专利名称：具有双振荡器的振荡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有双振荡器的振荡电路。
背景技术：
从简单的腕表到更高级的计算机服务器的无数现代电子设备都依赖于一个或多个时钟和振荡器信号的产生。为了满足各种应用的需求，所产生的信号必须是准确和稳定的。另外，所产生的信号的工作频率绝不能随温度改变而极大偏离设计频率。
实质上，所有蜂窝电话、计算机、微波炉和各种其他电子产品都使用石英晶振来产生预选频率的参考信号，该频率一般在20MHz左右。这种振荡器被称作晶体控制的振荡器。这些产品中的门是利用参考信号在预选的频率处“计时”或开关的。任意或全部“时间参考”都是从这种石英谐振器振荡器产生的。在蜂窝电话、膝上计算机和其他便携式设备中，石英谐振器电路太大。一般而言，在产品的整个工作温度范围上，振荡器需要具有大约+/-2ppm频率漂移。为了实现这个级别的频率控制，通常将石英谐振器封装在密封陶瓷封装中，该封装具有绕周界弓形焊接的金属盖。这样的封装相对昂贵。一个示例是Kyocera TCXO零件号码KT21。该产品设置在3.2×2.5×1mm3的陶瓷封装中，在从-30℃到85℃具有+/-2ppm的精度，并且引出2mA的电流。由于这种晶体的谐振频率为20MHz，所以来自利用这种产品的振荡器的信号必须被其他功耗电子器件向上乘。此外，所产生的谐波一般相对于基频仅被抑制约5dB。
也可以利用其他类型的谐振器来构造振荡器，例如，标准的L-C(电感器-电容器)谐振器、薄膜体声波谐振器(FBARS)等。尽管这些谐振器比晶体谐振器廉价，但是对于上述应用，它们的频率漂移特性一般都不可接受。
本申请的主题涉及以下美国专利的主题(1)1996年12月24日授权的Ruby等的题为“Tunable Thin Film Acoustic Resonators and Method forMaking the Same”的美国专利No.5,587,620，该专利被转让给了AgilentTechnologies，Inc.，(2)1999年2月23日授权的Ruby等的题为“Methodof Making Tunable Thin Film Acoustic Resonators”的美国专利No.5,873,153，该专利也被转让给了Agilent Technologies，Inc.，和(3)2000年5月9日授权的Ruby等的题为“SBAR Structures and Method ofFabrication of SBAR.FBAR Film Processing Techniques for the Manufacturingof SBAR/BAR Filters”的美国专利No.6,060,818，该专利被转让给了Agilent Technologies，Inc.。这些专利描述了用于制作可调薄膜声波谐振器的基本技术，这些技术包括下述代表性实施例的组件。因此，上述美国专利中的每个都通过引用整体结合于此。
发明内容
在代表性实施例中公开了一种振荡电路。该振荡电路包括第一振荡器、第二振荡器和混频器电路。第一振荡器配置为产生第一频率的第一振荡信号并且具有第一频率温度系数。第二振荡器配置为产生第二频率的第二振荡信号并且具有第二频率温度系数。第二频率比第一频率高，并且第二频率温度系数比第一频率温度系数小。混频器电路配置为接收来自第一振荡器的第一振荡信号，接收来自第二振荡器的第二振荡信号，并且还配置为从第一振荡信号和第二振荡信号产生混频器信号。该混频器信号包括频率为拍频的信号分量。拍频等于第二频率和第一频率之间的差。
在另一个代表性实施例中，公开了一种用于制造振荡电路的方法。该方法包括制造配置为产生第一频率的第一振荡信号并且具有第一频率温度系数的第一振荡器；制造配置为产生第二频率的第二振荡信号并且具有第二频率温度系数的第二振荡器；以及将第一和第二振荡器的输出连接到一起。第二频率比第一频率高；第二频率温度系数比第一频率温度系数小；并且第二频率和第二频率温度系数的乘积与第一频率和第一频率温度系数的乘积之间的差等于零。
结合附图，从下面的详细描述这里给出的代表性实施例的其他方面和优点将变清楚。
附图提供了可视表示，将被用来更全面地描述各种代表性实施例，并且可由本领域技术人员用来更好地理解它们及其内在优点。在这些附图中，相似的标号标识相应的元件。
图1是根据各种代表性实施例描述的振荡电路的框图。
图2A是图1中的混频器的输出对混频器信号的分量的频率的图。
图2B是图1中的滤波器的传递函数对频率的图。
图2C是图1中的第一和第二谐振电路的频率温度系数的图。
图2D是薄膜体声波谐振器(FBAR)的等效电路的图。
图3A是在各种代表性实施例中描述的谐振器的结构的图。
图3B是在各种代表性实施例中描述的另一种谐振器的结构的图。
图3C是在各种代表性实施例中描述的又一种谐振器的结构的图。
图3D是在各种代表性实施例中描述的再一种谐振器的结构的图。
图4是用于制造图3A和图3B的谐振器结构的方法的流程图。
图5A是电路频率温度系数对从图3A的谐振器结构的顶部晶片压电层移除的厚度的图。
图5B是拍频对从图3A的谐振器结构的顶部晶片压电层移除的厚度的图。
图6A是电路频率温度系数对从图3A的谐振器结构的第一谐振器移除的质量负荷(mass loading)的图。
图6B是拍频对从图3A的谐振器结构的第一谐振器移除的质量负荷的图。
图7是用于制造图3C的谐振器结构的方法的流程图。
图8是用于制造图3D的谐振器结构的方法的流程图。
图9是用于制造图1的振荡电路的零件的方法的流程图。
具体实施例方式
如用于说明的图所示，示出了新颖的谐振器，这些谐振器的谐振频率和频率漂移特性可以被适当地调整，从而产生具有非常小的频率随温度漂移特性的振荡电路。可以使用集成电路技术来制造适当配对的谐振器，这在成本和尺寸上都优于过去使用的用于获得可比的频率漂移特性的石英晶体。过去，石英晶体被小心地切割并调谐从而使频率随温度漂移较小。
在代表性实施例中，两个以不同的速率随温度漂移的谐振器被用在振荡器电路中来产生“拍”频，在蜂窝电话、便携式计算机和其他可比的设备的整个温度范围标准上，其净温度漂移如果不为零的话也非常小。谐振器可以制造为薄膜体声波谐振器(FBARS)，并且与其他集成电路组合，从而获得约为0.2毫米(mm)厚并且面积小于1×1mm2的硅芯片。另外，输出信号可以处于比石英谐振器的频率高得多的频率处，并且相对独立于副振荡模(spurious mode)。因此，在产生所需的“清洁”高频声调时消耗较少的功率。
在下面的详细描述和附图中的若干图中，类似的元件用相似的标号标识。
图1是在各种代表性实施例中描述的振荡电路100的框图。在图1中，振荡电路100包括第一振荡器110、第二振荡器120、混频器电路130和滤波器140。第一振荡器110包括第一谐振器111和第一放大器112。第二振荡器120包括第二谐振器121和第二放大器122。
第一放大器112的输出经由第一谐振器111被反馈回第一放大器112的输入，这致使第一振荡器110产生第一频率f01的第一振荡信号115，其中第一频率f01为第一谐振器111的谐振频率。
第二放大器122的输出经由第二谐振器121被反馈回第二放大器122的输入，这致使第二振荡器120产生第二频率f02的第二振荡信号125，其中第二频率f02为第二谐振器121的谐振频率。
在图1的代表性实施例中，第二频率f02比第一频率f01大。图1示出的第一和第二振荡器110、120的细节仅用于说明目的。可以与第一和第二谐振器111、121一起使用振荡器电路的各种配置。
混频器电路130接收来自第一振荡器110的第一频率f01的第一振荡信号115，并且还接收来自第二振荡器120的第二频率f02的第二振荡信号125。第一振荡信号115和第二振荡信号125被混频器电路130混频，从而产生混频信号135。混频信号135包括信号分量136(参见图2A)和其他信号分量137(参见图2A)，信号分量136的频率为拍频fB，而拍频fB等于第二频率f02减去第一频率f01，信号分量137的频率为和频(sumfrequency)fS，和频fS等于第一频率f01和第二频率f02的和。
滤波器140接收来自混频器电路130的混频信号135，使混频信号135中频率为拍频fB的信号分量136通过，并且抑制混频信号135中频率为和频fS的其他信号分量137，从而产生作为输出的滤波器信号145，这里也称作输出信号145。因此，滤波器信号145主要包括根据滤波器140的传递函数转换的频率为拍频fB的信号。一般而言，滤波器信号145中频率为和频fS的任何分量都将根据滤波器140的传递函数被极大地减小。
图2A是混频器输出235对图1中的混频信号135的分量的频率的图。混频器输出235就是混频信号135，如上所述，其包括频率为拍频fB的信号分量136和频率为和频fS的其他信号分量137。在图2A中示出了信号分量136和其他信号分量137二者。信号分量136在拍频fB＝(f02-f01)处绘出，其他信号分量137在和频fS＝(f02+f01)处绘出。同样在图2A中，第一频率f01和第二频率f02在相对位置处示出。
图2B是传递函数250对图1的滤波器140的频率的图。在图2B的代表性实施例中，滤波器140是低通滤波器140。但是，可以使用各种滤波器140配置，只要滤波器140的传递函数250传递混频信号135中频率为拍频fB的信号分量136，并且抑制其他重要分量例如混频信号135中频率为和频fS的其他信号分量137。如这里所述和前述，在滤波器140的输出处的滤波器信号145主要包括根据滤波器140的传递函数250转换的频率为拍频fB的信号。一般而言，滤波器信号145中频率为和频fS的任何分量都将根据滤波器140的传递函数250被极大地减小。
图2C是图1中的第一和第二谐振器111、121的频率温度系数TC的图。在参考频率fR处谐振电路的频率温度系数TC的值由TC＝(1/fR)(ΔfR/Δt)给出，其中ΔfR是由温度改变Δt导致的在fR处的频率漂移。频率温度系数TC的值一般表示为每摄氏度百万分之几(ppm/℃)。假定在给定的振荡器中不存在其他显著的频率依赖分量，则该振荡器的温度系数的值将与其谐振电路的温度系数的值相同。第一谐振器111具有第一频率温度系数TC1，并且第二谐振器121具有第二频率温度系数TC2。注意，第二频率温度系数TC2的值小于第一频率温度系数TC1的值。
振荡电路100的拍频fB具有电路频率温度系数TCC，其等于第二频率f02与第二频率温度系数TC2的乘积减去第一频率f01与第一频率温度系数TC1的乘积(即TCC＝[f02×TC2]-[f01×TC1])。从而，可以对第一频率f01、第一频率温度系数TC1、第二频率f02和第二频率温度系数TC2进行挑选来适当地满足特定应用的需求。对这些参数进行仔细调整可以使电路频率温度系数TCC能与使用石英晶体可获得的相比或者比使用石英晶体可获得的更好。实际上，通过仔细地挑选并调整这些参数，可以获得零电路频率温度系数TCC。
图2D是薄膜体声波谐振器(FBAR)的等效电路260的图。由于薄膜体声波谐振器的制造技术与集成电路的制造技术兼容，该技术与其他技术相比，在成本、可靠性和尺寸方面相对有优势，所以薄膜体声波谐振器可以用在这里的各种代表性实施例中。图2D是薄膜体声波谐振器的修改后的Butterworth-Van Dyke模型。从该等效电路260可见，薄膜体声波谐振器具有两个谐振频率。第一谐振频率称作串联谐振频率fSER，该频率从电感器LM和电容器CM的串联组合产生。第二谐振频率称作并联谐振频率fPAR，该频率从旁路电容器CP和上述电感器LM、电容器CM的串联组合的并联组合产生。并联谐振频率fPAR也被称作抗谐振频率fPAR。电阻器RSERIES和旁路电阻器RSHUNT代表该结构中的非理想的电阻性组件。通过适当地挑选滤波器140，在确定所产生的输出信号145的频率时，可以选择并联谐振频率fPAR或串联谐振频率fSER。在上述实现方式中和在给定的实现方式中，第一频率f01可以是第一谐振器111的并联谐振频率fPAR或串联谐振频率fSER，并且第二频率f02可以是第二谐振器121的并联谐振频率fPAR或串联谐振频率fSER。本领域技术人员将认识到，用于两个薄膜体声波谐振器的混频器电路130的输出是频率在八个不同的频率处的信号的组合，而不是图2A中指示的两个。这八个频率如下(1)fPAR-1+/-fPAR-2，(2)fPAR-1+/-fSER-2，(3)fsER-1+/-fPAR-2，和(4)fSER-1+/-fSER-2。因此，在任何给定的应用中，滤波器140将需要滤除不想要的七个频率来实现所需的水平。由于对于任何给定的谐振器，并联谐振频率fPAR小于串联谐振频率fSER，所以适当设计的低通滤波器140可以仅传递频率(fPAR-1-fPAR-2)。
图3A是在各种代表性实施例中描述的谐振器结构300的图。在图3A中，谐振器对300包括第一和第二谐振器111、121，第一和第二谐振器111和121在侧视图中示出，并且是利用集成电路工艺兼容过程制造的。在本示例中，谐振器111、121是薄膜体声波谐振器(FBAR)。谐振器111、121制作在衬底305上，衬底305例如可以是硅305或其他合适的材料，并且谐振器111、121分别制造在第一腔311和第二腔312上方，这是因为它们是利用机械波的声波谐振器。这些腔将谐振器111、121的振动部件与衬底305隔离开，以便减小否则可能会在衬底305中散失的振荡能量。第一和第二腔311、312制作在衬底305的上表面306上。
第一谐振器111制造在第一腔311的上方并且跨过第一腔311。第一谐振器111包括第一底电极321、第一顶电极331和夹在第一底电极321与第一顶电极331之间的第一压电结构341。第一压电结构341包括在第一底电极321上的第一底压电层351、在第一底压电层351上的间隙层361、以及在间隙层361上的第一顶压电层371。在第一顶压电层371上是第一顶电极331。在图3A中还示出了在第一顶电极331上的惯性负载(mass load)层381。
第二谐振器121制造在第二腔312的上方并且跨过第二腔312。第二谐振器121包括第二底电极322、第二顶电极332和夹在第二底电极322与第二顶电极332之间的第二压电结构342。第二压电结构342包括在第二底电极322上的第二底压电层352和在第二底压电层352上的第二顶压电层372。在第二顶压电层372上是第二顶电极332。
压电层351、352、371和372可以利用氮化铝(AlN)或任何合适的压电材料制造。在氮化铝的情形中，压电层351、352、371和372可以适当的工艺步骤通过气相沉积制造。电极321、322、331和332可以是例如钼或任何其他合适的导体。理想情况下，间隙层361的刚度系数随温度的变化比压电层351、352、371和372的大。在这种情形中，间隙层361的刚度系数随温度的变化较大导致第一频率温度系数TC1比第二频率温度系数TC2大。由于钼的刚度系数随温度的变化比氮化铝的刚度系数随温度的变化大，所以钼可以用于间隙层361。
由于惯性负载层381和包括间隙层361的厚度、各个压电层351、352、371和372的相对厚度等在内的其他设计考虑，所以第一谐振器111可以被制造为具有比第二谐振器121的第二谐振频率f02(即，第二频率)低的第一谐振频率f01(即，第一频率)。一般而言，惯性负载层381的重量越大，谐振器的谐振频率越低。另外，压电层越厚，谐振器的谐振频率越低。
一般而言，增加惯性负载层381的重量不会明显改变频率温度系数，因为惯性负载层381主要是充当“死重量”，不会随温度改变而改变。然而，添加更多质量负荷降低了第一谐振频率f01，这在给定的应用中可能是所期望的也可能不是所期望的。质量负荷越大，拍频fB将越高。
图3B是在各个代表性实施例中描述的另一谐振器结构390的图。在图3B中，谐振器对390包括第一和第二谐振器111、121，第一和第二谐振器111和121在侧视图中示出，并且是利用如图3A的集成电路工艺兼容过程制造的。在本示例中，谐振器111、121是薄膜体声波谐振器(FBAR)。谐振器111、121制作在衬底305上，衬底305例如可以是硅305或其他合适的材料。在图3B中，与图3A相反，谐振器111、121制造在单个腔313上方，在这里也称作腔313。单个腔313制作在衬底305的上表面306上。单个腔313将谐振器111、121的振动部件与衬底305隔离开，以便与图3A一样减小在衬底305中散失的振荡能量。但是，图3B的结构可以导致两个谐振器111和121之间有比利用图3A的结构可获得的振动耦合更多的振动耦合。
第一谐振器111制造在单个腔313的上方。第一谐振器111包括第一底电极321、第一顶电极331和夹在第一底电极321与第一顶电极331之间的第一压电结构341。第一压电结构341包括在第一底电极321上的第一底压电层351、在第一底压电层351上的间隙层361、以及在间隙层361上的第一顶压电层371。在第一顶压电层371上是第一顶电极331。在图3B中还示出了在第一顶电极331上的惯性负载层381。
第二谐振器121也制造在单个腔313上。第二谐振器121包括与第一谐振器111公共的第一底电极321、第二顶电极332和夹在第一底电极321与第二顶电极332之间的第二压电结构342。第二压电结构342包括在第一底电极321上的第二底压电层352和在第二底压电层352上的第二顶压电层372。在第二顶压电层372上是第二顶电极332。为了构造，图3B还示出了底连接压电层353和顶连接压电层373。
如图3A一样，压电层351、352、371和372可以利用氮化铝(AlN)或任何合适的压电材料制造。在氮化铝的情形中，压电层351、352、371和372可以适当的工艺步骤通过气相沉积制造。电极321、322、331和332可以是例如钼或任何其他合适的导体。理想情况下，间隙层361的刚度系数随温度的变化比压电层351、352、371和372的大。在这种情形中，间隙层361的较大的刚度系数随温度的变化导致第一频率温度系数TC1比第二频率温度系数TC2大。由于钼的刚度系数随温度的变化比氮化铝的刚度系数随温度的变化大，所以钼可以用于间隙层361。
由于惯性负载层381和包括间隙层361的厚度、各个压电层351、352、371和372的相对厚度等在内的其他设计考虑，所以第一谐振器111可以被制造为具有比第二谐振器121的第二谐振频率f02(即，第二频率)低的第一谐振频率f01(即，第一频率)。
图3C是在各个代表性实施例中描述的又一谐振器结构300的图。在图3C的替换实施例中，相对于图3A和图3B的谐振器结构300和390，省略了第一谐振器111的间隙层361。在图3C中，谐振器对300包括第一和第二谐振器111、121，第一和第二谐振器111和121在侧视图中示出，并且是利用集成电路工艺兼容过程制造的。在本示例中，谐振器111、121是薄膜体声波谐振器(FBAR)。谐振器111、121制作在衬底305上，衬底305例如可以是硅305或其他合适的材料，并且谐振器111、121分别制造在第一腔311和第二腔312上方，这是因为它们是利用机械波的声波谐振器。这些腔将谐振器111、121的振动部件与衬底305隔离开，以便减小否则可能会在衬底305中散失的振荡能量。第一和第二腔311、312制作在衬底305的上表面306上。
第一谐振器111制造在第一腔311的上方并且跨过第一腔311。第一谐振器111包括第一底电极321、第一压电层351(第一底压电层351)、第一顶电极331和惯性负载层381。第一压电层351位于第一底电极321上；第一顶电极331位于第一压电层351上；并且惯性负载层381位于第一顶电极331上。
第二谐振器121制造在第二腔312的上方并且跨过第二腔312。第二谐振器121包括第二底电极322、第二压电层352(第二底压电层352)和第二顶电极332。第二压电层352位于第二底电极322上；并且第二顶电极332位于第二压电层352上。
压电层351和352可以利用氮化铝(AlN)或任何合适的压电材料制造。在氮化铝的情形中，压电层351和352可以适当的工艺步骤通过气相沉积制造。电极321、322、331和332可以是例如钼或任何其他合适的导体。
优选地，在图3C的实施例中，惯性负载层381是随温度变化经受较大的刚度变化的材料，具体而言，比第二顶电极332的变化大。惯性负载层381可以是氧化物。此外，惯性负载层381可以是有机材料，所述有机材料可以是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PY(有机材料的聚酰亚胺族的成员)、BCB(苯并环丁烯)、或者其他合适的材料。惯性负载层381也可以是树脂。这种树脂可以是低k电介质树脂。低k材料一般具有小于等于3.5的介电常数。合适的低k电介质树脂的一个示例是Dow Chemical的SiLK材料。SiLK是一种随温度变软的有机材料。这样，惯性负载层381的较大的刚度系数随温度的变化导致第一频率温度系数TC1比第二频率温度系数TC2大。在惯性负载层381上也可以涂覆额外的保护层。
由于惯性负载层381，所以第一谐振器111可以被制造为具有比第二谐振器121的第二谐振频率f02(即，第二频率)低的第一谐振频率f01(即，第一频率)。一般而言，惯性负载层381的重量越大，谐振器的谐振频率越低。另外，压电层越厚，谐振器的谐振频率越低。
对于这种惯性负载层381的材料与第一和第二顶电极331和332的材料不同的代表性实施例，由于惯性负载层381的刚度随温度改变而改变，所以惯性负载层381的厚度和材料可以明显地改变频率温度系数。质量负荷越大，拍频fB将越高。
在代表性实施例中，第一和第二谐振器111和121也可以与图3B类似构造在单个腔313上。
图3D是在各个代表性实施例中描述的再一个谐振器结构300的图。和图3C中一样，在图3D的替换实施例中，相对于图3A和图3B的谐振器结构300和390，省略了第一谐振器111的间隙层361。在图3D中，谐振器对300包括第一和第二谐振器111、121，第一和第二谐振器111和121在侧视图中示出，并且是利用集成电路工艺兼容过程制造的。在本示例中，谐振器111、121是薄膜体声波谐振器(FBAR)。谐振器111、121制作在衬底305上，衬底305例如可以是硅305或其他合适的材料，并且谐振器111、121分别制造在第一腔311和第二腔312上方，这是因为它们是利用机械波的声波谐振器。这些腔将谐振器111、121的振动部件与衬底305隔离开，以便减小否则可能会在衬底305中散失的振荡能量。第一和第二腔311、312制作在衬底305的上表面306上。
第一谐振器111制造在第一腔311的上方并且跨过第一腔311。第一谐振器111包括底惯性负载层382、第一底电极321、第一压电层351(第一底压电层351)、第一顶电极331和可选惯性负载层381。第一底电极321位于底惯性负载层382上；第一压电层351位于第一底电极321上；第一顶电极331位于第一压电层351上；并且可选惯性负载层381位于第一顶电极331上。
优选地，在图3D的实施例中，底惯性负载层382是随温度变化经受较大的刚度变化的材料，具体而言，比第二底电极322的变化大。底惯性负载层382可以是氧化物。此外，底惯性负载层382可以是有机材料，所述有机材料可以是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PY(有机材料的聚酰亚胺族的成员)、BCB(苯并环丁烯)、或者其他合适的材料。底惯性负载层382也可以是树脂。这种树脂可以是低k电介质树脂。低k材料一般具有小于等于3.5的介电常数。合适的低k电介质树脂的一个示例是DowChemical的SiLK材料。SiLK是一种随温度变软的有机材料。这样，底惯性负载层382的较大的刚度系数随温度的变化导致第一频率温度系数TC1比第二频率温度系数TC2大。
第二谐振器121制造在第二腔312的上方并且跨过第二腔312。第二谐振器121包括第二底电极322、第二压电层352(第二底压电层352)和第二顶电极332。第二压电层352位于第二底电极322上；并且第二顶电极332位于第二压电层352上。
压电层351和352可以利用氮化铝(AlN)或任何合适的压电材料制造。在氮化铝的情形中，压电层351和352可以适当的工艺步骤通过气相沉积制造。电极321、322、331和332可以是例如钼或任何其他合适的导体。惯性负载层381可以是例如钼或任何其他合适的材料。
由于底惯性负载层382，所以第一谐振器111可以被制造为具有比第二谐振器121的第二谐振频率f02(即，第二频率)低的第一谐振频率f01。(即，第一频率)。一般而言，底惯性负载层382的重量和惯性负载层381的重量越大，谐振器的谐振频率越低。另外，压电层越厚，谐振器的谐振频率越低。
对于这种底惯性负载层382的材料与第二底电极322的材料不同的代表性实施例，由于底惯性负载层382的刚度随温度改变而改变，所以底惯性负载层382的厚度和材料可以明显改变频率温度系数。质量负荷越大，拍频fB将越高。
在代表性实施例中，第一和第二谐振器111和121也可以与图3B类似构造在单个腔313上方。
图4是用于制造图3A和图3B的谐振器结构300和390的方法400的流程图。在框410中，对于图3A的谐振器300，腔311和321被蚀刻到衬底305中。但是，对于图3B的另一种谐振结构390，仅单个腔313被蚀刻到衬底305中。框410然后将控制传递到框420。
在框420中，对于图3A的谐振器结构300，用牺牲材料(sacrificialmaterial)填充腔311和312。对于图3B的另一种谐振器结构390，用牺牲材料填充单个腔313。牺牲材料稍后可以被移除，并且可以是磷化硅玻璃材料。框420然后将控制传递到框430。
在框430中，对于图3A的谐振器结构300，制造第一和第二底电极321和322。对于图3B的另一种谐振器结构390，制造第一底电极321。可以利用公知的技术制造(在图3A的情形中)第一和第二底电极321和322或者(在图3B的情形中)第一底电极321，所述技术例如是金属沉积和光刻。作为示例，可以在晶片上沉积一层钼，然后在晶片上旋涂光刻胶，光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻。框430然后将控制传递到框440。
在框440中，对于图3A的谐振器结构300，底压电层351、352(它们可能是同时沉积的相同的层，在这里在形成图案之前总地称作底晶片压电层350)被沉积到底电极321和322上。对于图3B的另一种谐振器结构390，底压电层351和352被沉积在第一底电极321上。同样，公知的光刻步骤被用来限定并产生第一和第二底压电层351和352。作为示例，可以在晶片上沉积一层氮化铝，然后在晶片上旋涂光刻胶，光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对氮化铝进行蚀刻。框440然后将控制传递到框450。
在框450中，间隙层361被添加到第一谐振器111的第一底压电层351上。间隙层361可以利用公知的技术制造，例如金属沉积和光刻。作为示例，可以在晶片上沉积一层钼，然后在衬底305上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻。框450然后将控制传递到框460。
在框460中，顶压电层371和372(它们可能是同时沉积的相同的层，在这里在形成图案之前总地称作顶晶片压电层370)被沉积到第一谐振器111中的间隙层361上和第二谐振器121中的第二底压电层352上。同样，公知的光刻步骤被用来限定并产生第一和第二顶压电层371和372。作为示例，可以在晶片上沉积一层氮化铝，然后在晶片上旋涂光刻胶，光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对氮化铝进行蚀刻。框460然后将控制传递到框470。
在框470中，制造第一和第二顶电极331和332。第一和第二顶电极371和372可以利用公知的技术制造，例如金属沉积和光刻。作为示例，可以在顶压电层371和372上沉积一层钼，然后在沉积的钼上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻来产生第一和第二顶电极331和332。框470然后将控制传递到框480。
在框480中，惯性负载层381被添加到第一谐振器111的第一顶电极331上。惯性负载层381可以利用公知的技术制造，例如金属沉积和光刻。作为示例，可以在晶片上沉积一层钼或其他材料，然后在晶片上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻来留下第一顶电极331上的惯性负载层381。框480然后将控制传递到框485。
在框485中，第一顶电极331的部分厚度和第二顶电极332的部分厚度被移除，或者第二顶电极332的部分厚度和惯性负载层381的部分厚度被移除。如果合适的话，框485的动作可以在框480的动作之前发生。框485然后将控制传递到框490。
在框490中，在维持第二压电层352的厚度的同时移除第一压电层351的部分厚度，在维持第一压电层351的厚度的同时移除第二压电层352的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除第一顶电极331的部分厚度，在维持第一顶电极331的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除惯性负载层381的部分厚度，或者在维持惯性负载层381的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度。合适的话框490的动作可以在框470的动作之前发生，或者在框480的动作之前发生。框490然后将控制传递到框495。
在框495中，对于图3A的谐振器结构300，先前堆放在腔311和312中的牺牲材料被移除。对于图3B的另一种谐振器结构390，先前堆放在单个腔313中的牺牲材料被移除。牺牲材料可以是玻璃，合适的话可以用氢氟酸来从腔311和312或者单个腔313中蚀刻它。框495然后终止过程。
作为示例，第一振荡器110可以使用第一谐振器111来产生2.3GHz的第一频率f01的第一振荡信号115，并且第二振荡器120可以使用第二谐振器121来产生2.0GHz的第二频率f02的第二振荡信号125。从而拍频fB为300MHz。
本领域技术人员将意识到，在其他代表性实施例中，可以对上述过程作出各种改变来实现与前述类似的结构。具体而言，上述过程可以被修改以使仅图3A的第一谐振器111被制造在衬底305上。在这种情形中，第一频率f01和频率温度系数TC二者都可以利用上述教导修改。如果间隙层361的刚度系数随温度的变化比第一底压电层351和第一顶压电层371的小，则第一频率温度系数TC1将比不存在间隙层361时的小。但不论如何，通过调节间隙层361的参数，都可以调节第一频率温度系数TC1。此外，通过在离子研磨步骤中包括额外的光刻步骤，第一和第二频率f01、f02之一或者二者可以被修改。另外，通过适当地移除某些步骤，例如(1)框450(添加间隙层)和(2)框460(添加顶压电层)中的步骤，可以构造图3C的代表性实施例。
图5A是电路频率温度系数TCC对从图3A-3B的谐振器结构300和390的顶谐振器层395移除的厚度的图。惯性负载层381和第二顶电极332在这里总地称作顶谐振器层395，在附图中不专门标出。图5B是拍频fB对从图3A的谐振器结构300和图3B的另一谐振器结构390的顶谐振器层395移除的厚度的图。在图5A和图5B中，顶谐振器层395的材料是利用毯状(blanket)移除过程从整个晶片移除的，该过程可以是离子研磨，移除等量的惯性负载层381和第二顶电极332。毯状离子研磨调节第一和第二谐振器111和121的第一和第二谐振频率f01和f02、以及第一和第二谐振器111和121的第一和第二频率温度系数TC1和TC2。这样，毯状离子研磨对振荡电路100产生的拍频fB和拍频fB的最终温度漂移(电路频率温度系数TCC)二者进行了调节。从而，毯状离子研磨可以用来使振荡电路100的拍频fB或拍频fB的最终温度漂移(电路频率温度系数TCC)之一对准目标，而不是二者都对准目标。也可以在添加惯性负载层381之前对第一和第二顶电极331和332执行毯状离子研磨。
图6A是电路频率温度系数TCC对从图3A和图3B的谐振器结构300和390的惯性负载层381移除的厚度的图。图6B是拍频fB对从图3A和图3B的谐振器结构300和390的惯性负载层381移除的厚度的图。在图6A和图6B中，厚度移除过程称作差别离子研磨过程，该过程从惯性负载层381移除材料，但是也可以用来从第二顶电极332移除材料。因此，差别离子研磨可以分别调节第一或第二谐振器111和121的第一或第二谐振频率f01、f02，以及第一或第二谐振器111和121的第一或第二频率温度系数TC1、TC2。这样，差别离子研磨调节了振荡电路100所产生的拍频fB和拍频fB的最终频率漂移(电路频率温度系数TCC)二者。因此，差别离子研磨可用来使振荡电路100的拍频fB或拍频fB的最终温度漂移(电路频率温度系数TCC)之一对准目标，而不是二者。差别离子研磨过程也可以用来在维持第二压电层352的厚度的同时移除第一压电层351的部分厚度，在维持第一压电层351的厚度的同时移除第二压电层352的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除第一顶电极331的部分厚度，在维持第一顶电极331的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除惯性负载层381的部分厚度，或者在维持惯性负载层381的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度。
从图6A和图6B可知，可以在利用毯状离子研磨过程对准目标之前或之后，执行差别离子研磨来使最终拍频fB或最终电路频率温度系数TCC对准目标。这样，通过组合这两个过程(毯状离子研磨和差别离子研磨)，可以使期望的拍频fB和电路频率温度系数TCC(即，拍频fB的频率温度系数)二者都对准目标。
在代表性实施例中，可以利用在第一压电结构341的中央的500A的钼产生电路频率温度系数TCC为约0ppm/℃的165MHz处的拍频fB。谐振器结构300的代表值如下(1)第一底电极321、第二底电极322、第一顶电极331和第二顶电极332每个为1,500埃的钼，(2)第一底压电层351、第二底压电层352、第一顶压电层371和第二顶压电层372每个为1.1微米的氮化铝，以及(3)间隙层361和惯性负载层381每个为1,000埃的钼。
图7是用于制造图3C的谐振器结构300的方法700的流程图。利用适当的修改，该过程也可以用来产生如图3C的结构和图3B所示的仅单个腔313的结构。在框710中，腔311和312或者单个腔313被蚀刻到衬底305中。框710然后将控制传递到框720。
在框720中，腔311和312或者单个腔313填充有牺牲材料。牺牲材料稍后可以移除，并且可以是磷化硅玻璃材料。框720然后将控制传递到框730。
在框730中，第一和第二底电极321和322被制造，或者组合的第一底电极321被制造。第一和第二底电极321和322或者第一底电极321可以利用公知的技术制造，例如金属沉积和光刻。作为示例，可以在晶片上沉积一层钼，然后在晶片上旋涂光刻胶，光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻。框730然后将控制传递到框740。
在框740中，第一和第二底压电层351、352(它们可能是同时沉积的相同的层，在这里在形成图案之前总地称作底晶片压电层350)被沉积到第一和第二电极321和322上，或者组合的底电极321上。同样，公知的光刻步骤被用来限定并产生第一和第二压电层351和352。作为示例，可以在晶片上沉积一层氮化铝，然后在晶片上旋涂光刻胶，光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对氮化铝进行蚀刻。框740然后将控制传递到框770。
在框770中，制造第一和第二顶电极331和332。第一和第二顶电极331和332可以利用公知的技术制造，例如金属沉积和光刻。作为示例，可以在第一和第二压电层351和352上沉积一层钼，然后在沉积的钼上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻来产生第一和第二顶电极331和332。框770然后将控制传递到框780。
在框780中，惯性负载层381被添加到第一谐振器111的第一顶电极331上。惯性负载层381可以利用公知的技术制造，例如沉积和光刻。在本实施例中惯性负载层381的刚度的温度系数与第二顶电极332的不同。如前所述，存在惯性负载层381的各种选项。惯性负载层381可以是有机材料或树脂。有机材料或树脂可以沉积在晶片上，然后在晶片上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对该材料进行蚀刻来留下第一顶电极331上的惯性负载层381。框780然后将控制传递到框785。
在框785中，第一顶电极331的部分厚度和第二顶电极332的部分厚度被移除，或者第二顶电极332的部分厚度和惯性负载层381的部分厚度被移除。如果合适的话，框785的动作可以在框780的动作之前发生。框785然后将控制传递到框790。
在框790中，在维持第二压电层352的厚度的同时移除第一压电层351的部分厚度，在维持第一压电层351的厚度的同时移除第二压电层352的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除第一顶电极331的部分厚度，在维持第一顶电极331的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除惯性负载层381的部分厚度，或者在维持惯性负载层381的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度。如果合适的话，框790的动作可以在框770的动作之前发生，或者在框780的动作之前发生，或者在框785的动作之前发生。框790然后将控制传递到框795。
在框795中，先前堆放在腔311和312中或者单个腔313中的牺牲材料被移除。牺牲材料可以是玻璃，合适的话可以用氢氟酸来从腔311和312或者单个腔313中蚀刻它。框795然后终止过程。
在上述方法的替换实施例中，惯性负载层381在添加第一和第二顶电极331和332的步骤之前被添加到第一谐振器111的第一压电层351上。换言之，框770和780的顺序被颠倒了。
图8是用于制造图3D的谐振器结构300的方法800的流程图。利用适当的修改，该过程也可以用来产生如图3D的结构和图3B所示的仅单个腔313的结构。在框810中，腔311和312或者单个腔313被蚀刻到衬底305中。框810然后将控制传递到框820。
在框820中，腔311和312或者单个腔313填充有牺牲材料。牺牲材料稍后可以移除，并且可以是磷化硅玻璃材料。框820然后将控制传递到框825。
在框825中，底惯性负载层382被制造。底惯性负载层382可以利用公知的技术制造，例如沉积和光刻。在本实施例中，底惯性负载层382的刚性的温度系数与第二底电极322的不同，或者在单个腔313的情形中与组合的底电极321的不同。如前所述，存在底惯性负载层382的各种选项。底惯性负载层382可以是有机材料或树脂。有机材料或树脂可以沉积在晶片上，然后在晶片上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对该材料进行蚀刻来留下第一顶电极331上的底惯性负载层382。框825然后将控制传递到框830。
在框830中，第一和第二底电极321和322被制造，或者组合的第一底电极321被制造。第一和第二底电极321和322或者第一底电极321可以利用公知的技术制造，例如金属沉积和光刻。作为示例，可以在晶片上沉积一层钼，然后在晶片上旋涂光刻胶，光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻。框830然后将控制传递到框840。
在框840中，第一和第二压电层351、352(它们可能是同时沉积的相同的层，在这里在形成图案之前总地称作底晶片压电层350)被沉积到第一和第二电极321和322上，或者组合的底电极321上。同样，公知的光刻步骤被用来限定并产生第一和第二压电层351和352。作为示例，可以在晶片上沉积一层氮化铝，然后在晶片上旋涂光刻胶，光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对氮化铝进行蚀刻。框840然后将控制传递到框870。
在框870中，制造第一和第二顶电极331和332。第一和第二顶电极331和332可以利用公知的技术制造，例如金属沉积和光刻。作为示例，可以在第一和第二压电层351和352上沉积一层钼，然后在沉积的钼上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻来产生第一和第二顶电极331和332。框870然后将控制传递到框880。
在框880中，惯性负载层381被添加到第一谐振器111的第一顶电极331上。惯性负载层381可以利用公知的技术制造，例如沉积和光刻。例如，可以在晶片上沉积钼，然后在晶片上旋涂光刻胶。光刻胶可以被曝光以在光刻胶上适当地形成图案，随后光刻胶可以被显影，从而可以对钼进行蚀刻来留下第一顶电极331上的惯性负载层381。框880然后将控制传递到框885。
在框885中，第一顶电极331的部分厚度和第二顶电极332的部分厚度被移除，或者第二顶电极332的部分厚度和惯性负载层381的部分厚度被移除。如果合适的话，框885的动作可以在框880的动作之前发生。框885然后将控制传递到框890。
在框890中，在维持第二压电层352的厚度的同时移除第一压电层351的部分厚度，在维持第一压电层351的厚度的同时移除第二压电层352的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除第一顶电极331的部分厚度，在维持第一顶电极331的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度，在维持第二顶电极332的厚度的同时移除惯性负载层381的部分厚度，或者在维持惯性负载层381的厚度的同时移除第二顶电极332的部分厚度。如果合适的话，框890的动作可以在框870的动作之前发生，或者在框880的动作之前发生，或者在框885的动作之前发生。框890然后将控制传递到框895。
在框895中，先前堆放在腔311和312中或者单个腔313中的牺牲材料被移除。牺牲材料可以是玻璃，合适的话可以用氢氟酸来从腔311和312或者单个腔313中蚀刻它。框895然后终止过程。
在上述方法的替换实施例中，底惯性负载层382在添加第一和第二顶电极331和332的步骤之后被添加到第一谐振器111的第一压电层351下。换言之，框825和830的顺序被颠倒了。
图9是用于制造图1的振荡电路100的零件的方法900的流程图。在框910中，配置为产生频率为第一频率f01的第一振荡信号115并且具有第一频率温度系数TC1的第一振荡器110被制造。框910然后将控制传递到框920。
在框920中，配置为产生频率为第二频率f02的第二振荡信号125并且具有第二频率温度系数TC2的第二振荡器120被制造，其中第二频率f02比第一频率f01大，第二频率温度系数TC2比第一频率温度系数TC1小，并且第二频率f02和第二频率温度系数TC2的乘积与第一频率f01和第一频率温度系数TC1的乘积之间的差等于零。框920然后将控制传递到框930。
在框930中，第一和第二振荡器110和120的输出被连接到一起。框930然后终止过程。
除了氮化铝之外，还有多种材料可用于第一底压电层351和第二底压电层352中的压电材料。另外，除了钼之外的材料也可以用于底电极321和322、间隙层361、顶电极331和332。另外，也可以使用各种其他结构。
在代表性实施例中，振荡器电路110和120利用成对的谐振器111和121，其谐振频率f01和f02，以及频率漂移特性TC1和TC2可以被适当地调节来得到具有非常小的频率随温度漂移特性(TC)的振荡电路100。可以利用集成电路技术制造适当的成对谐振器111和121，这在成本和尺寸上都优于过去使用的用于获得可比的频率漂移特性的石英晶体。另外，各个谐振器也可以被构造为具有对准目标的谐振频率和频率温度系数。
在代表性实施例中，两个以不同的速率随温度漂移的谐振器被用在振荡器电路110和120中来产生拍频fB，在蜂窝电话、便携式计算机和其他可比的设备的整个温度范围标准上，其净温度漂移TCC如果不为零的话也非常小。谐振器可以制造为薄膜体声波谐振器(FBARS)，并且与其他集成电路组合，从而获得约为0.2毫米(mm)厚并且面积小于1×1mm2的硅芯片。另外，输出信号可以与副振荡模相对独立，并且处于比石英谐振器的频率高得多的频率处。因此，在产生所需的“清洁”高频声调时消耗较少的功率。
在这里已通过示例而非限制详细地描述了代表性实施例。本领域技术人员应当理解，可以对所述实施例在形式和细节上作出改变，从而获得仍在所附权利要求书的范围内的等同实施例。
权利要求
1.一种振荡电路，包括第一振荡器，配置为产生第一频率的第一振荡信号并且具有第一频率温度系数；第二振荡器，配置为产生第二频率的第二振荡信号并且具有第二频率温度系数，其中所述第二频率比所述第一频率高，并且所述第二频率温度系数比所述第一频率温度系数小；以及混频器电路，配置为接收来自所述第一振荡器的第一振荡信号，接收来自所述第二振荡器的第二振荡信号，并且还配置为从所述第一振荡信号和所述第二振荡信号产生混频器信号，其中所述混频器信号包括频率为拍频的信号分量，并且所述拍频等于所述第二频率和所述第一频率之间的差。
2.如权利要求1所述的振荡电路，还包括滤波器，配置为接收来自所述混频器电路的混频器信号，传递拍频信号，抑制频率等于第二频率和第一频率的和的信号。
3.如权利要求1所述的振荡电路，其中，所述第一振荡器包括第一谐振器，所述第二振荡器包括第二谐振器，所述第一谐振器的谐振频率是所述第一频率，并且所述第二谐振器的谐振频率是所述第二频率。
4.如权利要求3所述的振荡电路，其中，所述第一和第二谐振器被制造在同一半导体衬底上。
5.如权利要求4所述的振荡电路，其中，所述第一和第二谐振器是从包括薄膜体声波谐振器和表面声波谐振器的群组中选择出的。
6.一种用于制造振荡电路的方法，包括制造第一振荡器，所述第一振荡器配置为产生第一频率的振荡信号并且具有第一频率温度系数；制造第二振荡器，所述第二振荡器配置为产生第二频率的振荡信号并且具有第二频率温度系数，其中所述第二频率比所述第一频率高，所述第二频率温度系数比所述第一频率温度系数小，并且所述第二频率和所述第二频率温度系数的乘积与所述第一频率和所述第一频率温度系数的乘积之间的差等于零；以及将所述第一和第二振荡器的输出连接到一起。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一振荡器包括第一谐振器，所述第二振荡器包括第二谐振器，所述第一谐振器的谐振频率是所述第一频率，并且所述第二谐振器的谐振频率是所述第二频率。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一和第二谐振器被制造在同一半导体衬底上。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一和第二谐振器是薄膜体声波谐振器。
全文摘要
本发明公开了一种振荡电路。该振荡电路包括第一振荡器、第二振荡器和混频器电路。第一振荡器配置为产生第一频率的第一振荡信号并且具有第一频率温度系数。第二振荡器配置为产生第二频率的第二振荡信号并且具有第二频率温度系数。第二频率比第一频率高，并且第二频率温度系数比第一频率温度系数小。混频器电路配置为接收来自第一振荡器的第一振荡信号和来自第二振荡器的第二振荡信号，并且从第一振荡信号和第二振荡信号产生混频器信号。该混频器信号包括频率为拍频的信号分量。拍频等于第二频率和第一频率之间的差。
文档编号H03H9/17GK1929293SQ200610152109
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月11日 优先权日2005年9月9日
发明者理查德·C·卢比 申请人:安捷伦科技有限公司