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【发明授权】温度补偿复合谐振器_芬兰国家技术研究中心股份公司_201580064158.8 

申请/专利权人:芬兰国家技术研究中心股份公司

申请日:2015-10-02

公开(公告)日:2020-11-20

公开(公告)号:CN107408933B

主分类号:H03H9/02(20060101)

分类号:H03H9/02(20060101)

优先权:["20141003 FI 20145870"]

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.11.20#授权;2017.12.22#实质审查的生效;2017.11.28#公开

摘要:本发明涉及微机电谐振器。具体地,本发明提供了一种谐振器,包括支撑结构、通过至少一个锚固件悬挂到所述支撑结构掺杂半导体谐振器,以及用于将谐振激发到谐振器中的驱动器。根据本发明,谐振器包括基部和从所述基部延伸的至少一个突起,所述谐振器可由所述驱动器激发成具有频率温度系数TCF特性的复合谐振模式,所述复合谐振模式得益于所述基部和所述至少一个突起。本发明使简单的谐振器成为可能,这非常有利于在宽温度范围内的温度补偿。

主权项:1.一种微机电谐振器装置,包括:支撑结构,掺杂半导体谐振器,将所述谐振器悬挂在所述支撑结构上的至少一个锚固件,用于将谐振激发到谐振器中的驱动器,其特征在于,谐振器包括基部和从所述基部延伸的至少一个突起,所述谐振器可由所述驱动器激发成具有频率温度系数特性的复合谐振模式,所述复合谐振模式得益于所述基部和所述至少一个突起,谐振器元件的基部为纵横比大于1,并具有沿半导体材料的[100]晶体方向在+-5°的范围内取向的主轴的矩形板,所述突起包括四个或更多个弯曲梁,所述四个或更多个弯曲梁对称地设置在所述基部的周围,并基本上沿所述半导体材料的[110]或[100]晶体方向在+-5°的范围内取向,或在半导体材料的[110]晶体横向方向在+-5°的范围内取向,或在相对于基部21的纵向主轴和从基部21的周边的角度为20°-70°范围内取向;或者,所述谐振器为具有方形基板33、35的Lamé模式谐振器,其中四个或更多弯曲梁以45度角在+-5°的范围内从方形基板33、35延伸。

全文数据:温度补偿复合谐振器技术领域[0001]本发明涉及微机电谐振器。具体地,本发明涉及调节谐振器的频率温度系数TCF〇背景技术[0002]广泛使用的基于石英晶体的谐振器可能被微机械取代,典型地,在许多应用中使用基于硅的谐振器。硅谐振器可以制造得小于石英谐振器,并且存在多种硅谐振器的标准制造方法。然而,基于硅的谐振器带来的问题是谐振频率的温度漂移较大。该漂移主要是由于硅的杨氏模量的温度依赖性,导致频率温度系数TCF约为-30ppmc。这导致谐振频率因环境温度的变化而波动。[0003]关于TCF,两种线性即1阶和2阶的行为在实践中都是重要的,因为第一阶表示温度变化的频率的局部变化理想地为零),二阶表示低漂移温度范围的宽度。如果一阶项为零,则频率漂移仅来自第二阶项,存在某个“拐点温度”,在该温度TCF达到其绝对最小值。与一阶系数TCFi线性TCF相对照,二阶TCF在这里也被表示为TCF^AT切割的石英晶体在25°C具有接近于零的较低的TCFjPTCF2,在-40°C...+85°C宽的温度范围内,它们的总频率漂移通常在±lOppm以内。目前,硅谐振器的温度性能相当差。[0004]消除或减轻温度漂移问题的一个有前景的方法是进行大量的硅的掺杂。例如在W02012110708中已经讨论了浓度大于1019cnf3的均匀n型掺杂对体声波BAW谐振器行为的影响。该文件讨论了“纯”cn-Cl2模式cn、c12和c44为硅的杨式模量的弹性系数的TCF:很好地保持在零以上,因此频率仍然非常依赖于温度。然而,其他BAW谐振模式,例如方形延伸SE或宽度延伸WE模式,对弹性系数C11、C12和C44具有这样的依赖性以致于可以通过正确选择它们在平面上的几何纵横比使线性TCF为零。另外被证实的是,在实践中可以实现ll*1019cm-3以上的n型掺杂浓度掺杂剂磷。[0005]如US8558643中所讨论的,另一种方法是形成具有不同掺杂浓度或晶体取向的叠加层的有效材料结构。该结构形成能够运载其TCF远小于未掺杂或均匀掺杂的相应硅元件的谐振模式的超晶格。这种结构也可以用于在一定程度上降低二阶TCF,从而实现在10TC范围内小于50ppm的温度漂移。[0006]上述文献还引用了利用硅掺杂的其他文献,并简要讨论了处理温度漂移问题的其他方法。[0007]提到一些重要因素,温度行为或谐振器不仅取决于掺杂浓度,还取决于其几何结构、晶体取向和在其中激发的谐振模式。此外,需要考虑的因素是谐振器的Q值,其中谐振器的锚固有重要作用,以及在实践中实现谐振器设计的能力。采用已知的谐振器设计,低TCF和高Q值可能是矛盾的设计目标,因为它们通常通过例如不同的几何布局来实现。[0008]目前,仅有少数实际可行的低TCF硅谐振器设计可用,W02012110708和US855部43中公开了一些这样的设计。然而,需要新的和改进的实际可行的设计,其考虑更好的控制TCF特性,同时实现高Q值。并且期望简单的制造工艺。发明内容[0009]本发明的目的是提供一种新的谐振器设计,其TCF特性可调节以满足特定需要。[0010]具体地,一个目的是提供一种谐振器设计,可以有效地进行温度补偿并且可以方便地设置拐点温度。另外一个目的是提供一种谐振器设计,通过该设计可以增加低漂移温度范围的宽度。[0011]本发明的具体目的是提供一种满足上述目的中的一个或全部,且仍具有高品质因素的谐振器。[0012]本发明基于以下观察:具有特定谐振模式的掺杂板谐振器的TCF特性可以设置为有突起,从而以期望的方式影响整个谐振器的TCF,例如使1阶TCF最小化,以及潜在地使2阶TCF和高阶项最小化。由板和突起形成的复合谐振器以复合模式谐振,从而允许TCF特性相比于那些平板谐振器能够发生这种变化。可以认为,复合模式是由板中的第一谐振和突起中的第二谐振形成的,所述第二谐振不同于第一谐振并且具有不同的TCF特性,然而板和突起之间存在联接。为了实现本发明的另外的目的,以下事实也很重要:板和延伸部可以设计为在谐振器的周边仍存在节点,该节点可以用作锚定点以保持谐振器高的Q值。[0013]因此,本发明提供了一种微机电谐振器,包括:支撑结构,通过至少一个锚固元件悬挂到该支撑结构上的掺杂半导体谐振器,以及用于将谐振激发到谐振器中的驱动器。根据本发明,谐振器包括基部和从基部的周边向外延伸的至少一个突起。谐振器可由驱动器激发成具有TCF特性的复合谐振模式,这种复合谐振模式是由参与复合谐振的基部和至少一个突起导致的。[0014]特别地,以这种方式形成的复合谐振器可激发成包括基部和突起中的不同种类的谐振的复合谐振模式,例如在基部中的BAW谐振和在突起中的弯曲谐振。[0015]特别地,基部和突起的TCF可以具有相反的符号,由此可以使用允许低损耗锚固的基部几何形状来最小化整个TCF。在该实施方式中,谐振器因此包括过度补偿的主体部分mainportion和欠补偿的突起,反之亦然。[0016]更具体地,本发明的特征被限定为独立权利要求中所述的内容。[0017]通过本发明的手段可实现相当多的优点。特别地,本发明能够通过使用精心选择的突起来调节硅谐振器的TCF特性,而不会损害谐振器的品质因素。[0018]本发明例如通过改变BAW模式谐振器,诸如WE、LE或拉梅Lam6模式谐振器的几何形状来解决TCF和品质因素问题,从而同时实现节点锚固和接近零的线性TCF。节点锚固,即在谐振模式的节点处将锚固元件定位到谐振器元件上。在节点上的锚固是高品质因素操作的先决条件。在实践中,对于典型的制造工艺,这意味着节点必须在谐振器的周边,使用本设计是可能的。[0019]关于本发明的实际应用,由于不需要主动温度补偿,谐振器可以用作极低功率基准振荡器。[0020]在实践中,经验证,本发明也可以使用n型掺杂浓度实现。与层叠在彼此之上的不同层具有不同的材料特性的超晶格结构相比,本发明的谐振器元件可以制造为单片单层元件,由此其制造是简便的。此外,所需的掺杂剂浓度小于实现超晶格所需的浓度。并且,由于谐振器固有地被设计成满足所需的频率稳定性水平,也可以避免谐振器周围的复杂的主动温度补偿电路。[0021]从属权利要求涉及选定的优选实施方式。[0022]尽管在基部和突起之间存在较强的声耦合,但是基部可以被认为包括具有第一TCF特性的第一谐振模式,并且突起包括不同于第一谐振模式并具有第二TCF特性的第二谐振模式。第二TCF特性通常不同于第一TCF特性,由此基部和突起元件的协同作用使得谐振器振荡的总体温度性能为复合模式。突起优选地从基部横向延伸。[0023]在一个优选实施方式中,第一谐振模式是体声波BAW模式,第二谐振模式是弯曲模式。[0024]在一个优选实施方式中,第一和第二谐振模式具有彼此不同的谐振频率。[0025]根据一个实施方式,基部包括纵横比大于1的矩形板。可以将WE模式或LE模式激发到该板上,在合适的边长下,在板的边上存在作为最佳锚固点的两个节点。[0026]根据一个实施方式,所述主体部分为WE模式谐振器,其具有一定纵横比,以使节点位于两纵向端部的中间。锚固元件在这些点处连接主体部分。进一步地,突起包括弯曲梁形的延伸部以调节谐振器的TCF。在这种设计中,弯曲延伸部具有足够级别的自由度水平边缘上的宽度,长度,位置),从而存在可以实现TCF期望的变化在预定的限度内),同时保留节点的解决方案。整个谐振器优选以至少2.3*1019Cnf3的掺杂水平进行掺杂。在这些掺杂水平下,TCFi为零是可以实现的。优选地,该设计也使TCF2在TCFi为零的相同点为零。[0027]根据替代的实施方式,所述主体部分为LE模式谐振器,其相对的纵向侧面上设有锚固点,突起也包括弯曲梁。该实施方式是有益的,因为在某些配置中,WE模式谐振器的TCFi在TCF2为零的掺杂水平下降得太低。因此,在TCFi=TCF2=0可以被满足的WE-SE分支上可能不存在几何结构对于所有纵横比,TCF10:1长梁至1:1方板之间。另一方面,如图3B所示,弯曲梁谐振器的TCF取决于其相对于硅晶格的取向。〇°的旋转对应于[100]方向,45°对应于[110]方向。如果梁形挤压力被施加到谐振器对称地)中,则可以预期复合谐振器的TCF发生变化。复合谐振器的TCF应该是组成部分的TCF的某种平均。特别地,如上述示例的那样,如果延伸与[110]方向一致,则TCF应该减少,而随着[100]方向一致的挤压,TCF应当增加。非常重要的是,以这种方式,可能在保持节点锚固的同时产生期望的TCF变化。[0082]作为设计的指导,优选地避免弯曲梁的谐振频率与WE模式的谐振频率的冲突,SP设计该结构使得基部和突起以不同的频率谐振。这通常是可行的,因为似乎存在多个解决方案具有期望的TCF变化。因此,可以避免或最小化频率冲突的不期望的副作用。[0083]复合LE-弯曲模式谐振器[0084]作为上述WELE-弯曲模式分支组合的替代,本发明可以应用于以长度延伸LELam6模式分支操作的谐振器板。[0085]以与WELE谐振分支相同的方式,Lame长度延伸谐振器的TCF随谐振器面内纵横比的变化而变化。图4A和4B说明了这种效果。如果图4A的线性TCF变得足够低,TCFi=TCF2二0的点可能出现在LameLE模式分支上。[0086]然而,在LameLE分支与WESE分支之间存在间隔(在线性TCF空间中)。因此,期望稍微降低LE谐振器的线性TCF。这可以根据本发明1的精神实现,即通过初始时对在[100]方向LE谐振器施加[110]方向的弯曲挤压力。在这种情况下的几何配置原则上与图1B或1C所示的配置相似但具有不同的参数值)。[0087]图1H和II显示了Lam6模式谐振器的附加示例,该谐振器具有方形基板33、35和分另丨J以45度角从其延伸的多个梁34、36。虽然以倾斜的方向示出,但是[100]晶体方向优选地沿着主板的侧边。在图1H的结构中,梁34在基板33的角部的两边以相同的方向成对地配置。在图II的结构中,梁36在基板35的每个角的两边上以相反的方向成对地配置。在这两种配置中,通过适当地选择梁的形状及其在基板侧边上的位置,有可能使用于锚固的节点保持在基板的角部。像前面的例子一样,角度和梁的形状也可以与图示的不同。[0088]本发明的微机械谐振器的驱动器,无论是WE-弯曲,LE-弯曲,Lame-弯曲或任何其它类型,可以是例如压电驱动器或静电驱动器,或任何其他适于激发本身已知的BAW谐振模式的驱动器。根据一个实施例,驱动器包括定位在基部的顶部的压电驱动器。压电驱动器可以包括例如氮化铝A1N层和钼电极。复合谐振模式可以被单个驱动器激发,即不需要用于基部和突起的单独的驱动器。压电和静电驱动器本身都是己知的,并且可被本领域技术人员应用于本发明的谐振器设计,并且在本文中不进一步详细讨论。据模拟,弯曲突起与这些通常己知的致动方法兼容。[0089]数值验证[0090]本发明的原理已经通过广泛的模拟进行了数值验证。验证方法如下所述。[0091]WE模式和110方向弯曲延伸[0092]构建具有[110]-方向挤压力的WE谐振器的参数模型。该模型如图5所示。如图1B所示的谐振器的东北角被包括在模型中,并且应用在Xy轴处的对称边界条件。[0093]WE谐振器尺寸保持恒定对于矩形WE谐振器为210X315M1,并且挤出梁尺寸是变化的:[0094]-梁的宽度dw以10um为阶从10wn到50m变化。[0095]-梁的位置dx在WE谐振器顶边上以5wn为阶从角到角变化。[00%]-梁的长度dL以5wn为阶从5wn到80wn变化。[0097]对所有参数组合进行模态分析。ffE模式的频率显示在图6A的矩阵散点图中。子散点图包含参数dW和dL的所有变化。在图6A-6G中,dW的值从最上面一行的dW=30到最下面一行的dW=-10以5为阶变化,并且dL的值从最左边一列的dL=0到最右边一列的dL=80,以20为阶变化。所有子散点图的轴是相同的,并且轴仅在西南子散点图中表示。水平轴代表表示参数dx,模态频率显示在垂直轴上。[0098]无扰动的WE模式的TCF为TCFwE=+4.3ppmC以5*1019cm—3的掺杂计算)。图6B的散点图的阴影显示了TCF从TCFwe的变化,即,梁挤出如何改变复合谐振器的TCF。[00"]为了表明TCF变化的全部范围,图6B的散点在图6C中重复,不同之处在于阴影编码范围为-10至0而不是-4至0。[0100]接下来,我们定义“节点FOM”,即品质因数,其可以量化在位置B见图5上形成节点的好处:[0101]节点FOM=dx⑻dyA[0102]这是被在点A处的y方向位移归一化的点B处的x方向位移。对于一个完美节点来说,节点F0M应为零。[0103]图6D分别以阴影编码显示了dx、dW和dL的不同组合如何改变节点FOM。[0104]从图6A-6D的散点图可以明显的看出,存在dx、dW和dL的许多组合,对于这些组合而言,TCF期望的变化在-4...0的范围内,同时可达到节点F0M的近零值。下面三张散点图示例了这一点,其中小的节点F0M用空心正方形表示,并且所期望的TCF变化用点表示第一个散点图:期望的TCF变化为约-3ppmC,第二个:约-2ppmC,第三:约-lppmC。最佳设计在点在dL、dW、dx参数空间)中找到,其中点由正方形包围。显然,通过dL、dW、dx参数空间的更密集的离散化可以发现新的最优设计例如,在上述模拟中,dL的离散化相当粗糙,20wn。[0105]作为示例,图6F中标记为1-4的几何结构和模式形状分别在图6H-6K中示出。LE模式和110方向弯曲延伸[0106]对于改进的LE谐振器的几何结构进行了类似的参数分析。图7A表示在0.5范围内的TCF变化dTCF可能出现。[0107]对具有零TCF的矩形WE模式谐振器的形状的额外考虑[0108]为了说明对于WE模式设计,没有根据本发明的突起,不能同时进行一阶和二阶TCF归零和节点锚固(根据图1A,而呈现图8A-8C和下面的讨论。[0109]图8A显示的是作为载流子浓度n的函数的弹性参数cij的温度系数。第一、第二和第三列分别代表在T=25°C时的恒定项c%,线性系数aij和二阶系数bijCQii-i2、aii-i2和bn-12是对于Cn-12的系数的简化。依赖系数ai2很容易根据ai2=aiitAi-au-^cV-ucV来求值,类似的方程式适用于b12。载流子浓度低于7.5*l〇19cnf3的数据点代表来自文献Jaakkola等人,“DeterminationofdopingandtemperaturedependentelasticconstantsofdegeneratelydopedsiliconfromMEMSresonators,,IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl•IEEE.Vol.612014No:7,1063-1074的数据。载流子浓度为l〇*l〇19cm_3和ll*l〇19cnf3的1阶和2阶系数an—i2和bu—i2的数据点也用圆圈表示;这些数据点基于申请人最近的测量结果,显示于图8B中,并且重要地显示了符合始于5*1〇19cm—3的掺杂剂浓度的正斜率的bi卜12的值的性质。在生成图8C的结果的计算中,使用了图8A中虚线所表示的内插外推值。[0110]载流子浓度为〇=7.5*1019cm_3的拟合是基于对该范围可用的三个数据点的线性拟合。对于除了11-12和bU-12之外的其他项,假定其值保持在与n=7.5*1019cnf3的实验数据相同的水平。因此,对于这些情况,虚线在n7.5*1019cnf3处是水平的。[0111]进行这种选择的原因是在载流子浓度大于7.5*1019cnT3时,对于除了an^dPbn-^之外的其他项,不存在实验数据。因此,图8C的结果预计不会在数值上完全准确,但是它们证明了TCF_TCF2可以同时归零的最佳配置的存在。此外,由于对本文中讨论的谐振模式的温度系数作出贡献的主要项是an-idPbn-^,因此有理由猜测图8C的预测是相当合理的。[0112]图8B显示了Lamg模式谐振器测量的实验数据,其与[100]晶体方向一致,因而其模态频率仅取决于弹性参数差别项cii-ci2。掺杂浓度n7.5*1019cnT3的数据点来自文献Jaakkola等人,“DeterminationofdopingandtemperaturedependentelasticconstantsofdegeneratelydopedsiliconfromMEMSresonators”,IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl.IEEE.Vol.612〇14N〇:7,1063_1〇74,但是掺杂浓度最高的两个数据点以前没有公开。基于实验数据,可以预期,与[100]—致的Lame模式谐振器的2阶TCF在更高的掺杂剂水平下获得更高的正值。实际上,这在图8A中已被假定,其bu-12的行为已被外推。[0113]由图8C可见,TCFfO和TCF2=〇的曲线在大约n=13*1019cnT3处相交,纵横比LW为1_3。在这个最佳点,总频率偏差Af总达到零。然而,可以看出,对于这种谐振器,在板的周边处不存在节点,由此低损耗锚固是不可能的。关于节点锚固,优选的纵横比W:L为1:1.5、1:2_7、1:4.3、1:5.5,、1:7.0、1:8.7精确度为5%,然而,它们不是零1^^。这证明了在板的周边具有额外的突起的本发明的设计是非常有益的。

权利要求:1.一种微机电谐振器装置,包括:支撑结构,掺杂半导体谐振器,将所述谐振器悬挂在所述支撑结构上的至少一个锚固件,用于将谐振激发到谐振器中的驱动器,其特征在于,谐振器包括基部和从所述基部延伸的至少一个突起,所述谐振器可由所述驱动器激发成具有频率温度系数TCF特性的复合谐振模式,所述复合谐振模式得益于所述基部和所述至少一个突起。2.根据权利要求1所述的谐振器装置,其特征在于,所述复合谐振模式基本上包括在所述基部中的第一谐振模式和在所述至少一个突起中的不同于所述第一谐振模式的第二谐振模式,所述第一谐振模式具有第一TCF特性,所述第二谐振模式具有第二TCF特性,所述第二TCF特性不同于所述第一TCF特性。3.根据权利要求1或2所述的谐振器,其特征在于,所述复合谐振模式基本上包括在所述主体部分中的体声波BAW谐振模式和在所述至少一个突起中的弯曲谐振模式。4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,在至少一个温度区域内,所述基部和所述至少一个突起的TCF具有相反的符号。5.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述基部包括纵横比大于1的矩形板。6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,突起的数量是四个或更多个。7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述至少一个突起包括弯曲梁,优选多个弯曲梁,所述弯曲梁的纵轴与所述基部的主轴不一致。8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述突起包括从所述基部沿不同的横向方向突出的多个弯曲梁,每个梁相对于所述基部的主轴的角度优选为20-70。。9.根据权利要求1-7中任意一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述突起包括多个弯曲梁,每个弯曲梁从所述基部沿所述基部的主轴之一的横向方向突出。10.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,包括围绕所述主体部分对称设置的多个所述突起。n•根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,包括两个或多个所述锚固元件,所述锚固元件在所述支撑结构和在所述复合谐振模式中的所述基部的两个或多个节点之间延伸。12.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,谐振器元件的基部为纵横比大于1,特别为约1:1.5,1:2.7,1:4.3,1:5.5,1:7.0,1:8.7具有5%的精度并具有沿所述半导体材料的[100]晶体方向在+-5。的范围内取向的主轴的矩形板,所述突起包括四个或更多个弯曲梁,所述四个或更多个弯曲梁对称地设置在所述基部的周围,并基本上沿所述半导体材料的[11〇]晶体方向在+_5。的范围内取向。13.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,谐振器元件的基部为纵横比大于1并具有沿所述半导体材料的[1〇〇]晶体方向在+一5。的范围内取向的主轴的矩形板,所述突起包括四个或更多个弯曲梁,所述四个或更多个弯曲梁对称地设置在所述基部的周围,并基本沿所述半导体材料的[100]晶体方向在+-5。的范围内取向。14.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述复合谐振模式基本上包括在所述基部中的宽度延伸W®体声波BAW模式和在所述至少一个突起中的弯曲模式。15.根据权利要求1-13中任意一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述复合谐振模式基本上包括在所述基部中的长度延伸LE体声波BAW模式和在所述至少一个突起中的弯曲模式。16.根据权利要求1-13中任意一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述复合谐振模式基本上包括在所述基部中的拉梅体声波BAW模式和在所述至少一个突起中的弯曲模式。17.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,在所述复合谐振模式中,所述至少一个突起设置为以与所述基部不同的频率谐振。18.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,所述谐振器元件包括掺杂有n型掺杂剂的单片硅基质,其平均掺杂浓度为至少2.3*1019cnf3,例如为7•..20*1019cnf3,所述掺杂浓度优选为在所述谐振器元件上基本均匀。19.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器装置,其特征在于,在至少50°C,例如至少125°C的温度范围内,例如在-40°C至85°C的范围内,所述谐振器的总体TCF在1Oppm之内。

百度查询: 芬兰国家技术研究中心股份公司 温度补偿复合谐振器

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