烘箱控制MEMS振荡器的制作方法

本申请要求于2016年7月14日提交的题为“ovencontrolledmemsoscillator”的美国非临时专利申请第15/209,875号的权益，该美国非临时专利申请通过引用整体明确并入本文。

本发明涉及mems振荡器，并且更具体地，涉及具有良好的温度稳定性的小尺寸的烘箱控制mems振荡器(ovencontrolledmemsoscillator)。

背景技术：

石英晶体被广泛用于在电子振荡器中提供参考频率。石英晶体谐振器振动的频率取决于其物理尺寸。此外，温度的变化致使石英晶体由于热膨胀和石英的弹性模量的变化而膨胀或收缩。物理变化反过来改变晶体振荡频率。尽管石英具有针对频率的非常低的温度系数，但温度变化仍然是晶体振荡器中频率变化的主要原因。

烘箱控制晶体振荡器(ovencontrolledcrystaloscillator，“ocxo”)是频率参考设备，其中石英振荡器放置在温度受控烘箱内部。烘箱被提供成将振荡器维持在恒定温度，以防止由于环境温度的变化引起频率的变化。这种类型的振荡器实现有关石英晶体的可能的最高频率稳定性。例如，通常使用ocxo来控制无线电发射器、蜂窝基站、军事通信装备和用于精确频率测量的设备的频率。

对于ocxo，烘箱是包含晶体和一个或多个电加热元件的热绝缘包封体。由于振荡器电路中的其他电子元件也易受温度漂移的影响，通常整个振荡器电路都被包封在烘箱中。对于这些设备，将提供温度传感器例如热敏电阻来监测烘箱温度，并且将提供闭环控制电路来控制到加热器的功率以将烘箱维持在精确的目标温度。由于烘箱在环境温度以上操作，故振荡器通常需要在通电之后的几分钟的加温时间段。此外，在此加温时间段期间，设备的频率将不具有完全额定稳定性。

尽管现有的ocxo通常提供良好的稳定性(例如，通常在指定的温度范围内优于十亿分之100(“ppb”))，但这些设备也具有若干缺点。第一，典型的石英晶体相当大，转而使最终的ocxo设备很大。由于定时设备的制造成本与尺寸成比例，故因此较大的ocxo尺寸不是优选的。第二，用于加热和冷却的长的热时间常数致使非常长的启动时间。例如，通常需要几分钟来将烘箱稳定在目标温度。第三，维持烘箱温度所需的功率相当大。例如，典型的ocxo消耗超过1瓦特来加热烘箱。最后，由于烘箱中的温度梯度，晶体温度不是恒定的，而是可能在-40c到85c的环境温度范围上变化 /-1k。

技术实现要素：

微机电系统(microelectromechanicalsystem，“mems”)谐振器是小型机电结构，其以高频振动并且通常用作石英晶体的替选物。如上所述，本公开内容通过提供烘箱控制mems定时设备克服了现有ocxo设备的技术缺点，烘箱控制mems定时设备包括可以被用非常低的功率非常快速地加热的非常小的振荡器。

在一个实施方式中，一种烘箱控制mems振荡器包括：矩形框架；平台，其被布置在框架内；一个或更多个支撑梁，其从框架延伸并固定到平台的一端，以将平台保持在框架的腔内，使得平台与框架热隔离；谐振器，其通过被布置在谐振器的相反的第一侧上的一对锚梁耦接到平台；热敏电阻，其被布置在平台上并且至少在平台的所述一端与谐振器之间；以及加热器，其被配置成响应于由热敏电阻测量的温度来加热平台并维持目标温度。

在另一实施方式中，平台、谐振器和支撑梁都被布置在同一平面内。优选地，加热器和温度传感器通过相同的金属沉积形成。

在示例性实施方式中，温度传感器包括蛇形形状并且被分别布置在谐振器的相对侧并且与一对锚梁相邻。此外，加热器被优选地布置在平台的所述一端上并且在一对支撑梁被固定到的平台的所述相应侧面之间。在替选的实施方式中，加热器包括被分别布置在一对支撑梁上的一对加热元件。

优选地，矩形框架由绝缘体上硅晶片形成。此外，谐振器和平台优选地是在框架的绝缘体上硅晶片中蚀刻的。

在示例性实施方式中，谐振器被布置在平台的中心，并且温度传感器被布置在谐振器和所述至少一个支撑梁之间。此外，在一个实施方式中，平台的在平台的边缘与谐振器之间的宽度是平台的厚度的至少两倍。

根据另一实施方式，提供一种定时设备，其包括：陶瓷载体；振荡电路，其被布置在陶瓷载体上；烘箱盖，其固定到陶瓷载体以形成覆盖振荡电路的第一烘箱；第一加热器，其被布置在陶瓷载体上，并且被配置成将第一烘箱加热至第一温度；mems烘箱控制谐振器，其被布置在陶瓷载体上并且电耦接到振荡电路。此外，在该实施方式中，mems烘箱控制谐振器包括：衬底；矩形框架，其被布置在衬底上；谐振器帽，其附接至矩形框架以形成第二烘箱；平台，其被布置在框架内；一对支撑梁，其被配置成将平台保持在框架的腔内；谐振器，其耦接到平台；温度传感器，其被布置在平台上并且至少在平台的所述一端与谐振器之间；以及加热器，其被配置成响应于由温度传感器测量的温度来加热平台以将第二烘箱维持在高于第一温度的第二温度。

以上示例实施方式的简化综述用于提供对本公开内容的基本理解。该综述不是所有预期方面的广泛概述，并且既不旨在标识所有方面的关键的或重要的元素，也不旨在界定本公开内容的任何或所有方面的范围。它唯一目的是以简化形式呈现一个或更多个方面，作为随后的本公开内容的更详细描述的前奏。为了前述内容的实现，本公开内容的一个或更多个方面包括在权利要求中描述和特别指出的特征。

附图说明

并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本公开内容的一个或多个示例实施方式，并且与详细的描述一起用于解释它们的原理和实现。提供的附图仅用于说明性的目的，并因而未按比例绘制。

图1示出了根据示例性实施方式的烘箱控制微机械谐振器的外部透视图。

图2a示出了根据示例性实施方式的图1的mems谐振器的横截面视图。

图2b示出了根据另一示例性实施方式的图1的mems谐振器的横截面视图。

图3是沿图2中所示的a-b线截取的烘箱控制微机械谐振器的横截面侧视图。

图4是沿图2中所示的c-d线截取的烘箱控制微机械谐振器的横截面侧视图。

图5是沿图2中所示的a-b线截取的烘箱控制微机械谐振器的另一横截面侧视图。

图6示出了根据示例性实施方式的包括mems谐振器100的定时设备。

具体实施方式

在本文中在烘箱控制微机械振荡器(在下文中“ocmo”)的背景下描述了示例性方面，其克服了现有振荡器设备的许多技术缺点。特别地，在本文中公开的ocmo是可以用非常低的功率非常快速地被加热的小尺寸振荡器。

本领域的普通技术人员将认识到，以下描述仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。对于受益于本公开内容的本领域技术人员来说，其他方面将很容易自己提出。现在将详细参考如附图中所示的示例方面的实现。在整个附图和以下描述中将尽可能使用相同的附图标记来指代相同或者相似的项。

图1示出了根据示例性实施方式的烘箱控制微机械谐振器的外部透视图。如图所示，mems谐振器设备100包括被设置在衬底110上的框架112和谐振器帽114。如下面将要讨论的并且如图3所示，例如，衬底110包括在其中央区域中的凹腔c，使得mems谐振器设备100内部的谐振器能够在腔c上方振动。

优选地，示例性实施方式的mems谐振器设备100利用mems制造技术制造，例如利用2011年crc出版社出版的marcj.madou的“fundamentalsofmicrofabricationandnanotechnology,volumeii:manufacturingtechniquesformicrofabricationandnanotechnology”中所描述的mems制造技术来制造。因此，根据示例性实施方式，mems谐振器设备100是芯片级封装(“csp”)微机械谐振器。优选地，mems谐振器设备100由腔绝缘体上硅(“soi”)晶片制成，其中衬底110由硅制成，框架112由soi硅制成，并且谐振器帽114从外部可见。如进一步所示，在谐振器帽114的顶部提供多个电接触垫(例如，接触垫116a至116d)，用于将谐振器连接到振荡电路，如本领域的技术人员将理解的，其示例在图6中示出并在下面讨论。

图2a示出了根据示例性实施方式的图1的mems谐振器100的横截面视图。此外，图2b示出了根据另一示例性实施方式的图1的mems谐振器的横截面视图，其细节将在下面讨论。图2a和图2b中所示的视图是沿着框架112的横截面截取的mems谐振器设备100的横截面视图，其中没有附接谐振器帽114。

如图2a所示，mems谐振器设备100包括被布置在矩形板上的谐振器120，谐振器120通过耦接到谐振器120的相对的第一侧的两个细锚梁126a和126b固定到加热平台134。根据示例性实施方式，谐振器120优选地是以平面内模式(即，运动主要在x/y平面中)振动的体声波模式谐振器(bulkacousticmoderesonator)，因为这些类型的模式提供更高的品质因数和功率处理能力。例如，根据该方面，振动模式优选地是宽度延伸模式和lamé模式。此外，根据示例性实施方式，细锚梁126a和126b使从谐振器120到加热平台134的振动能量损失最小化。

由于谐振器120与平台134之间通过锚梁126a和126b的振动耦合，存在将平台134和谐振器120的振动相结合的不期望的谐振的风险。为了使这些不期望的寄生谐振最小化，平台134应该是机械刚性的。此外，根据示例性实施方式，在平台134完全围绕谐振器120并且围绕谐振器120的平台134的宽度135(即，平台134的外边缘与腔128之间)是平台134的厚度的至少2倍并且优选地是谐振器120的厚度的至少4倍的情况下，可以最小化不期望的寄生谐振。

如进一步所示，加热平台134包括加热器122以提供烘箱效应来加热平台134和被提供来测量加热平台134的温度的温度传感器，即热敏电阻130。此外，平台134由将加热平台134连接到封装框架112的支撑梁124a和124b支撑。支撑梁124a和124b基本上在一端连接到平台134。该布置是有益的，因为它确保了平台134上的最均匀的热分布，因为热量从该端流出平台134。如图所示，支撑梁124a和124b竖向延伸(即，沿y方向)，腔(例如，沿着梁124a的140a和140b)也在每个支撑梁124a和124b的两侧延伸。结果，加热平台134与框架112热隔离。这对支撑梁124a和124b的对称结构提供了抵抗机械冲击的良好支撑。此外，支撑梁124a和124b的在平台134的长度上延伸的长的长度确保了平台134的良好热隔离。

如图2a所示，这对支撑梁124a和124b中的每一个包括在振荡器的宽度方向上(即，在x方向上)延伸的短的第一部分、在振荡器的长度方向上(即，在y方向上)延伸并且平行于平台的侧面的长的第二部分以及再次在振荡器的宽度方向上(即，在x方向上)延伸并且耦接到平台的上述一端的相应侧面的第三部分。应当领会的是，可以为支撑梁124a和124b提供替选的结构配置(例如，可以使用单个支撑梁将平台134固定到框架112)和/或根据替选的实施方式，可以提供附加的支撑梁。

此外，根据示例性实施方式，加热器122定位在支撑梁124a和124b的附近(例如，在支撑梁124a和124b附接到平台134的地方之间或附近)。如图所示，支撑梁124a和124b附接到加热平台134的第一端的侧部。加热器122在加热平台134的、支撑梁124a和124b所附接至的侧面之间延伸，其中热敏电阻被布置在加热器122与谐振器120之间。在优选的实施方式中，热敏电阻130被布置在谐振器120的两侧(即，谐振器124与加热器122之间以及谐振器120与平台134的与热敏电阻130相对的一侧之间)。这确保了如果平台中存在任何热梯度，则热敏电阻将读取平台中的平均温度。

根据该配置，在加热器122接通的情况下，由加热器122产生的热功率升高平台134的温度，并且热流过梁124a和124b。在稳定状态下，热功率和热流平衡，并且基本上所有热功率流过支撑梁124a和124b。由于热流，跨支撑梁124a和124b存在大的温度梯度；然而，当热流从加热器122到达支撑梁124a和124b时，平台134的其余部分处于均匀的温度。如果加热器122与支撑梁124a和124b的连接点相比位于平台的相反侧，则将存在跨平台134从加热器122到支撑梁124a和124b的恒定的热流，导致大的温度梯度和不良的温度控制。换句话说，在优选的实施方式中，加热器122应该位于由一侧上的支撑梁124a和124b的连接部、位于平台134的另一侧的温度传感器130和谐振器120所限定的区域中。

根据替选的实施方式，加热器122包括可以定位在支撑梁124a和124b自身上的一对加热元件，例如，如图2b所示。图2b示出了图2a的替选实施方式，但除了将加热器122定位在支撑梁124a和124b上之外，具有相同的部件。因此，在本文中将不单独描述图2b的相同部件。

通过将加热器122定位在支撑梁124a与124b之间(即图2a)或在撑梁124a和124b上(即图2b)，这些配置致使均匀或基本上均匀的平台温度曲线。此外，热敏电阻130应该靠近谐振器120，以确保可以精确地测量谐振器120的温度。如图2a和图2b所示，热敏电阻130被布置在加热平台134上与两个锚梁126a和126b相邻。如进一步所示，存在围绕保持谐振器120的矩形板的腔128，包括在谐振器120的两个第二相对的侧，除了谐振器120通过锚梁126a和126b锚固到加热平台134的地方之外。锚梁126a和126b在谐振器节点(nodalpoint)(例如，振动期间谐振器的中心线)附近连接到谐振器120，以最小化从谐振器120到平台134的能量泄漏，并且允许分别优化谐振器120和加热平台134。在示例性实施方式中，谐振器120是宽度延伸的体声波模式谐振器，并且两个锚梁126a和126b在矩形谐振器120的两个短侧处附接到节点。如果使用其他谐振器，则在这样的实施方式中，锚梁的数量可以是不同的。例如，对于lamé模式谐振器，可以使用四个锚梁以锚定到梁角部。在任一配置中，谐振器120能够在mems谐振器设备100的操作期间在腔128中振动。此外，加热平台134是矩形的并且围绕谐振器。

此外，如上面关于图1所述，谐振器帽114包括多个电接触垫116a至116d。如图2所示，mems谐振器设备100包括多个电通孔触点136(仅一个通孔触点用附图标记136标记)，多个电通孔触点136电耦接到帽114中的电接触垫116a至116d。此外，如本领域的技术人员所理解的，框架112包括金属结合环132，金属结合环132有助于在设备100的制造期间将框架112结合到谐振器帽114。

此外，根据示例性实施方式并且如下面将更详细讨论的，在制造期间，可以通过沉积相同的金属(例如，钼)来形成热敏电阻130、加热器122和谐振器120的电极层。如本领域的技术人员所领会的，对这些部件使用相同的材料有助于减少制造步骤并且最小化制造成本。

图3是沿图2中所示的a-b线截取的烘箱控制mems谐振器100的横截面侧视图。根据示例性实施方式，谐振器120和加热平台134是从框架112所使用的相同的soi硅进行蚀刻的。此外，在soi硅的顶部沉积有若干薄膜层。

具体地，优选地由aln形成的压电层144形成在soi硅层的顶部，下激励电极和上激励电极被分别布置在压电层144的顶表面和底表面上。电极(仅上电极用附图标记146表示)优选地由钼形成，并且与aln层144一起用于谐振器120的压电致动。如上所述，还可以使用相同的金属来形成加热器122和热敏电阻130。应当领会的是，根据替选的实施方式，替选的/附加的薄膜层也可以用于谐振器120。

由于支撑臂124a和124b、加热平台134、锚梁126a和126b以及谐振器120都由相同的硅层蚀刻，所以制造被简化，但包含锚梁126a和126b仍然允许谐振器120和支撑平台134的单独优化。

根据另外的实施方式，mems谐振器设备100可以包括多个金属层，所述金属层可以用于信号路由并且减少电阻信号损失。此外，在一个实施方式中，二氧化硅层142可以结合在用于框架112的soi硅之下和/或之上，以提供谐振器120的热补偿。优选地，soi硅(即框架112)用二氧化硅绝缘层142结合到衬底110。此外，优选地，衬底110具有腔c，因此加热平台134和谐振器120不容易接触衬底110，例如，如果谐振器设备100经受机械冲击的话。此外，根据示例性实施方式，谐振器帽114通过金属结合环132用金属共晶结合进行结合。金属结合还用于与谐振器帽114中的电通孔140接触。

图3中可以容易地看出，谐振器120被布置在由衬底110和谐振器帽114限定的腔c中。据此，在加热器122对平台134进行加热的情况下，加热平台134被优选地加热到稳定由腔c限定的“烘箱(oven)”的温度的第一温度，并且有效地加热谐振器120。热敏电阻130被布置在与加热器122相同的平面(即在x、y平面中)中并且还优选地被布置在谐振器120的两侧，以确保谐振器120的温度的精确温度测量。结果，如本领域的技术人员将理解的，热敏电阻130被配置成向加热器122提供反馈控制作为闭环控制系统的一部分，以主动调节谐振器120的温度。可以采用任何合适的用于主动温度控制的已知反馈控制系统。例如，根据一个实施方式，热控制回路电子器件位于印刷电路板上的谐振器100芯片之外，印刷电路板包括耦接到加热器122和热敏电阻130的电路。这里，没有详细描述这种电路的细节，以避免不必要地模糊本发明的方面。

图4是沿图2中所示的c-d线截取的烘箱控制mems谐振器100的横截面侧视图。优选地，用于框架层112的soi硅的厚度在5μm与30μm之间。此外，压电层144优选地具有0.5μm与2μm之间的厚度并且金属电极(例如金属电极146)具有通常为1μm或更小的厚度。此外，如果使用其他薄膜层，例如二氧化硅层142，它们也具有通常为1μm或更小的厚度。

根据示例性实施方式，谐振器的横向尺寸为300μm乘以600μm。此外，如图2所示，加热平台134是矩形的并且足够大以支撑谐振器120和热敏电阻130。热敏电阻130优选地包括蛇形形状，以最大化每单位面积的电阻。根据示例性实施方式，热敏电阻130的总面积可以是400μm乘以400μm，并且例如，热敏电阻130的厚度可以是0.2μm。

加热器122与热敏电阻130相比可以很小，并且应该被放置在支撑梁124a和124b附近或之上，如上所述和如图2a和图2b所示。在示例性实施方式中，例如，支撑梁124a和124b具有10μm的宽度和400μm的长度以进行热隔离，但仍足够刚性以用于加热平台134的机械支撑。锚梁126a和126b优选地具有通常小于5μm的宽度，以最小化振动能量泄漏并使机械谐振器品质因数最大化。

与传统系统例如上述的ocxo设备相比，在本文中公开的烘箱控制mems谐振器100提供了许多技术优势。例如，因为加热平台134具有小的热质量，即其需要最小的热能以达到期望的温度，所以用于加热和冷却加热平台134以及有效地加热和冷却谐振器120的时间常数会很小。特别地，根据示例性实施方式，谐振器120可以在100ms或更短的时间内被加热到目标温度。另外，加热平台134是热隔离的，如上面图2a和图2b所示，这是由于平台134仅通过连接在加热平台134的一端的支撑梁124a和124b耦接到框架112。结果，可以减小封装内的压力以提高谐振器120的品质因数并且消除通过空气的热对流。例如，典型的封装压力可以是100pa或更低。主要的热量损失机制是通过支撑梁的热流动，其可以很长以提供大的热阻。例如，厚度为10μm、宽度10μm、长度为400μs的两个硅支撑梁将具有15k/mw的热阻。如上所述，这意味着仅5mw就足以将谐振器加热75度，这比传统的ocxo设备所需的加热功率的量(例如，1w)要小得多。

如图5所示，尽管用低压封装消除了热对流损失，但是加热平台134和谐振器120也通过辐射损失热量。特别地，图5是沿图2中所示的a-b线截取的烘箱控制mems谐振器100的另一横截面侧视图。

如图5所示，通过从加热平台134和谐振器120延伸的箭头示出散热。根据示例性实施方式，平台134被加热到温度t1，但是封装温度t2可以更低。温度差将导致辐射损失。通常，辐射损失对于保持谐振器120的恒定温度是有害的，因为辐射损失导致加热平台134中的温度梯度，并且因而导致谐振器120的温度梯度。结果，热敏电阻130的温度可能与谐振器120的温度不同，导致不正确的温度读数。如果温度被不正确地测量，那么谐振器120的温度将与目标温度不同，致使频率变化。

在本实施方式中，热敏电阻130作为加热平台134的一部分形成(如上所示)，并且与谐振器120的热耦接非常好。因此，即使有如图5所示的辐射损耗，温度误差也将小于1k，并且通常为0.lk。

图6示出了根据示例性实施方式的包括mems谐振器100的定时设备200。优选地，图6中所示的定时设备200可用于例如无线基站、gps接收器和需要精确时间或频率参考的其他系统的应用中。

如该实施方式所示，上述示例性谐振器设备100可以被放置在另一个烘箱内部，以进一步减少辐射引起的温度误差。具体地，定时设备200包括被布置在载体250上的谐振器100。例如，载体250可以是陶瓷衬底或印刷电路板(pcb)。此外，外部烘箱盖240被固定到载体250以容纳谐振器100和相关联的振荡电路210，振荡电路210通过线结合220连接到谐振器100。例如，盖240可以是金属盖。第二加热器222被设置在载体250上以加热外部烘箱，并且第二热敏电阻230也被设置在载体250上以测量外部温度来确保调节加热器222以维持目标温度。

在该实施方式中，外部烘箱温度t2可以与谐振器100内部的温度t1(即上面讨论的谐振器120的温度)相同或略低。例如，根据示例性实施方式，谐振器120可以被加热到95℃并且外部烘箱可以被加热到85℃。结果，在环境温度变化时辐射损失很小并且是恒定的。有利地，定时设备200被配置成将振荡电路210稳定在与谐振器100内的电路相同或更低的恒定温度。

为了清楚起见，在本文中并未公开本实施方式的所有常规特征。应当领会的是，在开发本公开内容的任何实际实现时，必须做出许多特定实现的决定以实现设计者的特定目标，并且这些特定目标将对于不同的实现和不同的设计者而变化。应当理解的是，这样的设计努力可能是复杂的且耗时的，但是对于本领域的普通技术人员而言，将会是工程的常规任务，从而受益于该公开内容。

此外，应当理解的是，在本文中使用的措辞或术语是出于描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域的技术人员根据在本文中提出的教导和指导结合相关领域的技术人员的知识来解释。此外，除非如此明确阐述，否则本说明书或权利要求中的任何术语不应被归为不常见的或特殊的含义。

尽管结合示例性实施方式已经描述了前述内容，但应当理解的是，术语“示例性”仅仅意味着作为示例。据此，本申请旨在覆盖可以包括在本文中公开的mems谐振器的精神和范围内的替选物、修改和等同物。

附图标记清单

100：mems谐振器设备

110：衬底层

112：框架

114：谐振器帽

116a-116d：电接触垫

120：谐振器

122、222：加热器

124a&124b：支撑梁

126a&126b：锚梁

128：腔

130、230：热敏电阻

132：金属结合环

134：加热平台

136：通孔触点

140a、140b：腔

142：二氧化硅层

144：aln层

146：电极

200：定时设备

210：振荡电路

220：线结合

240：外部烘箱盖

250：载体