el}}=\frac{{\mathrm{dF}}_{\mathrm{el}}}{\mathrm{dx}}=\mathrm{\ϵ}\·A\·\frac{1}{d^3}{U}^2$          公式7

根据上述公式2，谐振器频率由其机械刚度限定并且外部施加的静电刚度可表示为：

$f=\frac{1}{2\·\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{k_M-k_{\mathrm{el}}}{m}}$          公式8

参看公式7和8，很明显，机械刚度中的热致变化以及谐振频率可由静电刚度中的相同变化予以抵消或补偿。假定静电常数和电场面积的值固定，则补偿静电刚度变化受施加的电压U变化或梁和电极之间的工作间隙变化的影响。

因此，根据主动补偿方法中广泛限定的特征，本发明的一个方面概括为(1)确定谐振器的实际运行频率，和(2)根据需要，向梁施加补偿刚度，以便在运行温度范围内维持所需的谐振频率。可通过直接测量谐振频率或根据其他测量参数如温度间接确定运行频率的多个常规反馈电路中的任一反馈电路来实施确定实际运行温度的步骤。在一些情况下，这样的数据可能已经存在于谐振器的预期使用中，并有利地用于谐振器温度补偿的目的。

通过考虑图2A和2B中所示的实例能够更好地理解这种概念。在图2A中，由固定在基底3上并具有高度L1的支承结构7和8在相对端部处支承振动梁1。具有高度L2的电极2也靠近梁1形成于基底3上，并越过工作间隙d在梁1上施加静电力(图2A和2B)。

应当注意，术语“高度”是根据图2A和2B所示的俯视图中示出的矩形实例的任意标示，并仅仅用于限定不同于谐振器“长度”和“宽度”的正交方向轴。

支承结构7和8、电极2和谐振器1优选由CMOS兼容硅基材料制成。这些组件可由沉积在半导体基底上的活性层或单独沉积的涂层形成。术语“沉积”仅仅描述活性层在基底上的布置。其不是特殊的工艺或制造技术。

支承结构7和8、电极2和梁1根据其组成材料的热膨胀系数膨胀(和缩短)。例如，假定支承结构7和8远离其固定在基底上的点、即沿着图2中所示的矢量10的方向膨胀。虽然示出的热膨胀矢量10和11在图2的实例中方向一致，但不必总是这种情况。但是，即使在这些组件的膨胀矢量沿着相同方向的情况下，也可通过仔细选择(或替换)组成材料控制膨胀量。

在上下文的工作实例中，在设计成用于在谐振器运行期间实现温度补偿的过程中可控制以下参数：(a)支承结构的高度L1与电极高度L2之间的比例；(b)用于形成支承结构7和8的材料的(第一)热膨胀系数与用于形成电极2的材料的(第二)热膨胀系数之间的比例；以及(c)横跨工作间隙的距离。另外，施加的电压U可根据谐振器操作期间的温度进行变化，以便补偿频率的热致变化。当然，不同的谐振器几何结构将产生用于使热频率补偿生效的不同参数和内部组件关系。

除上述主动补偿解决方案外，也可通过例如仔细选择用于分别构成支承结构和电极的不同组成材料以在操作期间被动地调节上述参数(a)至(c)。在此使用的术语“被动”(或被动地)指代一种工艺、方法或改进，其中在对设计固有的一个或多个组件的变化(例如热膨胀)的影响下一个或多个参数被改变。被动调节与根据需要施加外力或外部影响的“主动”调节截然不同。

返回公式8中所述的频率、机械刚度k_M和补偿静电刚度k_el的关系，很明显，为了维持频率f稳定，k_M的增量必须与k_el的同等(或近似同等)增量相匹配。如公式1所示，对于由硅基材料形成的谐振器的机械刚度k_M，根据其杨氏模量E的增加而增加。为了抵消k_M的这种增加，必须得到增加的K_el。

再次参看公式7并假定固定的介电常数ε和电场面积A，可通过提高施加的电压U和/或减小谐振器和电极之间的工作间隙d增加k_el。提高施加电压U是一种简单、主动的解决方案。根据谐振器采用常规的反馈电路(图2中未示出)。在检测温度反馈电路的基础上，能够调节施加的电压U，以进而补偿温度的任何合理变化。

图2假定电极2固定在基底3上。但是，如果电极可相对于梁1移动，则通过利用检测谐振器的温度或实际运行频率的反馈电路以主动、受控的方式减小(或增大)工作间隙。如图3所示，伸展机构12，如张力弹簧、刚性支承元件或热致动器(例如通过施加的电流加热梁/杠杆臂结构的致动器)可用于连接电极2和基底3。可由相关的致动驱动器14电动或机械驱动这种伸展机构12。采用这些示例性或类似机构中的任何一个，能够根据运行温度的升高调节电极2和梁1之间的工作间隙，进而增加(或适当减小)电极2施加于梁1上的静电刚度。通过在期望运行温度范围内仔细比较热膨胀系数和静电刚度范围的计算结果，能够主动地减轻温度变化对谐振器频率的影响。

主动温度补偿因为其能够实时适应温度变化的能力而引起人们的关注。但是，主动温度补偿方案以致动驱动器和/或伸展机构的形式具有某些非常大的额外开销价位。因此，在一些应用中，被动温度补偿解决方案是理想的。

图4A示出了被动温度补偿的另一实例。在图4A中，图3的伸展机构和/或致动驱动器由连接电极20和基底3的基座21所替代。通过相对于用于形成支承结构7和8的组成材料仔细选择基座21和电极20的组成材料，根据具有不同热膨胀系数材料的计算、相对热膨胀结果，可以调节梁和电极之间的工作间隙。

以类似的方式，图4B中示出的实例包括由具有不同热膨胀系数的两种(或更多)组分材料23和24形成的电极22。组分材料的实际选择是非常广泛的，例如包括各种类型的多晶硅(低压化学气相沉积多晶硅，外延多晶硅等)、采用SOI晶片的单晶硅、具有多种Si/Ge比例的硅锗化合物、氧化硅(例如，SiO₂)、氮化硅(例如，Si₃N₄)和碳化硅(SiC)。

在图4B所示的实例中，电极22可由已被中心挖空且再填入SiO₂24的外延多晶硅本体23形成，并以外延多晶硅重新覆盖。由于SiO₂具有非常低的热膨胀系数(O.5ppm，与之相对，外延多晶硅为2.5ppm)，SiO₂引入电极22的本体中将降低电极22的总热膨胀系数。在该实例中，因为电极一定是表面传导的，所以需要外延多晶硅的外壳。已知在不破裂的情况下形成厚SiO₂相关较难，优选利用狭窄挖空(例如，蚀刻)并随后填充以SiO₂的沟槽或通过在外延多晶硅电极本体的空腔内沉积多个SiO₂层而形成电极22。

在图5所示的相关实例中，横向振动梁1在任一端由连接于基底锚固件7A和8A上的各支承件7和8固定。通过锚固件28A将电极28固定在基底上。在该实例中，假定梁1、支承件7和8、锚固件7A和8A由沉积在基底上的外延多晶硅涂层形成。电极28也由外延多晶硅形成，但电极的位置被空出(例如，通过一个或多个常规蚀刻工序移除)，并随后填充以第二种材料28B，如SiO₂。假定第二种材料实际上是SiO₂，则产生的电极28相对于由外延多晶硅形成的元件(如梁、支承件和锚固件)具有相对低的热膨胀系数。如果第二种(再填充)材料从具有比外延多晶硅高的热膨胀系数的材料组中选取，则电极28具有相对高的热膨胀系数。例如，锗具有4.5ppm的热膨胀系数。格栅形空出电极部分非常适于SiO₂的再填充，但这仅仅是具有仔细操纵热膨胀系数的电极的一个构造实例。

图6为图5所示谐振器结构的截面图。其中SiO₂为理想的再填充材料，通过例如氮化硅层30可防止活性结构的HF释放。

前述实例已经描述了由至少一种附加(辅助)材料形成的电极，所述附加材料具有与形成谐振器结构中其他相关组件的主要(第一)材料不同的热膨胀系数。但是，本发明也以类似的方式设想了支承结构、锚固件和/或梁的类似改造。这些组件中的任一个均不是必须由组合材料形成、再填充或者合并。而且，具有不同热膨胀系数的材料可用于形成谐振器中的各个组件。例如，梁、支承结构和锚固件可由外延多晶体形成而电极则由锗形成。

另外，影响工作间隙调整的相关组件的膨胀方向和膨胀量可借助一个或多个杠杆臂被放大。图7示出了上述用途的一实例。杠杆臂38被移动，以调节电极40和梁1之间的工作间隙。杠杆臂38的移动方向由第一支承件31和第二支承件32之间的热膨胀差(矢量10和11)控制，其中第二支承件32作为杠杆臂38的支点。通过热膨胀差以及沿着杠杆臂的长度a(第一长度)和长度b(第二长度)的比例控制这种移动的幅度。

基底上的相对锚定位置也可用于调节电极和梁之间的分离间隙。可通过在设计过程中考虑基底与沉积在基底上的一个或多个活性层之间的不同热膨胀系数获得上述结果。图8中示出了这种方式。

在此，电极29通过工作间隙与梁1分开。电极29固定在基底的锚固件29A处。相反，支承件7和8将梁1固定在基底上相应的锚固件7A和8A处。作为实例，假定基底为蓝宝石硅(SOS)和活性层为外延多晶硅，沿梁热膨胀方向测量的相应锚固件之间的横向距离L3将在运行温度范围内调节工作间隙。

相关锚固件的组分也可用于影响谐振梁频率变化的热补偿。认识到压缩应变倾向于减小梁的谐振频率而拉伸应变倾向于增加谐振频率，则具有不同于基底的热膨胀系数的锚固件可用于在梁上引起压缩或拉伸应变。图9A和9B中示出了这种方式。

在此，弯曲(或悬挂)梁1由锚固件50和52支承在基底3上。通过结合具有不同于基底的热膨胀系数的两个或多个材料形成锚固件，能够在梁1上施加压缩或拉伸应变。如上所述，可包括但不限于硅和锗的多种常规材料形成基底3。

锚固件50和52分别固定在基底3上的锚点50A和52A处。例如，可通过在外延多晶硅锚固件本体中的选择性空出的部分内填充SiO₂而形成所述复合锚固件。这使得复合锚固件50和52相对于外延多晶硅梁和/或硅基基底具有较低的总热膨胀系数。根据在锚点和梁之间测量的复合锚固件的长度L4，并通过选定材料的不同热膨胀系数为施加到梁1上的压缩或拉伸应变提供杠杆臂作用。

相关梁的组分也可用于影响谐振梁频率变化的热补偿。鉴于此，根据图9C和9D，梁1可由具有不同热膨胀系数的多种材料1a和1b(例如，硅、锗、氧化硅和/或氮化硅)构成。例如，梁1可由硅内芯和氧化硅外层构成。或者，梁1可由硅、锗和氧化硅(1a、1b、1c，分别参见图9E)构成。事实上，在此讨论的任一种材料(或其他材料)均可用于构成梁1。

图9C中示出的本发明也可与图9A和9B中示出的本发明合并。鉴于此，梁1可包含多种分别具有不同热膨胀系数的材料，而锚固件50和/或52则包含结合起来具有不同于基底的热膨胀系数的两种或多种材料。

在图10中，复合锚固件61和62与杠杆臂60A和60B以及用于在谐振梁1上施加拉伸或压缩力的压缩/膨胀杆64结合在一起。即，通过为锚固件61和62、压缩/膨胀杆64、梁1和/或基底3选择具有不同热膨胀系数的组成材料，可为梁1施加适当的压缩或拉伸应变，以便补偿热致频率变化。

在整个前述说明中，已经作为实例采用了选定的弯曲梁或横向振动梁结构。但是，这里示出的频率补偿方案并不限于所述示例性结构，而是可用于所有适用于MEM的梁。此外，已经建议用于示例性组件的组成的各种材料。同样，它们在此仅仅为一些优选的实例。只要适当设计并利用具有充分不同热膨胀系数的材料制造谐振器元件，便可实现在此教导的被动和/或主动频率补偿方案。

此外，也可以合并或结合在此描述并示出的被动技术和主动技术，以便提供使用被动和主动补偿技术的解决方案。例如，可结合图3和图4A和/或4B的实施例，以提供被动和主动方案(例如，参见图11)。

贯穿本申请，术语“抵消”和“补偿”(或类似术语)用于表示修正方法，借助该方法，能够处理和/或改进不利地影响谐振器稳定性的条件的主要组成或因素。其他问题、即使是与热膨胀相关的问题，如几何结构(例如高度和/或宽度)的变化在对补偿的整体影响中微乎其微。此外，这里描述的方案也适于在有限的温度变化范围(例如，预定的温度范围)内解决、补偿和/或改进不利地影响谐振器稳定性的条件。

Claims (31)

1.一种补偿微机械谐振器中的热致频率变化的方法，所述微机械谐振器包括一具有所需谐振频率的振动梁和一电极，所述方法包括：

确定所述谐振器的实际运行频率；以及

根据所述实际运行频率和所需谐振频率向所述梁施加补偿刚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加补偿刚度进一步包括通过所述电极向所述梁施加静电力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，施加所述静电力进一步包括增加施加于所述电极上的电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述谐振器进一步包括一反馈电路，并且其中确定所述实际运行频率进一步包括：

测量谐振器频率和运行温度中的至少一个；并产生指示所述测量结果的输出信号，以及

其中施加于所述电极上的电压根据反馈电路的输出信号变化。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述振动梁通过一工作间隙与所述电极分开，并且其中向所述梁施加所述静电力进一步包括：

相对于所述振动梁移动所述电极，以根据所述谐振器的实际运行频率调节所述工作间隙。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，移动所述电极进一步包括：

利用机械伸展机构相对于所述振动梁物理移动所述电极。

7.一种制造微机械谐振器的方法，所述谐振器包括由至少一个支承结构支承在基底上的振动梁以及靠近所述梁但与之以一工作间隙隔开的电极，所述方法包括：

用具有第一热膨胀系数的第一材料形成所述梁和所述支承结构中的至少一个；

至少部分地用具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料形成所述电极；

由此，根据温度变化调节所述工作间隙，以使得谐振器频率随着所述温度变化基本保持稳定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述电极进一步包括：

用不同于所述第二材料的材料形成一电极基座，所述基座固定在所述基底上；以及

在所述电极基座上形成所述电极。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述电极进一步包括：

用不同于所述第二材料的材料形成一电极本体，并随后

空出所述电极本体的一部分；以及

用所述第二材料再填充所述电极本体的空出部分。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一材料为硅且所述第二材料为氧化硅。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一材料和第二材料包括从包含硅、多晶硅、外延多晶硅、低压化学气相沉积多晶硅、氧化硅、锗、硅锗化合物、氮化硅和碳化硅的组中选出的至少一种。

12.一种微机械谐振器，包括：

梁，其具有一谐振频率并由具有第一热膨胀系数的第一材料形成；

电极，其通过一工作间隙靠近所述梁并适于在所述梁上施加静电力，所述电极至少部分地由具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料形成；

其中所述梁和所述电极在一温度范围内的相对热膨胀调节所述工作间隙，以使得所述谐振频率在所述温度范围内基本保持稳定。

13.根据权利要求12所述的谐振器，其特征在于，进一步包括一基底和一沉积在所述基底上的第一材料型的活性层；

其中所述梁由所述活性层形成，且所述电极至少部分地由所述活性层形成。

14.根据权利要求13所述的谐振器，其特征在于，所述活性层由从包含硅、多晶硅、外延多晶硅、低压化学气相沉积多晶硅、氧化硅、锗、硅锗化合物、氮化硅和碳化硅的组中选出的至少一种材料构成。

15.一种微机械谐振器，包括：

具有所需谐振频率的梁；

通过一工作间隙靠近所述梁并适于在所述梁上施加静电力的电极；

在第一端支承所述电极并适于移动所述电极从而调节工作间隙的杠杆臂。

16.根据权利要求15所述的谐振器，其特征在于，进一步包括：

一反馈电路，其产生指示所述梁的实际谐振频率和谐振器运行温度中的至少一个的反馈信号。

17.根据权利要求16所述的谐振器，其特征在于，进一步包括：

一致动驱动器，其根据所述反馈信号驱动所述杠杆臂，以使得在一运行温度范围内维持所需的谐振频率。

18.根据权利要求15所述的谐振器，其特征在于，进一步包括：

靠近与所述第一端相对的第二端将所述杠杆臂固定至一基底上的第一支承件，其中所述第一支承件由具有第一热膨胀系数的第一材料形成；以及

作为所述第一端和第二端之间的支点支承所述杠杆臂的第二支承件，其中所述第二支承件至少部分地由具有第二热膨胀系数的第二材料形成；

其中所述第一和第二支承件在一温度范围内的相对热膨胀调节所述工作间隙，以使得所述谐振频率在所述温度范围内保持基本稳定。

19.一种微机械谐振器，包括：

由具有第一热膨胀系数的第一材料形成的基底；

由在所述基底上沉积的活性层形成的振动梁，其中所述活性层由具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料形成；

通过第一锚固件将所述梁固定在所述基底上的至少一个支承件；

通过一工作间隙靠近所述梁并通过第二锚固件固定在所述基底上的电极；

其中所述第一和第二锚固件相对于所述振动梁分别横向设置在所述基底上。

20.根据权利要求19所述的谐振器，其特征在于，所述电极至少部分地由所述活性层形成。

21.根据权利要求20所述的谐振器，其特征在于，所述至少一个支承件由所述活性层形成。

22.根据权利要求19所述的谐振器，其特征在于，所述第一锚固件由所述活性层形成；以及

所述第二锚固件至少部分地由所述活性层形成。

23.根据权利要求22所述的谐振器，其特征在于，所述第二锚固件部分地由不同于所述第二材料的材料形成。

24.一种微机械谐振器，包括：

由具有第一热膨胀系数的第一材料形成的基底；

由沉积在所述基底上的活性层形成的振动梁，其中所述活性层由具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料和具有不同于所述第二热膨胀系数的第三热膨胀系数的第三材料形成；

第一锚固结构和第二锚固结构；

其中所述第一和第二锚固结构相对于所述振动梁分别横向设置在所述基底上，以在所述基底上支承所述振动梁。

25.根据权利要求24所述的谐振器，其特征在于，所述第一锚固结构由所述活性层形成。

26.根据权利要求24所述的谐振器，其特征在于，所述第一锚固结构由所述活性层形成，并且

所述第二锚固结构至少部分地由所述活性层形成。

27.根据权利要求26所述的谐振器，其特征在于，所述第二锚固结构部分地由不同于所述第二材料的材料形成。

28.根据权利要求24所述的谐振器，其特征在于，所述振动梁部分地由不同于所述第二材料的材料形成。

29.一种微机械谐振器，包括：

由具有第一热膨胀系数的第一材料形成的基底；

由具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料形成的梁，其中所述梁通过至少一个锚固结构悬置于所述基底上方；

其中所述至少一个锚固结构进一步包括：

将所述锚固结构固定在所述基底上的锚点；以及

由所述第二材料和具有不同于所述第二热膨胀系数的第三热膨胀系数的第三材料形成的复合锚固结构。

30.一种微机械谐振器，包括：

由具有第一热膨胀系数的第一材料形成的基底；

通过第一锚固件固定在所述基底的一端并在另一端支承一振动梁的第一端的第一杠杆臂；

通过第二锚固件固定在基底的一端并在另一端支承所述振动梁的第二端的第二杠杆臂；

连接于所述第一和第二杠杆臂之间的压缩/膨胀杆，其横向驱动所述第一和第二杠杆臂，以在所述振动梁上施加压缩应变或拉伸应变。

31.根据权利要求30所述的谐振器，其特征在于，所述振动梁由具有第一热膨胀系数的第一材料形成，所述压缩/膨胀杆至少部分地由具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料形成。

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