專利名稱：Mems振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的技術領域涉及振蕩器，特別是涉及基于MEMS諧振器的MEMS振蕩器。
背景技術：
時鐘和振蕩器是所有電子系統(tǒng)的心臟，目前絕大多數(shù)高性能電子系統(tǒng)的時鐘都是由石英振蕩器提供，但石英晶體振蕩器為片外組元，不易于IC集成，不僅增加了集成成本，而且阻礙了系統(tǒng)的小型化。MEMS諧振器是使機械結構在其固有頻率振動。微納諧振器與IC電路集成，構成MEMS振蕩器。MEMS諧振器的頻率決定振蕩器的頻率?；贛EMS諧振器的振蕩器不僅具有高頻高Q，而且其制造工藝與IC技術兼容，可實現(xiàn)微納諧振器件與IC電路的同一芯片集成，利于整個系統(tǒng)的小型化。高Q值意味著器件插損小、能耗低、相噪低、諧振電路選擇性好，適于制作穩(wěn)定的振蕩器。與傳統(tǒng)石英振蕩器相比，MEMS振蕩器不管從生產工藝還是組件結構設計上，都更符合現(xiàn)代電子產品的標準，也是對傳統(tǒng)石英產品的升級換代。近年來，基于MEMS諧振器的振蕩器引起人們越來越多的關注，是取代石英晶體振蕩器的理想器件。目前MEMS諧振器的插入 損耗普遍較大，不利于制作振蕩器。而且MEMS諧振器的諧振頻率具有較強的溫度依賴性。例如，硅基MEMS諧振器，諧振頻率的溫度穩(wěn)定性為-20ppm/°C1，遠不能滿足振蕩器的實際應用需求。目前研究人員主要從材料2、器件結構3以及外圍電路4對MEMS諧振器的頻率穩(wěn)定性進行了優(yōu)化，但都難以實現(xiàn)高穩(wěn)定頻率輸出，補償后的振蕩器在0°C -100°C溫度范圍內，頻率穩(wěn)定度為±20ppm左右。本發(fā)明提出了集成微加熱器和調節(jié)諧振器偏壓兩種方法相結合的途徑，使MEMS振蕩器在0°C -100°C范圍內可實現(xiàn)± Ippm的高穩(wěn)定頻率輸出。引用文獻:IW.-T.Hsu, Vibrating RF MEMS for timing and frequency references，inProc.1EEE Int.Microw.Theory and Tech.Symp.，Jun.11-16，2006，pp.672-675.
[2]Renata MeIamud.，Temperature Insensitive Micromechanical Resonators，PhD dissertation， Department of Mechanical Engineering， Stanford University,Stanford, CA,2008.
3W.T.Hsu and C.T.-C.Nguyen, Geometric stress compensation forenhanced thermal stability in micromechanical resonators，in Proc.1EEEUltrason.Symp.，Sendia，Japan，Oct.5-8，1998，pp.945-948.
4K.Sundaresan, P.E.Allen, and F.Ayazi，“Process and temperaturecompensation in a7_MHz CMOS clock oscillator，，，IEEE J.Solid-State Circuits，vol.41，n0.2，pp.433-442，F(xiàn)eb.2006.

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種MEMS振蕩器，該MEMS振蕩器中的MEMS諧振器是帶溫度補償?shù)母哳l高品質因子(Q)的MEMS圓盤諧振器，具有高穩(wěn)定的頻率輸出。本發(fā)明提供一種一種MEMS振蕩器,包括:一 MEMS 諧振器；一第一阻抗匹配網絡，其輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接；一第二阻抗匹配網絡，其輸出端與MEMS諧振器的輸入端連接；一放大器，其輸入端與第一阻抗匹配網絡的輸出端連接；一移相網絡，其輸入端與放大器的輸出端連接，輸出端與第二阻抗匹配網絡的輸入端連接；一輸出緩沖器，其輸入端與移相網絡的輸出端連接，以上構成的正反饋型振蕩電路。從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的有益效果是:MEMS振蕩器是取代基于陶瓷、石英等材料的片外振蕩器、滿足未來無線通信等領域發(fā)展要求的極有應用前景的理想元器件。頻率穩(wěn)定性是MEMS振蕩器的主要性能指標，是決定器件是否能實用化的關鍵因素，也是本領域研究人員近幾年致力于突破的一個科學和技術難點。本發(fā)明提出的集成微加熱器和調節(jié)諧振器偏壓相結合的方法，使MEMS振蕩器在0°C -100°C范圍內可實現(xiàn)± Ippm的高穩(wěn)定頻率輸出。這一技術突破為實現(xiàn)未來無線通信系統(tǒng)所需的高性能MEMS振蕩器奠定了基礎。



為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中:圖1為本發(fā)明提供的MEMS振蕩器結構框圖；圖2為本發(fā)明提供的帶溫度補償?shù)母哳l高品質因子MEMS諧振器結構示意圖；圖3為本發(fā)明提供的MEMS振蕩器滿足起振條件時的開環(huán)增益和相位曲線；圖4為本發(fā)明提供的MEMS振蕩器加熱電流與輸出頻率的關系，直流偏壓VP與輸出頻率的關系；圖5為本發(fā)明提供的MEMS振蕩器只使用局域溫度控制進行溫度補償和同時采用兩種方法溫度補償?shù)念l率穩(wěn)定度曲線對比圖。
具體實施例方式請參閱圖1及圖2所示，本發(fā)明提供一種MEMS振蕩器,包括:一MEMS諧振器3，所述MEMS諧振器3為帶溫度補償?shù)母哳l高品質因子Q值的MEMS諧振器，該MEMS諧振器3包括加熱電阻2和諧振單元I (參閱圖2)，所述MEMS諧振器3為MEMS圓盤諧振器，所述圓盤結構的MEMS諧振器3包括帶中柱實心圓盤結構或中空圓盤結構，所述MEMS諧振器3是靜電驅動/靜電檢測，或是壓電驅動/壓阻檢測，基于靜電原理的MEMS諧振器3與電極之間的間隙為空氣或固體介質(如氧化硅、氮化硅、氧化鉿)；MEMS諧振器3的結構層為高摻雜的半導體材料或壓電材料(如多晶硅、氮化鋁),MEMS諧振器3是由與集成電路(IC)工藝相兼容的MEMS加工技術制作的，比如用低壓化學氣相沉積方法生長三層原位摻雜多晶硅，分別構成諧振器的傳輸線、可動結構和電極；通過熱氧化制作電極與圓盤側壁之間的納米間隙，利用反應離子刻蝕方法制作圓盤、電極和摻雜多晶硅微加熱器，通過金屬剝離制作引線電極。MEMS圓盤諧振器3的諧振模態(tài)為面內徑向振動模態(tài)，位移節(jié)點在圓心處。不僅具有高頻高Q，而且易于IC在同一芯片集成。所述MEMS諧振器3的周圍為加熱電阻2，電阻由與工藝兼容的任何導電材料構成，利用溫度傳感器和自動控制電路，保證諧振器局域溫度恒定，實現(xiàn)初級溫度補償。同時通過精細調節(jié)直流偏壓VP，實現(xiàn)高精度溫度補償；一第一阻抗匹配網絡4，其輸入端與MEMS諧振器3的輸出端連接；一第二阻抗匹配網絡5，其輸出端與MEMS諧振器3的輸入端連接；所述第一阻抗匹配網絡4和第二阻抗匹配網絡5為L型或Π型，實現(xiàn)MEMS諧振器3輸入輸出阻抗與放大器阻抗匹配；一放大器6，其輸入端與第一阻抗匹配網絡4的輸出端連接，所述放大器6為低噪聲高增益寬帶放大器，通過調節(jié)放大器增益，滿足振幅起振條件；一移相網絡7，其輸入端與放大器6的輸出端連接，輸出端與第二阻抗匹配網絡5的輸入端連接；一輸出緩沖·器8，其輸入端與移相網絡7的輸出端連接，所述移相網絡7是Π型LC移相器,通過調節(jié)相移大小,滿足相位起振條件，以上構成的正反饋型振蕩電路。圖3為本發(fā)明提供的MEMS振蕩器滿足起振條件時的開環(huán)增益9和相位10。既在諧振頻率處振蕩器電路環(huán)路增益大于OdB相位為O度。MEMS圓盤諧振器I的頻率隨溫度變化，通常的頻率溫度系數(shù)在1020ppm/°C，遠不能滿足振蕩器的實際應用需求，因此，需要通過溫度補償實現(xiàn)頻率的高穩(wěn)定性輸出。本發(fā)明在MEMS圓盤諧振器I附近制作了多晶硅加熱電阻2 (參閱圖2)，通過溫度傳感器和自動控制電路，實現(xiàn)諧振器附近的溫度恒定，實現(xiàn)初級溫度補償。同時通過自動精細調節(jié)直流偏壓VP實現(xiàn)高級溫度補償，實現(xiàn)高穩(wěn)定性輸出。圖4為本發(fā)明提供的MEMS振蕩器加熱電流與輸出頻率的關系，和直流偏壓VP與輸出頻率的關系。對于硅材料的MEMS諧振器隨溫度上升諧振頻率下降。因此當外界溫度不變時，增大加熱電流可使諧振器的頻率減小12。反之，減小加熱電流可使諧振器的頻率增力口。當外界溫度變化，通過溫度傳感器和自動控制電路，改變加熱電流的大小，使諧振器局部的溫度保持不變，使頻率不漂移，這種方法對頻率的調節(jié)范圍較大，但響應速度較慢，不夠精確。只能實現(xiàn)初級溫度補償。MEMS圓盤諧振器的直流偏壓VP對諧振頻率也有調節(jié)作用11，這種調節(jié)響應快速、精確，但是調節(jié)范圍較小。結合局域溫度控制，可實現(xiàn)高精度的溫度補償。本發(fā)明提供的MEMS振蕩器只使用局域溫度控制進行溫度補償和同時采用兩種方法溫度補償?shù)念l率穩(wěn)定度曲線對比(參閱圖5)。在0°C到100°C范圍內只使用局域溫度控制進行溫度補償13的精度±20ppm,同時采用兩種方法溫度補償14的頻率穩(wěn)定度可達到±lppm。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種MEMS振蕩器，包括: 一 MEMS諧振器； 一第一阻抗匹配網絡，其輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接； 一第二阻抗匹配網絡，其輸出端與MEMS諧振器的輸入端連接； 一放大器，其輸入端與第一阻抗匹配網絡的輸出端連接； 一移相網絡，其輸入端與放大器的輸出端連接，輸出端與第二阻抗匹配網絡的輸入端連接； 一輸出緩沖器，其輸入端與移相網絡的輸出端連接，以上構成的正反饋型振蕩電路。
2.根據(jù)權利要求1所述的MEMS振蕩器，其中所述MEMS諧振器為帶溫度補償?shù)母哳l高品質因子Q值的MEMS諧振器。
3.根據(jù)權利要求1所述的MEMS振蕩器，其中所述MEMS諧振器包括加熱電阻和諧振單元
4.根據(jù)權利要求1所述的MEMS振蕩器，其中所述MEMS諧振器的溫度補償是通過局域溫度控制，并結合MEMS諧振器 直流偏壓調節(jié)實現(xiàn)的。
5.根據(jù)權利要求1所述的MEMS振蕩器，其中所述MEMS諧振器為MEMS圓盤諧振器。
6.根據(jù)權利要求5所述的MEMS諧振器，其中所述MEMS圓盤諧振器包括帶中柱實心圓盤結構或中空圓盤結構。
7.根據(jù)權利要求6所述的MEMS諧振器，其中所述MEMS圓盤諧振器是靜電驅動/靜電檢測，或是壓電驅動/壓阻檢測；MEMS諧振器的結構層為高摻雜的半導體材料或壓電材料，基于靜電原理的MEMS諧振器與電極之間的間隙為空氣或固體介質。
8.根據(jù)權利要求1所述的MEMS振蕩器，其中所述第一阻抗匹配網絡和第二阻抗匹配網絡為L型或Π型，實現(xiàn)MEMS諧振器輸入輸出阻抗與放大器阻抗匹配。
9.根據(jù)權利要求1所述的MEMS振蕩器，其中所述放大器為低噪聲高增益寬帶放大器，通過調節(jié)放大器增益，滿足振幅起振條件。
10.根據(jù)權利要求1所述的MEMS振蕩器，其中所述移相網絡是Π型LC移相器，通過調節(jié)相移大小，滿足相位起振條件。
全文摘要
一種MEMS振蕩器，包括一MEMS諧振器；一第一阻抗匹配網絡，其輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接；一第二阻抗匹配網絡，其輸出端與MEMS諧振器的輸入端連接；一放大器，其輸入端與第一阻抗匹配網絡的輸出端連接；一移相網絡，其輸入端與放大器的輸出端連接，輸出端與第二阻抗匹配網絡的輸入端連接；一輸出緩沖器，其輸入端與移相網絡的輸出端連接，以上構成的正反饋型振蕩電路。本發(fā)明MEMS振蕩器中的MEMS諧振器是帶溫度補償?shù)母哳l高品質因子(Q)的MEMS圓盤諧振器，具有高穩(wěn)定的頻率輸出。
文檔編號H03B5/04GK103227612SQ20131017882
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月15日 優(yōu)先權日2013年5月15日
發(fā)明者趙暉, 楊晉玲, 駱偉, 楊富華 申請人:中國科學院半導體研究所