專利名稱：低電壓mems振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域，特別地涉及振蕩器。更具體地，本發(fā)明涉 及用于基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在電子應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域中，例如微處理器和微控制器應(yīng)用、通信應(yīng) 用等等，使用石英晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生具有或多或少精度值的基準(zhǔn)頻率。 典型地，石英晶體振蕩器具有高品質(zhì)因子并且非常穩(wěn)定。然而，它們的 缺點(diǎn)是大體積元件，導(dǎo)致難以將它們集成到半導(dǎo)體襯底中。換句話說(shuō)， 石英晶體振蕩器不是很好的適用于高度集成的半導(dǎo)體解決方案。
已經(jīng)做出了不同嘗試來(lái)設(shè)計(jì)能集成到諸如半導(dǎo)體襯底之類的襯底 中的振蕩器、諧振器或類似的電子組件。幾種設(shè)計(jì)包括基于靜電效應(yīng)的 系統(tǒng)，這需要不易于與現(xiàn)代IC技術(shù)兼容的相對(duì)較高的電壓。不同的設(shè)計(jì) 包括基于也稱為MEMS的微機(jī)電系統(tǒng)的振蕩器或類似電子組件。微機(jī)電系 統(tǒng)典型地是將機(jī)械或水力功能和電子功能相結(jié)合的微電子系統(tǒng)。其典型 應(yīng)用是嵌入在半導(dǎo)體芯片中的光開(kāi)關(guān)、可調(diào)激光器、傳感器、閥、齒輪、 鏡子和致動(dòng)裝置。已經(jīng)有報(bào)道MEMS作為電子濾波器或電子開(kāi)關(guān)的特殊應(yīng) 用。US專利申請(qǐng)2003/0030527描述了 MEMS裝置作為電子濾波器的應(yīng)用。 文獻(xiàn)描述了使用鐵磁材料把電能轉(zhuǎn)換為磁能并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來(lái)增 加和在靜電定律下工作的濾波器相比的高頻靈敏度的電濾波器。因此， 制造這樣的MEMS器件要求使用至少一種鐵磁材料，而這是非標(biāo)準(zhǔn)的，并 且提供和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)極少的兼容性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于電子裝置的改進(jìn)振蕩電子組件的制造和 操作方法以及設(shè)備。制造和操作方法以及設(shè)備基于微機(jī)電系統(tǒng)。通過(guò)根
據(jù)本發(fā)明的方法和裝置完成上述目標(biāo)。
本發(fā)明涉及基于微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置，電子裝置 包括襯底、致動(dòng)裝置、相對(duì)襯底可運(yùn)動(dòng)的可運(yùn)動(dòng)元件以及傳感器，致動(dòng) 裝置適用于引起可運(yùn)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)而傳感器將可運(yùn)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成 電振蕩信號(hào)，其中致動(dòng)裝置包括第一感應(yīng)元件和至少一個(gè)第二感應(yīng)元件， 第一感應(yīng)元件固定在襯底上而第二感應(yīng)元件固定在可運(yùn)動(dòng)元件上。本發(fā) 明的優(yōu)點(diǎn)是可以將用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置集成到半導(dǎo)體襯底 中，例如硅襯底，從而提供高度集成解決方案或換句話說(shuō)具有片上集成 功能的裝置。用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的優(yōu)點(diǎn)是容易使用標(biāo)準(zhǔn)半 導(dǎo)體處理技術(shù)來(lái)集成。后者獲得了用于產(chǎn)生振蕩的電子裝置的更簡(jiǎn)單、 更低成本的實(shí)現(xiàn)。所述裝置的另一優(yōu)點(diǎn)是只要求低電壓。所述裝置還有 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)選擇膜片性質(zhì)可以確定所產(chǎn)生的振蕩頻率的選擇。還有 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電子裝置不包括特殊的材料，比如鐵電材料。
電子裝置的傳感器可以包括固定在可運(yùn)動(dòng)元件上的磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)
元件和用于在磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件中提供DC電流的DC電流源。
電子裝置的傳感器可以包括固定在襯底上的磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件，用 于把作用于襯底上的變化磁力轉(zhuǎn)換成電振蕩信號(hào)。電子裝置的優(yōu)點(diǎn)是所 述裝置的傳感器是高度易集成的并可以用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)制作。傳 感器還可以包括霍爾傳感器或者磁致伸縮元件。
第一感應(yīng)元件和至少一個(gè)第二感應(yīng)元件可以是彼此電連接的。把第 一感應(yīng)元件和至少一個(gè)第二感應(yīng)元件相連接可以允許向這些感應(yīng)元件提 供相同的交變電流信號(hào)。后者的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得第一感應(yīng)元件和至少一 個(gè)第二感應(yīng)元件之間的優(yōu)化相互作用力，因?yàn)闆](méi)有出現(xiàn)相位差。
電子裝置還可以包括電子放大電路，適用于從傳感器接收電振蕩信 號(hào)并向致動(dòng)裝置提供放大的電振蕩信號(hào)。電子裝置的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得具 有固定振幅的諧振振蕩信號(hào)，其可以容易地被用作基準(zhǔn)信號(hào)。電子放大
電路可以適用于接收DC電流信號(hào)作為放大器的增益輸入信號(hào)。這有利地
允許容易地控制電子裝置的增益。
所述裝置可以包括向第一感應(yīng)元件和第二感應(yīng)元件提供交變電流 的交變電流源。所述裝置的優(yōu)點(diǎn)是可以重復(fù)使用所產(chǎn)生的諧振振蕩信號(hào) 的一部分。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以使用低電壓來(lái)致動(dòng)。
所述感應(yīng)元件中的每一個(gè)或選定的一組可以是電磁線圈。優(yōu)點(diǎn)是可 以用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁線圈。本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有 像很多現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)那樣要求先進(jìn)IC技術(shù)的高電壓，也就是不需要20V
到40V的電壓，而是本發(fā)明可以在低電壓下使用，也就是像5V那么低， 像3V那么低甚至像1V那么低。當(dāng)系統(tǒng)使用電流時(shí)，供電電壓可以盡可 能低，只要在低阻抗元件下可以產(chǎn)生電流并因此可以實(shí)現(xiàn)放大器。通過(guò) 用基于振蕩器的電流來(lái)避免在芯片上對(duì)很高電壓的需要來(lái)得到后者。按 照這種方式，可以避免需要用于產(chǎn)生這些高壓的附加電路。
感應(yīng)元件可以在襯底的平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這可以得到非常高效的裝置。 所述裝置可以包括用來(lái)把電振蕩信號(hào)保持在固定幅度的相移和電 平控制裝置。優(yōu)點(diǎn)是所述裝置可以用來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)振蕩頻率。
可以將微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)置在封閉腔中。封閉腔可以是封閉真空腔。封 閉腔可以包括覆蓋襯底，并且可以包括用來(lái)封閉腔體的密封元件。本發(fā) 明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得所述裝置的高品質(zhì)因子。
可運(yùn)動(dòng)元件可以是膜片。選擇膜片特性可以允許選擇諧振頻率。 本發(fā)明還涉及基于襯底上的微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的方法，所 述方法包括在固定在襯底上的第一感應(yīng)元件和固定在可運(yùn)動(dòng)元件上的至 少一個(gè)第二感應(yīng)元件中提供交變電流以引起可運(yùn)動(dòng)元件的振動(dòng)，將可運(yùn) 動(dòng)元件的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成襯底上的交變磁力，以及將襯底上的交變磁力轉(zhuǎn)換 成電振蕩信號(hào)。
對(duì)交變磁力進(jìn)行轉(zhuǎn)換可以包括用磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件來(lái)感測(cè)交變磁力。
對(duì)振動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可以包括提供經(jīng)過(guò)在可運(yùn)動(dòng)元件上設(shè)置的磁場(chǎng)誘 導(dǎo)感應(yīng)元件的DC電流。
所述方法還可以包括放大電振蕩信號(hào)和向第一感應(yīng)元件和至少一 個(gè)第二感應(yīng)元件提供放大的電振蕩信號(hào)?？梢允褂肈C電流控制電振蕩信 號(hào)的放大。
所述方法還可以包括把電振蕩信號(hào)保持在固定的幅度?？梢詢?yōu)選地 使用如在本發(fā)明實(shí)施例中描述的用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置作為低
壓基準(zhǔn)振蕩器。
本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置允許小型 化。從而本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的尺寸 很小。用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的尺寸可以在所有方向限制在幾 百毫米以內(nèi)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以在其中可以使用集成系統(tǒng)中的振蕩器的幾乎 所有系統(tǒng)中使用根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置。有益地， 可以在使用基準(zhǔn)頻率的所有應(yīng)用中使用產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置，其 中需要基準(zhǔn)頻率具有或多或少的精度值。
在所附獨(dú)立和從屬權(quán)利要求中展示了本發(fā)明的特殊的和優(yōu)選的方 面。在適當(dāng)?shù)那闆r下，可以把從屬權(quán)利要求中的特征和獨(dú)立權(quán)利要求中 的特征以及其它從屬權(quán)利要求中的特征相結(jié)合，所述結(jié)合并不僅限于權(quán) 利要求中列舉的那些。
盡管在該領(lǐng)域中存在器件持續(xù)的改進(jìn)、變化和演化，但是確信本發(fā) 明的原理表示實(shí)質(zhì)的新的和新穎的改進(jìn)，包括與現(xiàn)有實(shí)踐的背離，從而 提供這種性質(zhì)的更有效、穩(wěn)定和可靠的裝置。
本發(fā)明的教益允許用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)(例如，基準(zhǔn)電振蕩信號(hào)) 的改進(jìn)方法和設(shè)備的設(shè)計(jì)，如可以在例如通信應(yīng)用、微計(jì)算機(jī)等中使用。
根據(jù)結(jié)合作為示例示出了本發(fā)明原理的附圖的以下詳細(xì)描述，本發(fā) 明的這些和其他特征、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將變得顯而易見(jiàn)。該描述僅用于示例 目的，而并不限制本發(fā)明的范圍。以下引用的參考圖指的是參考附圖。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的包括由一組感應(yīng)元件致動(dòng)的MEMS 的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的側(cè)視圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的包括由一組電磁線圈致動(dòng)的MEMS 的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的側(cè)視圖3是如圖2所示包括由一組電磁線圈致動(dòng)的MEMS的產(chǎn)生電振蕩 信號(hào)的電子裝置的X-Z截面圖4是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的包括由一組電磁線圈致動(dòng)的
MEMS的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的第一可能布局；
圖5是根據(jù)本發(fā)明另一示范性實(shí)施例的包括由一組電磁線圈致動(dòng)的 MEMS的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的第二可能布局；
圖6a是如圖5所示的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的布局沿A-A'線 的截面圖6b是如圖5所示的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的布局沿B-B'線 的截面圖6c是如圖5所示的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的布局沿C-C'線 的截面閣7a是包括如圖5所示的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的第一電磁 線圈和第四電磁線圈的第一材料層布局；
圖7b是包括如圖5所示的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的第二電磁 線圈和第三電磁線圈的第二材料層布局；
圖8是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的包括由裝在腔中的一組感應(yīng)元件致 動(dòng)的MEMS的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的截面圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的包括由裝在腔中的一組感應(yīng)元件致 動(dòng)的MEMS的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的截面圖IO是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的包括MEMS的產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電 子裝置的截面圖，其中提供了頻率諧振回路；
在不同附圖中，同樣的附圖標(biāo)記表示同樣或類似元件。
具體實(shí)施例方式
將參考具體實(shí)施例和特定附圖描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于 此，而是由權(quán)利要求來(lái)限制。不應(yīng)該將權(quán)利要求中的任何參考符號(hào)解釋 為限制范圍。附圖只是示意性的并且是非限制性的。在附圖中，為了說(shuō) 明的目的將一些元件的尺寸進(jìn)行夸大，并且不是按比例繪制。在本說(shuō)明 書(shū)和權(quán)利要求中使用術(shù)語(yǔ)"包括"時(shí)，并不排除其他元件或步驟的存在。 單數(shù)元件也可以包括多個(gè)元件，除非另有說(shuō)明。
另外，在描述和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)第一、第二和第三等用于區(qū)分類 似的元件，并且不一定是用于描述有順序的或按時(shí)間順序的。應(yīng)該理解
的是，這樣使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下是可互換的，并且這里描述的本 發(fā)明的實(shí)施例能夠以除了這里所述或所示的其他順序操作。
此外，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)頂部、底部、上方和下方等是用 于描述性目的，并且不一定是描述相對(duì)位置。應(yīng)該理解的是這樣使用的 術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下是可互換的，并且這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以 按照除了這里所述或所示之外的其他朝向來(lái)操作。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)"襯底"可以包括任何可以使用的一種 或多種基底材料，或其上可以形成裝置、電路或外延層的材料。在其它 可選實(shí)施例中，該"襯底"可以包括半導(dǎo)體襯底，例如摻雜硅、砷化鎵
(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、鍺(Ge)，或鍺硅(SiGe) 襯底。例如，"襯底"可以包括除了半導(dǎo)體襯底部分以外的絕緣層，如 Si02或Si^層。從而，術(shù)語(yǔ)襯底還包括玻璃基硅、蘭寶石基硅襯底。術(shù) 語(yǔ)"襯底"從而用來(lái)一般地定義用在感興趣的層或部分下的層的元素。 同樣，"襯底"可以是其上形成層的任何的其它基底，例如玻璃或金屬層。 在第一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及基于也稱為MEMS的微機(jī)電系統(tǒng)來(lái)產(chǎn) 生電振蕩信號(hào)的電子裝置和方法。所述裝置使用可運(yùn)動(dòng)元件，例如振動(dòng) 膜片，以及作為振蕩頻率發(fā)生器的致動(dòng)裝置和用于檢測(cè)振蕩頻率并將其 轉(zhuǎn)換為電振蕩信號(hào)的傳感器。頻率發(fā)生和優(yōu)選地其頻率檢測(cè)都是基于一 組兩個(gè)感應(yīng)元件，允許在與半導(dǎo)體處理技術(shù)完全的兼容性下制造該裝置。 雖然不限制使用專門的半導(dǎo)體處理技術(shù)，但是允許得到在很低電壓下工 作的系統(tǒng)的技術(shù)(例如M0S處理)是優(yōu)選的。在優(yōu)選的實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn) 半導(dǎo)體處理技術(shù)和盡可能少的外加步驟相結(jié)合來(lái)創(chuàng)建MEMS結(jié)構(gòu)，例如利
用僅僅單個(gè)外加步驟以釋放可運(yùn)動(dòng)元件。
所述系統(tǒng)還可以包括反饋系統(tǒng)，從而可以在可運(yùn)動(dòng)元件主振蕩頻率 處得到穩(wěn)定諧振振蕩。與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相反，振蕩器不需要包括使用與 標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)很少兼容或不兼容的特殊材料，例如鐵磁材料。現(xiàn) 在將參考附圖對(duì)裝置的不同組件在更多細(xì)節(jié)上進(jìn)行描述。在圖1中可以 看到用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置100的原理性表示。產(chǎn)生電振蕩信 號(hào)的電子裝置100包括安裝或形成在襯底104上以便可以相對(duì)于襯底 104自由振動(dòng)的可運(yùn)動(dòng)元件102。實(shí)際上，典型地不把可運(yùn)動(dòng)元件102從襯底104上完全斷開(kāi)，而是會(huì)具有到襯底的錨點(diǎn)，從機(jī)械上講，可以 看做是軸心點(diǎn)或旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。典型地，在致動(dòng)裝置區(qū)域和傳感區(qū)域之間提供
錨點(diǎn)。然而，可運(yùn)動(dòng)元件102的很大部分可以自由運(yùn)動(dòng)?？蛇\(yùn)動(dòng)元件可 以是平面結(jié)構(gòu)，例如薄扁片或膜片?？蛇\(yùn)動(dòng)元件102由允許可運(yùn)動(dòng)元件 102振動(dòng)的合適材料構(gòu)成。因此，可以以任何類型的硬材料，例如金屬、 多晶硅、氮化物等，實(shí)現(xiàn)例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102。如果例如使用鋁 或銅層作為可運(yùn)動(dòng)元件102，典型的厚度范圍可以從lPm到10um，雖 然本發(fā)明不限制于此?？蛇\(yùn)動(dòng)元件102具有主諧振頻率，例如在膜片的 情況下彈性模式(flexive mode)的主諧振頻率。從而主諧振頻率優(yōu)選 地和可運(yùn)動(dòng)元件102的彈性模式的主諧振頻率相對(duì)應(yīng)。
所述裝置還包括用于在其主諧振頻率產(chǎn)生膜片振動(dòng)的致動(dòng)裝置。致 動(dòng)裝置包括第一組感應(yīng)元件，例如兩個(gè)或更多電磁線圈。該組感應(yīng)元件 包括第一感應(yīng)元件106，例如第一電磁線圈，以及至少一個(gè)第二感應(yīng)元 件108，例如第二電磁線圈。第一組感應(yīng)元件可以包括一個(gè)第一感應(yīng)元 件106和一個(gè)第二感應(yīng)元件108。在襯底104上提供第一感應(yīng)元件106， 例如是在襯底104上作為第一金屬層實(shí)現(xiàn)的電磁線圈。從而第一感應(yīng)元 件106具有關(guān)于襯底104的固定位置，或者換句話說(shuō)，固定在或形成在 襯底104上。實(shí)現(xiàn)第二感應(yīng)元件108以使得其相對(duì)于襯底104自由懸浮。 它可以是例如作為第二金屬層實(shí)現(xiàn)的電磁線圈。第二感應(yīng)元件108機(jī)械 上與例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102耦合，或者換句話說(shuō)固定在或集成在膜 片102上。因此，第二感應(yīng)元件108可以是構(gòu)成膜片102的一部分，或 者可以把它與例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102相連接，例如作為單獨(dú)的膜片 上的外加物?？梢栽诜蛛x襯底上也可以在同一個(gè)襯底上制作兩個(gè)感應(yīng)元 件106、 108。為了低損耗，可以例如是電磁線圈的感應(yīng)元件可以由金屬
制成。其典型例子是鋁、銀、金、銅，等等。優(yōu)選地，基于例如不完全 刻蝕(under-etching)技術(shù)，在同一襯底上制作兩個(gè)感應(yīng)元件106、 108，
因?yàn)檫@減少了需要的制造人力和制造成本。可以可選地用電導(dǎo)通孔110 把第一感應(yīng)元件106和第二感應(yīng)元件108電氣相連，以便第二感應(yīng)元件 108可以相對(duì)第一感應(yīng)元件106自由振動(dòng)。感應(yīng)元件106、 108實(shí)質(zhì)上放 置為一個(gè)在另一個(gè)上面從而在感應(yīng)元件中提供電流導(dǎo)致感應(yīng)元件之間互
作用力的出現(xiàn)。通過(guò)在第一感應(yīng)元件106和第二感應(yīng)元件108兩個(gè)中都 提供交流電(AC電流)，感應(yīng)元件106、 108中產(chǎn)生變力，導(dǎo)致感應(yīng)元件 106、 108相對(duì)于對(duì)方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，用來(lái)使例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102運(yùn) 動(dòng)或保持其運(yùn)動(dòng)。換句話說(shuō)，致動(dòng)裝置包括至少兩個(gè)感應(yīng)元件，第一感 應(yīng)元件用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，至少一個(gè)第二感應(yīng)元件用來(lái)對(duì)該磁場(chǎng)作出反應(yīng)， 并作用為"發(fā)動(dòng)機(jī)"來(lái)產(chǎn)生可運(yùn)動(dòng)元件102的振動(dòng)。用流經(jīng)第一和第二 感應(yīng)元件106、 108的交流電，變化的力會(huì)推動(dòng)感應(yīng)元件互相遠(yuǎn)離并且電 流變化會(huì)調(diào)制把感應(yīng)元件推離的力。用這樣的方法產(chǎn)生了可運(yùn)動(dòng)元件 102的振動(dòng)。盡管在原理上可以使用兩個(gè)相似的交流電信號(hào)，把每個(gè)信 號(hào)提供給感應(yīng)元件106、 108中的一個(gè)，但是優(yōu)選地兩個(gè)感應(yīng)元件106、 108電氣相接以便可以用電導(dǎo)通孔110把相同的信號(hào)提供給兩個(gè)感應(yīng)元 件106、 108。后者提高兩個(gè)感應(yīng)元件之間的力耦合，因?yàn)樵趦蓚€(gè)感應(yīng)元 件中的信號(hào)同相。因此，只在可運(yùn)動(dòng)元件102的主諧振頻率(例如膜片 的彈性模式的主諧振頻率)處引起可運(yùn)動(dòng)元件102的振動(dòng)。因此選擇AC 信號(hào)的頻率和主諧振頻率一樣。用這種方法，膜片的頻率不取決于電子 電路而只取決于機(jī)械元件。于是，最大化和穩(wěn)定系統(tǒng)的Q因子允許減少 振蕩阻尼。因此可以在真空(例如真空腔)中提供MEMS。用這種方法， 例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102作用為機(jī)械濾波器，從而得到具有高Q因子 的裝置。
為了產(chǎn)生電振蕩信號(hào)，需要感測(cè)可運(yùn)動(dòng)元件102的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即振 動(dòng)。因此提供了用于感測(cè)可運(yùn)動(dòng)元件的振動(dòng)頻率的裝置。因此，裝置具 有感測(cè)區(qū)(圖1的左手邊)和致動(dòng)區(qū)(圖1的右手邊)。將用舉例的方法 描述包括第二組感應(yīng)元件并允許感測(cè)可運(yùn)動(dòng)元件102的振動(dòng)并提供對(duì)應(yīng) 的電振蕩信號(hào)的傳感器。示例性的傳感器包括磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件112， 在本申請(qǐng)中也稱為第三感應(yīng)元件，在例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102中實(shí)現(xiàn)。 它還包括被提供來(lái)感測(cè)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件112產(chǎn)生的磁場(chǎng)的感測(cè)元 件。該感測(cè)元件可以是磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件114，在本申請(qǐng)中也稱為第四 感應(yīng)元件。在本例子中在物理上位于第三感應(yīng)元件112下面的半導(dǎo)體襯 底104上或內(nèi)提供磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件114。很清楚，雖然把磁場(chǎng)誘導(dǎo)感 應(yīng)元件112放在可運(yùn)動(dòng)元件102內(nèi)或上并且把磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件114放
在襯底104內(nèi)，但是兩個(gè)感應(yīng)元件的位置可以交換。第三和第四感應(yīng)元
件112、 114可以是例如電磁線圈。為了低損耗，這些元件可以由金屬制
成。其典型例子是鋁、銀、金、銅，等等。因?yàn)樵诶缒て目蛇\(yùn)動(dòng)元
件102上或內(nèi)實(shí)現(xiàn)第三感應(yīng)元件112，可運(yùn)動(dòng)元件102的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致第 三感應(yīng)元件112的振動(dòng)。從而第三感應(yīng)元件112不具有相對(duì)于襯底104 的固定位置。通過(guò)電流源(未示出)向磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件提供DC電流。 用第四感應(yīng)元件114感測(cè)第三感應(yīng)元件112的振動(dòng)，因?yàn)閷?duì)第三感應(yīng)元 件112提供了 DC電流，在第四感應(yīng)元件114中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，也就是 DC電流為第三感應(yīng)元件112產(chǎn)生了固定磁場(chǎng)，該固定磁場(chǎng)由于振動(dòng)而以 接近和遠(yuǎn)離第四感應(yīng)元件114的方式運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致了相對(duì)于襯底104 的變化的磁場(chǎng)。流經(jīng)第三感應(yīng)元件的DC電流可以在若干mA的范圍內(nèi)， 例如10mA。可以從總電路的供電電流提供DC電流。換句話說(shuō)，為了節(jié) 省從電源的額外DC電流驅(qū)動(dòng)，可以從內(nèi)置有該振蕩器的系統(tǒng)中流經(jīng)其他 地方的電流得到DC電流。在特別的設(shè)計(jì)中，可以給第二感應(yīng)元件108 和第三感應(yīng)元件112提供共同的供電點(diǎn)。當(dāng)共同供電點(diǎn)是主供電點(diǎn)時(shí)， 一般使用去耦電容器以在不同感應(yīng)元件中產(chǎn)生正確的信號(hào)?？蛇x地，共 同供電點(diǎn)可以是放大器的電流源，其中需要去耦電容器對(duì)第三感應(yīng)元件 進(jìn)行饋送。用這樣的方法在第三感應(yīng)元件中只提供第三感應(yīng)元件中的DC 信號(hào)，而在第一和第二感應(yīng)元件中提供AC信號(hào)。第四感應(yīng)元件114中產(chǎn) 生的變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102的主諧振頻率的振 蕩電信號(hào)。用產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置可以得到的典型振蕩頻率位于 RF范圍。 一般可以得到在例如具有幾百kHz下限(如300kHz)并具有幾 MHz上限的范圍內(nèi)的頻率，但是本發(fā)明不限于此。為了得到更高頻率， 一般需要更小的元件。這經(jīng)常更難制作，更不靈活或更脆弱?？蛇x地， 高頻生成也可以基于材料塊(bulk)的振動(dòng)。第三感應(yīng)元件112和第四 感應(yīng)元件114可以在相同或不同襯底上制作。優(yōu)選地，第三感應(yīng)元件112 和第四感應(yīng)元件H4用例如不完全刻蝕在相同襯底上制作，因?yàn)檫@減少 制造難度和經(jīng)濟(jì)成本。
雖然上面把振動(dòng)頻率傳感器描述為包括兩個(gè)感應(yīng)元件的組合，可以 使用其它感測(cè)裝置。和致動(dòng)裝置相對(duì)比，可以應(yīng)用其它檢測(cè)裝置，只要
它們基于襯底可集成檢測(cè)裝置。感應(yīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件產(chǎn)生的磁場(chǎng)可 以用任何其它適合于感測(cè)磁場(chǎng)的裝置執(zhí)行，例如任何集成霍爾傳感器， 磁致伸縮元件，壓電傳感器，等等。雖然傳感器也可以基于變化電容器， 但是后者更不具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗性谳^高電壓(也就是例如在iov或更高) 下工作的缺點(diǎn)。傳感器中產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)可以用作給幾個(gè)應(yīng)用的輸出 信號(hào)。產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)一般很小，也就是在幾微伏的數(shù)量級(jí)。可以把 信號(hào)饋給放大器116來(lái)產(chǎn)生放大的電振蕩信號(hào)。優(yōu)選地，裝置還包括反 饋回路，以穩(wěn)定產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)。用這種方法，不僅可以產(chǎn)生電振蕩 信號(hào)，還可以維持主諧振頻率處的參考電振蕩信號(hào)。
可以用廣泛范圍的方式實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例。取決于所需要的精度和 額外影響因子，例如可能的溫度漂移和老化漂移，用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào) 的電子裝置的組件會(huì)用較穩(wěn)定或較不穩(wěn)定的材料制作。如果使用不穩(wěn)定 但是可預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式，則可以用數(shù)字集成電路中的可調(diào)系統(tǒng)(例如使 用一組補(bǔ)償表的鎖相環(huán))來(lái)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。如已經(jīng)討論過(guò)的，襯底可以 是適合在其上實(shí)現(xiàn)感應(yīng)元件的任何類型的襯底，例如一但是不限于一半 導(dǎo)體襯底。
優(yōu)選地，感應(yīng)元件106、 108、 112、 114是電磁線圈。后者的優(yōu)點(diǎn) 是它允許獲得低電壓下工作的系統(tǒng)。優(yōu)選地，電磁線圈是實(shí)質(zhì)上定位于 襯底平面內(nèi)或平行于襯底的電磁螺旋形導(dǎo)體。從而電磁線圈的軸可以實(shí) 質(zhì)上禾口襯底平面正交。在"Design, Simulation and Applications of Inductors and transformers for Si RF IC， s，， ， Niknejad， Meyer， Kluwer Academic Press, 2000 —書(shū)中描述了可集成的感應(yīng)器。在本發(fā) 明的裝置中，用兩個(gè)扁平感應(yīng)元件的致動(dòng)非常有效并且可以用非常柔軟 的導(dǎo)線制作。它還有優(yōu)點(diǎn)是，使用扁平感應(yīng)元件，沿著感應(yīng)元件的中軸 執(zhí)行致動(dòng)和感測(cè)或檢測(cè)，因?yàn)橛眠@種方法可以得到去往或來(lái)自可運(yùn)動(dòng)元 件的優(yōu)化能量傳輸。使用電磁線圈允許使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)來(lái)制造 感應(yīng)元件。在圖2和圖3中表示了這樣的使用電磁線圈的裝置200。圖2 表示產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的側(cè)視圖，而圖3表示X-Z截面。作為 膜片運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)裝置的第一組感應(yīng)元件于是包括兩個(gè)電磁線圈，也就是 第一電磁線圈206和第二電磁線圈208，其中的一個(gè)電磁線圈在另一個(gè)
之上盤繞。第一電磁線圈206從外面(即外周)向中心點(diǎn)盤繞。于是用
電導(dǎo)通孔IIO把第一電磁線圈206的中心點(diǎn)和從中心點(diǎn)向外向外圍盤繞 的第二電磁線圈208的中心點(diǎn)相連接。在原理上，這些線圈206、 208 可以在同一個(gè)或兩個(gè)不同襯底上。作為膜片運(yùn)動(dòng)的傳感器的第二組感應(yīng) 元件在本例子中包括至少一個(gè)電磁線圈，稱為第三電磁線圈212?？蛇x 的，提供不和第三電磁線圈電氣相連的第四電磁線圈214。電磁線圈212 典型地是單圈線圈。在原理上，兩個(gè)線圈212、 214可以制作在同一個(gè)襯 底或分離的襯底上。雖然可以在單獨(dú)的處理步驟中制作第二組感應(yīng)元件 的線圈，但是它們也可以在和第一組感應(yīng)元件的線圈生產(chǎn)一樣的處理步 驟中制作。
通過(guò)說(shuō)明的方法，將提供一些用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的示 范性實(shí)施例，其中感應(yīng)元件制作在同一襯底中或同一襯底上，本發(fā)明不 限于此。在這些例子中，用不完全刻蝕技術(shù)來(lái)制作作為MEMS的一部分感 應(yīng)元件。圖4和圖5表示兩個(gè)可用不完全刻蝕制造的電子裝置的例子。 雖然將針對(duì)電磁線圈描述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝 置不局限于此并且可以使用任何感應(yīng)元件。
例如可以通過(guò)在襯底上提供特別結(jié)構(gòu)，然后將襯底暴露于刻蝕劑浴 中來(lái)實(shí)現(xiàn)不完全刻蝕。首先將在更多細(xì)節(jié)上描述用于絕緣層不完全刻蝕 的一般過(guò)程。 一般將刻蝕選擇為對(duì)絕緣層材料的選擇性刻蝕。為了去掉 例如金屬層下的絕緣層，首先用絕緣層和金屬層覆蓋襯底。在金屬層頂 部，提供鈍化層來(lái)至少部分保護(hù)金屬層不被刻蝕劑損壞，因?yàn)椴荒芡耆?保障刻蝕的選擇性。然后，通過(guò)使絕緣層和刻蝕劑相接觸來(lái)發(fā)生不完全 刻蝕。因?yàn)閷?duì)于氧化物的不完全刻蝕而言，需要把絕緣層和刻蝕劑之間 在水平方向上的初始允許的距離限制在例如3 u m左右，為了得到不完全 刻蝕的充分的品質(zhì)，應(yīng)當(dāng)把要被不完全刻蝕的絕緣層的所有區(qū)域到?jīng)]有 被材料覆蓋的區(qū)域的距離也限制到那個(gè)距離，例如對(duì)氧化物的不完全刻 蝕而言是限制到3ixm或更少。于是如果需要不完全刻蝕更寬的面積，需 要在鈍化層和金屬中提供孔以允許刻蝕劑自由接觸絕緣層。這些孔的尺 寸一般取決于刻蝕劑的類型和要被不完全刻蝕的材料。例如對(duì)于在丁烯 乙基乙二醇也稱為BEG的浴中不完全刻蝕氧化物而言，典型地孔為至少
2um乘2um。因此，孔是不完全刻蝕化學(xué)劑可以流動(dòng)來(lái)溶解要被犧牲的 氧化物層從而釋放機(jī)械裝置的惟一區(qū)域。在需要不完全刻蝕較寬區(qū)域的 情況下可能通過(guò)孔把結(jié)構(gòu)和刻蝕劑相接觸，然后允許不完全刻蝕。
選擇回到圖4和圖5所示的例子。在圖4中表示了用于產(chǎn)生電振蕩 信號(hào)的電子裝置的第一個(gè)例子，其中MEMS由不完全刻蝕形成。這里第一 感應(yīng)元件106和第四感應(yīng)元件114不需要在同一個(gè)半導(dǎo)體處理步驟中制 作，并且從而可以(雖然本發(fā)明不限于此)由不同材料制作并且可以位 于相對(duì)于襯底的不同高度上。第二感應(yīng)元件108和第三感應(yīng)元件112也 可以在不同半導(dǎo)體處理步驟中并由不同材料制作，雖然本發(fā)明不限于此。 然而，優(yōu)選地，第一和第四感應(yīng)元件106、 114在同一半導(dǎo)體處理步驟中 由同樣的第一材料制作，而第二和第三感應(yīng)元件108、 112在同一半導(dǎo)體 處理步驟中由同樣的第二材料制作。后者的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樗鼫p少了需要的 半導(dǎo)體處理步驟數(shù)目并從而減少了裝置復(fù)雜度、需要的努力和由此帶來(lái) 的制造成本。在圖5的頂視圖和圖6a到圖6c的截面圖中表示了具有在 僅僅兩個(gè)不同層產(chǎn)生的四個(gè)感應(yīng)元件的第二示例性電子裝置。圖7a和圖 7b分別表示其中制作了第一和第四感應(yīng)元件106、 114的第一材料的布 局，以及其中制作了第二和第三感應(yīng)元件108、 112的第二材料的布局。 用說(shuō)明的方法表示在圖5到圖7b中所示的用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的示例性 電子裝置將會(huì)很清楚，并且很清楚本發(fā)明不限于此。圖5所示的用于產(chǎn) 生電振蕩信號(hào)的電子裝置300包括第一感應(yīng)元件106，在本例子中是由 第一材料的3圈1微米厚層構(gòu)成的電磁線圈，以及第二感應(yīng)元件108， 在本例子中是由第二材料的3微米厚層構(gòu)成的電磁線圈。在感應(yīng)元件之 間，提供了絕緣層(從圖5到圖7b中未示出)，在本例子中是0.5微米 厚的氧化硅。在不完全刻蝕期間犧牲絕緣層，得到不包括固體材料的刻 蝕空間302。除了絕緣層以外，在第一感應(yīng)元件106和第二感應(yīng)元件108 之間提供了導(dǎo)電通孔，以便感應(yīng)元件106、 108電氣上互相連接。在本例 子中，第三感應(yīng)元件112，作為感測(cè)元件的一部分，是在和第二感應(yīng)元 件108同一層制作的作為單圈實(shí)現(xiàn)的電磁線圈，在本例子中是第二材料 的3微米厚層，而第四感應(yīng)元件114也作為感測(cè)元件的一部分，被實(shí)現(xiàn)! 為在和第一感應(yīng)元件106同一層中制作的具有若干圈的電磁線圈，在本例子中是第一材料的1微米厚層。從而第一齊應(yīng)元件106和第四感應(yīng)元
件114具有同樣的厚度，而第二感應(yīng)元件108和第三感應(yīng)元件112具有
同樣的厚度。第一材料和第二材料可以是相同的材料或不同的材料。這 些材料可以是低損耗金屬，例如鋁、金、銀、銅，等等。在第二感應(yīng)元
件108和第三感應(yīng)元件112的頂部，可以提供例如氮化物層的鈍化層 304，在本例子中它是1.5um厚的氮化物層，并在不完全刻蝕期間用作 第二和第三感應(yīng)元件的保護(hù)層。有益地， 一方面可以在第一和第四感應(yīng) 元件之間提供例如氮化物的額外薄保護(hù)層，另一方面被不完全刻蝕的絕 緣層是氧化物在本例子中也就是氧化硅。后者允許在不完全刻蝕期間保 護(hù)第一和第四感應(yīng)元件。在圖5可以看到在鈍化層和第二和第三電磁線 圈中提供了接觸孔306來(lái)允許在第二和第三電磁線圈的廣大區(qū)域?qū)^緣 層進(jìn)行不完全刻蝕。提供孔以便可以實(shí)現(xiàn)電磁線圈之間絕緣層充分的移 除。這個(gè)示例性例子的優(yōu)點(diǎn)是可以使用相同的(一個(gè)或多個(gè))半導(dǎo)體處 理步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)第一感應(yīng)元件和第四電磁感應(yīng)元件的生產(chǎn)。后者可以用例 如沉積導(dǎo)電材料然后接著用掩?？涛g來(lái)制作，以便形成例如電磁線圈的 感應(yīng)元件?？蛇x的，也可以通過(guò)在襯底中創(chuàng)建具有適合于電磁線圈的形 狀的模具并用導(dǎo)電材料填充模具來(lái)制作感應(yīng)元件。也可以使用相同的(一 個(gè)或多個(gè))半導(dǎo)體處理步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)第二感應(yīng)元件和第三感應(yīng)元件的生產(chǎn)。 后者例如可以通過(guò)提供一層導(dǎo)電材料并刻蝕感應(yīng)元件的正確形狀來(lái)實(shí) 現(xiàn)。另外可以用相同的(一個(gè)或多個(gè))半導(dǎo)體處理步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)第二感應(yīng) 元件下和第三感應(yīng)元件下氧化物的不完全刻蝕。不完全刻蝕允許釋放第 二和第三感應(yīng)元件。在圖6a中，表示了圖5沿A-A，線的截面圖。截面 表示由刻蝕空間302分隔開(kāi)的不同電磁線圈106、 108、 112、 114的相對(duì) 位置。另外，表示了鈍化層304和接觸孔306。在圖6b中，表示了圖5 沿B-B'線的截面圖，說(shuō)明了在傳感器輸出附近在第四感應(yīng)元件114處形 成的不同組件。在圖6c中，表示了圖5沿OC'線的截面圖，說(shuō)明了在 第二和第三感應(yīng)元件之間過(guò)渡區(qū)附近的不同組件。得到的圖5所示的結(jié) 構(gòu)具有約60 U m長(zhǎng)和2乘15 ix m寬的振動(dòng)膜片。圖7a表示第一材料的布 局，其中制作了第一感應(yīng)元件106和第四感應(yīng)元件114。圖7b表示第二 材料的布局，其中制作了第二感應(yīng)元件108和第三感應(yīng)元件112。制造
本發(fā)明電路所需的半導(dǎo)體處理技術(shù)優(yōu)選地可以是標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)。
另外，圖5中示出了在第三感應(yīng)元件112和第二感應(yīng)元件108之間的公 共輸入連接點(diǎn)308，并且指出了第三感應(yīng)元件112的第二輸出點(diǎn)310。另 外，指出了傳感器312的輸出點(diǎn)，也就是第四感應(yīng)元件114的輸出點(diǎn)。 電通孔314關(guān)閉第四感應(yīng)元件114。另外在輸入點(diǎn)316，向第一感應(yīng)元件 106提供初始AC信號(hào)。在根據(jù)本發(fā)明的裝置中可以提供額外層，例如用 來(lái)在硅晶片上焊接帽子的準(zhǔn)備層，例如用于產(chǎn)生腔和用于電連接。如果 例如使用鋁作為金屬層，可以提供鎳金層作為準(zhǔn)備層。
在第二實(shí)施例中，本發(fā)明涉及如任何前面實(shí)施例中描述的電子裝 置，其中把用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置的MEMS組件放置在腔中。腔 優(yōu)選地是真空腔，但是本發(fā)明不限于此。腔也可以用氣體填充。把MEMS 放在腔中，優(yōu)選地放在真空腔中，以便可運(yùn)動(dòng)元件102可以漂浮在真空 中，允許可運(yùn)動(dòng)元件102的自由振動(dòng)以得到振蕩頻率生成的非常高的品 質(zhì)因子Q。在真空中Q因子可以是例如在100到1000之間。真空度不是 很關(guān)鍵，因?yàn)樗挥绊懩て臋C(jī)械Q，也就是低真空僅僅導(dǎo)致阻尼效應(yīng)。 如果真空度更低，將需要更多能量來(lái)保持振蕩，從而要求在致動(dòng)裝置和 裝置的膜片之間的更多耦合。于是膜片更少"自由"振蕩在其主諧振頻 率上。 一個(gè)可以得到的真空度例子是例如10—2毫巴，但是本發(fā)明不限于 此。如果把MEMS放在具有足夠高真空的真空腔中，會(huì)出現(xiàn)基本無(wú)阻尼的 振動(dòng)。在Koninklijke Philips Electronics N.V.的國(guó)際專利申請(qǐng)WO 03/079439中給出了如何使用焊塊形成的密封環(huán)在例如兩個(gè)硅層之間產(chǎn) 生半導(dǎo)體襯底腔的例子的詳細(xì)描述。在真空爐中實(shí)現(xiàn)焊塊形成的環(huán)的實(shí) 現(xiàn)回流允許得到真空腔，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，可以用硅襯底來(lái)產(chǎn)生 腔。在圖8中表示了具有結(jié)合在用覆蓋襯底404封閉的封閉腔402中的 MEMS結(jié)構(gòu)的，用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置400的一部分的例子。圖 中示出了MEMS結(jié)構(gòu)的一些典型元件，其被結(jié)合在由襯底104、覆蓋襯底 404和例如由焊塊形成的密封環(huán)的密封元件406形成的腔402中。焊塊 可以用任何合適材料制作，例如錫。腔的典型高度H可以是例如20um， 但是本發(fā)明不限于此。覆蓋襯底404可以由例如不具有比封閉腔更多功 能的覆蓋材料制作，或者覆蓋襯底404可以有附加功能，也就是它可以
例如是位于腔頂部的有源集成電路。例如，可以把用在電子裝置中的放 大器電路集成在覆蓋襯底404中。用這種方法，可以把用于產(chǎn)生電振蕩
信號(hào)的電子裝置的所有功能組件集成在具有有限尺寸的裝置中，從而例 如把裝置在Z方向的厚度限制在幾百微米。因?yàn)橄到y(tǒng)的機(jī)械部分典型地
可以在120ymX60um的尺寸，在X-Y平面的尺寸也受到嚴(yán)格限制，從 而得到真正的微結(jié)構(gòu)。
在第三實(shí)施例中，本發(fā)明涉及如任何前面實(shí)施例中描述的電子裝 置，其中還提供了反饋回路。用這種方法，將創(chuàng)建用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào) 的穩(wěn)定電子裝置500，如圖10所示，來(lái)提供具有固定幅度的電振蕩信號(hào)。 系統(tǒng)可以有益地用作基準(zhǔn)振蕩器。通過(guò)把傳感器輸出信號(hào)，也就是例如 某些實(shí)施例中由磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件114產(chǎn)生的信號(hào)，饋給也稱為放大電 路的電子電路502來(lái)放大信號(hào)，并且通過(guò)把放大的信號(hào)反饋給致動(dòng)裝置 的第一和第二感應(yīng)元件來(lái)得到后者。通過(guò)用于放大的電子電路502的正 確設(shè)計(jì)，也就是通過(guò)調(diào)節(jié)相位和增益，獲得用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的穩(wěn)定 的電子裝置500，從而將信號(hào)保持在固定幅度。在穩(wěn)定的振動(dòng)模式中， 第二感應(yīng)元件108將不會(huì)運(yùn)動(dòng)太多，而感測(cè)部分附近的可運(yùn)動(dòng)膜片將經(jīng) 歷顯著的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槟て旧碚袷幉⑶以诿恳粋€(gè)周期只損耗少量能量， 從而致動(dòng)裝置只用于補(bǔ)償這些損耗。該顯著運(yùn)動(dòng)是通過(guò)感測(cè)方附近的那 部分可運(yùn)動(dòng)元件102振動(dòng)的高Q因子引起的。期待的是獲得符合例如膜 片的那部分可運(yùn)動(dòng)元件102的Q因子的振幅比。然而，將選擇受限的振 動(dòng)幅度，使得膜片不會(huì)碰到襯底。放大電路將輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào) 來(lái)定相，以得到最大的增益。典型地，因此引入了依賴于幾個(gè)機(jī)械和/ 或機(jī)電因子的相移。類似地，調(diào)節(jié)所述增益以在不會(huì)過(guò)驅(qū)動(dòng)的情況下驅(qū) 動(dòng)致動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)以維持振蕩。從而，開(kāi)始振蕩(即啟動(dòng)時(shí))的增益比當(dāng) 系統(tǒng)處于穩(wěn)定操作時(shí)更高。所述電子放大電路502因此可以是允許信號(hào) 的放大從而可以確保相位和增益調(diào)節(jié)的任意電路。這種電路可以基于諸 如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)之類的單極晶體管，也可以是諸如MOS、 fflEMT、 雙極型結(jié)型晶體管(BJT)或異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)之類的其他類 型的晶體管。電路502因此對(duì)較小的讀出電壓即電振蕩信號(hào)進(jìn)行放大， 以便產(chǎn)生放大的電振蕩信號(hào)，作為饋送給第一對(duì)感應(yīng)元件(即第一感應(yīng)
元件106和第二感應(yīng)元件108)的交流電流(AC電流)。通過(guò)提供如本實(shí) 施例中所述的反饋回路，創(chuàng)建了用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置，所述 電子裝置在例如膜片的可運(yùn)動(dòng)元件102的主諧振頻率處諧振?？蛇\(yùn)動(dòng)膜 片的主諧振頻率因此設(shè)定了所述裝置的頻率。振蕩將在較高的回路增益 處是最佳的，從而全部元件(即放大電路)、致動(dòng)器和傳感器提供最大增 益。按照這種方式，所述設(shè)備將最佳地維持膜片彈性模式的主諧振頻率 的振蕩?？蛇x地，如果所述傳感器包括如圖IO所示的磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件 112，可以使用提供給磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件112的DC電流用于控制回路增 益。因此，可以使用所述DC信號(hào)作為用于放大的電子電路502的增益信 號(hào)，或者換句話說(shuō)，可以利用通過(guò)第三感應(yīng)元件112提供的DC電流來(lái)調(diào) 節(jié)放大器增益。按照這種方式，獲得了與用于放大的電子電路502的功 耗的直接聯(lián)系，從而獲得了對(duì)于較高DC電流的較高回路增益。另外可以 從用于放大的電路電源重復(fù)使用在第三感應(yīng)元件中提供的DC電流。因 此，流經(jīng)感應(yīng)元件112的DC電流可以被選擇為獨(dú)立于用于放大的電子電 路的電源電流，從而DC輸入被連接到接地的限流電阻，或者DC電流可 以被重復(fù)使用以便對(duì)用于放大的電子電路502饋電，從而DC輸入被連接 作為用于放大的電子電路502的供電電流，并且去耦電容被提供在致動(dòng) 裝置輸入點(diǎn)和地之間。在后一種情況下，因?yàn)橹貜?fù)使用電流，將消耗更 少的電流，但是需要更強(qiáng)的去耦電容器。在啟動(dòng)振動(dòng)之后，預(yù)期需要額 外地提供給感應(yīng)元件106、 108以維持振動(dòng)的所需AC電流非常低，因?yàn)?只需要補(bǔ)償由于可運(yùn)動(dòng)元件102的振動(dòng)阻尼導(dǎo)致的損耗以及由于用于感 測(cè)的第四感應(yīng)元件竊取的一些能量導(dǎo)致的損耗。優(yōu)選地，由傳感器的輸 出信號(hào)饋送的電路502可以是非常高輸入阻抗的放大器。通過(guò)第一和第 二感應(yīng)元件饋送的AC電流可以是較小的，例如約100;/A。
具體地，用于產(chǎn)生本發(fā)明特定實(shí)施例的電振蕩信號(hào)的電子裝置在放 置在無(wú)源集成硅襯底(PICS)上是有用的。典型地，產(chǎn)生了這樣的單個(gè) 低成本硅管芯，其不僅承載全部無(wú)源部件，而且還承載了它們之間的互 連圖案。由于MEMS結(jié)構(gòu)容易集成到諸如硅之類的半導(dǎo)體襯底上，可以有 利地執(zhí)行用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置與PICS的結(jié)合。換句話說(shuō)，可 以使用本發(fā)明的實(shí)施例有利地實(shí)現(xiàn)將基準(zhǔn)振蕩器功能集成在硅基系統(tǒng)封 裝中。按照這種方式，例如可以將總比率功能集成到單獨(dú)的硅基封裝中。 另外，通過(guò)基于有源功能混合以不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)的幾種管芯，可以有利地
實(shí)現(xiàn)BAW濾波器、MEMS等。
對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，用于完成實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的產(chǎn)生電振蕩信號(hào) 的電子裝置的目的的其他結(jié)構(gòu)是顯而易見(jiàn)的。
應(yīng)該理解的是，盡管針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的裝置討論了優(yōu)選實(shí)施例、具 體的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和材料，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn) 行各種形式和細(xì)節(jié)上的變化和修改。例如，盡管在上述實(shí)施例中，給出 了用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的具體備選裝置的描述，本發(fā)明還涉及基于具有 感應(yīng)元件操作的致動(dòng)裝置的MEMS產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的方法。所述方法一般 包括以下步驟致動(dòng)可運(yùn)動(dòng)元件，使得引入可運(yùn)動(dòng)元件的振動(dòng)，從而通 過(guò)高度集成的致動(dòng)裝置執(zhí)行所述致動(dòng)。例如，后者可以通過(guò)使用一組兩 個(gè)感應(yīng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)， 一個(gè)感應(yīng)元件(例如第一感應(yīng)元件)在裝置的襯底 中引入或者固定到襯底上， 一個(gè)感應(yīng)元件(例如第二感應(yīng)元件)在可以 相對(duì)于襯底運(yùn)動(dòng)的可運(yùn)動(dòng)元件中引入或固定到可運(yùn)動(dòng)元件。這些感應(yīng)元 件可以是電磁線圈?？梢詫⑦@些感應(yīng)元件設(shè)置在彼此上面。通過(guò)在這些 感應(yīng)元件中提供交流電，可以在感應(yīng)元件之間產(chǎn)生變化的交變力，導(dǎo)致 可運(yùn)動(dòng)元件的振動(dòng)，或者至少可運(yùn)動(dòng)元件的可運(yùn)動(dòng)部分的振動(dòng)。因此， 例如可以通過(guò)在所述兩個(gè)感應(yīng)元件的組中提供交流電來(lái)執(zhí)行致動(dòng)。然后 將可運(yùn)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)(即振動(dòng))轉(zhuǎn)換為所述襯底上(即相對(duì)于所述襯底) 的交變磁力。例如，可以通過(guò)提供通過(guò)感應(yīng)元件(例如，在可運(yùn)動(dòng)元件 的可運(yùn)動(dòng)部分上引入的或固定到其上的第三感應(yīng)元件)的DC電流來(lái)執(zhí)行 所述轉(zhuǎn)換。后者允許產(chǎn)生相對(duì)于可運(yùn)動(dòng)元件的固定的磁力，以及在振動(dòng) 時(shí)相對(duì)于襯底變化的磁力。然后測(cè)量襯底上變化的或交變的磁力，并且 將其轉(zhuǎn)換為交流電信號(hào)，所述交流電信號(hào)可以是所產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)。 可以使用感應(yīng)元件(例如，第四感應(yīng)元件)來(lái)進(jìn)行所述轉(zhuǎn)換，盡管也可 以使用提供襯底中的較高集成度的其他裝置。可以直接使用或者首先放 大所產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)，所述電振蕩信號(hào)在可以由第三和第四感應(yīng)元件 組成的傳感器裝置的輸出點(diǎn)處獲得?？蛇x地，可以在適合的電子電路(例 如，放大器)中放大所產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)，并且可以將放大的所產(chǎn)生的
電信號(hào)至少部分地用于致動(dòng)所述可運(yùn)動(dòng)元件。例如，可以通過(guò)向致動(dòng)裝 置的感應(yīng)元件饋送放大的所產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)來(lái)執(zhí)行后者。從而可以控 制在放大期間獲得的增益和相位以便產(chǎn)生具有固定振幅的電振蕩信號(hào)。 可以通過(guò)饋送DC信號(hào)作為在適合的電路(例如放大器)中的增益控制信
號(hào)來(lái)至少部分地確定放大的所產(chǎn)生的電振蕩信號(hào)的增益，所述DC是在第
三感應(yīng)元件中用來(lái)在變化的磁力中轉(zhuǎn)換可運(yùn)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。有利 地，可以使用用于產(chǎn)生在本發(fā)明實(shí)施例中所述的電振蕩信號(hào)的電子裝置
來(lái)執(zhí)行上述方法。
權(quán)利要求
1.一種電子裝置(100，200，300，400，500)，用于基于微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)生電振蕩信號(hào)，所述電子裝置包括襯底(104)，致動(dòng)裝置，相對(duì)于所述襯底(104)可運(yùn)動(dòng)的可運(yùn)動(dòng)元件(102)以及傳感器，所述致動(dòng)裝置適用于引起所述可運(yùn)動(dòng)元件(102)的運(yùn)動(dòng)，而所述傳感器適用于將所述可運(yùn)動(dòng)元件(102)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電振蕩信號(hào)，其中所述致動(dòng)裝置包括第一感應(yīng)元件(106)和至少一個(gè)第二感應(yīng)元件(108)，所述第一感應(yīng)元件(106)固定在所述襯底(104)上，而所述第二感應(yīng)元件(108)固定在所述可運(yùn)動(dòng)元件(102)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子裝置(100， 200， 300， 400， 500)， 所述傳感器包括固定在所述可運(yùn)動(dòng)元件(102)上的磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件(112)和用于在所述磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件(112)中提供DC電流的DC電 流源。
3. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電子裝置(100， 200， 300， 400， 500)，所述傳感器包括固定在所述襯底(104)上的磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件(114)，用于把作用于所述襯底(140)上的變化磁力轉(zhuǎn)換成電振蕩信號(hào)。
4. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電子裝置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述第一感應(yīng)元件(106)和所述至少一個(gè)第二感應(yīng)元件(108) 彼此電連接。
5. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電子裝置(500)，其中所述電子 裝置(500)還包括電子放大電路(502)，所述電子放大電路(502)適 用于從所述傳感器接收所述電振蕩信號(hào)，并且向所述致動(dòng)裝置提供放大 的電振蕩信號(hào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5在引用權(quán)利要求2時(shí)所述的電子裝置(500)， 其中所述電子放大電路(502)還適用于接收所述DC電流信號(hào)，作為所 述電子放大電路(502)的增益輸入信號(hào)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的電子裝置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述電子放大電路(502)包括相移和電平控制裝置，用于將 電振蕩信號(hào)維持在固定的幅度。
8. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電子裝置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述裝置(100， 200， 300， 400， 500)包括交變電流源，用 于向所述第一感應(yīng)元件(106)和所述第二感應(yīng)元件(108)提供交變電 流。
9. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電子裝置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述感應(yīng)元件(206， 208)是電磁線圈。
10. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電子裝置(400)，其中，將所述 微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)置在封閉腔(402)中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電子裝置(400)，其中所述封閉腔包 括覆蓋襯底(404)和用于封閉所述腔(402)的密封元件(406)。
12. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電子裝置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述可運(yùn)動(dòng)元件是膜片。
13. —種基于襯底(104)上的微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的方法， 所述方法包括一在固定在所述襯底(104)上的第一感應(yīng)元件(106)和固定在 可運(yùn)動(dòng)元件(102)上的至少一個(gè)第二感應(yīng)元件(108)中提供交變電流， 以引起所述可運(yùn)動(dòng)元件(102)的振動(dòng)；一將所述可運(yùn)動(dòng)元件(102)的所述振動(dòng)轉(zhuǎn)換成所述襯底(104) 上的交變磁力；一將所述襯底(104)上的交變磁力轉(zhuǎn)換成電振蕩信號(hào)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中轉(zhuǎn)換所述交變磁力包括用 磁場(chǎng)感測(cè)感應(yīng)元件(114)來(lái)感測(cè)所述交變磁力。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13至14中任意一項(xiàng)所述的方法，其中轉(zhuǎn)換所述 振動(dòng)包括提供經(jīng)過(guò)在所述可運(yùn)動(dòng)元件(102)上設(shè)置的磁場(chǎng)誘導(dǎo)感應(yīng)元件 的DC電流。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13至15中任意一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包 括放大所述電振蕩信號(hào)和向所述第一感應(yīng)元件和所述至少一個(gè)第二感 應(yīng)元件提供所述放大的電振蕩信號(hào)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16在引用權(quán)利要求15時(shí)所述的方法，其中使用 所述DC電流控制所述電振蕩信號(hào)的放大。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任意一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包 括把電振蕩信號(hào)保持在固定的幅度。
全文摘要
基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)描述了用于產(chǎn)生電振蕩信號(hào)的電子裝置。電子裝置典型地包括襯底(104)、相對(duì)襯底(104)可運(yùn)動(dòng)的可運(yùn)動(dòng)元件(102)以及致動(dòng)裝置和傳感器。致動(dòng)裝置用于引起可運(yùn)動(dòng)元件(102)的振動(dòng)并包括兩個(gè)感應(yīng)元件，第一感應(yīng)元件配置為固定在襯底(104)上而第二感應(yīng)元件配置為固定在可運(yùn)動(dòng)元件(102)上。使用傳感器感測(cè)可運(yùn)動(dòng)元件(102)引起的振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換成電振蕩信號(hào)?？梢詫⑿盘?hào)放大并且用來(lái)至少部分地驅(qū)動(dòng)致動(dòng)裝置，使得可以獲得在穩(wěn)定諧振頻率處并具有固定振幅的振蕩信號(hào)。將不同的器件高度集成在芯片上。
文檔編號(hào)H03H9/02GK101194421SQ200680020132
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
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