專利名稱：電荷偏置mem諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEM諧振器和結(jié)合該諧振器的器件，并涉及該諧振器的操作方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電(MEM或MEMS)諧振器是已知的，而且以RF頻率上的片上高Q因子而著稱。MEM諧振器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)元件的損耗極其低的機(jī)械振動(dòng)，并且把振動(dòng)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。僅當(dāng)輸入接近可移動(dòng)元件的諧振頻率時(shí)，MEM諧振器才產(chǎn)生輸出。它們可以用作可結(jié)合到振蕩器中的窄帶濾波器或例如VCO。以前，這種功能通常使用例如SAW濾波器或石英諧振器等組件。石英諧振器已用作振蕩器電路(例如Colpitts振蕩器、Pierce振蕩器)中的頻率選擇元件。不幸的是，石英諧振器是高成本、大體積的分立組件，不能使用與現(xiàn)代IC工藝兼容的制造技術(shù)容易地對(duì)其進(jìn)行集成。因此，希望減小MEM諧振器的封裝/裝配成本和組件數(shù)目，減少阻抗匹配問(wèn)題，并減小可能顯著影響RF應(yīng)用性能的寄生效應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致把所有的RF/模擬/數(shù)字組件合并到通常稱做RF片上系統(tǒng)(SoC)的單個(gè)具有無(wú)線功能(wireless-enabled)的芯片上。例如，可以使用現(xiàn)代的CMOS工藝在N型或P型單晶半導(dǎo)體晶片上進(jìn)行合并。對(duì)于包括夾緊梁(clamped beam)、懸臂和圓盤形式的振動(dòng)元件的振動(dòng)元件和電極以及多個(gè)振動(dòng)元件的配置，多種諧振器的幾何結(jié)構(gòu)是已知的。
根據(jù)美國(guó)專利申請(qǐng)20030052742可知，提供了包括至少兩個(gè)可振動(dòng)組件的MEM諧振器，所述至少兩個(gè)可振動(dòng)組件相對(duì)于與其振動(dòng)頻率有關(guān)的波長(zhǎng)而靠近地放置，并且受到驅(qū)動(dòng)以彼此相差半個(gè)振動(dòng)周期而異相地振動(dòng)，即對(duì)彼此的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鏡像。按照所述方式驅(qū)動(dòng)可振動(dòng)構(gòu)件導(dǎo)致了相消性干擾效應(yīng)并改善了諧振器的Q因子，其中所述干擾效應(yīng)抑制了從振動(dòng)組件向晶元(die)中的聲能泄漏。通過(guò)使用與形成基于CMOS的存儲(chǔ)器的集成電容器類似的工藝，對(duì)在晶元中的一個(gè)或更多個(gè)溝槽(trench)進(jìn)行深度各向異性蝕刻出，形成可振動(dòng)板形式的可振動(dòng)組件。
根據(jù)WO 03/023957可知，在100+MHz范圍中工作的高Q機(jī)械諧振器具有某些局限性。另外，這些高Q諧振器的頻率上界較低，限制了其在某些應(yīng)用中的使用。此外，這些高Q諧振器難以制造且具有相對(duì)大的質(zhì)量。因此，該文獻(xiàn)建議諧振器包括具有內(nèi)嵌電荷的組件、至少一個(gè)輸入電極、至少一個(gè)輸出電極和至少一個(gè)公共電極。輸入和輸出電極與公共電極分隔開(kāi)來(lái)，并且實(shí)質(zhì)上在與公共電極相對(duì)的所述組件的相對(duì)側(cè)。所述組件、輸入和輸出電極中至少一個(gè)是相對(duì)于另一個(gè)可移動(dòng)的。在制造期間，利用電子槍把電子注入所述組件以沉積內(nèi)嵌電荷，盡管可以使用把內(nèi)嵌電荷存儲(chǔ)在所述組件中的其它技術(shù)，例如在所述組件兩端施加足以引起電子注入、彈道注入、極化和高場(chǎng)注入的電偏置。相同技術(shù)可以用于把內(nèi)嵌電荷存儲(chǔ)在電介質(zhì)形成的或作為帶電浮動(dòng)導(dǎo)體(floating conductor)而形成的組件中。
存在對(duì)改進(jìn)器件的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的MEM諧振器、結(jié)合該諧振器的器件以及該諧振器的制造和操作方法。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種包括振動(dòng)元件和電極的諧振器，其設(shè)置為使所述元件根據(jù)輸入信號(hào)而振動(dòng)，并根據(jù)振動(dòng)而產(chǎn)生輸出信號(hào)，所述電極和振動(dòng)元件中至少一個(gè)設(shè)置為在使用時(shí)存儲(chǔ)電荷，并且所述電極和振動(dòng)元件中至少一個(gè)包括電荷調(diào)節(jié)器，所述電荷調(diào)節(jié)器設(shè)置用于增加或減少存儲(chǔ)的電荷。
諧振器可以具有輸入和輸出電極。此外，本發(fā)明不需要公共電極。
振動(dòng)元件可以是接地導(dǎo)體，輸入電極可以是浮動(dòng)帶電導(dǎo)體?？梢栽谶m當(dāng)時(shí)對(duì)輸入電極充電，例如在制造期間利用針對(duì)其進(jìn)行預(yù)充電。
上述設(shè)置有助于保持電荷量，防止電荷泄漏。它還能夠減少電荷量，從而減小朝向襯底的拉入(pull in)力，由此減小靜態(tài)阻力(stiction)的問(wèn)題。使用存儲(chǔ)的電荷而非對(duì)器件進(jìn)行偏置的電壓源的優(yōu)點(diǎn)可以包括減小功耗、對(duì)高電壓電源的需求降低、以及相對(duì)于振動(dòng)元件的位移而更加線性的輸出電流。減小這種非線性效應(yīng)能夠產(chǎn)生更高的Q因子和更窄的頻帶濾波特性。在電非線性比機(jī)械非線性占優(yōu)勢(shì)的特定操作條件下，這一點(diǎn)尤其真實(shí)。
本發(fā)明的附加特征是，電荷調(diào)節(jié)器包括與帶電電極或帶電元件耦合的電荷儲(chǔ)備池。這是保持電荷避免泄漏的一種尤其直接的方式。由于儲(chǔ)備池可以比單獨(dú)的電極存儲(chǔ)多得多的電荷，所以給定的泄漏對(duì)留在組合的儲(chǔ)備池和電極上的電荷量具有在比例上小得多的影響。
另一附加特征是，電荷調(diào)節(jié)器包括通過(guò)第一開(kāi)關(guān)與帶電電極或帶電元件耦合的電壓源。這可以和電荷儲(chǔ)備池一同使用，或代替電荷儲(chǔ)備池。在任一情況下，均能夠在操作前對(duì)電荷電平進(jìn)行調(diào)節(jié)。
另一附加特征是，帶電電極或帶電元件是輸入或輸出電極。與具有公共電極或?qū)φ駝?dòng)元件充電相反，這可以帶來(lái)帶電電極的某些益處，即減小功耗、降低對(duì)高電壓電源的需求以及輸出電流相對(duì)于振動(dòng)元件的位移更加線性，同時(shí)在對(duì)振動(dòng)元件充電時(shí)減小對(duì)其的拉入力這一缺點(diǎn)。
另一附加特征是，帶電電極或帶電元件設(shè)置在振動(dòng)元件的兩側(cè)。這可以改進(jìn)器件特性的線性性。對(duì)于本發(fā)明，相對(duì)側(cè)的電極不一定是本質(zhì)要求。
另一附加特征是，電荷儲(chǔ)備池包括去往電極的輸入路徑或來(lái)自電極的輸出路徑中的去耦電容器。
針對(duì)從屬權(quán)利要求的另一附加特征是，振動(dòng)元件與大地耦合。這使振動(dòng)元件能夠用作雙電極單間隙設(shè)置中的輸出電極，或例如與一側(cè)或兩側(cè)的帶電電極一同使用。
針對(duì)從屬權(quán)利要求的另一附加特征是，振動(dòng)元件通過(guò)開(kāi)關(guān)與大地耦合。這能夠在操作前或任意時(shí)刻減少振動(dòng)元件上的任意電荷。使用開(kāi)關(guān)的另一優(yōu)點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)具有低泄漏。此外，盡管沒(méi)有開(kāi)關(guān)的備選方案更為簡(jiǎn)單，但它可能導(dǎo)致輸出中的某些非線性。
另一附加特征是，振動(dòng)元件與帶電電極或帶電元件結(jié)合。這可以實(shí)現(xiàn)具有單間隙的雙電極器件。
另一附加特征是第二帶電電極或元件。
另一附加特征是，對(duì)第二帶電電極充電至不同的極性。這可以減小振動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)阻抗。
另一附加特征是，控制器設(shè)置為控制第一和/或第二開(kāi)關(guān)閉合，以對(duì)諧振器進(jìn)行預(yù)充電，而且控制第一和/或第二開(kāi)關(guān)在操作期間斷開(kāi)?？蛇x擇地，控制器可以設(shè)置為控制第一開(kāi)關(guān)和/或第二開(kāi)關(guān)在操作期間閉合，以使所述器件能夠作為電壓偏置器件而操作。
另一附加特征是，第一和/或第二開(kāi)關(guān)包括MEM開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明的其它方面包括諧振器的操作方法，以及包括諧振器的集成電路。
任何附加特征都可以組合在一起，而且可以和任何方面進(jìn)行組合。其它優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是明顯的，特別是優(yōu)于其它現(xiàn)有技術(shù)。在不背離本發(fā)明權(quán)利要求的前提下，可以做出多種改變和修改。因此，應(yīng)當(dāng)清楚地理解，本發(fā)明的形式僅為了說(shuō)明，而不是限制權(quán)利要求的范圍。


參考附圖，通過(guò)示例描述本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式，附圖中圖1示出了常規(guī)諧振器；圖2至7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的諧振器；圖8和9示出了與實(shí)施例一同使用的MEM開(kāi)關(guān)的示例；圖10示出了用作開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)?xùn)艠O器件的示例；以及圖11示出了用于實(shí)施例的諧振器結(jié)構(gòu)的示例。
具體實(shí)施例方式
將參考具體實(shí)施例和特定附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明不限于此，而僅由權(quán)利要求限定。所述附圖僅是示意性而非限制性。在附圖中，為了說(shuō)明目的，一些元件的尺寸可能被夸大而沒(méi)有按比例繪制。當(dāng)術(shù)語(yǔ)“包括(comprising)”用在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中時(shí)，它不排除其它元件或步驟。當(dāng)涉及單數(shù)名詞，使用“a”或“an”等不定冠詞或定冠詞時(shí)，除非特別說(shuō)明，否則定冠詞和不定冠詞包括該名詞的復(fù)數(shù)。
權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)“包括(comprising)”不應(yīng)解釋為僅限于其后列出的裝置；它不排除其它元件或步驟。因此，“包括裝置A和B的器件”這種表述的范圍不應(yīng)限制為僅包括組件A和B的器件。這表示對(duì)于本發(fā)明，器件中相關(guān)組件僅為A和B。
此外，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)第一、第二、第三等用于在相似元件之間進(jìn)行區(qū)分，而不一定描述次序或時(shí)間順序。要理解，這樣使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)情況下可以互換，而且這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠按照除了這里所述或示出的順序之外的其它順序進(jìn)行操作。
此外，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)頂部、底部、之上、之下等是用于描述的目的，而不一定描述了相對(duì)位置。要理解，這樣使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)情況下可以互換，而且這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以除了這里所述或示出的方向之外的其它取向而操作。
圖1示意性地示出了常規(guī)的電壓偏置MEMS諧振器。振動(dòng)元件10夾在兩個(gè)電極20、30之間。方塊3、5指示用于把振動(dòng)元件固定到例如襯底的錨定裝置(anchor)。諧振器附著到襯底，或是襯底的一部分。
諧振器需要對(duì)電極20、30進(jìn)行偏置的具有高DC電壓的高電壓電源8，以在間隙9中實(shí)現(xiàn)高電場(chǎng)。交流電壓源Vin 10示作輸入7，輸出4是按照振動(dòng)元件10感生出的電流Iout(6)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。
圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的電荷偏置諧振器的第一實(shí)施例。諧振器附著到襯底(例如半導(dǎo)體襯底)或是襯底的一部分。如上所述，方塊3、5指示用于把振動(dòng)元件固定到例如襯底的錨定裝置。顯然，如上所述，對(duì)于振動(dòng)元件及其錨定裝置可以設(shè)想其它的幾何結(jié)構(gòu)，而且并非意欲將本發(fā)明限制為特定幾何結(jié)構(gòu)。與圖1相比，該設(shè)置的不同之處在于，利用固定電荷而不是固定電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振器的偏置。因此，在使用期間，梁(beam)10沒(méi)有與DC電壓電源相連。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，諧振器不需要單獨(dú)的高DC電壓源8，一旦例如在生產(chǎn)期間被偏置，那么在操作期間諧振器的偏置和諧振頻率不易受到DC電壓電源的電平變化的影響。這允許對(duì)諧振器的諧振頻率進(jìn)行更為精確的調(diào)諧。
如果使用相同的偏置電壓，那么電荷偏置諧振器的運(yùn)動(dòng)電阻至少與電壓偏置諧振器近似相等。諧振器梁10與左邊電極之間的間隙9是g+x，而梁與右邊電極之間的間隙9’是g-x(x是距離平衡處的位移)。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，施加電荷Qdc＝Vdc2Aε0/g。當(dāng)施加偏置電荷時(shí)，交流(ac)電壓Vin＝0。根據(jù)另一實(shí)施例，先前僅在制造期間例如通過(guò)電子槍注入存儲(chǔ)電荷，而現(xiàn)在以通過(guò)開(kāi)關(guān)11耦合的電壓電源8的形式設(shè)置電荷調(diào)節(jié)器來(lái)增加或減少存儲(chǔ)電荷。由于設(shè)置有開(kāi)關(guān)11，所以能夠重復(fù)進(jìn)行預(yù)充電。在操作前對(duì)諧振器進(jìn)行預(yù)充電，例如開(kāi)關(guān)11閉合，Vin＝0V。在操作期間，開(kāi)關(guān)11斷開(kāi)。理想情況下不會(huì)發(fā)生電荷泄漏，但在實(shí)際中將會(huì)有一些泄漏。因此，可以短時(shí)間地閉合開(kāi)關(guān)11以刷新電荷。這可以在諸如系統(tǒng)接通或初始化時(shí)當(dāng)場(chǎng)進(jìn)行，或者頻率更低地在諸如進(jìn)行維護(hù)時(shí)或在檢測(cè)到故障時(shí)執(zhí)行。
通過(guò)如圖2所示地向振動(dòng)梁10添加電荷而對(duì)諧振器進(jìn)行電荷偏置存在一個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)自由梁10上累積了大量電荷時(shí)，襯底與自由梁10之間可能形成力。該效應(yīng)可能導(dǎo)致諧振器的變形，并最終甚至是毀壞和靜態(tài)阻力。因此，在其它實(shí)施例中，振動(dòng)元件10保持在地電勢(shì)。在圖3的實(shí)施例中，元件10的兩側(cè)的電極分別是輸入20和輸出30電極，它們都用于存儲(chǔ)電荷，以對(duì)諧振器進(jìn)行電荷偏置。電荷調(diào)節(jié)器具有通過(guò)第一開(kāi)關(guān)11和11’耦合的電壓電源8和8’的形式，并分別針對(duì)每一個(gè)電極20、30而設(shè)置。設(shè)置去耦電容器C，以阻止高充電電壓散布至電路的其它部分，例如散布到電路的輸入和輸出。去耦電容器C各自用作電荷儲(chǔ)備池，或?yàn)榇四康目梢栽O(shè)置其它電容器。
通過(guò)經(jīng)第二開(kāi)關(guān)15耦合到襯底(假定為地電勢(shì))或接地電極，保持振動(dòng)元件10上的電勢(shì)較低。在操作前，對(duì)諧振器進(jìn)行預(yù)充電，且所有的開(kāi)關(guān)8、8’和15均閉合。在操作期間，所有的開(kāi)關(guān)8、8’和15均斷開(kāi)?？梢钥闯龅氖?，圖3中諧振器的操作與圖2中的操作相同，除了兩個(gè)串聯(lián)去耦電容器C的影響之外。在電容C為無(wú)限大的條件下，兩個(gè)電荷偏置諧振器具有相同的運(yùn)動(dòng)阻抗，但圖3中的諧振器不會(huì)遭受朝向襯底的拉入力。
使用電荷儲(chǔ)備池的另一優(yōu)點(diǎn)是，電荷儲(chǔ)備池可以用作緩沖器以減少小泄漏電流的影響。由于電容器C可以存儲(chǔ)比諧振器自身(其電容僅為Aε0/g)多得多的電荷，所以去耦電容器存儲(chǔ)的電荷量可以大得多。因此，泄漏電流對(duì)圖1或2中的諧振器的影響比圖3中的諧振器的影響大得多。
圖2和3中的設(shè)置的顯著優(yōu)點(diǎn)是電部分的線性響應(yīng)，盡管仍存在來(lái)自機(jī)械原因的一些非線性性?？梢钥闯觯姾善弥C振器比電壓偏置器件具有更好的線性性。明顯地，電壓偏置情況下存在三個(gè)非線性性來(lái)源。致動(dòng)力(actuation force)與(Vdc+Vin)的平方成比例。其次，這個(gè)力與(g+x)的平方成反比。最后，輸出電流對(duì)于位移不是線性的。相反，對(duì)于電荷偏置器件，Iout＝c(ω)*Vin，其中c與Vin無(wú)關(guān)。所以僅留下機(jī)械非線性性。具有電荷儲(chǔ)備池的電荷偏置諧振器的備選實(shí)施方式也是可能的，然而這些實(shí)施方式中的一些不具有這種線性性的優(yōu)點(diǎn)。圖4-7中示出了示例。注意圖4和6中的諧振器僅需要一個(gè)間隙，這能夠?qū)崿F(xiàn)更加簡(jiǎn)單的、更為緊湊的結(jié)構(gòu)。
圖4示出了具有一個(gè)間隙9的電荷偏置諧振器。與圖3相比，去除了輸出電極30，而且振動(dòng)元件10用作輸出電極。它通過(guò)去耦電容器C于輸出耦合。如上所述，使用開(kāi)關(guān)15把振動(dòng)元件10的電勢(shì)預(yù)充電至地電勢(shì)。
圖5示出了電荷偏置諧振器，其中振動(dòng)元件10固定在地電勢(shì)的，而不需要第二開(kāi)關(guān)15。在其它方面它與圖3中的實(shí)施例是可比的，但略微更簡(jiǎn)單。注意，例如與圖3相對(duì)比，該配置可能示出了一些非線性性。盡管如此，在其預(yù)充電后不需要DC電壓源。
圖6示出了具有一個(gè)間隙9的電荷偏置諧振器的實(shí)施例。它與圖4中的實(shí)施例相似，但沒(méi)有第二開(kāi)關(guān)15將振動(dòng)元件10預(yù)充電至地電勢(shì)。因此，也不需要輸出側(cè)的去耦電容器C。
圖7示出了與圖4類似的具有一個(gè)間隙9的實(shí)施例，但在該實(shí)施例中使用經(jīng)由開(kāi)關(guān)11’耦合的電壓源8’對(duì)用作輸出電極的振動(dòng)元件10進(jìn)行預(yù)充電。將振動(dòng)元件10充電至與通過(guò)電壓源8和開(kāi)關(guān)11對(duì)間隙9另一側(cè)的另一電極20的充電相反的極性。還要注意，圖7中諧振器的運(yùn)動(dòng)阻抗比圖1-6中的諧振器的運(yùn)動(dòng)阻抗低3倍(如果g＞＞x且Vdc＞＞Vin，則這些諧振器具有相同的運(yùn)動(dòng)阻抗)。注意這種降低也對(duì)于電壓偏置諧振器(所有開(kāi)關(guān)都閉合)也發(fā)生。同樣，圖7中的配置的缺點(diǎn)是，在襯底與諧振器之間可能形成拉入力(諧振器處于提升的電勢(shì)上)。
使用開(kāi)關(guān)電壓源向電荷偏置諧振器施加電荷的一種備選方案是，在生產(chǎn)期間，通過(guò)利用針或探針把電荷施加到諧振器上或電荷儲(chǔ)備池中，從而向電荷偏置諧振器施加電荷?？梢匀コ鲠?，如果電荷泄漏足夠低，那么電荷將留在儲(chǔ)備池中。如果電荷泄漏過(guò)高，那么備選實(shí)施方式可以使用開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)間或地將諧振器或儲(chǔ)備池與電壓源連接以恢復(fù)電荷。圖8和9中示出了使用MEM技術(shù)的開(kāi)關(guān)的示例。在圖8中，黑色區(qū)域是導(dǎo)電電極。這些圖示出了電化(galvanic)MEMS開(kāi)關(guān)的兩個(gè)示意圖，并示出了如何把這些開(kāi)關(guān)與諧振器的振動(dòng)元件或電極連接。圖8示出了具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極18、19的開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)施加驅(qū)動(dòng)電壓而迫使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極18、19靠在一起，以克服偏置彈力(biasspring force)k。這引起開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)對(duì)13以及14和15的閉合。一個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)14可以和Vdc電壓電源耦合，而另一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)13根據(jù)上述設(shè)置按照需要與諧振器或電荷儲(chǔ)備池R耦合，例如與振動(dòng)元件或電極耦合。電極13和18安裝在絕緣載體C上。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，在充電電壓和諧振器/電荷儲(chǔ)備池之間形成電連接。圖9示出了可能的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的三維視圖，其中GC是電化觸點(diǎn)，R是諧振器而HVDc是用于充電的高電壓連接。其它的幾何結(jié)構(gòu)是可能的。典型地，取決于設(shè)計(jì)，MEMS開(kāi)關(guān)在2到300V之間的電壓上進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。典型值為40V。由于MEMS開(kāi)關(guān)具有很小的泄漏電流，所以非常適合對(duì)諧振器進(jìn)行充電。
例如標(biāo)準(zhǔn)FET或DMOS晶體管的晶體管可以用作開(kāi)關(guān)，但是對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，泄漏電流過(guò)大。另一示例是閃速存儲(chǔ)器(flash)、OTP或EPROM非易失性存儲(chǔ)晶體管，把諧振器與浮動(dòng)(floating)柵電極相連?？梢酝ㄟ^(guò)CHEI(溝道熱電子注入)或通過(guò)Fowler NordheimTunneling(FN)進(jìn)行電子注入。圖10示出了典型非易失性存儲(chǔ)晶體管的示意圖。它具有襯底27、源極23、漏極25、電介質(zhì)層22、浮動(dòng)?xùn)艠O24和控制柵極21?？梢酝ㄟ^(guò)施加下列電壓把電荷注入浮動(dòng)?xùn)艠O24典型值為源極＝0V，漏極＝5V，控制柵極＝10V。襯底與浮動(dòng)?xùn)艠O之間的電介質(zhì)的典型厚度為10nm。浮動(dòng)?xùn)艠O的典型電荷保持時(shí)間可以很長(zhǎng)。例如，電勢(shì)為4V的10nm的SiO2柵極氧化物在其電荷的10％泄漏掉之前要花費(fèi)1020(1020)年(參見(jiàn)G.Ianaccone and S.Gennai，Proc.7thInt.Workshop on Computational Electronics，Glasgow 2000，p.153，ISBN/ISSN 0-85261-704-6)。關(guān)于非易失性晶體管的一般信息，參見(jiàn)例如http:∥www-ee.eng.hawaii.edu/～msmith/ASICs/HTML/Book2/CH04/CH04.3.htm另一種可能方案是真空管，例如MEMS三極管。關(guān)于MEMS真空三極管的示例，參見(jiàn)Applied Physics Letters--May 20，2002--Volume80，Issue 20，pp.3820-3822。諧振器或電荷儲(chǔ)備池可以和三極管的陽(yáng)極相連。另一種可能方案是使用(MEMS)熔絲，施加電荷然后熔化熔絲。注意，如果使用這種方法，則隨后不能對(duì)電荷進(jìn)行刷新。最后，另一選擇是使用電暈放電，例如與對(duì)駐極體進(jìn)行充電的方式類似。
參考圖12，下文簡(jiǎn)要描述一種用于制造諧振器結(jié)構(gòu)的方法的示例。
在圖12A中，SOI晶片包括p摻雜硅層(pSi)和絕緣二氧化硅層(SD)，將硅襯底(Si)和鋁金屬層(MET)濺射沉積到晶片上。這一層可以具有3microohm.cm的電阻率。通過(guò)常規(guī)的平版蝕刻(lithographic)技術(shù)在金屬層上形成圖案。如圖12B中所示，涂覆平版抗蝕劑掩模(TRE)并使其形成圖案，之后在上硅層中蝕刻出兩個(gè)或更多個(gè)溝槽，直到到達(dá)SiO2層為止，例如作為蝕刻停止處。如圖12C所示，去除了抗蝕劑。如圖12D所示，例如使用緩沖氧化物蝕刻劑(BOE)，通過(guò)溝槽接入，有選擇地蝕刻去除SiO2。這留下了錨定到硅并在硅半導(dǎo)體兩個(gè)邊緣表面之間懸掛的諧振器梁，所述兩個(gè)邊緣表面可以用作電極。
諧振器結(jié)構(gòu)的實(shí)施示例可以使用常規(guī)的MEMS諧振器結(jié)構(gòu)，圖11示出的示例顯示了來(lái)自“Sensors and Actuators”，A 97-98(2002)，pp.497-502的SEM圖片。所示振動(dòng)元件具有梁諧振器R的形式，并且被錨定在每一端。在兩端示出了電極E、F。在這個(gè)示例中，對(duì)錨定支架和電極外部進(jìn)行金屬化處理。該尺寸適于在大約14Mhz處操作。注意，如電荷偏置諧振器來(lái)操作該器件，需要將它們以和上文示例中描述的方式不同的方式連接。對(duì)于一個(gè)間隙的諧振器的實(shí)施示例，參見(jiàn)IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.25，No.4，APRIL2004，p.173和“Sensors and Actuators”，A101(2002)，pp.1-9中的諧振器。在典型的實(shí)施示例中，使用30V的充電電壓，不需要特殊的預(yù)防措施來(lái)防止泄漏，就可以使電荷在諧振器上保持長(zhǎng)達(dá)許多小時(shí)。振動(dòng)元件可以導(dǎo)電的，或振動(dòng)元件可以是隔離器。當(dāng)振動(dòng)元件是帶電隔離器時(shí)，可以認(rèn)為其具有駐極體(如用于麥克風(fēng)中)。
如果采取措施使電荷不泄漏，則可以完全省去充電泵/dc-dc轉(zhuǎn)換器(用于產(chǎn)生很高的電壓)，而且電路變得非常簡(jiǎn)單/便宜。例如，可以在制造期間把電荷施加到振動(dòng)元件(使用電子槍/探針/等)。這是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。如果電荷確實(shí)泄漏，則充電泵/dc-dc轉(zhuǎn)換器僅需要間或地有效，因?yàn)楣?jié)省了功率，所以這也是有利的。這是本發(fā)明的另一實(shí)施例。附加的電荷儲(chǔ)備池電容器可以在不同位置。如上所述，當(dāng)電荷從振動(dòng)元件或電極泄漏出時(shí)，來(lái)自這些電容器的電荷將填補(bǔ)(因而補(bǔ)償)泄漏的電荷?；旧?，存在三個(gè)主要的選項(xiàng)1)外加電容器與電極耦合；2)外加電容器與振動(dòng)元件耦合；3)外加電容器與電極和振動(dòng)元件耦合。
通過(guò)把諧振器封裝在真空封裝中，可以防止/減少電荷泄漏。其優(yōu)點(diǎn)是允許獲得足夠高的Q因子。
MEMS諧振器的應(yīng)用和用途包括集成電路中的振蕩器(針對(duì)頻率參考信號(hào))或?yàn)V波器，包括SAW/BAW濾波器的任何應(yīng)用。
總而言之，電荷偏置諧振器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是，在操作期間不需要DC電壓源。因此，僅需要在操作前對(duì)諧振器進(jìn)行預(yù)充電。如果可以防止電荷泄漏，則僅需要在生產(chǎn)期間對(duì)諧振器預(yù)充電一次，這允許同時(shí)把諧振頻率調(diào)諧到適當(dāng)值。不需要DC電壓源還意味著諧振器的能耗變?yōu)榱?。因此，電荷偏置諧振器可以看作純粹的無(wú)源器件(像石英晶體)。
電荷偏置具有其它優(yōu)點(diǎn)，即即使不滿足條件Vdc＞＞Vin且g＞＞x，諧振器在所有情況下也會(huì)是線性的。因此排除了電非線性性，而僅剩余機(jī)械非線性性。這可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)或提高Q值。明顯地，偏置不一定對(duì)振動(dòng)元件本身執(zhí)行，而可以使用外部電荷儲(chǔ)備池將偏置施加到電極上。一些優(yōu)點(diǎn)如下-襯底(處于GND電勢(shì))和諧振器之間不存在力，從而降低了靜態(tài)阻力的風(fēng)險(xiǎn)。
-電荷儲(chǔ)備池用作電荷緩沖器，顯著減小泄漏電流對(duì)諧振器操作的影響，從而顯著增加諧振器的工作壽命。
-無(wú)泄漏器件的實(shí)施可以更簡(jiǎn)單。
一些實(shí)施方式還可以如電壓偏置諧振器一樣進(jìn)行操作(通過(guò)保持所有開(kāi)關(guān)閉合)。
權(quán)利要求
1.一種諧振器，包括振動(dòng)元件和電極，其設(shè)置為使所述元件根據(jù)輸入信號(hào)而振動(dòng)，并根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生輸出信號(hào)，將所述電極和振動(dòng)元件中至少一個(gè)設(shè)置為在使用時(shí)存儲(chǔ)電荷，并且所述電極和振動(dòng)元件中至少一個(gè)包括電荷調(diào)節(jié)器，所述電荷調(diào)節(jié)器設(shè)置用于增加或減少存儲(chǔ)的電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，所述電荷調(diào)節(jié)器包括與帶電電極或帶電元件耦合的電荷儲(chǔ)備池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的諧振器，所述電荷調(diào)節(jié)器包括通過(guò)第一開(kāi)關(guān)與帶電電極或帶電元件耦合的電壓源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的諧振器，所述帶電電極或帶電元件是輸入或輸出電極。
5.根據(jù)從屬于權(quán)利要求2的任意上述權(quán)利要求所述的諧振器，所述電荷儲(chǔ)備池包括去往電極的輸入路徑或來(lái)自電極的輸出路徑上的去耦電容器。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的諧振器，所述振動(dòng)元件與襯底或接地電極電耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的諧振器，所述振動(dòng)元件通過(guò)第二開(kāi)關(guān)與襯底或地電耦合。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的諧振器，所述振動(dòng)元件與所述帶電電極或帶電元件結(jié)合。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的諧振器，具有第二充電電極。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的諧振器，具有設(shè)置在所述振動(dòng)元件的兩側(cè)的帶電電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的諧振器，將所述第二帶電電極充電至不同的極性。
12.根據(jù)從屬于權(quán)利要求3的任意上述權(quán)利要求所述的諧振器，具有控制器，所述控制器設(shè)置為控制第一開(kāi)關(guān)閉合以對(duì)諧振器進(jìn)行預(yù)充電，并且控制第一開(kāi)關(guān)在操作期間斷開(kāi)。
13.根據(jù)從屬于權(quán)利要求7的任意上述權(quán)利要求所述的諧振器，具有控制器，所述控制器設(shè)置為控制第二開(kāi)關(guān)閉合以對(duì)諧振器進(jìn)行預(yù)充電，而且控制第二開(kāi)關(guān)在操作期間斷開(kāi)。
14.根據(jù)從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4至13中任意一項(xiàng)所述的諧振器，具有控制器，所述控制器設(shè)置為控制第一和/或第二開(kāi)關(guān)在操作期間閉合。
15.根據(jù)從屬于權(quán)利要求3的任意上述權(quán)利要求所述的諧振器，第一開(kāi)關(guān)包括MEM開(kāi)關(guān)。
16.根據(jù)從屬于權(quán)利要求7的任意上述權(quán)利要求所述的諧振器，第二開(kāi)關(guān)包括MEM開(kāi)關(guān)。
17.一種集成電路，包括上述任意權(quán)利要求所述的諧振器。
18.一種從屬于權(quán)利要求3的任意上述權(quán)利要求所述的諧振器的操作方法，具有步驟控制第一開(kāi)關(guān)以對(duì)帶電電極進(jìn)行預(yù)充電。
19.一種從屬于權(quán)利要求3的任意上述權(quán)利要求所述的諧振器的操作方法，具有步驟控制第一開(kāi)關(guān)以將諧振器作為電壓偏置器件而進(jìn)行操作。
全文摘要
一種包括振動(dòng)元件(10)以及至少第一電極(20)和第二電極(30)的諧振器，至少一個(gè)電極存儲(chǔ)有電荷，以對(duì)所述器件進(jìn)行電荷偏置。電荷調(diào)節(jié)器(C)可以增加或減少存儲(chǔ)的電荷。所述電荷調(diào)節(jié)器可以是用于減小泄漏的電容器或是通過(guò)開(kāi)關(guān)連接的電源。它可以減小靜態(tài)阻力的問(wèn)題、減小功耗并減小非線性性，使得能夠在操作前調(diào)節(jié)電荷電平。第二開(kāi)關(guān)可以用于將所述振動(dòng)元件接地。
文檔編號(hào)H03H9/24GK101088216SQ200580044215
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者彼得·斯蒂內(nèi)肯, 約瑟夫·托馬斯·馬丁努斯·范貝克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司