CN105245198A - 微机械硅谐振器的温度补偿结构及制作方法 - Google Patents

微机械硅谐振器的温度补偿结构及制作方法 Download PDF

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熊斌
冯端
徐德辉
马颖蕾
陆仲明
王跃林
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Abstract

本发明提供一种微机械硅谐振器的温度补偿结构及其制作方法，包括微机械谐振器结构；设有空腔并用于支撑所述微机械谐振器结构的底层基底以及位于所述微机械谐振器结构与所述底层基底之间的绝缘层；所述微机械谐振器结构包括具有第一温度系数的结构层，所述结构层上具有周期分布的凹槽；填充满所述凹槽的具有第二温度系数的补偿材料；所述第一温度系数和所述第二温度系数相反。本发明通过在微机械振动谐振器中引入结构材料温度系数相反的另一种材料来对其进行温度补偿，能够有效控制谐振器的温度漂移；采用该温度补偿结构，可以大大提高微机械谐振器的温度稳定性，同时减少外部补偿电路的复杂性。

Description

微机械硅谐振器的温度补偿结构及制作方法
技术领域
本发明涉及微机电***、微谐振器领域，特别是针对微机械硅谐振器的温度补偿结构及其制作方法。
背景技术
微机械谐振器是微机电领域非常常见的一种器件。其优点囊括：易于批量制造，小型化，易于集成，等等。目前的研究，显示其可以用作包括，生物，化学，气体，应力在传感器，也可以用作电子器件中的时钟或频率基准，以及射频滤波器在内的各种器件。不同的应用，对于微机械谐振器有着不同的参数要求。如，对于传感器应用，其要求谐振器对于质量有较高的灵敏度；对于时钟应用，其要求谐振器具有很高的品质因数；而对于滤波器应用，其要求谐振器不单要具有高的品质因数，还要具有低的***损耗。但，这些应用对于谐振器具有一个共同的要求，那就是具有低的温度漂移系数。
对于谐振器来讲，其温度漂移主要是由构成谐振器材料弹性模量随着温度的漂移造成的。例如，对于硅来讲，其弹性模量的典型温漂值为63ppm/C°，由硅构成的微谐振器的温漂值则在30ppm/C°左右。典型的针对谐振器的温度补偿方法，包括加温恒热法，即通过将谐振器进行加热，使其稳定在某个温度值，来减少环境温度变化对其影响，另一种比较常见的方法是，通过PLL电路中的分频器来对整个由谐振器构成的电子器件进行频率调整，以使最终的输出频率不受温度变化的影响。以上的这两种方法都要求昂贵并且复杂的温度补偿电路来时谐振器达到所需性能，主要的原因是这些方法并没有触及到问题的根本—构成谐振器材料的弹性模量有着一定的温度漂移。
因此，亟需一种能够改善上述问题的方法来对谐振器材料的弹性模量进行温度补偿。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机械硅谐振器的温度补偿结构及其制作方法。用于解决现有微机械硅谐振器温度补偿电路复杂，成本高等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机械谐振器温度补偿结构的制作方法，所述制作方法至少包括如下步骤：
提供一具有三层复合结构的基底，其包括底层基底、位于该底层基底上的绝缘层以及位于顶层的具有第一温度系数的结构层，所述结构层上具有周期分布的凹槽；
沉积具有第二温度系数的补偿材料层，并覆盖所述结构层以及所述凹槽；
对所述补偿材料层进行研磨抛光后去除多余的补偿材料，保留所述凹槽中的补偿材料；
刻蚀所述结构层，形成微机械谐振器结构；
刻蚀底层基底，在其背部形成空腔结构；
自所述空腔结构内刻蚀绝缘层完成对微机械谐振器的释放；
所述第一温度系数和所述第二温度系数相反。
优选的，所述第一温度系数为正温度系数；所述第二温度系数为负温度系数。
优选的，所述第一温度系数为负温度系数；所述第二温度系数为正温度系数。
本发明还提供一种微机械谐振器温度补偿结构，该微机械谐振器温度补偿结构包括微机械谐振器结构；
设有空腔并用于支撑所述微机械谐振器结构的底层基底以及位于所述微机械谐振器结构与所述底层基底之间的绝缘层；
所述微机械谐振器结构包括具有第一温度系数的结构层，所述结构层上具有周期分布的凹槽；
填充满所述凹槽的具有第二温度系数的补偿材料；
所述填充补偿材料的结构层通过结构定义孔悬空于所述空腔上方，所述第一温度系数和所述第二温度系数相反。
优选的，具有周期分布的凹槽未贯通所述结构层。
优选的，所述凹槽的横截面为倒梯形。
优选的，所述补偿材料以几何结构均匀分布在所述结构层中。
本发明的针对微机械谐振器的温度补偿结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过在结构材料中引入弹性模量温度系数相反的补偿材料，能够有效控制谐振器振动频率随着温度的漂移；采用该温度补偿结构的微机械谐振器，可以增加其温度稳定性，从而减少***温度补偿电路的复杂性。
附图说明
图1显示了本发明实施例温度补偿结构的俯视示意图；
图2至图7显示为本发明实施例温度补偿结构的制作流程图；
其中，图2显示为在绝缘体上硅的顶层结构上刻蚀凹槽的示意图；
图3显示为在结构层上沉积一层补偿材料层，覆盖并填满所述凹槽的示意图；
图4显示为通过CMP的方法，将结构层上的补偿材料磨平，只保留凹槽内的材料的示意图；
图5显示为利用结构定义孔刻蚀结构层，形成所需谐振器结构示意图；
图6显示为刻蚀底层基底，形成空腔示意图；
图7显示为通过刻蚀绝缘层，完成对谐振器结构的释放示意图。
元件标号说明
11底层基底
12绝缘层
13结构层
14凹槽
15补偿材料层
16补偿材料阵列
17结构定义孔
18空腔
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图所示，本发明涉及一种温度补偿结构，用于通对微机械谐振器的温度漂移特性进行补偿。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图7所示，所述微机械谐振器的温度补偿结构至少包括：构成微机械谐振器的结构层13；用于对材料弹性模量进行温度补偿的补偿材料阵列16。其中所述补偿材料阵列16有着与结构层13的基本材料相反的温度系数。所述微机械谐振器的温度系数适于通过设置所述补偿材料在结构层13中的分布及比例来进行调整，以使所述微机械谐振器的温度系数稳定在要求的范围。
所述的补偿材料有着与所述结构层的基本材料相反的温度系数。例如，所述结构层的基本材料为正温度系数，则所述补偿材料为负温度系数；所述结构层的基本材料为负温度系数，则所述补偿材料为正温度系数。
本实施例中，所述补偿材料以一定的几何结构均匀分布在所述基本材料中。例如图1所示的正方块均匀分布的阵列16。
本发明一种微机械谐振器温度补偿结构的制作方法至少包括如下步骤：
步骤S1，提供一基底，所述基底为三层复合结构，其中中间一层为电学绝缘层12，而最上层为结构层13，结构层具有沉积补偿材料16的凹槽14，如图2所示。本实施例中，结构层13的材料比如可以是单晶硅，其典型的温度系数为负，约为-60ppm/℃。
步骤S2，通过沉积形成补偿材料层15，覆盖所述结构层13以及所述凹槽14，如图3所示。本实施例中，补偿材料层15的材料可以是氧化硅，其典型温度系数为正，约为180ppm/℃。
步骤S3，对所述补偿材料15进行研磨抛光，去除多余的补偿材料，只保留填充凹槽14的补偿材料16，如图4所示。
步骤S4，对所述结构层13进行刻蚀，形成微机械谐振器结构，如图5所示。
步骤S5，对圆片衬底层11进行刻蚀，形成背部的空腔结构18，如图6所示。
步骤S6，对结构的牺牲层(绝缘层)12进行刻蚀，对微机械谐振器完成释放。
同样，所述温度补偿结构16的制作方法还包括：结构层13上的空腔14为倒梯形结构；在沉积补偿材料层15时，可以保证空腔被补偿材料15完全填充。
优选地，所述温度补偿结构16的制作方法还包括：结构层上的空腔14与绝缘层12中间保留一定的结构层；在刻蚀牺牲层(绝缘层)12时，可以对温度补偿结构16形成一定的保护。
本发明通过在对在微机械谐振器的结构材料中引入补偿材料，能够有效控制谐振器的温度漂移；采用该温度补偿结构的谐振器，其温度特性可以通过调整补偿材料在结构材料中的分布以及比例来进行调整；从而可以从根本上减少谐振器的温度漂移，降低***驱动电路的复杂性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种微机械谐振器温度补偿结构的制作方法，其特征在于：所述制作方法至少包括如下步骤：
提供一具有三层复合结构的基底，其包括底层基底、位于该底层基底上的绝缘层以及位于顶层的具有第一温度系数的结构层，所述结构层上具有周期分布的凹槽；
沉积具有第二温度系数的补偿材料层，并覆盖所述结构层以及所述凹槽；
对所述补偿材料层进行研磨抛光后去除多余的补偿材料，保留所述凹槽中的补偿材料；
刻蚀所述结构层，形成微机械谐振器结构；
刻蚀底层基底，在其背部形成空腔结构；
自所述空腔结构内刻蚀绝缘层完成对微机械谐振器的释放；
所述第一温度系数和所述第二温度系数相反。
2.根据权利要求1所述的微机械谐振器温度补偿结构的制作方法，其特征在于：所述第一温度系数为正温度系数；所述第二温度系数为负温度系数。
3.根据权利要求1所述的微机械谐振器温度补偿结构的制作方法，其特征在于：所述第一温度系数为负温度系数；所述第二温度系数为正温度系数。
4.一种微机械谐振器温度补偿结构，其特征在于：该微机械谐振器温度补偿结构包括微机械谐振器结构；
设有空腔并用于支撑所述微机械谐振器结构的底层基底以及位于所述微机械谐振器结构与所述底层基底之间的绝缘层；
所述微机械谐振器结构包括具有第一温度系数的结构层，所述结构层上具有周期分布的凹槽；
填充满所述凹槽的具有第二温度系数的补偿材料；
所述填充补偿材料的结构层通过结构定义孔悬空于所述空腔上方，所述第一温度系数和所述第二温度系数相反。
5.根据权利要求4所述的微机械谐振器温度补偿结构，其特征在于：具有周期分布的凹槽未贯通所述结构层。
6.根据权利要求4所述的微机械谐振器温度补偿结构，其特征在于：所述凹槽的横截面为倒梯形。
7.根据权利要求4所述的微机械谐振器温度补偿结构，其特征在于：所述补偿材料以几何结构均匀分布在所述结构层中。
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