專(zhuān)利名稱(chēng)：基于的壓阻式諧振器的振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振蕩器電路，還涉及具有這種電路的MEMS結(jié)構(gòu)以及 制造和操作它們的方法。
背景技術(shù)：
某些晶體，最顯著的是石英，會(huì)呈現(xiàn)壓電現(xiàn)象，也就是說(shuō)，如 果向晶體表面施加壓力，那么晶體會(huì)產(chǎn)生電壓。反之，如果向晶體施 加電壓，那么會(huì)使得該晶體產(chǎn)生機(jī)械形變。這種現(xiàn)象已經(jīng)被用作制造 振蕩器。晶體被放置在放大器電路的反饋通路中，從而以主要取決于 晶體尺寸的頻率振蕩。這是個(gè)并聯(lián)諧振電路，晶體被放置在放大器或 反向器周?chē)牟⒙?lián)通路中?；趬弘娞匦裕肕EMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)制造傳感器 也是已知的。壓阻式壓力傳感器中的傳感材料是在硅襯底上形成的膜 片，其根據(jù)所施加的壓力而彎曲。膜片的晶格由于這種彎曲而發(fā)生形 變。這種形變使得放置在膜片上的壓敏電阻器的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變， 從而導(dǎo)致材料的電阻率發(fā)生改變。這種變化可能是增大或者減小，這 取決于電阻器摻雜的類(lèi)型。但是，由于壓阻元件的輸出具有90。的相移，所以傳統(tǒng)反饋裝置 并不是有效的，因而振蕩器中并不經(jīng)常采用這種壓阻式諧振元件。這 可以通過(guò)相移器補(bǔ)償。W02004053431示出了一種采用了諧振器的振蕩器，其中諧振器 采用了靜電(電容式)激勵(lì)和壓阻式讀取。但是，壓阻式讀取導(dǎo)致了 在其諧振頻率上輸入和輸出信號(hào)之間;r/2的相移。于是，諧振器的輸 出不能直接反饋至其輸入端，在電容式或壓電式讀取的情況下這將導(dǎo) 致振蕩。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的振蕩器電路，并且提供具有這種電路的MEMS結(jié)構(gòu)以及制造和操作它們的方法。根據(jù)第一方面，本發(fā)明 提供一種振蕩器電路，其包括第一和第二壓阻式諧振器，它們每個(gè) 均具有一個(gè)諧振頻率，每個(gè)壓阻式諧振器均具有用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器的輸入端，并且每個(gè)壓阻式諧振器的輸入端與另一個(gè)的諧振器的輸出 端耦接，從而根據(jù)各個(gè)諧振器的電阻提供反饋。這利用了每個(gè)諧振器 的輸入端和輸出端之間的相移，從而使得反饋不需要其它部件來(lái)提供 相移。這就意味著可以使用更簡(jiǎn)單的電路，從而有助于更大的集成并 且因此使得成本更低。通過(guò)利用壓阻式諧振器，對(duì)外部晶體的需求可 以消除，于是能夠更大地集成并使得成本更低。根據(jù)本發(fā)明第一方面的實(shí)施例，輸出端在未經(jīng)放大的情況下直 接被饋入各個(gè)輸入端。在本發(fā)明第一方面的實(shí)施例中，諧振器均可以被形成為一種 MEMS結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明第一方面的實(shí)施例，壓阻式諧振器可以并聯(lián)起來(lái)。 在這種情況下，每個(gè)諧振器具有串聯(lián)耦接著的電阻器或電感，每個(gè)輸 出端引自各個(gè)諧振器及其串聯(lián)耦接著的電阻器或電感之間。在根據(jù)本發(fā)明第一方面的實(shí)施例中，每個(gè)壓阻式諧振器均可包 括細(xì)長(zhǎng)的部件，其被布置成沿著所述部件的縱向軸線振蕩。壓阻式諧 振器每個(gè)都具有耦接至它們的各個(gè)輸入端的靜電驅(qū)動(dòng)電極，從而驅(qū)動(dòng) 細(xì)長(zhǎng)的部件。根據(jù)特定實(shí)施例，細(xì)長(zhǎng)的部件具有更寬的末端，其比所 述細(xì)長(zhǎng)的部件的主體寬10倍或者至少10倍，其被用作靜電驅(qū)動(dòng)電極。根據(jù)本發(fā)明第一方面的振蕩器電路適合使用低于4伏特的驅(qū)動(dòng) 電壓。這使得電路可以使用現(xiàn)有低電壓電路，尤其是電池供電的裝置。本發(fā)明的另一方面提供了一種集成振蕩器，其包括第一和第二 壓阻式諧振器，它們每個(gè)均具有一個(gè)諧振頻率，每個(gè)壓阻式諧振器均 具有用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器的輸入端，并且每個(gè)壓阻式諧振器的輸入端 與諧振器中的另一個(gè)的輸出端耦接，從而根據(jù)各個(gè)諧振器的電阻提供反饋。這可以用于電池供電的裝置中。本發(fā)明還提供了一種電池供電的裝置，其包括如本發(fā)明第一方 面所述的振蕩器電路或者如本發(fā)明第二方面所述的集成振蕩器。下面將描述互相結(jié)合以及與任何方面結(jié)合的其它特點(diǎn)。對(duì)于本 領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，尤其是優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)， 是顯然的。在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求的情況下可以作出大量變化和修 改。因此，可以很清楚的理解的是，本發(fā)明的形式僅僅用于圖示說(shuō)明 而不是用于限制本發(fā)明的范圍。


參考附圖，通過(guò)示例的方式對(duì)如何實(shí)現(xiàn)本發(fā)明予以描述，其中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的壓阻式振蕩器電路； 圖2和圖3示出了諧振時(shí)作為時(shí)間的函數(shù)的dR和V的變化； 圖4示出了具有電感線圈的壓阻式振蕩器電路；圖5示出了 W02004/053431中描述的壓阻式諧振器布局的平面 圖；以及圖6示出了對(duì)圖5中的諧振器以彈簧質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)建模。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明將通過(guò)特定實(shí)施例并參考附圖而予以描述，但是本發(fā)明 并不限于此而是僅僅由權(quán)利要求限定。權(quán)利要求中的任何標(biāo)號(hào)都不應(yīng) 該被解釋為限制本發(fā)明的范圍。所描述的附圖僅僅是示意性的而不是 限制性的。在附圖中，為了圖示說(shuō)明， 一些元件的尺寸可能被放大并 且未按比例描繪。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中詞語(yǔ)"包括"的使用并 不排除其它元素和步驟的存在。除非特殊說(shuō)明，否則在涉及單個(gè)名詞(例如"一個(gè)")時(shí)，不確定的或者確定的冠詞的使用并不排除多個(gè) 該元素的存在。此外，本發(fā)明說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中的第一、第二、第三等等是 用于區(qū)分類(lèi)似元件，它們并不是用于描述次序或者時(shí)間順序。應(yīng)該理 解的是，在某種情況下所使用的術(shù)語(yǔ)可以互換，并且在此描述的本發(fā)明實(shí)施例能夠以除了在此描述或說(shuō)明的順序之外的其它順序操作。本發(fā)明的實(shí)施例利用壓阻效應(yīng)來(lái)建立諸如MEMS振蕩器的振蕩器 電路。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，振蕩器電路具有第一和第二壓阻式諧 振器，每個(gè)壓阻式諧振器的輸入端與另一個(gè)諧振器的輸出端耦接。利 用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體(例如硅工藝技術(shù))而無(wú)需使用特殊材料(例如壓電材 料)就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)小型單芯片振蕩 器。根據(jù)本發(fā)明的振蕩器電路能夠在不影響振蕩器性能和/或功耗的 情況下進(jìn)行擴(kuò)展，于是能夠以產(chǎn)生高震蕩頻率的小尺寸實(shí)現(xiàn)。功耗為 lraW時(shí)預(yù)計(jì)的噪聲基底可小于-M5dBc/Hz，這能與傳統(tǒng)石英振蕩器的 性能相匹敵。為裝置提供低電壓就可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩，因此這很適合 于電池供電的應(yīng)用。因此，根據(jù)本發(fā)明的振蕩器電路可被用于電池供 電的裝置。此外，在一些實(shí)施例中，在電容式(MEMS)或壓電式(石 英)振蕩器中，振蕩器電路并不需要放大器來(lái)保持振蕩。此外顯著的特征包括輸出端在未經(jīng)放大的情況下被直接饋入各 個(gè)輸入端。替換實(shí)施例可以包括放大但是仍可實(shí)現(xiàn)一些優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例，每個(gè)壓阻式諧振器都能形成為MEMS結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例，壓阻式諧振器可以并聯(lián)起來(lái)，每個(gè)壓阻式諧振器均具有 串聯(lián)耦接的電阻器或電感，每個(gè)輸出端引自各個(gè)諧振器及其串聯(lián)耦接 著的阻抗(例如電阻器或電感)之間。每個(gè)壓阻式諧振器均可包括細(xì)長(zhǎng)的部件，其被布置成沿著該部 件的縱向軸線振蕩。壓阻式諧振器均可具有耦接至它們的各個(gè)輸入端 的靜電驅(qū)動(dòng)電極，從而驅(qū)動(dòng)細(xì)長(zhǎng)的部件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，細(xì)長(zhǎng) 的振蕩部件可具有更寬的末端，其比細(xì)長(zhǎng)的振蕩部件的主體寬10倍 或者更多，其被用作靜電驅(qū)動(dòng)電極。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的振蕩器電路可適合于使用低于4伏特的驅(qū) 動(dòng)電壓，這使得電路可以使用現(xiàn)有低電壓電路，尤其是電池供電的裝 置。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的振蕩器電路布局，其中使用了 兩個(gè)壓阻式諧振器來(lái)補(bǔ)償單個(gè)諧振器"/2的相移。振蕩器電路由兩個(gè) 并聯(lián)支路組成。每個(gè)支路由被標(biāo)為i 。+d《和i 。+di^的諧振電阻器和與之串聯(lián)的固定電阻器組成，這些諧振電阻器例如形成了W02004/053431中所描述的壓阻式諧振器。當(dāng)壓阻式諧振器1、 2以頻率"振動(dòng)，那么它們的電阻為^ 12=; 。(1 + ^^)，其中a復(fù)凡電壓K，為<formula>formula see original document page 8</formula>其中固定電阻器的阻值為w?！，F(xiàn)在K被反饋至支路2中的壓阻式諧振器，這導(dǎo)致在諧振"。 時(shí)^ 2中的相移為0)嚴(yán)-;r/2。根據(jù)式a)， d厄和「2之間的相差02等于0。 當(dāng)「2被反饋至支路1中的壓阻式諧振器，那么相對(duì)于K2， (/《中的相 移又是03=《/2。在y《和Fl之間，根據(jù)式(1)得出相移0)4=兀。整個(gè)回路中的相移是0)t。,cD,+a)2+^+(D^0，當(dāng)回路增益G(叫)^I"-1時(shí)，這將造成持續(xù)振蕩。如圖4所示，圖1中所描述的振蕩器電路可通過(guò)利用固定電阻 器替換電感線圈CH1、 CH2而進(jìn)一步改進(jìn)。在這種情況下，由于線圈 中沒(méi)有耗散，所以消耗更少的能量。在這種情況下，K和「2為<formula>formula see original document page 8</formula>(2)K = sin (i)/1;圖4所示的電路諧振時(shí)的回路增益由作為電壓^的結(jié)果的電阻值相對(duì)變化凡asin紐確定。電壓F，，在諧振器上產(chǎn)生靜電C其大小為<formula>formula see original document page 8</formula>(3)其中，如圖5所示，A是電極寬度，力是電極高度，而g是電極 和諧振器之間的間隙。圖5示出了裝置具有細(xì)長(zhǎng)的振蕩部件，其主體 由寬度為t兩個(gè)梁形成，其中一個(gè)末端具有寬度為b的較寬的部分。 這個(gè)較寬的末端被示出為一個(gè)正方形，但是也可以是其它形狀，其被 用作靜電驅(qū)動(dòng)電極。力&在諧振器梁上產(chǎn)生應(yīng)變"其大小為結(jié)合式(3)和式(4)得到<formula>formula see original document page 9</formula> 在諧振時(shí)，s被品質(zhì)因數(shù)Q放大。電阻值中的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比<formula>formula see original document page 9</formula> 其中，^是壓阻應(yīng)變系數(shù)。結(jié)合式(2)、 (5)和(6)得到<formula>formula see original document page 9</formula> 當(dāng)G>1時(shí)，振蕩保持，所以<formula>formula see original document page 9</formula> 對(duì)于在n型1 Q . cm硅中所加工的與(100)軸平行的Si諧振器，E二130GPa禾口 K=-151。假設(shè)Q=105 (參見(jiàn)Mattila et. al. ， Sensors and<formula>formula see original document page 9</formula> 假設(shè)f 0. 2pm以及Krfe=3. 6^=電池電壓)，那么 6<formula>formula see original document page 9</formula> 其處于制造能力的范圍內(nèi)。因此，可以以電池電壓實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩。如圖6所示，壓阻式諧振器1、 2的諧振頻率可以通過(guò)將其兒何 結(jié)構(gòu)建模成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)而近似得到，其中彈簧常數(shù)為h擺片質(zhì)量為ffl，諧振頻率為"0:(12)<formula>formula see original document page 10</formula>如果諧振器在x、y和z方向上以因數(shù)y定標(biāo)尺寸，那么從式(12) 可以看出諧振頻率"。以"定標(biāo)。從式(9)可以看出，振蕩條件并不 取決于定標(biāo)因數(shù)y。因此，可以得出，持續(xù)振蕩與諧振器尺寸無(wú)關(guān)， 這就使得小尺寸實(shí)現(xiàn)可以產(chǎn)生高振蕩頻率。這個(gè)結(jié)論適用于電容式 MEMS振蕩器。對(duì)于電容式振蕩器，其阻抗隨著尺寸減小而增大。在 這種情況下，在進(jìn)行至較高振蕩頻率時(shí)，為了保持振蕩需要放大器增 益。振蕩器噪聲基底由電阻器中產(chǎn)生的Johnson-Nyquist噪聲確定， 其大小為C4&7^.A/。平均電壓擺幅為7 =《《,2_/2。振蕩器的時(shí)間平均功耗為？ = 2F2凡于是噪聲基底為7"2(13)假設(shè)T二300K、 P=lmW，并且《_>0.1，那么相位噪聲基底(=整個(gè) '噪聲基底的一半)<-145clBc/Hz，這可以與石英振蕩器的噪聲基底性 能相匹敵。從式(13)，可以看出噪聲基底不取決于諧振器尺寸。這 就意味著，在改變壓阻式諧振器尺寸時(shí)，噪聲基底并不會(huì)改變。這個(gè) 特性使得其可以在高頻操作而不會(huì)降低其相位噪聲基底或者不會(huì)增 大功耗。應(yīng)該理解的是，雖然在此討論了根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選實(shí)施 例、特定結(jié)構(gòu)和配置，以及材料，但是在不脫離本發(fā)明范圍和精神的 情況下可以在形式和細(xì)節(jié)上作出各種改變或修改。
權(quán)利要求
1.一種振蕩器電路，其包括第一和第二壓阻式諧振器(1，2)，每個(gè)壓阻式諧振器均具有一個(gè)諧振頻率，每個(gè)諧振器(1，2)均具有用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器(1，2)的輸入端，并且每個(gè)諧振器(1，2)的輸入端與所述諧振器(2，1)中的另一個(gè)的輸出端耦接，從而根據(jù)各個(gè)諧振器(1，2)的電阻提供反饋。
2. 如權(quán)利要求l所述的電路，所述輸出端在未經(jīng)放大的情況下 被直接饋入所述各個(gè)輸入端。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電路，所述諧振器(1， 2)被形成 為一種MEMS結(jié)構(gòu)。
4. 如前述權(quán)利要求中任一所述的電路，所述諧振器(1， 2)被 并聯(lián)起來(lái)。
5. 如權(quán)利要求4所述的電路，每個(gè)諧振器(1， 2)均具有串聯(lián) 耦接著的電阻器(R。)或電感(CH)，每個(gè)輸出端均引自所述各個(gè)諧 振器及其串聯(lián)耦接著的電阻器或電感之間。
6. 如前述權(quán)利要求中任一所述的電路，每個(gè)諧振器(1， 2)均 包括細(xì)長(zhǎng)的部件，其被布置成沿著所述部件的縱向軸線振蕩。
7. 如權(quán)利要求6所述的電路，所述諧振器(1， 2)每個(gè)均具有 耦接至它們的各個(gè)輸入端的靜電驅(qū)動(dòng)電極，從而驅(qū)動(dòng)所述細(xì)長(zhǎng)的部 件。
8. 如權(quán)利要求7所述的電路，所述細(xì)長(zhǎng)的振蕩部件具有更寬的 末端，其比所述細(xì)長(zhǎng)的振蕩部件的主體寬IO倍或者更多，其被用作靜電驅(qū)動(dòng)電極。
9. 如前述權(quán)利要求中任一所述的電路，其適合使用低于4伏特 的驅(qū)動(dòng)電壓。
10. —種集成振蕩器，其包括第一和第二壓阻式諧振器(1， 2)， 每個(gè)壓阻式諧振器均具有一個(gè)諧振頻率，每個(gè)壓阻式諧振器(1， 2) 均具有用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器(1， 2)的輸入端，并且每個(gè)壓阻式諧振 器(1， 2)的輸入端與所述諧振器(2， 1)中的另一個(gè)的輸出端耦接， 從而裉據(jù)各個(gè)諧振器的電阻提供反饋。
11. 一種電池供電的裝置，其具有如權(quán)利要求IO所述的集成振 蕩器或者如權(quán)利要求1至9中任一所述的電路。
全文摘要
一種振蕩器電路包括第一和第二壓阻式諧振器(1，2)，每個(gè)二壓阻式諧振器均具有一個(gè)諧振頻率，其中每個(gè)壓阻式諧振器均具有用于驅(qū)動(dòng)所述諧振器的輸入端，并且每個(gè)壓阻式諧振器的輸入端與所述諧振器中的另一個(gè)的輸出端耦接，從而在未經(jīng)放大和沒(méi)有移相器的情況下根據(jù)各個(gè)諧振器的電阻提供反饋。這允許在不需要其它部件來(lái)提供相移的情況下進(jìn)行反饋。這就意味著可以使用更簡(jiǎn)單的電路，從而有助于更大的集成并且因此使成本更低。通過(guò)使用壓阻式諧振器，可以避免需要使用外部晶體，這允許更大的集成以及使成本更低。
文檔編號(hào)H03B1/00GK101273521SQ200680035650
公開(kāi)日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者約瑟夫·托馬斯·馬蒂納斯·范貝克 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司