[发明专利]压电MEMS硅谐振器以及电子设备

说明书

本发明公开了一种压电MEMS硅谐振器及电子设备。该压电MEMS硅谐振器包括沿着第一方向设置的悬臂梁，悬臂梁包括沿第二方向堆叠的电极层、压电层和硅温补层，其中，第一方向与第二方向互相垂直，硅温补层采用非均匀掺杂的硅材料。本发明依据谐振器在谐振状态下的温度分布、应力分布、位移量分布等参数，在谐振器中硅结构中采用不均匀分布掺杂方案，根据不同部位的需要设计相应的掺杂浓度，实现更精准的温度补偿。另外，通过浓度分布调节单晶硅刚度的分布，当其刚度分布与应力、应变或位移场分布达到一定的相互匹配时，谐振器的机电耦合系数将得到提升。

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种压电MEMS硅谐振器以及电子设备。

背景技术

由于材料的热胀冷缩效应，谐振器的谐振频率会随温度变化发生漂移。器件的谐振频率对温度变化的灵敏程度可以由频率温度系数(TCF，temperature coefficientoffrequency)表示，其涵义为温度每变化一度谐振频率的变化量。对于用多层不同材料构成的复合结构，其等效频率温度系数为每层材料频率温度系数的加权平均值，可表示为：

其中，λ_n是复合等效频率温度系数，是第i层材料的n阶频率温度系数，E_i，t_i分别是第i层材料的杨氏模量和权重(如厚度)。因此，可通过调节各层材料之间的权重比以及杨氏模量和各阶TCF实现对复合结构等效TCF的调节，使其在一定温度范围内为零或近似为零，从而提高器件的稳定性。

现有技术中，可以通过调控各层之间的厚度比例以及选择单晶硅晶相来调节谐振器的TCF。一方面，单晶硅的频率温度系数会随着掺杂浓度而改变，掺杂类型可以是p型或者n型掺杂，当掺杂浓度很高时(例如大于等于10¹⁹cm^-3)，可以左右整个谐振器频率温度系数，甚至使谐振器的频率温度系数由负变正。另一方面，由于单晶硅在沿不同晶向的杨氏模量和刚度不同，因而也可以通过晶向的选择来调节单晶硅谐振器的频率温度系数。例如，某个谐振器中具有由上电极、AlN压电层、下电极、硅温补层构成的复合结构悬臂梁，AlN的一阶频率温度系数约为-30ppm/K，则可调节单晶硅的掺杂浓度使整个谐振器的一阶频率温度系数接近0ppm/K，同时还可以调节各层之间的厚度比例及选择单晶硅的晶向，从而使TCF等于或接近零，从而达到温度补偿的目的。但是这种方法难以兼顾高阶频率温度系数，同时谐振器的品质因数和机电耦合系数可能因此恶化。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种进行精细温度补偿的压电MEMS硅谐振器结构，能够整体提高谐振器的性能和可靠性。

本发明第一方面提出一种压电MEMS硅谐振器，器件中的谐振结构包括堆叠设置的电极层、压电层和非均匀掺杂的硅温补层，所述非均匀掺杂的硅温补层包含至少两种不同掺杂浓度，和/或，包含至少两种不同掺杂元素。

可选地，在所述非均匀掺杂的硅温补层包含至少两种不同掺杂浓度的情况下，所述压电层中应力分布情况与所述硅温补层的掺杂浓度分布情况二者之间满足如下预设对应规则：当所述谐振结构工作在Lamé拉梅模式，或者当所述压电层的厚度小于所述硅温补层厚度的情况下，所述压电层中应力分布情况与所述硅温补层的掺杂浓度分布情况二者呈正相关；当所述谐振结构工作在Lamb兰姆模式或弯曲模式，或者当所述压电层的厚度大于所述硅温补层厚度的情况下，所述压电层中应力分布情况与所述硅温补层的掺杂浓度分布情况二者呈负相关。

可选地，所述谐振结构为悬臂梁、固支梁、简支梁或者振膜。

可选地，所述谐振结构为沿着第一方向延伸的悬臂梁，所述悬臂梁包括沿第二方向堆叠的所述电极层、所述压电层和所述非均匀掺杂的硅温补层，其中，所述第一方向与所述第二方向互相垂直。

可选地，所述硅温补层中，靠近所述悬臂梁的自由端的第一端面位置掺杂浓度最高，靠近所述悬臂梁的固定端的第二端面位置掺杂浓度最低，掺杂浓度沿着所述第一方向渐变。