CN101273521B - 基于压阻式谐振器的振荡器 - Google Patents

Abstract

一种振荡器电路包括第一和第二压阻式谐振器(1，2)，每个二压阻式谐振器均具有一个谐振频率，其中每个压阻式谐振器均具有用于驱动所述谐振器的输入端，并且每个压阻式谐振器的输入端与所述谐振器中的另一个的输出端耦接，从而在未经放大和没有移相器的情况下根据各个谐振器的电阻提供反馈。这允许在不需要其它部件来提供相移的情况下进行反馈。这就意味着可以使用更简单的电路，从而有助于更大的集成并且因此使成本更低。通过使用压阻式谐振器，可以避免需要使用外部晶体，这允许更大的集成以及使成本更低。

Description

基于压阻式谐振器的振荡器

技术领域

本发明涉及振荡器电路，还涉及具有这种电路的MEMS结构以及制造和操作它们的方法。

背景技术

某些晶体，最显著的是石英，会呈现压电现象，也就是说，如果向晶体表面施加压力，那么晶体会产生电压。反之，如果向晶体施加电压，那么会使得该晶体产生机械形变。这种现象已经被用作制造振荡器。晶体被放置在放大器电路的反馈通路中，从而以主要取决于晶体尺寸的频率振荡。这是个并联谐振电路，晶体被放置在放大器或反向器周围的并联通路中。

基于压电特性，利用MEMS(微电子机械系统)技术制造传感器也是已知的。压阻式压力传感器中的传感材料是在硅衬底上形成的膜片，其根据所施加的压力而弯曲。膜片的晶格由于这种弯曲而发生形变。这种形变使得放置在膜片上的压敏电阻器的能带结构发生改变，从而导致材料的电阻率发生改变。这种变化可能是增大或者减小，这取决于电阻器掺杂的类型。

但是，由于压阻元件的输出具有90°的相移，所以传统反馈装置并不是有效的，因而振荡器中并不经常采用这种压阻式谐振元件。这可以通过相移器补偿。

WO2004053431示出了一种采用了谐振器的振荡器，其中谐振器采用了静电(电容式)激励和压阻式读取。但是，压阻式读取导致了在其谐振频率上输入和输出信号之间π/2的相移。于是，谐振器的输出不能直接反馈至其输入端，在电容式或压电式读取的情况下这将导致振荡。

发明内容

本发明的目的是提供改进的振荡器电路，并且提供具有这种电路的MEMS结构以及制造和操作它们的方法。根据第一方面，本发明提供：

一种振荡器电路，其包括第一和第二压阻式谐振器，它们每个均具有一个谐振频率，每个压阻式谐振器均具有用于驱动所述谐振器的输入端，并且每个压阻式谐振器的输入端与另一个的谐振器的输出端耦接，从而根据各个谐振器的电阻提供反馈。这利用了每个谐振器的输入端和输出端之间的相移，从而使得反馈不需要其它部件来提供相移。这就意味着可以使用更简单的电路，从而有助于更大的集成并且因此使得成本更低。通过利用压阻式谐振器，对外部晶体的需求可以消除，于是能够更大地集成并使得成本更低。

根据本发明第一方面的实施例，输出端在未经放大的情况下直接被馈入各个输入端。

在本发明第一方面的实施例中，谐振器均可以被形成为一种MEMS结构。

根据本发明第一方面的实施例，压阻式谐振器可以并联起来。

在这种情况下，每个谐振器具有串联耦接着的电阻器或电感，每个输出端引自各个谐振器及其串联耦接着的电阻器或电感之间。

在根据本发明第一方面的实施例中，每个压阻式谐振器均可包括细长的部件，其被布置成沿着所述部件的纵向轴线振荡。压阻式谐振器每个都具有耦接至它们的各个输入端的静电驱动电极，从而驱动细长的部件。根据特定实施例，细长的部件具有更宽的末端，其比所述细长的部件的主体宽10倍或者至少10倍，其被用作静电驱动电极。

根据本发明第一方面的振荡器电路适合使用低于4伏特的驱动电压。这使得电路可以使用现有低电压电路，尤其是电池供电的装置。

本发明的另一方面提供了一种集成振荡器，其包括第一和第二压阻式谐振器，它们每个均具有一个谐振频率，每个压阻式谐振器均具有用于驱动所述谐振器的输入端，并且每个压阻式谐振器的输入端与谐振器中的另一个的输出端耦接，从而根据各个谐振器的电阻提供反馈。这可以用于电池供电的装置中。

本发明还提供了一种电池供电的装置，其包括如本发明第一方面所述的振荡器电路或者如本发明第二方面所述的集成振荡器。

下面将描述互相结合以及与任何方面结合的其它特点。对于本领域技术人员而言，本发明的其它优点，尤其是优于现有技术的优点，是显然的。在不脱离本发明权利要求的情况下可以作出大量变化和修改。因此，可以很清楚的理解的是，本发明的形式仅仅用于图示说明而不是用于限制本发明的范围。

附图说明

参考附图，通过示例的方式对如何实现本发明予以描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例的压阻式振荡器电路；

图2和图3示出了谐振时作为时间的函数的dR和V的变化；

图4示出了具有电感线圈的压阻式振荡器电路；

图5示出了WO2004/053431中描述的压阻式谐振器布局的平面图；以及

图6示出了对图5中的谐振器以弹簧质点系统建模。

具体实施方式

本发明将通过特定实施例并参考附图而予以描述，但是本发明并不限于此而是仅仅由权利要求限定。权利要求中的任何标号都不应该被解释为限制本发明的范围。所描述的附图仅仅是示意性的而不是限制性的。在附图中，为了图示说明，一些元件的尺寸可能被放大并且未按比例描绘。本发明说明书和权利要求中词语“包括”的使用并不排除其它元素和步骤的存在。除非特殊说明，否则在涉及单个名词(例如“一个”)时，不确定的或者确定的冠词的使用并不排除多个该元素的存在。

此外，本发明说明书和权利要求中的第一、第二、第三等等是用于区分类似元件，它们并不是用于描述次序或者时间顺序。应该理解的是，在某种情况下所使用的术语可以互换，并且在此描述的本发明实施例能够以除了在此描述或说明的顺序之外的其它顺序操作。

本发明的实施例利用压阻效应来建立诸如MEMS振荡器的振荡器电路。在本发明的一个方面中，振荡器电路具有第一和第二压阻式谐振器，每个压阻式谐振器的输入端与另一个谐振器的输出端耦接。利用标准半导体(例如硅工艺技术)而无需使用特殊材料(例如压电材料)就可以实现本发明的实施例。因此，它能够实现小型单芯片振荡器。根据本发明的振荡器电路能够在不影响振荡器性能和/或功耗的情况下进行扩展，于是能够以产生高震荡频率的小尺寸实现。功耗为1mW时预计的噪声基底可小于-145dBc/Hz，这能与传统石英振荡器的性能相匹敌。为装置提供低电压就可以实现持续振荡，因此这很适合于电池供电的应用。因此，根据本发明的振荡器电路可被用于电池供电的装置。此外，在一些实施例中，在电容式(MEMS)或压电式(石英)振荡器中，振荡器电路并不需要放大器来保持振荡。

此外显著的特征包括输出端在未经放大的情况下被直接馈入各个输入端。替换实施例可以包括放大但是仍可实现一些优点。根据本发明的实施例，每个压阻式谐振器都能形成为MEMS结构。根据本发明的实施例，压阻式谐振器可以并联起来，每个压阻式谐振器均具有串联耦接的电阻器或电感，每个输出端引自各个谐振器及其串联耦接着的阻抗(例如电阻器或电感)之间。

每个压阻式谐振器均可包括细长的部件，其被布置成沿着该部件的纵向轴线振荡。压阻式谐振器均可具有耦接至它们的各个输入端的静电驱动电极，从而驱动细长的部件。根据本发明的实施例，细长的振荡部件可具有更宽的末端，其比细长的振荡部件的主体宽10倍或者更多，其被用作静电驱动电极。

根据本发明实施例的振荡器电路可适合于使用低于4伏特的驱动电压，这使得电路可以使用现有低电压电路，尤其是电池供电的装置。

图1示出了根据本发明实施例的振荡器电路布局，其中使用了两个压阻式谐振器来补偿单个谐振器π/2的相移。振荡器电路由两个并联支路组成。每个支路由被标为R₀+dR₁和R₀+dR₂的谐振电阻器和与之串联的固定电阻器组成，这些谐振电阻器例如形成了WO2004/053431中所描述的压阻式谐振器。当压阻式谐振器1、2以频率ω振动，那么它们的电阻为R_1，2＝R₀(1+αsinωt)，其中

电压V₁₂为：

$V_1=V_{\mathrm{dc}}\frac{1}{2+\mathrm{\α}\sin \mathrm{\ωt}}\≈\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}(1-\frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \mathrm{\ωt});$

$V_2=V_{\mathrm{dc}}\frac{1+\mathrm{\α}\sin \mathrm{\ωt}}{2+\mathrm{\α}\sin \mathrm{\ωt}}\≈\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}(1+\frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \mathrm{\ωt})---\left(1\right)$

其中固定电阻器的阻值为R₀。

现在V1被反馈至支路2中的压阻式谐振器，这导致在谐振ω₀时dR₂中的相移为Φ₁＝-π/2。根据式(1)，dR₂和V₂之间的相差Φ₂等于0。

当V₂被反馈至支路1中的压阻式谐振器，那么相对于V₂，dR₁中的相移又是Φ₃＝-π/2。在dR₁和V₁之间，根据式(1)得出相移Φ₄＝π。整个回路中的相移是Φ_tot＝Φ₁+Φ₂+Φ₃+Φ₄＝0，当回路增益

时，这将造成持续振荡。

如图4所示，图1中所描述的振荡器电路可通过利用电感线圈CH1、CH2替换固定电阻器而进一步改进。在这种情况下，由于线圈中没有耗散，所以消耗更少的能量。在这种情况下，V₁和V₂为：

V₁＝-V_dcαsinωt；V₂＝V_dc(1+αsinωt)(2)

图4所示的电路谐振时的回路增益由作为电压V₂₁的结果的电阻值相对变化

确定。电压V₂₁在谐振器上产生静电F_el，其大小为：

$F_{\mathrm{el}}=V_{\mathrm{1,2}}{V}_{\mathrm{dc}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{bh}}{{2g}^2}---\left(3\right)$

其中，如图5所示，b是电极宽度，h是电极高度，而g是电极和谐振器之间的间隙。图5示出了装置具有细长的振荡部件，其主体由宽度为t两个梁形成，其中一个末端具有宽度为b的较宽的部分。这个较宽的末端被示出为一个正方形，但是也可以是其它形状，其被用作静电驱动电极。力F_el在谐振器梁上产生应变ε，其大小为：

结合式(3)和式(4)得到：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{4E}\frac{b}{{\mathrm{tg}}^2}{V}_{\mathrm{dc}}{V}_{\mathrm{1,2}}---\left(5\right)$

在谐振时，ε被品质因数Q放大。电阻值中的相对变化与应变成正比：

$\frac{\mathrm{dR}}{R}=\mathrm{K\ϵ}---\left(6\right)$

其中，K是压阻应变系数。结合式(2)、(5)和(6)得到：

$\frac{V_{\mathrm{2,1}}}{V_{\mathrm{dc}}}=K\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{4E}\frac{b}{{\mathrm{tg}}^2}{\mathrm{QV}}_{\mathrm{dc}}{V}_{\mathrm{1,2}}---\left(7\right)$

$G=\left|\frac{V_{\mathrm{2,1}}}{V_{\mathrm{1,2}}}\right|={V_{\mathrm{dc}}}^2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}K}{4E}\frac{b}{{\mathrm{tg}}^2}Q---\left(8\right)$

当G＞1时，振荡保持，所以

$\frac{b}{t}{\left(\frac{V_{\mathrm{dc}}}{g}\right)}^2>\frac{4E}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{KQ}}---\left(9\right)$

对于在n型1Ω.cm硅中所加工的与(100)轴平行的Si谐振器，E＝130GPa和K＝-151。假设Q＝10⁵(参见Mattila et.al.，Sensors andActuators A，3204(2002)1-6)，那么

$\left|\frac{4E}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{KQ}}\right|=3.8\×{10}^{15}{V}^2{m}^{-2}---\left(10\right)$

假设g＝0.2μm以及V_dc＝3.6V(＝电池电压)，那么

$\frac{b}{t}>12---\left(11\right)$

其处于制造能力的范围内。因此，可以以电池电压实现持续振荡。

如图6所示，压阻式谐振器1、2的谐振频率可以通过将其几何结构建模成质量弹簧系统而近似得到，其中弹簧常数为k，摆片质量为m，谐振频率为ω₀：

$k=\frac{2\mathrm{th}}{l}E$

m＝b²瓦ρ(12)

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{m}}=\frac{1}{b}\sqrt{\frac{2t}{l}\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}$

如果谐振器在x、y和z方向上以因数γ定标尺寸，那么从式(12)可以看出谐振频率ω₀以γ^-1定标。从式(9)可以看出，振荡条件并不取决于定标因数γ。因此，可以得出，持续振荡与谐振器尺寸无关，这就使得小尺寸实现可以产生高振荡频率。这个结论适用于电容式MEMS振荡器。对于电容式振荡器，其阻抗随着尺寸减小而增大。在这种情况下，在进行至较高振荡频率时，为了保持振荡需要放大器增益。

振荡器噪声基底由电阻器中产生的Johnson-Nyquist噪声确定，其大小为

平均电压摆幅为

振荡器的时间平均功耗为

于是噪声基底为：

${\left(\frac{\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{noise}}}}{\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{1,2}}}}\right)}^2=\frac{{16k}_B\mathrm{T\Δf}}{\stackrel{\‾}{P}{\mathrm{\α}}^2}---\left(13\right)$

假设T＝300K、P＝1mW，并且α_max＞0.1，那么相位噪声基底(＝整个噪声基底的一半)＜-145dBc/Hz，这可以与石英振荡器的噪声基底性能相匹敌。从式(13)，可以看出噪声基底不取决于谐振器尺寸。这就意味着，在改变压阻式谐振器尺寸时，噪声基底并不会改变。这个特性使得其可以在高频操作而不会降低其相位噪声基底或者不会增大功耗。

应该理解的是，虽然在此讨论了根据本发明的装置的优选实施例、特定结构和配置，以及材料，但是在不脱离本发明范围和精神的情况下可以在形式和细节上作出各种改变或修改。

Claims (9)

1.一种振荡器电路，其包括第一和第二压阻式谐振器(1，2)，每一个压阻式谐振器均具有其自身相应的电输入和电输出，并且具有用于产生输出电压的压阻读出器，每个压阻式谐振器均具有一个谐振频率，向每个谐振器(1，2)的电输入端施加相应的驱动电压来驱动所述谐振器(1，2)，并且每个谐振器(1，2)在其电输入端具有驱动电压，所述一个谐振器的电输入端的驱动电压是所述谐振器(2，1)中的另一个谐振器的电输出端处的输出电压，从而根据各个谐振器(1，2)的电阻提供反馈，其中所述谐振器(1，2)被并联起来，并且每个谐振器(1，2)均具有串联耦接着的电阻器(R₀)或电感(CH)，每个电输出端均引自所述各个谐振器及其串联耦接着的电阻器或电感之间。

2.如权利要求1所述的电路，一个谐振器的电输出端在未经放大的情况下被直接馈入另一个谐振器的电输入端。

3.如权利要求1或2所述的电路，所述谐振器(1，2)被形成为一种MEMS结构。

4.如权利要求1所述的电路，每个谐振器(1，2)均包括细长的部件，其被布置成沿着所述部件的纵向轴线振荡。

5.如权利要求4所述的电路，所述谐振器(1，2)每个均具有耦接至它们的各个电输入端的静电驱动电极，从而驱动所述细长的部件。

6.如权利要求5所述的电路，所述细长的振荡部件具有更宽的末端，其比所述细长的振荡部件的主体宽10倍或者更多，其被用作静电驱动电极。

7.如权利要求1所述的电路，其适合使用低于4伏特的驱动电压。

8.一种集成振荡器，其包括第一和第二压阻式谐振器(1，2)，每一个压阻式谐振器均具有其自身相应的电输入和电输出，并且具有用于产生输出电压的压阻读出器，每个压阻式谐振器均具有一个谐振频率，向每个压阻式谐振器(1，2)的电输入端施加相应的驱动电压来驱动所述谐振器(1，2)，并且每个压阻式谐振器(1，2)在其电输入端具有驱动电压，所述一个谐振器的电输入端的驱动电压是所述谐振器(2，1)中的另一个谐振器的电输出端处的输出电压，从而根据各个谐振器的电阻提供反馈，其中所述谐振器(1，2)被并联起来，并且每个谐振器(1，2)均具有串联耦接着的电阻器(R₀)或电感(CH)，每个电输出端均引自所述各个谐振器及其串联耦接着的电阻器或电感之间。

9.一种电池供电的装置，其具有如权利要求8所述的集成振荡器或者如权利要求1至7中任一所述的电路。

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