CN1951009A - 温度受控的mems共振器以及控制共振器频率的方法 - Google Patents

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Abstract

这里描述和示出了很多发明。在一个方面，本发明涉及温度补偿的微机电共振器以及制造、生产、提供和/或控制具有一种机械结构的微机电共振器，所述机械结构包括集成的加热和/或温度传感元件。在另一个方面，本发明涉及制造、生产、提供和/或控制具有一种机械结构的微机电共振器，所述机械结构利用薄膜或晶片级封装技术封装在腔室内并且包括布置在腔室内、腔室上和/或集成在机械结构内的加热和/或温度传感元件。从这里的详细描述和权利要求中本发明的其它方面将会很明显。

Description

温度受控的MEMS共振器以及控制共振器频率的方法
技术领域
本发明涉及微机电系统和/或纳米机电系统(下文中统称为“微机电系统”)以及制造微机电系统的技术；并且更具体地，一方面，用于制造、生产、提供和/或控制其机械结构包括集成的加热和/或温度传感元件的微机电共振器；另一方面，用于制造、生产、提供和/或控制其机械结构由薄膜或晶片级封装技术封装在一个腔室内并且包括布置在腔室内、腔室上和/或集成在机械结构内的加热和/或温度传感元件的微机电共振器。
背景技术
很多常规的微机电结构是基于梁结构对于所施加力的反应(例如，振荡、挠曲或扭转)。这种梁结构由单晶或多晶半导体(比如硅)制造。这些材料具有极好的机械强度和高的固有质量指标。而且，硅基材料的成形和处理是研究很深的努力领域。
例如，利用多晶硅，人们可以设计出几何形状上具有很大灵活性的微机械共振器。这种共振器通常取决于弯曲梁和横向振荡的梁结构。特别地，梁结构的形状和/或横截面通常为矩形。
相对于与梁的宽度(w)平行的振荡方向来计算，梁的机械刚度kM与其杨氏模量(E)和其几何形状的某些尺寸(对于梁，包括矩形横截面、长度(L)和高度(h))成比例。
k M ≈ E · h · w 3 L 3 公式1
很容易理解到，大多相关材料的杨氏模量按照已知的热系数(αE)随着温度而变化。例如，多晶硅的杨氏模量具有大约为30ppm/K°的热系数。而且，梁结构的几何形状也随着温度而变化，通常随着温度的升高而膨胀。再次，作为一个例子，多晶硅具有大约为2.5ppm/K°的热膨胀系数(αexp)。
对于一些梁的设计和相关的建模目的(假定材料具有各向同性的热系数)，热膨胀对于梁宽度的影响基本上被热膨胀对于梁长度的影响所抵消，因而导致了梁高度上剩余的线性作用。
不考虑静电力，梁的共振频率在这些假设之下因而可以用下式定义：
f ≈ 1 2 · π · k M m eff 公式2
其中meff是梁的有效质量，其对于温度变化而言是恒定的。
给定梁的共振频率是共振器总体性能的关键性能，因此应当保证在工作温度范围内保持相对稳定。考虑到公式2所述的关系，如果机械刚度保持恒定的话，共振器的频率也将保持恒定。然而，通常不是这种情况，因为热诱导的杨氏模量的变化将改变梁的机械刚度。
前人已经试图解决在工作温度变化的情况下共振梁的频率稳定性的问题。参见，例如Wan-Thai Hsu的文章“Stiffness-Compensated Temperature Insensitive Micromechanical Resonators(刚度补偿的温度不敏感的微机械共振器)”(MEMS2002(0-7803-7185-2/02，2002 IEEE)和Wan-Thai Hsu等的文章“Mechanically Temperature-Compensated Flexural-Mode Micro-mechanical Resonators(机械式温度补偿的挠曲型微机械共振器)”(IEDM 00-399(0-7803-6438-4/00，2000 IEEE))(下文中称为“机械式温度补偿的共振器文献”)。这些方法聚焦于补偿竖直振荡中的变化，指示使用与CMOS集成不兼容的金或类似材料来补救，和/或建议了应用大能量消耗的技术。
例如，在机械式温度补偿的共振器文献中，建议采用布置在整个微机械共振器下面的波浪形加热元件。特别地，这种构造(并且尤其是加热元件)会消耗大量的能量，因为会有大量的热耗散至周围/环境。另外，这种构造采用对整个微机械共振器非集中或非特定的加热。(参见，机械式温度补偿的共振器文献的图1)。
因而，需要一种微机械共振器，其输出频率在整个工作温度范围内相对稳定并且克服常规共振器的一个、数个或所有缺点。需要一种微机械共振器，其能通过对微机械共振器的关键方面进行集中或特定加热来补偿和/或解决、最小化和/或消除工作温度变化所导致的负面影响。
此外，还需要一种用于在工作温度范围内的微机械共振器频率稳定性的有效补偿技术，其克服常规共振器的一个、数个或所有缺点。特别地，如果这种技术不依赖于结合与CMOS集成电路不兼容的材料，那么是有利的。
发明内容
这里描述和示出了很多发明。在第一个主要方面，本发明一种MEMS共振器，其共振频率被相关于工作温度限定。该MEMS共振器包括：包括第一电触点的第一基片锚定部；和包括第二电触点的第二基片锚定部。梁结构(例如由导体或半导体材料构成)布置(例如固定)在第一和第二基片锚定部之间并且电结合至第一和第二电触点。
本发明这个方面的MEMS共振器还包括电源，其结合至第一和第二电触点以便为梁结构提供电流并且从而加热梁结构。电源可用来将电流提供给第一或第二电触点。
在一个实施例中，MEMS共振器还可包括：温度传感器，其布置在梁结构附近以测量温度；和控制电路系统，其结合至温度传感器，以便产生控制信息并将控制信息提供给电源以将梁结构保持在工作温度。控制电路系统可响应于由温度传感器所测得的温度数据利用包含在查看表中的数学关系或数据产生控制信息。
梁结构可包括一个或多个振荡梁和/或振荡体。而且，梁结构可包括多个布置布置在第一和第二基片锚定部之间的可动梁。
第一和第二基片锚定部可包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。而且，梁结构可包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
在第二个主要方面，本发明是一种MEMS共振器，其共振频率被相关于工作温度限定。该MEMS共振器包括：每个都包括电触点的第一和第二基片锚定部；和第一梁，其由导体或半导体材料构成并且电连接在电触点之间。该MEMS共振器还包括第一端热结合至第一梁的第一可动梁；和电源，其结合至第一和第二电触点以便将电流提供给第一电触点并且从而加热第一梁。
本发明这个方面的MEMS共振器还可包括：每个都包括电触点的第三和第四基片锚定部；和第二梁，其由导体或半导体材料构成并且电连接在第三和第四基片锚定部的电触点之间。第一可动梁包括热结合至第二梁的第二端。电源还结合至第三和第四基片锚定部的电触点以便将受控的电流提供给第三电触点并且从而加热第二梁。特别地，电源可包括一个或多个独立或相关地受控的电源。
MEMS共振器可包括温度测量电路系统以确定第一可动梁的电阻。在一个实施例中，温度测量电路系统将电信号(交流或直流电压或者交流或直流电流)施加于第一可动梁并测量第一可动梁对电信号的反应以便确定表示第一可动梁温度的信息。
MEMS共振器还可包括控制电路系统，其结合至温度测量电路系统，以便产生控制信息并将控制信息提供给电源以将第一可动梁保持在预定的工作温度。控制电路系统响应于表示第一可动梁温度的信息利用包含在查看表中的数学关系或数据产生控制信息。
MEMS共振器可包括：温度传感器，其布置在第一可动梁附近以测量温度；和控制电路系统，其结合至温度传感器，以便产生控制信息并将控制信息提供给电源以控制第一可动梁的工作温度。在一个实施例中，控制电路系统响应于由温度传感器所测得的温度数据利用包含在查看表中的数学关系或数据产生控制信息。
特别地，第一基片锚定部可包括多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
在一个实施例中，MEMS共振器还包括：电结合至第一电触点的第一测试触点；和电结合至第二电触点的第二测试触点。在这个实施例中，结合至第一和第二测试触点的温度测量电路系统可将电信号(交流或直流电压或者交流或直流电流)施加于其上从而确定表示第一可动梁温度的信息。
在第三个主要方面，本发明是一种控制MEMS共振器的共振频率的方法，其中MEMS共振器包括：包括第一电触点的第一基片锚定部；包括第二电触点的第二基片锚定部；和第一端由第一基片锚定部所固定且第二端由第二基片锚定部所固定的梁结构(例如振荡梁或多梁音叉结构)。该方法包括：将加热电流从第一电触点传送到第二电触点以便加热梁结构；和与梁结构的实际工作温度相关地调节加热电流。
在一个实施例中，本发明这个方面的方法还包括利用布置在梁结构附近的温度传感器来测量实际工作温度。
在第四个主要方面，本发明是一种控制MEMS共振器的共振频率的方法，其中MEMS共振器包括：包括第一电触点的第一基片锚定部；包括第二电触点的第二基片锚定部；和第一端由第一基片锚定部所固定且第二端由第二基片锚定部所固定的梁结构。本发明这个方面的方法包括：将加热电流从第一电触点传送到第二电触点以便将梁结构保持在工作温度；和与梁结构的计算电阻相关地调节加热电流。
在一个实施例中，该方法还可包括通过在第一电触点和第二电触点之间施加测量电压来计算梁结构的电阻并与测量电压相关地确定梁结构的电阻。在另一个实施例中，该方法还可包括通过将测量电流应用为从第一电触点至第二电触点来计算梁结构的电阻并与测量电压相关地确定梁结构的电阻。
在第五个主要方面，本发明是一种在工作温度下控制MEMS共振器的共振频率的方法，其中MEMS共振器包括：固定在第一和第二电触点之间的第一基片锚定部；以及第一端热结合至第一基片锚定部的梁结构。本发明这个方面的方法包括：将第一基片锚定部加热至工作温度；和与第一基片锚定部的计算电阻相关地将第一基片锚定部保持在工作温度。
特别地，在一个实施例中，保持第一基片锚定部工作温度的步骤包括：第一和第二电触点之间施加测量电压；和与测量电压相关地确定第一基片锚定部的电阻。而且，加热第一基片锚定部的步骤可包括将第一加热电流从第一电触点传送至第二电触点。
在一个实施例中，保持第一基片锚定部工作温度的步骤包括：在第一和第二电触点之间传送测量电流；和与测量电流相关地确定第一基片锚定部的电阻。
MEMS共振器还可包括固定在第三和第四电触点之间的第二基片锚定部，并且其中梁结构还包括热结合至第二基片锚定部的第二端。在这点上，该方法可包括：通过将第二加热电流从第三电触点传送到第四电触点来将第二基片锚定部加热至工作温度；和与梁结构的计算电阻相关地保持第一和第二基片锚定部中至少一个的工作温度。
特别地，在一个实施例中，保持第一基片锚定部的工作温度的步骤包括：在选自于第一和第二电触点中的一个电触点和选自于第三和第四电触点中的另一电触点之间应用测量电压。此后，可以与测量电压相关地确定梁结构的电阻。
可选地，保持第一基片锚定部的工作温度的步骤包括：在选自于第一和第二电触点中的一个电触点和选自于第三和第四电触点中的另一电触点之间传送测量电流。此后，可以与测量电流相关地确定梁结构的电阻。
再次，这里描述和示出了很多发明。发明内容部分并不是穷尽本发明的范围。而且，发明内容部分并不是要限制本发明并且不应当以这样的方式解释。随后在发明内容部分已经描述了本发明的某些实施例、特点、属性和优点，但是应当理解的是，从下面的描述、附图和权利要求中本发明的很多其它以及不同和/或类似的实施例、特点、属性和/或优点将会很明显。
附图说明
在以下详细描述的过程中，将参照附图。这些附图示出了本发明的不同方面并且其中适当地，在不同附图中表示类似结构、部件、材料和/或元件的附图标记类似地进行标记。可以理解的是，除了具体示出之外的结构、部件、材料和/或元件的各种组合是可以预期的并且处于本发明的范围之内。
图1示出了根据本发明第一方面一个实施例的共振器的俯视图，该共振器具有一单个振荡梁；
图2示出了根据本发明第一方面一个实施例的共振器的俯视图，该共振器具有一单个振荡梁，该振荡梁包括布置在其中或其上明显的加热元件；
图3A和3B示出了图2所示共振器分别沿着虚线A-A`和B-B`的横截视图，其中可动梁由多种具有布置在梁中或梁上明显集成的加热元件的材料和/或掺杂所构成；
图4A和4B示出了根据本发明第一方面另一个实施例的共振器的俯视图，该共振器具有两个振荡梁；
图5是根据本发明第一方面用来测量和控制MEMS共振器工作温度的示例性构造、控制电路系统、电源和温度传感器的示意图；
图6示出了根据本发明第二方面第一实施例的共振器的俯视图，其具有布置在呈四点探针状构造的四个基片锚定部(anchor)之间的一单个振荡梁；
图7是用来测量和控制图6所示梁结构的工作温度的示例性构造(包括控制电路系统、电源和温度测量电路系统和/或温度传感器)的示意图；
图8A和8B是与共振器相结合的电力/电子电路系统(包括控制电路系统、电源和温度测量电路系统和/或温度传感器)的示例性构造的示意性框图，所述电路系统测量、传感、采样和/或确定共振器的工作温度以及另外调节、控制和/或修改图1、2、3、4A、4B和6所示共振器的工作温度；
图9示出了根据本发明另一实施例的共振器的俯视图，该共振器具有两个以悬臂梁、音叉梁结构构造的振荡梁；
图10示出了根据本发明另一实施例的共振器的俯视图，该共振器具有两个以悬臂梁、音叉梁结构构造的振荡梁，所述振荡梁具有超过两个的锚定部和/或电触点以便尤其便于获得表示振荡梁温度的信息；
图11示出了根据本发明另一实施例的共振器的俯视图，该共振器具有两个以悬臂梁、音叉梁结构构造的振荡/可动梁，每个具有布置在可动梁上的振荡物体；
图12A和12B示出了根据本发明另一实施例具有锚定部的共振器的俯视图，所述锚定部由多种具有例如不同热膨胀系数的材料所构成；
图12C和12D示出了图12B所示实施例分别沿着虚线A-A`和B-B`的横截视图，其中梁由多种具有例如不同热膨胀系数的材料所构成；
图13示出了根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件布置在共振器的锚定部下面；
图14A和14B示出了图13所示实施例分别沿着虚线A-A`和B-B`的横截视图；
图15-18示出了具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，所述振荡梁包括布置在可动梁和/或锚定部之中或之上的物理/离散温度传感器；
图19A和19B示出了图13所示实施例分别沿着虚线A-A`和B-B`的横截视图，其中加热元件布置在共振器的锚定部下面并且锚定部利用不同于图14A和14B所示锚定部的技术形成；
图20是根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件布置在可动梁的下面并且沿着可动梁的纵轴布置；
图21示出了图20所示共振器沿着虚线A-A`的横截视图；
图22是根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件布置在可动梁和锚定部的下面并且沿着可动梁的纵轴布置；
图23示出了图22所示共振器沿着虚线A-A`的横截视图；
图24和27是根据本发明第三方面其它实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件布置在基片之中或之上并且沿着可动梁的纵轴布置；
图25示出了图24所示共振器沿着虚线A-A`的横截视图；
图26示出了根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件布置在基片之中或之上并且在锚定部的下面；
图28示出了根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，所述共振器具有两个(多个)布置在基片之中或之上并且沿着可动梁的纵轴布置的加热元件；
图29示出了根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件布置在腔室之内和可动梁之上并且沿着可动梁的纵轴布置的加热元件；
图30、31和32分别示出了图29所示共振器沿着虚线A-A`的三个示例性横截视图；
图33示出了根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件包括多个置于腔室内的(独立地或相关地控制的)加热元件；
图34示出了图33所示共振器沿着虚线A-A`的示例性横截视图；
图35示出了根据本发明第三方面一个实施例具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件包括多个置于腔室内的(独立地或相关地控制的)加热元件；
图36A和36B分别示出了图35所示共振器沿着虚线A-A`和B-B`的示例性横截视图；
图37和38分别示出了图35所示共振器沿着虚线A-A`另外的示例性横截视图；
图39A-39C示出了包括布置在腔室内的具有不同尺寸和构造的加热元件的共振器的示例性横截视图；
图40、42和43示出了具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，所述振荡梁包括布置在可动梁和/或锚定部之中或之上的物理/离散温度传感器；
图41示出了图40所示共振器和温度传感器沿着虚线A-A`的另外的示例性横截视图；
图44A-44D是根据本发明某些方面包括集成在共同基片上的共振器、电力/电子电路系统、加热元件和/或温度传感器的示例性MEMS的示意性框图；
图44E-44G是根据本发明某些方面包括布置在分离基片上的机械结构以及处理和控制电路系统的示例性MEMS的框图；
图45示出了具有一单个振荡梁的共振器的俯视图，其中加热元件包括多个布置在腔室内的(独立地或相关地控制的)加热元件；和
图46示出了与多个(独立地或相关地控制的)加热元件相结合的图45所示共振器沿着虚线A-A`的示例性横截视图。
具体实施方式
这里描述和示出了很多发明。在第一个方面，本发明涉及微机电共振器以及制造、生产和/或控制微机电共振器的方法，所述共振器具有包括集成的加热和/或温度传感元件的机械结构。在这点上，在一个实施例中，机械结构与加热电路系统一同被构造为将加热元件集成在可动梁内以使得在可动梁的长度上温度恒定和/或相对恒定(例如±5％，并且优选地小于1％)。在这点上，加热元件是(或者结合入)可动梁之内和/或之上，并且可动梁被在其内流动的加热电流(I)所电阻地加热。
参照图1，在本发明这个方面的第一实施例中，MEMS共振器10包括机械结构12，所述机械结构12具有布置在锚定部16a和16b之间的可动梁14。在这个实施例中，可动梁14由在有电流时具有电阻的材料构成，比如导电材料(例如金属材料)或半导体材料(例如硅和/或锗)。特别地，振荡方向如箭头18所示。
MEMS共振器10还包括电触点20a和20b。在这个实施例中，电触点20a和20b连接到提供电流的电源(未示出)。例如，在一个实施例中，电触点20a连接到电源，电触点20b连接到共同电势(common potential)和/或地电势。在另一个实施例中，电触点20a和20b连接在电源的端子和/或触点之间。
尤其，电触点20a和20b可由导电材料(例如金属材料，比如铝)或半导体材料(例如硅、锗和/或它们的掺杂体)。有利地是采用具有相对低电阻且适合于其它工艺(例如CMOS集成)或与其兼容的材料。
电源(未示出)提供了流过可动梁14并介于电触点20a和20b之间的电流。在操作中，电流流过可动梁14，可动梁被电阻地加热。例如，在较高的电压施加于电触点20a且较低的电压施加于(或存在于)电触点20b的情况下，电流(如常规指定的)从电触点20a流向电触点20b，如图1所示。尤其，在这个实施例中，可动梁14也是加热元件22。
简言之，作为背景技术，具有电阻(R)的元件在电流(I)通过该电阻元件时将把电能转换为热能。在本发明中，由于电流(I)施加于梁结构内在的电阻而发生的电阻加热而以热的形式分散的功率(P)可以用以下等式表示：
            Pheat＝I2·Rbeam                 公式3
这样，在电触点20a和20b之间流动的加热电流(I)就在可动梁14中产生电阻加热。这种电阻加热工艺可以如下所述那样准确地进行控制以便为可动梁14提供稳定或恒定(或者基本上恒定)的工作温度。因而，本发明这个方面的MEMS共振器10通过将加热元件集成在可动梁内以使得可动梁14被加热和保持在预定、选定和/或限定工作温度下从而提高和/或保持了在整个环境温度范围上的输出频率稳定性。本发明这个方面的MEMS共振器10提供了在整个环境温度范围上预定、选定和/或限定的工作温度。
特别地，“工作温度”可以表示MEMS设计者确定的与梁结构的操作相关的任何温度。例如，为梁结构选择期望的共振频率可以表示为很多与梁结构相关的物理特征的函数，例如包括绝对和/或相对长度、宽度、质量和/或材料成分。对于梁结构，共振频率也是工作温度的函数，因为杨氏模量会随着温度或者由于所用材料(如上所述)的热膨胀系数所诱导的机械应力(例如张力)而变化。
于是，对于MEMS共振器10的机械结构12的给定几何形状，共振频率包括相关的预定、选定和/或限定的工作温度或者预定、选定和/或限定范围的工作温度。通常，共振频率将在整个环境温度范围上稳定或恒定(或者基本上恒定)。
特别地，尽管锚定部16示出为自立的和方形的，但是任何锚定部结构都可以用来将机械结构12紧固至例如基片。也就是说，锚定部16可直接附接至基片或者通过中间/覆盖层或结构相对基片进行固定。实际上，锚定部16可采用任何形式的锚定技术，不管是已知的还是后来开发的。例如，本发明可采用2003年7月25日提交并指定序列号No.10/627,237、名称为“Anchors forMicroelectromechanical Systems Having an SOI Substrate，andMethod for Fabricating Same(用于具有SOI基片的微机电系统的锚定部及其制造方法)”的非临时专利申请所描述和示出的锚定技术(下文中称为“用于微机电系统的锚定部专利申请”)。在这点上，根据本发明的MEMS共振器10的任何和所有实施例可以例如利用用于微机电系统的锚定部专利申请所述的锚定部(和锚定技术)锚定至基片。为了简明的缘故，与本文所述和所示的发明相结合实施的用于微机电系统的锚定部专利申请的锚定技术将不再详细地重复。然而，特别指出的是，用于微机电系统的锚定部专利申请的全部内容都以参考的方式结合于此，例如所有实施例和/或发明的特点、特征、方案、材料、技术和优点。
参照图2和3A，在另一实施例中，加热元件22可布置在可动梁14之中和/或之上。例如，加热元件22可通过用与可动梁14内杂质(如果有的话)相同或相反导电性的杂质进行掺杂而形成于可动梁14中。也就是说，例如，可动梁14可包括n型杂质(比如磷)，并且加热元件22可通过用其它n型杂质将可动梁14的选定区域掺杂而形成和/或创建在可动梁14之中或之上。这样，电流的主要部分将通过加热元件22。
可选地，可动梁14可用P型杂质(比如硼以形成p型区域)来很重地反掺杂以形成和/或创建加热元件22。这样，在形成可动梁14以及通过将选定电压施加于可动梁14和加热元件22之后，就存在着一个相反偏置的接合点以使得加热元件22与可动梁14的其余部分电“隔绝”。尤其，MEMS共振器10的输出频率取决于可动梁14和加热元件22的特点，例如物理性质，比如可动梁14和加热元件22的绝对和/或相对长度、宽度、质量和/或材料成分。
因而，电源(未示出)提供流过加热元件22且介于电触点20a和20b之间的电流。在某些实施例中，所有或基本上所有电流流过加热元件，因为可动梁14和加热元件22之间存在着相对电阻。相应地，加热元件22被电阻加热。因为可动梁与加热元件22直接接触，可动梁14也被加热。
特别地，有很多用来制造可动梁14之上或之中的加热元件22的方法和技术。例如，可动梁14和加热元件22的材料和/或层可沉积形成并且此后，利用公知的光刻(lithographic)和蚀刻技术，可动梁14和加热元件22可由这种材料和/或层形成。用于制造可动梁14和加热元件22的所有方法，无论是已知的还是以后开发的，都将处于本发明的范围内。
而且，加热元件22可具有预定的横向和/或竖直轮廓以使得可动梁14的某些区域可与其它区域不同地进行加热。参照图3B，在一个实施例，可动梁14之中或之上的竖直掺杂轮廓沿着可动梁14可提供不同的电阻。在所示实施例中，加热元件22在电触点20a和20b附近具有较高的电阻，在可动梁14中心附近具有较低的电阻。于是，加热元件22在电触点20a和20b附近提供了较多的加热，在可动梁14中心附近提供了较少的加热。也就是说，不同量的加热可提供给可动梁14的预定和/或选定区域。这样，加热元件22可补偿、最小化和/或消除沿着可动梁14由于锚定部16a和16b的热传导所导致的任何(预计的和/或理论模型的)温度梯度。这个实施例的机械结构12可在可动梁14的整个长度上显示更加受控的、恒定的和/或基本上恒定的温度。
应当说明的是，本发明的这个方面可采用MEMS共振器10任何形式的机械结构12。例如，机械结构12可包括多个可动梁和/或超过两个锚定部。为此，参照图4A和4B，机械结构12可包括布置在锚定部16a和16b之间的可动梁14a和14b。加热元件22可与可动梁14a和14b形成一整体(图4A)和/或也可以布置在可动梁14a和14b之上或之中(图4B)。
在其中加热元件22布置在可动梁14之内或之上的那些情况下，可动梁14可包括或不包括导电和/或半导体材料。在这点上，(所有或者主要部分的)电流提供为通过加热元件22。这样，就无需可动梁14由导电和/或半导体材料构成。
参照图5，在本发明这个方面的一个实施例中，控制电路系统24确定和/或计算保持和/或控制机械结构12工作温度所需的电流并且还在例如整个环境温度范围上提供预定、选定、期望和/或限定的输出频率。在一个实施例中，控制电路系统24采用来自温度传感器26(例如布置和/或定位在MEMS共振器10基片之上或之中的二极管、晶体管、电阻器或可变电阻器、和/或一个或多个MEMS温度换能器)的信息/数据来适当地控制电源28。
温度传感器26可应用在紧靠可动梁14和/或锚定部20之处之上和/或之中来测量、传感和/或采样可动梁14实际温度的信息。温度传感器26将可动梁或可动梁14附近区域的实际温度信息提供给控制电路系统24。这样，控制电路系统24可确定、计算和/或测定可动梁14的工作温度并且相应地，控制和/或指示电源28来施加或提供通过加热元件22的电流以便从而通过电阻加热来传导加热可动梁14。控制电路系统24利用如下更详细描述的多种常规反馈和/或控制技术之一将实际工作温度与预定、选定和/或期望的工作温度相比较。
特别地，其它温度传感和工作温度控制技术和/或构造如下所述。而且，如下所述，所有温度传感和工作温度控制技术和/或构造，无论是已知的还是以后开发的，包括以上所述的，都将在本发明的范围内。
在第二方面，本发明涉及一种具有等温梁结构的微机电共振器。在这个方面，本发明这个方面的微机电共振器的可动梁被布置为使得在可动梁的长度上，具有恒定温度和/或基本上恒定的温度(例如±5％，并且优选地小于1％)。
参照图6，在本发明这个方面的第一实施例，可动梁14通过加热锚定部16a-16d传导加热。可动梁14固定至布置在锚定部16a和16b之间的梁30a。可动梁14还固定至布置在锚定部16c和16d之间的梁30b。锚定部16a-d中的每个分别包括相关的电触点20a-d。电触点结合至电源28(未示出)以将电流和/或电压提供给电触点20a-d。
在操作中，在电触点20a和20b之间，梁30a由流过其中的电流利用电阻加热。类似地，在电触点20c和20d之间，梁30b由流过其中的电流利用电阻加热。而且，可动梁14将被梁30a和30b传导加热。而且，可动梁14将在着两个热源之间达到热平衡。实际上，在这个实施例中，可动梁14整个长度上的温度恒定或基本上恒定(例如梁14长度的差异不超过±5％，并且优选地小于1％)。
特别地，可动梁14的传导加热和可动梁14的温度稳定可以在机械结构12(并且具体地可动梁14)保持在真空中的情况下得到提高。而且，机械结构12的导热率(λ)可以表示为：
λ＝-q/(A·dT/dx)            公式4
其中：q是锚定部中的热通量，
dT/dx描述了基片锚定部和梁结构组合上的温度梯度，和
A是梁结构的横截面积。
这个关系很好理解并且可用来模拟可动梁14的传导加热。
参照图7，可动梁14的传导加热可概念性地视为可动梁14的两端都被保持在相同的工作温度。也就是说，通过设计，可动梁14被梁30a和30b传导加热直到达到了预定、选定和/或期望的工作温度(T0)。
可动梁14的工作温度可利用多种方法和/或技术来确定。例如，一个或多个温度传感器26可形成和布置在紧靠梁结构和/或相关基片锚定部之处。利用常规的反馈技术将表示可动梁14和/或锚定部16由温度传感器26所测得的实际温度的数据与预定、选定和/或期望的工作温度相比较。
在结合在MEMS 10之中或附近的物理传感器并未提供表示可动梁14工作温度的精确和/或准确数据的那些情况下(例如，因为将温度传感器26定位在期望的热控梁附近成本太高和/或太复杂)，有利地是采用其它温度测量技术。例如，仍然参照图7，温度测量电路系统32可用来产生通过可动梁14的温度传感电流(Itemp)。测量电流(可以是交流电或直流电)诱导可动梁14上的相应电压差。温度测量电路系统32可测量、检测和/或采样例如传感点34a和34b之间的电压差。对于给定的测量电流，这个电压差(Vtemp)将随着可动梁14的电阻而变化，并且这样，控制电路系统24可确定和/或测量可动梁14的工作温度。
特别地，测量电流可以是交流或直流电流。实际上，除了测量电流之外或替代地，温度测量电路系统32可施加测量电压(直流或交流电压)。测量电流或电压可在加热梁30a和/或30b的电流上叠加或调制。在此情况下，温度测量电路系统32能采样、确定和/或检测交流和/或直流分量并且从而测量和/或采样表示可动梁14温度的信息。
控制电路系统24(连同温度测量电路系统32)可周期性地、间歇地和/或持续地采样、检查、测量和/或测定可动梁14的工作温度以检测、确定和/或预测MEMS共振器10输出频率中的变化。这样，就改进了可动梁14工作温度的控制。也就是说，通过与温度测量电流和/或温度测量电压相关地周期性地、间歇地和/或持续地确定可动梁14的电阻值，并且利用电阻值来计算近似工作温度，就实现了温度反馈技术和/或配置。
控制电路系统24可使用表示可动梁14工作温度的数据/信息来控制电源28。在这点上，电源28可(相关地或独立地)变化和/或改变通过梁30a和30b施加的电流并且从而调节可动梁14的工作温度。因而，在一个实施例中，梁结构电阻被用作温度反馈信息的形式。温度反馈信息被用来控制施加于电触点20a-d的加热电流。
特别地，有很多用来检测、采样、测量和/或测定可动梁14工作温度的技术和/配置。例如，参照图8A和8B，控制电路系统24可采用查看表和/或预定或数学关系(任一或者都包含在存储器36中)来调节和/或控制MEMS共振器10某些梁结构(例如可动梁14)的加热从而补偿和/或修正环境温度(即MEMS共振器10的温度)中的变化。用来检测、采样、测量和/或测定可动梁14工作温度的所有技术和/或配置，无论是已知的还是以后开发的，包括上述的那些，都处于本发明的范围内。
以上相对于图7、8A和8B所述的温度测量和控制技术也可应用于这里所述和/或所示发明的任何方面的任何实施例。例如，在本发明第一方面的内容中，可动梁14(图1、2、3A和3B)和可动梁14a和14b(图4A和4B)的电阻可通过施加温度测量电流或电压中断加热电流(I(电流))来周期性地或间歇地测量。可选地，加热电流可用作温度测量电流。特别地，参照图4A和4B，温度测量电流可施加于电触点16a或16c中的任何一个，相应地通过可动梁14a或14b，相应地达到电触点16b或16d中的任何一个。
MEMS共振器10可采用任何类型设计和/或控制的机械结构12。例如，参照图9，机械结构12能以悬臂梁、音叉梁结构的形式构造，包括连接至梁30的可动梁14a和14b。在操作中，梁30被加热电流I(电流)利用电阻加热，其又传导加热可动电极14a和14b。
图9所示机械结构还可构造有其它电触点以便于和改进可动电极14a和14b的温度测量。在这点上，参照图10，在一个实施例中，MEMS共振器10可包括测量触点38a和38b以便于采样、测量和/或检测表示可动电极14a和14b温度的数据。测量触点38a和38b提供了“测试点”，由此控制电路系统24(未示出)和温度测量电路系统32(未示出)可周期性地、间歇地和/或持续地采样、检查、测量和/或测定可动梁14a和14b的工作温度从而检测、确定或预测MEMS共振器10输出频率由于工作温度变化所引起的变化。而且，测量触点38a和38b能在不与MEMS共振器10的操作相妨碍的前提下实现这种周期性、间歇和/或持续的采样、检测和/或测量，因为测量触点38a和38b可用来例如与电触点20a和20b无关地测量所述测量电压、电阻或电流。
另外，参照图11，MEMS共振器10可包括分别连接至可动梁14a和14b的弹性体40a和40b。在这个实施例中，至少可动梁14a和14b被通过梁30的加热电流所传导加热。
因而，如上所述，MEMS共振器10可采用任何类型设计和/或控制的机械结构12。这样，任何设计和/或控制的机械结构12，无论是已知的还是以后开发的，都将落入本发明的范围内。
特别地，上述测量和控制技术，例如参照图6的，可应用于图9-11的实施例。为了简明的缘故，不再重复其描述。
如上所述，锚定部16可采用任何形式的锚定技术，无论是已知的还是以后开发的。而且，锚定部16可以是成分同质的或者由复合结构构成。在这点上，利用复合结构可改进共振器的性能，如2003年4月16日提交并指定序列号No.10/414,793、名称为“Temperature Compensation for Silicon MEMS(硅MEMS的温度补偿)”的非临时专利申请(下文中称为“温度补偿的硅MEMS专利申请”)所描述和示出的。因而，温度补偿的硅MEMS专利申请中所述和所示的任何和所有实施例都可结合入根据本发明的MEMS共振器。为了简明的缘故，温度补偿的硅MEMS专利申请与本文所述和所示实施例相结合实施的复合锚定和梁结构和技术将被概述而不再详细地重复。然而，特别要说明的是，温度补偿的硅MEMS专利申请的全部内容，包括例如所述实施例和/或发明的特点、属性、替代、材料、技术和优点，以参照的方式结合于此。
例如，参照图12A和12B，在一个实施例中，MEMS共振器10可包括布置在锚定部16a和16b之间的可动梁14。在这个实施例中，锚定部16a和16b由两种或更多材料(例如硅、二氧化硅、氮化硅和/或锗构成)，每种材料42a-c具有不同的热膨胀系数。因而，在共振器被加热时，在加热电流(I(电流))的作用下，相对于基片的热膨胀系数而言，复合锚定部与梁14不同材料的相对较大或较小的热膨胀会在梁结构上形成张力或压力。这种张力或压力会导致频率的变化，因为可动梁14之中或之上会出现诱导应力。
仍然参照图12A和12B，其中锚定部16a和16b例如通过二氧化硅重新填充入多晶硅锚定部的选定空出部分而形成，相对于由多晶硅和/或硅基基片构成的可动梁而言，锚定部16a和16b可显示较低的整体热膨胀系数。复合锚定部的长度为通过选定材料全异(disparate)的热膨胀而施加于可动梁14上的压力或张力应变提供了杠杆作用。
相对梁成分也可用来影响和/或控制用于共振器梁频率变化的热补偿。在这点上，参照图12C和12D，可动梁14可由多种具有不同热膨胀系数的材料42a和42d-f(例如硅、锗、二氧化硅和/或氮化硅)构成。例如，可动梁14可由硅内芯和二氧化硅外层构成。可选地，可动梁14可由硅、锗和二氧化硅(分别为42a、42e和42f——参见图12D)构成。实际上，本文所述的任何材料(或其它材料)可用来构成锚定部16和/或可动梁14。
图12C和12D所示发明也可以与本文所述和所示任何创造性方面的任何实施例(例如，图2、3A、3B、4A、4B、6、9、10和11所示MEMS共振器10)和/或以参考的方式结合的任何实施例中所示的发明相结合。在这点上，可动梁14可由多种材料构成，每种材料具有不同的热膨胀系数，并且锚定部16a和/或16b可由组合起来与基片热膨胀系数不同的两种或更多材料构成。也就是说，通过为锚定部16a和/或16b、可动梁14、和/或基片选择具有不同热膨胀系数的复合材料，适合的压缩或张力应变可施加于可动梁14以补偿温度诱导的频率变化。
在第三方面，本发明涉及一种薄膜或晶片级封装的微机电共振器以及制造、生产、提供和/或控制其机械结构利用薄膜或晶片级封装技术封装在腔室内并且包括布置在腔室之中、腔室之上和/或集成在机械结构内的加热和/或温度传感元件的微机电共振器的方法。
参照图13、14A和14B，在一个实施例中，MEMS共振器10利用薄膜或晶片级封装技术进行封装并且包括加热元件44a和44b以便相应于由电源28(未示出)所提供的电流分别传导加热锚定部16a和16b。在锚定部16a和16b由导电材料构成时，绝缘体46可用来将加热元件44a和44b和/或电绝缘的加热元件44a和44b中的电流分别与锚定部16a和16b隔离。类似地，在基片50由导电材料构成的情况下，绝缘体48可用来将加热元件44a和44b与基片50电隔离。
在形成机械结构12之后，MEMS共振器10可被封装以形成腔室52。在这点上，MEMS共振器10可利用常规的薄膜封装技术和结构来密封或封装。(参见例如WO01/77008 A1和WO01/77009A1)。其它薄膜封装技术也是适合的。实际上，所有的薄膜封装技术，不管是已知的还是以后开发的，都将处于本发明的范围内。
例如，可以采用2003年6月4日提交并指定序列号No.10/455,555的非临时专利申请“Microelectromechanical SystemsHaving Trench Isolated Contacts，and Methods of Fabricating Same(具有沟槽隔离的触点的微机电系统及其制造方法)”(下文中称为“具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请”)中所述和所示的封装技术。具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请所述和所示的所有发明/实施例(包括例如封装和电绝缘技术)可与这里所述和所示的温度补偿技术相结合地实施。为了简明的缘故，具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请所述和所示的实施例与本文所述和所示的温度补偿技术相结合实施的情况将不再重复地描述而只是进行总结。然而，特别指出的是，具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请的全部内容，包括例如所有发明的特点、属性、替代、材料、技术和优点以参考的方式结合于此。
简言之，参照图14A和14B，在一个实施例中，封装结构54可包括一个或多个封装层以密封腔室52。在所示实施例中，封装结构54包括第一封装层56a和第二封装层56b。如具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请所详细描述的，在一个实施例中，第一封装层56a沉积在牺牲层(例如二氧化硅或氮化硅)上以紧固、间隔和/或保护机械结构12(包括可动电极14)。此后，在封装层56a上形成和/或蚀刻出通道或孔口以允许或方便牺牲层和绝缘层46至少选定部分的蚀刻和/或移除。
在蚀刻和/或移除牺牲层和绝缘层46的至少选定部分并释放例如可动梁14之后，第二封装层56b沉积在第一封装层56a上和第一封装层56a内的孔口或通道内从而“密封”腔室52。
继续参照图13、14A和14B，电触点20a和20b可用来便于测量、检测和/或采样可动梁14的温度。电触点20a和20b可利用具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请所述和所示的发明/实施例电隔离。为了简明的缘故，具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请所述和所示的隔离技术与本文所述和所示温度补偿技术相结合实施的情况不再详细地重复而只是进行总结。
参照13、14A和14B，如具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请所详细描述的，在一个实施例中，沟槽隔离结构58将电触点20a和20b与附近的导电区域(例如第二封装层56b和/或“场效应”区域(未示出))电隔离。在这点上，在一个实施例中，沟槽隔离结构58包括电介质隔离区域60a和60b，所述隔离区域包括布置在沟槽62a和62b中的绝缘材料。电介质隔离区域60a和60b(以及沟槽62a和62b)可包围电触点20a以将电触点20a与任何附近的导电区域电隔离。关于例如电触点隔离的制造、特点、属性、替代、材料、技术和优点在全部内容如上所述以参考的方式结合于此的具有沟槽隔离的触点的微机电系统专利申请中有描述。
如上所述，电触点20a和20b可用来测量、检测和/或采样例如可动梁14的温度。在这点上，温度测量电路系统32(未示出)可结合电触点20a和20b以测量、检测和/或采样可动梁14的电阻。对于给定的测量电流，这个控制电路系统24(未示出)可利用可动梁14的电阻来确定和/或计算可动梁14的工作温度。
在另一实施例中，除了将温度传感器26布置在可动梁14之中或之上之外或者替代地，物理/离散的温度传感器26可布置在锚定部16a和16b中。(参见图15和16)。有利地是将传感器26包括在锚定部16a和16b中以便特别地获得机械结构12与温度相关的额外信息从而改进计算和/或确定可动梁14工作温度的精度。另外，这种信息也可以有助于更精确或适合地控制流过加热元件44a和/或44b的电流(由电源28提供)的量。这样，控制电路系统24可更准确地控制电源28和调节通过加热元件44a和44b的电流从而将可动梁14保持在恒定(或相对恒定)和/或预定或期望的温度。
物理/离散的温度传感器26可用来采样可动梁14的工作温度(例如布置和/或定位在MEMS共振器10基片之上或之中的二极管、晶体管、电阻器或可变电阻器、和/或一个或多个MEMS温度换能器)。参照图17和18，在一个实施例中，温度传感器26可布置在可动梁14之中或之上。这样，就可以确定可动梁14高度精确的工作温度。
特别地，如上所述，锚定部16可采用用于微机电系统的锚定部专利申请所述和所示的锚定技术。参照图19A和19B，锚定结构64可利用用于微机电系统的锚定部专利申请所述和所示的技术来形成。为了简明的圆管，用于微机电系统的锚定部专利申请的锚定技术的细节将不再详细地重复。然而，再次特别地指出，用于微机电系统的锚定部专利申请的全部内容，包括例如所有实施例和/或发明的特点、属性、替代、材料、技术和优点以参考的方式结合于此。
参照图20-23，在另一实施例中，加热元件44与可动梁14的纵轴平行地布置。在这个实施例中，加热元件44可利用传导和对流型加热来加热可动梁14。也就是说，加热元件44利用传导加热锚定部16a和16b，并且此外，可以加热腔室52内的流体(气体或蒸汽)(如果有的话)，所述流体将热赋予悬垂在其中的可动梁14。
特别地，加热元件44可由导电材料(例如金属材料)或半导体材料(例如硅和/或锗)构成。加热元件44可布置在基片50之上或上(参见例如图20-23)或者在基片50内(参见例如图24-28)。实际上，加热元件44可包括腔室内的多个元件(参见例如图28)。多个加热元件可更加均匀和柔性/可控地加热腔室。也就是说，所述多个元件中每个加热元件的热贡献可由控制电路系统24连同电源28一起独立地或相关地控制。
加热元件44可选择性地定位在腔室内以便对可动梁14聚焦地、倾向性地和/或选择性地加热。例如，加热元件44可在腔室内布置在可动梁14之上。(参见例如图29、30和31)。在这点上，加热元件44可悬挂在可动梁14之上，其方式为提供传导和对流型加热(参见例如图30)。而且，在另一实施例中，加热元件44可悬挂在可动梁14之上，其方式为通过锚定部16a的传导型加热较少(参见例如图31)。
在又一实施例中，加热元件44布置在可动梁14之中或之上从而提供传导和/或电阻型加热(参见例如图32)。在这点上，如上相对于图2、3A和3B的描述，加热元件44可通过掺杂入与可动梁14内杂质(如果有的话)具有相同或相反传导性的杂质而形成于可动梁14中。例如，可动梁14可包括n型杂质(比如磷或砷)并且加热元件44可通过用其它n型杂质将可动梁14的选定区域掺杂而形成和/或创建在可动梁14之中或之上。这样，电流的主要部分将通过加热元件44，并且这样就提供了传导和电阻型加热。
如上所述，可选地，可动梁14可用P型杂质(比如硼以形成p型区域)来很重地反掺杂以形成和/或创建加热元件44。这样，在形成可动梁14以及通过将选定电压施加于可动梁14和加热元件44之后，就存在着一个相反偏置的接合点以使得加热元件44与可动梁14的其余部分电“隔绝”。
为了简明的缘故，关于图2、3A和3B的描述在此就不再详细重复；然而，所有发明和实施例(及其变型)完全可用于本发明的这个方面。
在另一实施例中，加热元件44包括多个处于包含机械结构12的腔室之内或之上的多个元件。例如，参照图33和34，在一个实施例中，加热元件44a-c定位在腔室内以提供可动梁14聚焦的、倾向性的和/或选择性的加热。这样，控制电路系统24(未示出)可精确地控制一个或多个电源28(未示出)以便调节/控制通过加热元件44a、44b和/或44c的电流从而将可动梁14(例如可动梁14的整个长度)保持在恒定(或相对恒定)和/或预定或预期的温度。
参照图35、36A、36B、37和38，在另一实施例中，加热元件44a-d可定位在腔室内和/或腔室的“壁”内，其中可动梁14从多个方向被利用传导和/或利用电阻加热。尤其，参照图35、36A和36B，加热元件44a-d可布置和/或定位在腔室内以便提供可动梁14聚焦的、倾向性的和/或选择性的加热。如上所述，控制电路系统24可精确地控制可动梁14(例如可动梁14的整个长度)的温度从而将其温度保持在恒定(或相对恒定)和/或预定或预期的温度。
特别地，加热元件44可布置在其中驻留有机械结构12的腔室之内或之上。例如，加热元件44可布置在封装结构54中(参见例如图37中的加热元件44b)。而且，加热元件44可同时加热锚定部16和可动梁14(参见例如图37中的加热元件44d)。而且，加热元件44可提供电阻和/或传导的加热(参见例如图38中的加热元件44b)。实际上，加热元件44可形成为具有不同的尺寸、形状、宽度和/或长度(参见例如图36B、37、39A-C中的加热元件44a-d)。
如上所述，控制电路系统24确定和/或计算保持和/或控制机械结构12工作温度以及从而例如在环境温度范围之上提供预定、选定、期望和/或限定的输出频率所必须的电流。控制电路系统24采用来自温度传感器26(例如布置和/或定位在MEMS共振器10基片之上或之中的二极管、晶体管、电阻器或可变电阻器、和/或一个或多个MEMS温度换能器)的信息/数据来适当地控制电源28。
在一个实施例中，温度传感器26可应用在紧靠可动梁14和/或锚定部20之处之上和/或之内以便测量、传感和/或采样关于可动梁14实际温度的信息(参见例如图40、41、42和43)。温度传感器26将关于可动梁14实际温度的信息提供给控制电路系统24。这样，控制电路系统24可确定或计算可动梁14的工作温度，并且相应地控制和/或指示电源28施加或提供通过加热元件44的电流从而通过加热元件44和/或可动梁14的电阻加热来电阻地和/或传导地加热可动梁14。控制电路系统24可利用如上详细描述的多种常规反馈和/或控制技术之一来将实际工作温度与预定、选定和/或期望的工作温度相比较。
控制电路系统24(连同温度测量电路系统32一起)可周期性地、间歇地和/或持续地采样、检查、测量和/或测定可动梁14的工作温度从而检测、确定或预测MEMS共振器10输出频率中的变化。这样，就改进了可动梁14工作温度的控制。也就是说，通过周期性地、间歇地和/或持续地确定可动梁14与温度测量电流和/或温度测量电压相关的电阻值，并且利用电阻值来计算适合的工作温度，就实现了温度反馈电路(参见例如图7、8A和8B)。
控制电路系统24可使用表示可动梁14工作温度的数据/信息来控制电源28。在这点上，电源28可变化和/或改变施加通过加热元件44的电流并且从而调节可动梁14的工作温度。因而，在一个实施例中，梁结构的电阻被用作一种形式的温度反馈信息。温度反馈信息被用来控制施加于电触点20的加热电流。
特别地，如上所述，电触点20a和20b可用来便于测量、检测和/或采样可动梁14的温度。在这点上，温度测量电路系统32可结合至电触点20a和20b以便测量、检测和/或采样可动梁14的电阻。对于给定的测量电流，这种控制电路系统24可利用可动梁14的电阻来确定和/或计算可动梁14的工作温度。
如上所述，有很多用来检测、采样、测量和/或测定可动梁14工作温度的技术和/配置。例如，控制电路系统24可采用查看表和/或(包含在存储器中的)预定或数学关系来调节和/或控制MEMS共振器10某些梁结构(例如可动梁14)的加热从而补偿和/或修正环境温度(即MEMS共振器10的温度)中的变化。还是如上所述，所有技术和/或配置，无论是已知的还是以后开发的，包括上述的那些，都处于本发明的范围内。
而且，在本发明的这个方面，MEMS共振器可采用任何类型设计和/或控制的机械结构12。例如，机械结构12能以悬臂梁、音叉梁结构的形式构造，包括一个或多个可动电极，或者可以如图6、9-11所示的那样构造。实际上，本发明这个方面的MEMS共振器10还可以采用关于图12A-D所述和所示的补偿构造和技术。
本发明能以布置在例如SOI基片上的MEMS共振器10与控制电路系统24、温度传感器26、电源28(未示出)和/或温度测量电路系统32(未示出)具有整体构造的方式来实施(参见例如图44A-44D)。特别地，参照图44E-44G，MEMS共振器10和控制电路系统24、温度传感器26、电源28(未示出)和/或温度测量电路系统32(未示出)可布置在分离的基片(即50a和50b)上。在这个实施例中，各种控制和数据信号(例如电流和温度信息)可利用将位于基片50a和50b上的接合垫相互电连接的导线连接66来交换。
本文描述和示出了很多发明。虽然已经描述和示出了本发明的某些实施例、特点、材料、构造、属性和优点，但是应当理解的是，从说明书、附图和权利要求中，本发明的很多其它以及不同和/或类似的实施例、特点、材料、构造、属性、结构和优点是很明显的。这样，本文所述和所示的本发明的实施例、特点、材料、构造、属性、结构和优点并不是穷尽的，并且应当理解的是，本发明的这种其它、类似以及不同的实施例、特点、材料、构造、属性、结构和优点都处于本发明的范围内。
例如，加热元件能以很多不同和变化的构造来布置从而提供可动梁14聚焦的、倾向性的和/或选择性的加热。例如，一个或多个独立的加热元件可布置在其中驻留有机械结构12的腔室内(参见例如图28、33、35、39A-39C和45)。这样，控制电路系统24可更加精确地控制可动梁14的温度并且将其温度保持在恒定(或相对恒定)和/或预定或期望的温度。
给加热元件提供电流的电源可包括一个或多个独立的电源以便提供可动梁加热/温度控制的灵活性。例如，多个电源之一可“专用于”一个或多个加热元件。在这点上，图35中加热元件44a-d中的每个可通过一个或多个电源独立地控制。独立或相关地控制该多个加热元件的所有变化和构造都将在本发明的范围内。
而且，本发明可采用任何温度传感器或传感技术，无论是已知的还是以后开发的。例如，本发明可采用利用可动梁本身作为布置在MEMS共振器内的第一温度传感器和至少一个第二温度传感器的温度传感技术，所述温度传感器测量例如远离加热元件或者布置得与之足够地远以使得加热元件不会阻止传感器检测、采样和/或测量基片温度的基片的温度。在这个实施例中，可动梁的不一致温度可取决于期望梁温度和基片温度之间的温度差。因而，通过计算和/或确定这个差值，可动梁的实际温度可以利用例如将前述差值与实际温度相关联的查看表来近似和/或外插值。可选地，控制电路系统可采用预定或数学关系来估计可动梁的温度，其中所述关系使用期望的梁温度和基片温度之间的温度差。这种温度传感技术可显著地改进可动梁的温度估计，这又会导致MEMS共振器输出信号频率提高的准确度。
而且，本发明可在通过变化、改变和/或控制可动梁工作温度而动态地和/或静态地变化可动梁共振频率的系统中实施。在这点上，控制电路系统连同温度传感器、电源和/或温度测量电路系统一起可用来基于MEMS共振器的期望、预定和/或可选输出频率来确定可动梁适合的或预定的温度。这种变化、改变和/或控制可以是该系统调节或启动步骤和/或动态操作要求的一部分。
如上所述，MEMS共振器10可采用任何类型的MEMS设计和/或控制，无论是已知的还是以后开发的，包括以上详细描述的那些。因此，所示例子的共振器构造并非以限定的方式构造或解释。
而且，如上所述，MEMS共振器10可利用任何薄膜封装技术来封装，无论是已知的还是以后开发的。例如，本发明可采用2003年6月4日提交并指定序列号No.10/454,867的名称为“Microelectromechanical Systems，and Method of Encapsulatingand Fabricating Same(微机电系统及其封装和制造方法)”的非临时专利申请(下文中称为“微机电系统及其封装方法专利申请”)所述和所示的封装技术。在这点上，根据本发明的MEMS共振器10的任何和所有实施例可利用微机电系统及其封装方法专利申请所述和所示的技术来封装。而且，根据本发明的MEMS共振器10还可以包括或采用如微机电系统及其封装方法专利申请所述和所示的将接触区域和/或场效应区与其它导电材料电隔离的技术。为了简明的缘故，微机电系统及其封装方法专利申请的封装和隔离技术与本文所述和所示发明相结合实施的情况将不再重复。然而，特别指出的是，微机电系统及其封装方法专利申请的全部内容，包括例如所有实施例和/或发明的特点、属性、替代、材料、技术和优点都以参考的方式结合于此。
而且，虽然已经就包括微机电结构或元件的微机电系统描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不限于此。而是，本文所述的发明可应用于其它微机电系统，包括例如纳米微机电系统。因而，本发明可涉及根据将机械部件的尺寸减小至大致可与微电子相比较的制造技术(比如光刻和其它精密制造技术)制作的微机电系统，例如共振器。
本说明书中所使用的词语“共振器”、“MEMS共振器”或“微机械共振器”涵盖广泛种类的显微加工结构及这些结构的有用组合。这种组合通常包括电子电路系统，比如用来驱动、激励和控制共振器的电路系统。显微加工结构，比如孔、通道、悬臂、弯曲梁、弹簧、音叉、膜片、基片锚定部、电触点等，构造出更复杂设备(比如换能器)的区块。换能器通常是能将一种形式的能量转换为另一种的任何设备。换能器(包括传感器和致动器)是其类型为易于实现本发明益处的设备的例子。
目前的共振器通常包括至少一个在下文中通称为“梁结构”的显微加工结构。该词语被宽泛地构造为覆盖被设计来在由外力(例如电的、磁的和/或物理的)致动时机械地运动的任何换能器。单个弯曲梁、多梁音又是梁结构的例子。连续和离散的结构都涵盖在词语“梁结构”之内。
还应当说明的是，虽然已经结合SOI描述了本发明，但是其它基片也是适合的。例如，第一半导体层可以是元素周期表中的IV族元素，例如硅、锗、碳；也可以是它们的组合，例如硅锗、碳化硅；也可以是III-V族化合物，例如磷化镓、磷化锗铝，或者其它III-V族组合；也可以是III、IV、V或VI族元素的组合，例如氮化硅、二氧化硅、碳化铝或者氧化铝；也可以是金属硅化物、锗化物和碳化物，例如硅化镍、硅化钴、碳化钨或者硅化锗铂；也可以是掺杂的变化，包括磷、砷、锑、硼，或者掺铝的硅、锗或碳，或者类似于硅锗的组合物；也可以是具有各种晶体结构的这些材料，包括单晶体、多晶体、纳米晶体，或者非晶体，也可以是晶体结构的组合，例如具有单晶和多晶结构区域(掺杂的或者未掺杂的)。实际上，第一半导体层也可以是金属或金属型材料(在此情况下其将是置于第一基片层上的第一传导层)。特别地，机械结构(例如可动梁14)可由与第一半导体层相同的上述材料构成。
用来构成例如可动梁14的材料的特点通常在于很好理解的电阻温度系统(TCR)。TCR值可用来使梁结构的测量电阻等同于其实际温度的近似值。因而，已知TCR值时，MEMS设计者可将梁结构的测量电阻值转换为相应实际温度的准确近似值。这可以利用很多不同的技术和/或模型来完成，并且因此，所有这种技术和/或模型，无论是已知的还是以后开发的，都将处于本发明的范围内。
还应当说明的是，词语“电路”尤其可意味着，主动的和/或被动的并且结合起来以提供或执行期望功能的单个部件或多个部件(无论是集成电路形式或者其它形式)。词语“电路系统”尤其可意味着，电路(集成或其它的)、一组这样的电路、处理器、状态机、一组状态机、软件、执行软件的处理器、或者是电路(集成或其它的)、一组这样的电路、状态机、一组状态机、软件、处理器和/或执行软件的处理器、处理器和电路、和/或执行软件的处理器和电路的组合。
最后，词语“数据”尤其可意味着模拟或数字形式的电流或电压信号。词语“测量”尤其意味着采样、传感、检查、检测、监视和/或捕获。短语“进行测量”等意味着例如进行采样、传感、检查、检测、监视和/或捕获。

Claims (44)

1.一种MEMS共振器，其共振频率被相关于工作温度限定，所述MEMS共振器包括：
包括第一电触点的第一基片锚定部；
包括第二电触点的第二基片锚定部；
布置在第一和第二基片锚定部之间并且电结合至第一和第二电触点的梁结构；和
电源，其结合至第一和第二电触点以便为梁结构提供电流并且从而加热梁结构。
2.根据权利要求1的MEMS共振器，其特征在于，梁结构在第一端处固定至第一基片锚定部并且在第二端处固定至第二基片锚定部。
3.根据权利要求1的MEMS共振器，其特征在于，电源适于将电流提供给第一电触点或第二电触点，并且其中梁结构由导体或半导体材料构成。
4.根据权利要求1的MEMS共振器，还包括：
温度传感器，其布置在梁结构附近以测量温度；和
控制电路系统，其结合至温度传感器，以便产生控制信息并将控制信息提供给电源以将梁结构保持在工作温度。
5.根据权利要求4的MEMS共振器，其特征在于，控制电路系统响应于由温度传感器所测得的温度数据，利用包含在查看表中的数学关系或数据产生控制信息。
6.根据权利要求1的MEMS共振器，其特征在于，梁结构包括单个振荡梁。
7.根据权利要求1的MEMS共振器，其特征在于，梁结构包括多个布置在第一和第二基片锚定部之间的可动梁。
8.根据权利要求1的MEMS共振器，其特征在于，第一和第二基片锚定部中的至少一个包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
9.根据权利要求1的MEMS共振器，其特征在于，梁结构包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
10.根据权利要求1的MEMS共振器，其特征在于，：
梁结构包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数；并且
第一和第二基片锚定部中的至少一个包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
11.一种MEMS共振器，其共振频率被相关于工作温度限定，所述MEMS共振器包括：
包括第一电触点的第一基片锚定部；
包括第二电触点的第二基片锚定部；
第一梁，其由导体或半导体材料构成并且电连接在第一和第二电触点之间；
第一可动梁，其第一端热结合至所述第一梁；和
电源，其结合至第一电触点以便将受控的电流提供给第一电触点并且从而加热第一梁。
12.根据权利要求11的MEMS共振器，还包括：
包括第三电触点的第三基片锚定部；
包括第四电触点的第四基片锚定部；
第二梁，其由导体或半导体材料构成并且电连接在第三和第四电触点之间；
其中第一可动梁包括热结合至第二梁的第二端；和
其中电源还结合至第三电触点以便将受控的电流提供给第三电触点并且从而加热第二梁。
13.根据权利要求12的MEMS共振器，还包括温度测量电路系统以确定第一可动梁的电阻。
14.根据权利要求13的MEMS共振器，其特征在于，温度测量电路系统将电信号施加于第一可动梁，并测量第一可动梁对电信号的反应以便确定表示第一可动梁温度的信息。
15.根据权利要求13的MEMS共振器，其特征在于，电信号是交流或直流电压。
16.根据权利要求13的MEMS共振器，其特征在于，电信号是交流或直流电流。
17.根据权利要求13的MEMS共振器，还包括控制电路系统，其结合至温度测量电路系统，以便产生控制信息并将控制信息提供给电源以将第一可动梁保持在预定的工作温度。
18.根据权利要求17的MEMS共振器，其特征在于，控制电路系统响应于表示第一可动梁温度的信息，利用包含在查看表中的数学关系或数据产生控制信息。
19.根据权利要求11的MEMS共振器，还包括：
温度传感器，其布置在第一可动梁附近以测量温度；和
控制电路系统，其结合至温度传感器，以便产生控制信息并将控制信息提供给电源以控制第一可动梁的工作温度。
20.根据权利要求19的MEMS共振器，其特征在于，控制电路系统响应于由温度传感器所测得的温度数据，利用包含在查看表中的数学关系或数据产生控制信息。
21.根据权利要求11的MEMS共振器，还包括第二可动梁，其第一端热结合至所述第一梁。
22.根据权利要求21的MEMS共振器，还包括：
包括第三电触点的第三基片锚定部；
包括第四电触点的第四基片锚定部；
第二梁，其由导体或半导体材料构成并且电连接在第三和第四电触点之间；
其中第一和第二可动梁每个都包括热结合至第二梁的第二端；和
其中电源还结合至第三电触点以便将受控的电流提供给第三电触点并且从而加热第二梁。
23.根据权利要求22的MEMS共振器，其特征在于，电源包括：
第一电源，其结合至第一电触点以将受控的电流提供给第一电触点并且从而加热第一梁；和
第二电源，其结合至第三电触点以将受控的电流提供给第三电触点并且从而加热第二梁。
24.根据权利要求11的MEMS共振器，其特征在于，第一基片锚定部包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
25.根据权利要求21的MEMS共振器，还包括：
电结合至第一电触点的第一测试触点；和
电结合至第二电触点的第二测试触点。
26.根据权利要求25的MEMS共振器，还包括温度测量电路系统，其结合至第一和第二测试触点，以将电信号施加于其上从而确定表示第一可动梁温度的信息。
27.根据权利要求11的MEMS共振器，其特征在于，第一可动梁包括多个弹簧和振荡体。
28.根据权利要求22的MEMS共振器，其特征在于，第一可动梁包括多个离散的振荡器，其中每个离散的振荡器包括弹簧和振荡体。
29.根据权利要求22的MEMS共振器，其特征在于，第一和第二基片锚定部中的至少一个包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
30.一种控制MEMS共振器的共振频率的方法，其中MEMS共振器包括：包括第一电触点的第一基片锚定部；包括第二电触点的第二基片锚定部；和第一端由第一基片锚定部所固定且第二端由第二基片锚定部所固定的梁结构，该方法包括：
将加热电流从第一电触点传送到第二电触点以便加热梁结构；和
与梁结构的实际工作温度相关地调节加热电流。
31.根据权利要求30的方法，还包括利用布置在梁结构附近的温度传感器来测量实际工作温度。
32.根据权利要求30的方法，其特征在于，梁结构包括多个振荡梁。
33.根据权利要求30的方法，其特征在于，梁结构包括多梁音叉结构，其中多梁音叉结构中的每个梁包括由第一基片锚定部所固定的第一端和由第二基片锚定部所固定的第二端。
34.根据权利要求30的方法，其特征在于，第一和第二基片锚定部中的至少一个包括由多种材料构成的复合结构，其中所述多种材料中的至少两种材料具有不同的热膨胀系数。
35.一种控制MEMS共振器的共振频率的方法，其中MEMS共振器包括：包括第一电触点的第一基片锚定部；包括第二电触点的第二基片锚定部；和第一端由第一基片锚定部所固定且第二端由第二基片锚定部所固定的梁结构，该方法包括：
将加热电流从第一电触点传送到第二电触点以便将梁结构保持在工作温度；和
与梁结构的计算电阻相关地调节加热电流。
36.根据权利要求35的方法，还包括通过在第一电触点和第二电触点之间施加测量电压来计算梁结构的电阻并与测量电压相关地确定梁结构的电阻。
37.根据权利要求35的方法，还包括通过使测量电流从第一电触点传送至第二电触点来计算梁结构的电阻并与测量电流相关地确定梁结构的电阻。
38.一种在工作温度下控制MEMS共振器的共振频率的方法，其中MEMS共振器包括：固定在第一和第二电触点之间的第一基片锚定部；以及第一端热结合至第一基片锚定部的梁结构，该方法包括：
将第一基片锚定部加热至工作温度；和
与第一基片锚定部的计算电阻相关地将第一基片锚定部保持在工作温度。
39.根据权利要求38的方法，其特征在于，保持第一基片锚定部工作温度的步骤还包括：
在第一和第二电触点之间施加测量电压；和
与测量电压相关地确定第一基片锚定部的电阻。
40.根据权利要求38的方法，其特征在于，加热第一基片锚定部的步骤还包括将第一加热电流从第一电触点传送至第二电触点。
41.根据权利要求40的方法，其特征在于，保持第一基片锚定部工作温度的步骤还包括：
在第一和第二电触点之间传送测量电流；和
与测量电流相关地确定第一基片锚定部的电阻。
42.根据权利要求38的方法，其特征在于，MEMS共振器还包括固定在第三和第四电触点之间的第二基片锚定部，并且其中梁结构还包括热结合至第二基片锚定部的第二端，该方法还包括：
将第二加热电流从第三电触点传送到第四电触点以便将第二基片锚定部加热至工作温度；和
与梁结构的计算电阻相关地保持第一和第二基片锚定部中至少一个的工作温度。
43.根据权利要求42的方法，其特征在于，保持第一和第二基片锚定部中至少一个的工作温度的步骤还包括：
在选自于第一和第二电触点中的一个电触点和选自于第三和第四电触点中的另一电触点之间施加测量电压；和
与测量电压相关地确定梁结构的电阻。
44.根据权利要求42的方法，其特征在于，保持第一和第二基片锚定部中至少一个的工作温度的步骤还包括：
在选自于第一和第二电触点中的一个电触点和选自于第三和第四电触点中的另一电触点之间传送测量电流；和
与测量电流相关地确定梁结构的电阻。
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