專利名稱：用于微機械式環(huán)形諧振器的溫度補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時基，即一種由諧振器和集成電子電路組成的器件，該集成電路可驅(qū)使諧振器發(fā)生振蕩并隨此振蕩產(chǎn)生具有確定頻率的信號，也涉及用于這樣一種時基中的諧振器。本發(fā)明更特別地涉及一種用于補償溫度對所述諧振器的諧振頻率的影響的溫度補償裝置。
背景技術(shù)：
時基，或頻率標(biāo)準(zhǔn)，是各種各樣電子儀器所需的，從手表和其它時計到復(fù)雜的通信設(shè)備。這樣的時基通常由一個包括石英諧振器的振蕩器和一個驅(qū)動該諧振器發(fā)生振蕩的電子電路組成。一個另外的除法電路可用于將振蕩器所產(chǎn)生信號的頻率分割，以獲得較低頻率。該電路的其它部分可用來調(diào)節(jié)頻率，例如通過調(diào)節(jié)除法電路的標(biāo)度比。電子電路的元件很好地集成在CMOS(互補型金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)中單片的半導(dǎo)體襯底上。與頻率處理沒有直接關(guān)系的其它功能可集成在同一襯底上。
石英諧振器的優(yōu)點是其品質(zhì)因數(shù)高，因此頻率穩(wěn)定性好，功率消耗低及溫度穩(wěn)定性好。但利用石英諧振器的典型時基的缺點在于這一事實，即需要兩個部件，也就是石英諧振器和集成電子電路，才能提供高精度的頻率。獨立的石英諧振器需要電路板空間，在許多情況下該電路板空間是缺乏的。例如，手表中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)石英諧振器需要的空間約為2×2×6mm3數(shù)量級。況且該兩個元件的組裝和連接帶來了額外的成本?？墒牵臻g和組裝成本是大問題，尤其在日益增長的便攜式電子裝置領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種包括集成諧振器的時基來為上述問題提供一個解決辦法。
這樣一種解決辦法的優(yōu)點在于提供適合批量生產(chǎn)且與CMOS技術(shù)兼容，可以被充分集成在單襯底上的時基。
此外，這樣一種時基的價格低且只需在半導(dǎo)體芯片上占很小的表面積。
本發(fā)明所述時基的優(yōu)點在于這樣的事實，即微機械式環(huán)形諧振器具有高的品質(zhì)因數(shù)Q。已測到的品質(zhì)因數(shù)高達2×105。作為比較，音叉石英諧振器在叉尖作激光修邊后的品質(zhì)因數(shù)值通常在5×104和1×105之間。有助于提高品質(zhì)因數(shù)Q的各種各樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)特點將被提出。
此外，對于給定的諧振頻率而言，襯底上形成環(huán)形諧振器所需表面積比其它諧振器小。
電子電路和微機械式環(huán)形諧振器共同有利地集成在襯底上，從而致使時基價格低廉。低價還由于應(yīng)用片結(jié)合技術(shù)來作諧振器圓片級的封裝。
必須指出，所知道的具有類似特點的環(huán)形諧振器來自傳感裝置，如角速率傳感器、過載傳感器或陀螺儀。例如，美國專利5,450,751發(fā)明人Putty等人和美國專利5,547,093發(fā)明人Sparks，二者均公開了一種振動陀螺儀上用的微機械式環(huán)形諧振器，它包括支承在硅襯底上方的電鍍金屬環(huán)和彈簧系統(tǒng)。美國專利5,872,313授予Zarabadi等人公開了上述傳感器的一種變型，它對溫度變化敏感性最小。美國專利5,025,346也公開了一種環(huán)形諧振器，可用作陀螺儀或角速度傳感器中的微傳感器。
但上面引用的文獻沒有一篇指出或建議將這類環(huán)形諧振器應(yīng)用于振蕩器電路，以便起到頻率標(biāo)準(zhǔn)或時基的作用。況且，這些文獻中公開的環(huán)形諧振器的許多結(jié)構(gòu)特點(如彈性元件的形狀和數(shù)量)不適合應(yīng)用于頻率穩(wěn)定性和電耗小作為主要要求的計時儀應(yīng)用中。例如，美國專利5,025,346公開的諧振結(jié)構(gòu)所顯示的品質(zhì)因數(shù)范圍從20到140，這對應(yīng)用在計時儀中的高精度時基而言太低了，然而，計時儀中應(yīng)用的石英諧振器，其品質(zhì)因數(shù)約為1×104至1×105。
在上述解決辦法的范圍內(nèi)，所提出的各種設(shè)計特征導(dǎo)致了一個高品質(zhì)因數(shù)，一個克服了激勵電壓的振幅變化的高穩(wěn)定的振蕩頻率，和克服制造工藝變化的公差。事實上，用作振蕩器的主要原因之一是品質(zhì)因數(shù)Q高。高的品質(zhì)因數(shù)導(dǎo)致振蕩穩(wěn)定，相位噪音低，能耗少，這是計時儀應(yīng)用中所要求的。
然而上述解決辦法的一個問題在于溫度對所述諧振器的諧振頻率的影響。所述環(huán)形諧振器的諧振頻率在溫度為0°至60℃范圍內(nèi)是大約為溫度的線性函數(shù)。在諧振頻率為45KHz時，所觀察到的諧振頻率的溫度系數(shù)為具有-25ppm/℃。
兩個主要因素決定所述環(huán)形諧振器的溫度特性。第一，用于實現(xiàn)所述振動結(jié)構(gòu)的材料的楊氏模數(shù)E隨著溫度的增加而減少，從而導(dǎo)致了所述彈簧元件的硬度減少，而且因此具有較低的諧振頻率。第二，由于熱膨脹，所述環(huán)的直徑將隨著溫度的增加而增加，從而導(dǎo)致所述結(jié)構(gòu)的質(zhì)量慣性矩增加，依次，也使所述諧振頻率減小。
上述問題的一種解決辦法可以在于在所述襯底上集成一溫度測量電路，用于補償溫度對由所述時基產(chǎn)生的信號的頻率的影響。由于上述環(huán)形諧振器具有基本上呈線性的溫度特性的優(yōu)點，可以容易地取得所述諧振器的溫度從屬性的這種補償?shù)男Ч?br> 對于上述問題的另外解決辦法可從在于在所述襯底上形成第二微機械式環(huán)形諧振器，用于允許溫度補償。
本發(fā)明的一個目的在于不需要附加的溫度測量電路或附加的諧振器而可提供一種用于基本上補償溫度對所述環(huán)形諧振器的諧振頻率的影響的裝置。
因此，本發(fā)明提供上述類型的時基和諧振器，其中，所述諧振器的獨立式振蕩構(gòu)件還包括多個溫度補償元件，這些溫度補償元件適宜于改變作為溫度函數(shù)的所述獨立式振蕩構(gòu)件的質(zhì)量慣性矩，從而補償溫度對所述環(huán)形諧振器的諧振頻率的影響。


本發(fā)明其它的方面、特征和優(yōu)點在參照附圖，閱讀了下面非限制性的范例和實施例之后就會清楚，附圖中圖1是頂視圖，示意性示出包括微機械式環(huán)形諧振器和集成電子電路的時基的第一實施例；圖2是該微機械式環(huán)形諧振器及其與彈性元件接合處的詳細視圖；圖3是外環(huán)與彈性元件結(jié)合處的局部詳細視圖；圖4是沿圖1的A-A′線剖開的微機械式環(huán)形諧振器的截面圖；圖5示出帶一段外環(huán)的理想化伸直的彈性元件；圖6示出表示時基第二實施例的頂視圖；圖7a至7c示出預(yù)防環(huán)形諧振器卡在電極構(gòu)件上的三種不同結(jié)構(gòu)的頂視詳圖；圖8示出圖1所示第一實施例一種改進結(jié)構(gòu)的頂視圖；圖9是圖8中的實施例沿A-A′線剖開的截面圖；圖10a和10b是兩個頂視圖，示出一種根據(jù)本發(fā)明用于改變作為溫度的函數(shù)的環(huán)形諧振器的質(zhì)量慣性矩的機械裝置的兩種變型，補償溫度對環(huán)形諧振器諧振頻率的影響；圖11a和11b分別是頂視圖和截面圖，示出諧振器的第二振蕩模式，即作俯仰振蕩的情況；以及圖12a和12b分別是頂視圖和截面圖，示出諧振器另一種第二振蕩模式，即作垂直于襯底平面的垂直振蕩的情況。
具體實施例方式
圖1示意性地示出一時基第一實施例的頂視圖。圖中示出一集成時基，整體以標(biāo)號1表示，它包括諧振器4和集成電子電路3，該集成電子電路3用于驅(qū)使諧振器發(fā)生振蕩且隨此振蕩產(chǎn)生具有確定頻率的信號。圖4是圖1所示環(huán)形諧振器4沿A-A′線剖開的截面圖。
集成電子電路3未詳示，因為這種電路容易由專業(yè)技術(shù)人員進行設(shè)計。集成電子電路3及諧振器4最好在一個共同的襯底2上實現(xiàn)并被集成在一起，如圖1所示。優(yōu)選的襯底材料是硅，但其它為技術(shù)人員熟知同樣適合于實現(xiàn)本發(fā)明時基的類似材料也可應(yīng)用。
所述諧振器4做成單片的微機械式諧振環(huán)形式，下文中稱為微機械式環(huán)形諧振器，它完全支承在襯底2的上方且能環(huán)繞垂直于襯底2的旋轉(zhuǎn)軸○作振蕩。該環(huán)形諧振器4主要包括一從襯底2沿旋轉(zhuǎn)軸○向上延伸的中央立柱5，和一與中央立柱5連接的獨立式的振蕩構(gòu)件，統(tǒng)統(tǒng)用標(biāo)號6表示。
一獨立式的振蕩構(gòu)件6包括一與旋轉(zhuǎn)軸○共軸的外環(huán)60和一些彈性元件62，這些彈性元件62對稱地配置在中央立柱5的周圍且使外環(huán)60與中央立柱5相連。彈性元件62實質(zhì)上是彎曲桿狀彈性元件。中央立柱5最好是環(huán)形諧振器4與襯底2連接的唯一機械連接件，且諧振器的振蕩發(fā)生與襯底2的表面平行的平面內(nèi)。
所述環(huán)形諧振器4還包括環(huán)繞外環(huán)60沿直徑對置的若干對電極構(gòu)件，在圖1中以標(biāo)號9表示。根據(jù)第一實施例，在獨立式振蕩構(gòu)件6的外環(huán)60上有梳形件8。這些梳形件8構(gòu)成該環(huán)的電極構(gòu)件的一部分且每個梳形件包括從外環(huán)60沿徑向伸出的支承件80和第一及第二橫向件82和84，該橫向件大致垂直地從支承件80兩側(cè)伸出。
電極構(gòu)件9包括第一和第二梳形電極構(gòu)件91和93，它們通過以下方式環(huán)繞外環(huán)60，即與獨立式振蕩構(gòu)件的梳形件8互相配合。更具體地說，根據(jù)本實施例，該第一梳形電極構(gòu)件91包括第一電極92并與梳形件8配合，以便第一電極92很靠近第一橫向件82。同樣，第二梳形電極構(gòu)件93(配置在第一梳形電極構(gòu)件91的對面)包括第二電極94且與梳形件8配合，以便第二電極94靠近第二橫向件84。如圖1所示，橫向件82、84及第一、第二電極構(gòu)件91、93的電極92、94，它們最好設(shè)計成與外環(huán)60同心的圓弧形。
在此實施例中，第一梳形電極構(gòu)件91用來靠靜電驅(qū)動環(huán)形諧振器4發(fā)生振蕩，配置在支承件80的另一側(cè)的第二梳形電極構(gòu)件93用來以電容檢測諧振器的振蕩。環(huán)繞諧振器4的諸第一電極構(gòu)件91通過形成在襯底2上的第一導(dǎo)線11連接起來；同樣，第二電極構(gòu)件93通過形成在襯底2上的第二導(dǎo)線12連接起來。這些導(dǎo)線11、12及通過中央立柱5與該環(huán)電接觸的第三導(dǎo)線13連接到電子電路3的相應(yīng)端子上。
圖4示出圖1所示環(huán)形諧振器4沿A-A′線剖開的截面圖。圖上的厚度及其它尺寸均不按比例。圖上示出襯底2，沿環(huán)形諧振器的旋轉(zhuǎn)軸○的中央立柱5，包括外環(huán)60和彈性元件62的獨立式振蕩構(gòu)件6，梳形件8的橫向件82，第一梳形電極構(gòu)件91的電極92，及第一和第二導(dǎo)線11、12，這二根導(dǎo)線11、12分別連接環(huán)繞外環(huán)60的各電極構(gòu)件91、93。圖4還示出一層第一絕緣層20，如氧化硅層，它形成在襯底2的表面之上，環(huán)形諧振器4之下，且在絕緣層上形成第一和第二導(dǎo)線11、12。在第一層20之上，環(huán)形振蕩器之下有一層第二絕緣層21，如另一種氧化層，或氮化硅層。
諧振環(huán)構(gòu)件最好用硅表面微機械加工技術(shù)進行生產(chǎn)，該技術(shù)是專業(yè)技術(shù)人員熟悉的，因而不在此贅述。它的一種方法是利用附著在所謂犧牲層頂上的多晶硅層來構(gòu)成諧振器的自立構(gòu)件。另一種方法是利用例如在絕緣體上外延硅(SOI)圓片中埋入的氧化層作為犧牲層并產(chǎn)生用單晶硅制造的獨立式構(gòu)件。但也可用其它材料和生產(chǎn)工藝來獲得本發(fā)明的微機械式環(huán)形諧振器。
用作時基或頻率標(biāo)準(zhǔn)時的一個主要的目標(biāo)是諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q高。高的品質(zhì)因數(shù)Q可導(dǎo)致穩(wěn)定的振蕩，低的相位噪音和小的功耗，而這是計時儀應(yīng)用所需的。所述微機械式環(huán)形諧振器的品質(zhì)因數(shù)很高，這歸因于下面所述的許多有利的結(jié)構(gòu)特點。如上面已提到的，在這些構(gòu)件上已測到的品質(zhì)因數(shù)高達2×105。作為比較，音叉石英諧振器在其叉端經(jīng)激光修整后，其品質(zhì)因數(shù)一般是在5×104到1×105之間。
連接外環(huán)60和中央立柱5的彈性元件62，其形狀要優(yōu)化，才能獲得高的品質(zhì)因數(shù)Q。與采用直的彈性元件的情況相反，本例中沿彎曲線的張力在彈性元件中是均勻分布的。曲線形使每一振蕩周期的能量損失最小。
此外，彈性元件62的接合處63與中央立柱5基本上是正交的，如圖2所示。在接合處63最好有圓的輪廓或圓角63a。這些圓角63a可防止振蕩期間產(chǎn)生切口應(yīng)力，從而有利于提高品質(zhì)因數(shù)Q，因為在振蕩時中央支柱5中基本上不消耗能量。此外，中央立柱5保持基本無應(yīng)力狀態(tài)，這也有利于品質(zhì)因數(shù)Q的提高。圖3示出彈性元件62與外環(huán)60的接合處64。同樣，這里最好也設(shè)計成有基本正交的接合處64和圓角64a。
彈性元件62采用好多條，而不是獲得邊界明確的支承所需的最低條數(shù)3，這樣可提高品質(zhì)因數(shù)Q。由于小的幾何尺寸變化(如由于加工過程中間隙的波動)及材料的不均勻性等因素被平均分?jǐn)偟皆S多彈性元件上，所以品質(zhì)因數(shù)隨彈性元件數(shù)量的增加而提高。但由于微機械式加工的設(shè)計規(guī)則，數(shù)量的上限受到幾何形狀的制約，因此彈性元件件數(shù)在4至50之間，最好約為20。
有利于環(huán)形諧振器品質(zhì)因數(shù)Q提高的另一要素是精確的旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)，這時整個構(gòu)件重心保持不動。存在于大多數(shù)其它諧振器結(jié)構(gòu)中的非線性效應(yīng)得到很大程度地消除。
環(huán)形諧振器的諧振頻率通過改變該裝置的幾何尺寸可在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。環(huán)形諧振器可以看作許多個與一段外環(huán)連接的彈性元件。在零階逼近時且為了得到諧振頻率的近似代數(shù)表達成，人們可以研究具有外環(huán)60的一段27的直的彈性元件22的情況，如圖5所示。該構(gòu)件的諧振頻率fr表示為
fr≈12π3·E·JL3(mr+0.24·ms)]]>式中J＝d·w3/12是本構(gòu)件的平面慣性矩，E是彈性模量，d·w及L分別是直的彈性元件22的厚度、寬度和長度，而mr、ms分別是環(huán)形段27和彈性元件22的質(zhì)量。由上式容易看出，改變彈性元件的寬度和/或長度，或再通過改變幾何尺寸改變外環(huán)的質(zhì)量(包括梳形件8的質(zhì)量)可影響諧振頻率。整個構(gòu)件縮放比例可進一步加寬可得到的頻率范圍。
對這種環(huán)形諧振器的批量生產(chǎn)而言，各個芯片的諧振頻率保持很小公差是重要的。因工藝參數(shù)的細小變化而引起的諧振頻率的公差可通過仔細加工環(huán)和彈性元件的尺寸而大大降低。這一點可用圖5的例子再次作說明。如果彈性元件22的寬度26加工后例如由于蝕刻過度而比要求寬度25小了，則諧振頻率會低于預(yù)定值。但若人們認(rèn)為在這同時由于這一蝕刻過度而降低了環(huán)60的質(zhì)量(及支承件80和橫向件82、84的質(zhì)量)，則諧振頻率的減少將因質(zhì)量的減少而得到補償。環(huán)及桿中的開口(未示于圖中)是加工構(gòu)件所必須的，并有利于這種效果。
所述微機械結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧振器所需表面積與所獲取的諧振頻率相比是很小的。例如，為32KHz低頻設(shè)計的一環(huán)形諧振器需要的表面積遠小于1mm2。傳統(tǒng)構(gòu)件要獲得如此低的頻率需要相對大的構(gòu)件。對于給定的幾何布置而言，尺寸與頻率反向相關(guān)，即幾何尺寸越大，頻率越低。作為比較，歐洲專利EP 0 795 953描述了一種硅諧振器，1MHz的高頻約需1.9mm2面積。顯然，諧振器所需襯底表面積與集成時基的價格直接相關(guān)。
環(huán)形諧振器的諧振頻率在溫度為0到60℃范圍內(nèi)較好的近似于是溫度的線性函數(shù)。在諧振頻率為45KHz時已觀察到，諧振頻率的溫度系數(shù)約為-25ppm/℃。因此，在同一襯底2內(nèi)加進測溫電路是需要的，該溫度測量電路具有一個用于通過充分地調(diào)整時基所產(chǎn)生的信號頻率而補償該頻率變化的輸出信號。
為此，所述的時基很好地包括了集成測量電路(未示)。這種測溫電路的實例描述在“傳感器與執(zhí)行元件”A21-A23(1990)，第636至638頁內(nèi)P.Krumenacher及H.Oguey的論文“CMOS技術(shù)中的新式溫度傳感器”中。文中將專業(yè)技術(shù)人員熟知的禁止技術(shù)(inhibitiontechnique)應(yīng)用于除法電路的分頻比，來實現(xiàn)溫度補償。
另一方面，具有不同諧振頻率的兩個環(huán)形諧振器可以集成在同一塊芯片上，這種布置使芯片溫度可由測定兩個諧振器的頻率差精確求得(兩個環(huán)形諧振器有相同的溫度系數(shù)，因為它們用相同材料制造)。
如這里所描述的集成時基有兩個優(yōu)點首先，環(huán)形諧振器對溫度的依存關(guān)系是線性的，這樣使得對溫度的補償所必須的電子信號處理更容易，其次也是更重要的，環(huán)形諧振器的尺寸小和單片集成的特點使第二諧振器可以略微增大芯片尺寸但沒有更多的外部接線。
另一方面，可以用一個環(huán)形諧振器同時以兩種振蕩模式工作。第一種形式便是上述的旋轉(zhuǎn)形式。第二種振蕩模式是俯仰振蕩模式，這時獨立式構(gòu)件6對著襯底平面作俯仰振蕩。這種俯仰振蕩模式可通過在襯底上，環(huán)表面下另外的電極由靜電激勵并用電容檢測。這兩種形式選用不同的頻率，從而通過測量其頻率差實現(xiàn)溫度補償。圖11a和11b示意性示出上面提到的俯仰形式。如這些圖所示，兩組電極100和120(本例中有4根電極)的形狀基本上是圓弧形，它們配置在襯底上，環(huán)60下面，結(jié)果，第一組電極100驅(qū)使構(gòu)件6作俯仰振蕩，第二組電極120檢測此俯仰振蕩。驅(qū)動電極組100和檢測電極組120相對于中央立柱5配置在構(gòu)件6的相對的兩側(cè)(即圖11a中的左側(cè)和右側(cè))。
第二振蕩模式可以是垂直振蕩模式，其中獨立式構(gòu)件6作垂直于襯底平面的垂直振蕩，即自立構(gòu)件6沿與旋轉(zhuǎn)軸○平行的方向振蕩。上面提到的垂直形式示于圖12a和12b。如這些圖上所示，兩組電極130和150配置在環(huán)60下面的襯底上，使第一組電極130驅(qū)動構(gòu)件6作垂直于襯底平面的振蕩，而第二組電極150檢測此振蕩。與俯仰形式相反，本振蕩模式的驅(qū)動和檢測電極組130、150對稱配置在中央立柱5的周圍，即這兩組電極每組包括沿直徑方向正好相對置的二根電極。
如已提及的，圖1實施例所示的梳形電極構(gòu)件91起到驅(qū)動環(huán)形諧振器靠靜電發(fā)生振蕩的作用，對面的梳形電極構(gòu)件93起到靠電容檢測此機械振蕩的作用。電極構(gòu)件91上施加交流電壓信號在環(huán)上引起靜電力并造成環(huán)的振蕩，這樣當(dāng)諧振器振動時又在相對的電極構(gòu)件93上感應(yīng)交流信號。應(yīng)當(dāng)明白，電極構(gòu)件91和93是可互換的。
由于加到電極上的電壓與環(huán)上的合力呈拋物線關(guān)系，因此在交流電壓上加上恒定的直流電壓是需要的，這樣可獲得基本上是線性的力-電壓關(guān)系。在示意1中，示出三根信號線或?qū)Ь€11至13，它們分別連接到電極構(gòu)件91、電極構(gòu)件93和中央立柱5。這些信號線用于驅(qū)動環(huán)形諧振器發(fā)生振蕩和通過各自的電極構(gòu)件檢測此振蕩。
根據(jù)第一種變型，用導(dǎo)線13可將直流電壓分量通過中央立柱5加到環(huán)形諧振器上，同時交流電壓分量通過導(dǎo)線11加到電極構(gòu)件91上，導(dǎo)線12則用于檢測由此產(chǎn)生的信號。根據(jù)第二種變型，交流激勵電壓及直流電壓分量可通過導(dǎo)線11疊加到電極構(gòu)件91上，而環(huán)形諧振器通過導(dǎo)線13連接到固定電位，如地。本例中導(dǎo)線12用于檢測信號。應(yīng)當(dāng)明白，電極構(gòu)件91和93可互換，電極構(gòu)件93可以替換地用于驅(qū)動，檢測用的電極構(gòu)件91。
另一方面，通過探測諧振時阻抗的變化來進行檢測。如圖6所示，這種辦法只需兩根導(dǎo)線11和13，而電極構(gòu)件9*包括一組與導(dǎo)線11相連的梳形電極構(gòu)件91(梳形件8*也作相應(yīng)變動且只包括第一橫向件82)。根據(jù)第一變型，交流激勵電壓通過導(dǎo)線11作用到單組電極構(gòu)件91，而直流電壓分量通過導(dǎo)線13作用到環(huán)。根據(jù)另一變型，交流和直流激勵電壓的合成電壓通過導(dǎo)線11加到電極構(gòu)件91，這時環(huán)通過導(dǎo)線13連接到固定電位，如地。
兩根導(dǎo)線方案有兩大優(yōu)點，即(i)縮小整個構(gòu)件的直徑，因為不再需要第二導(dǎo)線和環(huán)繞環(huán)的第二組電極構(gòu)件，(ii)沿外環(huán)60圓周可以提供大量梳形電極構(gòu)件91，從而增加信號。
環(huán)形諧振器的不同工作模式概括在下表中?？梢钥闯觯谌魏我环N上述的變型中，加到驅(qū)動電極和環(huán)上的信號，即交流激勵電壓和直流電壓分量完全可交換。

橫向件82、84及電極92、94都是曲線形的且與外環(huán)60同心這一事實降低了機電耦合的非線性，導(dǎo)致一方面有高的品質(zhì)因數(shù)Q，另一方面環(huán)形諧振器的諧振頻率基本上與交流和直流激勵電壓的振幅無關(guān)，此外，所述的微機械式環(huán)形諧振器可應(yīng)用低達1.5V的電壓驅(qū)動，這對于便攜式電子產(chǎn)品是個重要優(yōu)點。
此外，由于靜電驅(qū)動及電容檢測，根據(jù)設(shè)計決定的高品質(zhì)因數(shù)Q，所以環(huán)形諧振器的功耗比石英諧振器小10-100倍，這對便攜式電子產(chǎn)品而言特別有利。
圖7a至7c示出三種不同的有利的設(shè)計結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用于防止環(huán)形諧振器在受沖擊時卡住。根據(jù)圖7所示的第一變型，在支承件80的外端80a處有配置在襯底2上的停止件28。這些停止件28用來限制環(huán)形構(gòu)件6的角運動，因而能防止獨立式振蕩構(gòu)件6在由于例如受到機械沖擊時產(chǎn)生過大角運動而卡住在電極構(gòu)件9上。
另一方面，如圖7b所示，橫向件82、84的末端82a、84a及/或電極92、94的末端92a、94a可以設(shè)計成尖角形或至少表面積較小，以防卡住。
最后，如圖7c的變型所示，橫向件82、84中的一對82*、84*可做得比其他的長，從而當(dāng)梳形件8及梳形電極構(gòu)件91、93互相發(fā)生機械接觸時能減少附著力。顯然，如果電極92和94中的一組比其它組長，也會有同樣效果。
圖8和9示出示于圖1的微機械式環(huán)形諧振器4的一種改進。圖9是圖8沿A-A′線剖開的截面圖。在獨立式振蕩構(gòu)件6的至少一部分，即彈性元件62、外環(huán)60、及梳形件8之下，襯底2表面之上(或下)有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)31，此導(dǎo)電結(jié)構(gòu)31的形狀基本上是獨立式振蕩構(gòu)件6在襯底2表面上的投影。將此導(dǎo)電結(jié)構(gòu)31連接到與獨立式振蕩構(gòu)件6相同的電位，可消除環(huán)形諧振器4和襯底2表面之間的垂直于襯底2的力，產(chǎn)生與直流電壓分量無關(guān)的諧振頻率。
圖10a及10b示出本發(fā)明微機械式環(huán)形諧振器4的進一步改進方案，它使諧振頻率的溫度系數(shù)降低到接近于零。有兩個主要因素決定環(huán)形諧振器的溫度特性。首先，制造振動構(gòu)件的材料的楊氏模量E隨溫度上升而降低，導(dǎo)致彈性元件62剛性的下降，因而降低了諧振頻率。其次，由于熱膨脹，環(huán)的直徑將隨溫度上升而增大，導(dǎo)致構(gòu)件的質(zhì)量慣性矩的增大，這樣又降低諧振頻率。
不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，可利用來設(shè)計如圖10a或10b所示的補償機構(gòu)65。如圖10a或10b所示，有多個溫度補償構(gòu)件65(圖中只示出一個)連到外環(huán)60上。這些溫度補償構(gòu)件65可用來改變作為溫度的函數(shù)的獨立式振蕩構(gòu)件6的質(zhì)量慣性矩，從而基本上補償溫度對諧振器4的諧振頻率的影響。為此，構(gòu)件65中包括壓重件66，它通過連接件67連到外環(huán)60，連接件67包括第一和第二層68、69，它們分別用具有不同溫度系數(shù)的第一和第二材料制造。選材時，第一層的熱膨脹系數(shù)αth1要小于第二層69的熱膨脹系數(shù)αth2。在一優(yōu)選實施例中，第一材料是硅，第二材料是金屬，最好是鋁。
圖10a的機構(gòu)65這樣進行設(shè)計，即隨著溫度的增加，連接件67由于第一和第二層68、69熱膨脹的差異而伸直，因此壓重件66向環(huán)的中心移動，即接近振蕩構(gòu)件6的旋轉(zhuǎn)軸○，從而減小環(huán)形諧振器的質(zhì)量慣性矩，導(dǎo)致諧振頻率的增加，基本上抵消了環(huán)的楊氏模量及熱膨脹對諧振頻率的影響。這樣的溫度補償機構(gòu)也可連接到環(huán)60的外側(cè)，如圖10b所示，或連接到獨立式振蕩構(gòu)件6的某些其他部位，以改變作為溫度函數(shù)的質(zhì)量慣性矩。機構(gòu)65必須設(shè)計和加工成這樣，當(dāng)溫度上升時壓重件66移向環(huán)形諧振器的旋轉(zhuǎn)軸○。
在對本發(fā)明某些特定實施例作了說明之后，必須明白，這些實施例并不意味著是對本發(fā)明的限制。的確，對專業(yè)技術(shù)人員而言，在不違背附屬權(quán)利要求書范圍時顯然可以有各種修改和/或改進。
本申請的內(nèi)容還包括如下多個條款的技術(shù)內(nèi)容1.時基包括一個諧振器(4)和一個用于驅(qū)動該諧振器(4)發(fā)生振蕩以便隨此振蕩產(chǎn)生具有確定頻率的信號的集成電子電路，其特征在于，所述諧振器是一集成微機械式環(huán)形諧振器(4)，該諧振器(4)支承在襯底(2)的上方且適宜于按第一振蕩模式繞與所述襯底(2)基本垂直的旋轉(zhuǎn)軸(○)發(fā)生振蕩，該環(huán)形諧振器(4)包括一中央立柱(5)，由所述襯底(2)沿旋轉(zhuǎn)軸(○)伸出；一獨立式振蕩構(gòu)件(6)，連接中央立柱(5)且包括一外環(huán)(60)，與所述旋轉(zhuǎn)軸(○)共軸；及一些彈性元件(62)，對稱地配置在中央立柱(5)的周圍且將外環(huán)(60)與中央立柱(5)連接起來；及至少一對沿直徑方向?qū)χ玫碾姌O構(gòu)件(9，9*)，它們配置在外環(huán)(60)的周圍并與所述集成電子電路(3)連接。
2.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，所述電子電路(3)與所述微機械式環(huán)形諧振器(4)一起集成在上述襯底(2)上。
3.根據(jù)上述條款1所述的時基，其持征在于，所述彈性元件(62)是彎曲形的且通過第一接合處(63)與所述中央支柱(5)基本垂直地連接。
4.根據(jù)上述條款3所述的時基，其特征在于，所述彈性元件(62)通過第二接合處(64)與所述外環(huán)(60)基本垂直地連接。
5.根據(jù)上述條款求3或4所述的時基，其特征在于，所述接合處(63，64)有圓角(63a、64a)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時基，其特征在于，彈性元件(62)的數(shù)量在4至50之間，最好約為20。
7.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)還包括至少一對配置在外環(huán)(60)周圍沿直徑對置的梳形構(gòu)件(8)，該梳形構(gòu)件包括支承件(80)，從外環(huán)(60)沿徑向伸出；至少一個第一橫向件(82)，從上述支承件(80)的第一側(cè)垂直伸出；及至少一個第二橫向件(84)，從所述支承件(80)的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)垂直伸出；其特征還在于，各所述電極結(jié)構(gòu)(9)包括第一梳形電極構(gòu)件(91)，它與所述梳形件(8)配合且包括與所述第一橫向件(82)靠近的第一電極(92)；及第二梳形電極構(gòu)件(93)，它與所述梳形件(8)配合且包括與所述第二橫向件(84)靠近的第二電極(94)。
8.根據(jù)上述條款7所述的時基，其特征在于所述第一梳形電極構(gòu)件(91)用于驅(qū)動所述環(huán)形諧振器(4)發(fā)生振蕩；所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)通過所述中央立柱(5)連接固定電位；及所述第二梳形電極構(gòu)件(93)用于檢測從環(huán)形諧振器(4)振蕩所發(fā)出的信號；恒定直流電壓分量加到所述第一梳形電極構(gòu)件(91)的一個或兩個或獨立式振蕩構(gòu)件(6)。
9.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)還包括至少一對環(huán)繞外環(huán)(60)布置沿直徑對置的梳形件(8*)且包括支承件(80)，從外環(huán)(60)沿徑向伸出；及至少一個第一橫向件(82)，從所述支承件(80)的第一側(cè)基本垂直伸出；及，其特征還在于，各上述電極構(gòu)件(9*)包括一梳形電極構(gòu)件(91)，它與上述梳形件(8)配合且包括與所述第一橫向件(82)靠近的第一電極(92)。
10.根據(jù)上述條款9所述的時基，其特征在于所述梳形電極構(gòu)件(91)用于驅(qū)動環(huán)形諧振器(4)發(fā)生振蕩；及所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)通過中央立柱(5)連接到固定電位；
恒定直流電壓分量加到所述梳形電極構(gòu)件(91)的一個或兩個上或獨立式振蕩構(gòu)件(6)；及通過探測諧振時阻抗變化來進行檢測。
11.根據(jù)上述條款7或9所述的時基，其特征在于，所述橫向件(82、84)及所述電極(92、94)都是圓弧形的且與所述外環(huán)(60)同軸。
12.根據(jù)上述條款7或9所述的時基，其特征在于，在所述襯底(2)靠近至少一個支承件(80)的外端(80a)處有至少一個停止結(jié)構(gòu)(28)，以便限制角運動及/或俯仰運動并防止獨立式振蕩構(gòu)件(6)在受沖擊時卡住。
13.根據(jù)上述條款7或9所述的時基，其特征在于，所述橫向件(82、84)的末端及/或電極(92、94)的末端(92a、94a)是尖的或具有適合的小的表面積，以防獨立式振蕩構(gòu)件(6)在受沖擊時卡住。
14.根據(jù)上述條款7或9所述的時基，其特征在于，至少一個所述橫向件(82、84)及/或一電極(92、94)中的一對比其它的長，從而防止所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)在受沖擊時卡住。
15.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，大致具有獨立式振蕩構(gòu)件(6)形狀的導(dǎo)電類型(31)形成在至少該獨立式振蕩構(gòu)件(6)的一部分以下的襯底(2)的表面上，該獨立式振蕩構(gòu)件(6)及導(dǎo)電類型(31)有相同電位。
16.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)還包括至少一個第一對配置在外環(huán)(60)四周的沿直徑對置的溫度補償構(gòu)件(65)，該溫度補償構(gòu)件(65)被調(diào)整以改變作為溫度函數(shù)的獨立式振蕩構(gòu)件(6)的質(zhì)量慣性矩，從而補償溫度對環(huán)形諧振器(4)的諧振頻率的影響。
17.根據(jù)上述條款16所述的時基，其特征在于，各溫度補償構(gòu)件(65)都包括一壓重件(66)，它通過連接件(67)連接所述的外環(huán)(60)，該連接件(67)包括分別用溫度系數(shù)不同的第一和第二材料制造的第一和第二層(68、69)，且適合于在溫度上升時逐漸使該壓重件(66)靠近旋轉(zhuǎn)軸(○)，從而減少獨立式振蕩構(gòu)件(6)的質(zhì)量慣性矩。
18.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，它還包括集成測溫電路，該電路可補償溫度對所述時基產(chǎn)生的信號頻率的影響。
19.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，它還包括第二微機械式環(huán)形諧振器，該環(huán)形諧振器支承在所述襯底(2)的上方且適合于以有別于其它諧振器的諧振頻率振蕩，兩諧振頻率的差值用于補償溫度對所述時基產(chǎn)生的信號頻率的影響。
20.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，電極(100，120；130，150)定位在所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)的下面，以便驅(qū)動和檢測第二振蕩模式，第二振蕩模式的諧振頻率不同于所述第一振蕩模式的諧振頻率，兩種振蕩模式的諧振頻率之差值用于補償溫度對所述時基產(chǎn)生的信號頻率的影響。
21.根據(jù)上述條款20所述的時基，其特征在于，所述第二振蕩模式是俯仰振蕩模式。
22.根據(jù)上述條款20所述的時基，其特征在于，所述第二振蕩模式是平行于旋轉(zhuǎn)軸(○)的垂直振蕩模式。
23.根據(jù)上述條款1所述的時基，其特征在于，所述襯底(2)及環(huán)形諧振器(4)是用硅材料制造的。
權(quán)利要求
1.一時基，其包括一個諧振器(4)和一個用于驅(qū)動該諧振器(4)發(fā)生振蕩以便隨此振蕩產(chǎn)生具有確定頻率的信號的集成電子電路，所述諧振器是一集成微機械式環(huán)形諧振器(4)，該環(huán)形諧振器(4)支承在一襯底(2)的上方，并且適宜于繞著與所述襯底基本上垂直的旋轉(zhuǎn)軸(0)發(fā)生振蕩，所述環(huán)形諧振器(4)包括一中央立柱(5)，其從所述襯底(2)沿所述旋轉(zhuǎn)軸(0)伸出；一獨立式振蕩構(gòu)件(6)，其連接到所述中央立柱(5)，且包括與所述旋轉(zhuǎn)軸(0)共軸且通過多個彈性元件(62)連接到所述中央立柱(5)上的一外環(huán)(60)；和設(shè)置在所述外環(huán)(60)周圍且與所述集成電子電路(3)連接的電極構(gòu)件(9，9*)，所述時基的特征在于，所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)還包括多個溫度補償構(gòu)件(65)，所述溫度補償構(gòu)件(65)適宜于改變作為溫度的函數(shù)的所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)的質(zhì)量慣性矩，從而補償溫度對所述環(huán)形諧振器(4)的諧振頻率的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時基，其特征在于，所述溫度補償構(gòu)件(65)固定到所述外環(huán)(60)的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時基，其特征在于，所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)包括至少第一對固定到所述外環(huán)(60)上的在直徑方向上對置的溫度補償構(gòu)件(65)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時基，其特征在于，所述溫度補償構(gòu)件(65)包括一壓重件(66)，該壓重件(66)通過一連接件(67)連接到所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)，所述連接件(67)包括分別用具有不同溫度系數(shù)的第一和第二材料制造的第一和第二層(68，69)，當(dāng)溫度增加時，所述連接件(67)適宜于逐漸地使所述壓重件(66)靠近所述旋轉(zhuǎn)軸(0)，借此減少所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)的質(zhì)量慣性矩。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的時基，其特征在于，所述第一材料是硅，所述第二材料是金屬，最好是鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何之一所述的時基，其特征在于，所述襯底(2)和所述環(huán)形諧振器(4)是由硅材料制成的。
7.一諧振器，其具有集成微機械式環(huán)形諧振器(4)的形式，該環(huán)形諧振器(4)支承在一襯底(2)的上方且適宜于繞著與所述襯底(2)基本上垂直的旋轉(zhuǎn)軸(0)發(fā)生振蕩，所述環(huán)形諧振器(4)包括一中央立柱(5)，其從所述襯底(2)沿所述旋轉(zhuǎn)軸(0)伸出；一獨立式振蕩構(gòu)件(6)，其連接到所述中央立柱(5)，且包括與所述旋轉(zhuǎn)軸(0)共軸且通過多個彈性元件(62)連接到所述中央立柱(5)的一外環(huán)(60)，其特征在于，所述所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)還包括多個溫度補償構(gòu)件(65)，所述溫度補償構(gòu)件(65)適宜于改變作為溫度的函數(shù)的所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)的質(zhì)量慣性矩，從而補償溫度對所述環(huán)形諧振器(4)的諧振頻率的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的諧振器，其特征在于，所述溫度補償構(gòu)件(65)固定到所述外環(huán)(60)的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的諧振器，其特征在于，至少兩個直徑上對置的溫度補償器(65)固定到所述外環(huán)(60)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的諧振器，其特征在于，所述溫度補償構(gòu)件(65)包括一壓重件(66)，該壓重件(66)通過一連接件(67)連接到所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)，所述連接件(67)包括分別用具有不同溫度系數(shù)的第一和第二材料制造的第一和第二層(68，69)，當(dāng)溫度增加時，所述連接件(67)適宜于逐漸地使所述壓重件(66)靠近所述旋轉(zhuǎn)軸(0)，借此減少所述獨立式振蕩構(gòu)件(6)的質(zhì)量慣性矩。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的諧振器，其特征在于，所述第一材料是硅，所述第二材料是金屬，最好是鋁。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任何之一所述的諧振器，其特征在于，所述襯底(2)和所述環(huán)形諧振器(4)是由硅材料制成的。
全文摘要
本發(fā)明提供一時基，其包括一個諧振器(4)和一個用于驅(qū)動該諧振器(4)發(fā)生振蕩以便隨此振蕩產(chǎn)生具有確定頻率的信號的集成電子電路，所述諧振器是一集成微機械式環(huán)形諧振器(4)，該環(huán)形諧振器(4)支承在一襯底(2)的上方，并且適宜于繞著與所述襯底基本上垂直的旋轉(zhuǎn)軸(0)發(fā)生振蕩，所述環(huán)形諧振器(4)包括一中央立柱(5)，其從所述襯底(2)沿所述旋轉(zhuǎn)軸(0)伸出；一獨立式振蕩構(gòu)件(6)，其連接到所述中央立柱(5)，且包括與所述旋轉(zhuǎn)軸(0)共軸且通過多個彈性元件(62)連接到所述中央立柱(5)上的一外環(huán)(60)；和設(shè)置在所述外環(huán)(60)周圍且與所述集成電子電路(3)連接的電極構(gòu)件(9，9
文檔編號G01C19/56GK1549443SQ20041003244
公開日2004年11月24日 申請日期2000年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月2日
發(fā)明者M·吉奧索夫, H·屈克, R·普拉茨, M 吉奧索夫 申請人:伊塔瑞士鐘表制造股份有限公司