CN102177654B - 振荡器器件 - Google Patents

Abstract

一种振荡器器件，包括：谐振器质量块，通过弹簧装置连接至基板；以及反馈元件，用于控制谐振器质量块的振荡，反馈元件包括连接在谐振器质量块与基板之间的压阻元件。本发明提供了一种振荡器器件，其中，将两个部分(谐振器和用于闭合振荡回路的电路)组合在一个单个振荡器器件内部，该单个振荡器器件可以是MEMS器件。

Description

振荡器器件

技术领域

本发明涉及例如可以使用MEMS技术来实现的振荡器器件。

背景技术

许多研究小组正在深入研究MEMS振荡器，并且最近已经发布了一些第一代产品。这种类型的器件提供高Q因子、小尺寸、高级别的集成以及潜在的低成本。期望用这些器件来代替高精度振荡器中的大体积石英晶体。

这样的振荡器广泛使用在计时和频率参考应用中，例如，移动电话中的RF模块、包含蓝牙模块的设备以及其他数字和通信设备。由于震荡频率可以取决于质量、温度、加速度或磁场，因此振荡器还用作极敏感传感器。

在图1中示意性示出了传统的基于MEMS的振荡器。

基本上，该传统的基于MEMS的振荡器由MEMS谐振器10和外部放大器电路12组成。MEMS谐振器10由可以受激进入机械谐振的硅质量弹簧系统和用于感测这种振动并将这种振动转换成电信号的装置组成。将电信号馈送到放大器电路12中。该电路基本上由增益放大器14和相移器16组成。将放大器的输出反馈到谐振器的致动侧。如果总回路增益大于1，并且回路相移为0，则可以在回路中保持振荡。

有几种感测信号并致动谐振器的方式。在多数MEMS谐振器中，通过静电致动来进行激励，并且通过电容或压阻方法来进行感测。在一些情况下，可以通过压电或热膨胀来进行致动。

基于MEMS谐振器和外部电路的传统振荡器存在许多问题。最显著地，器件必须根据以下两个分离的部分来构建：MEMS谐振器器件和(基于晶体管的)放大器电路。这两个部分通常构建在分离的管芯上，或者最终可以集成在单个Si管芯上，但是针对两个部分的技术和工艺实质上是不同的。除非将放大器电路与谐振器放置在同一区域上，否则组合的器件将比单独的谐振器大。因此存在其他问题，例如，放大器和其他电路模块(例如，为谐振器产生DC偏置电压的相移器、缓冲器、电荷泵)所需的大功率。这些附加电路导致由于焊线所引起的寄生电容的出现，并且焊盘引起额外不期望的相移和/或回路损耗。

多数MEMS谐振器使用静电致动。这种致动的效率可以由机电耦合效率η来表示：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A{V}_{\mathrm{dc}}}{g^2}$

其中，A是电极面积，V_dc是需要在电极上施加以产生致动力的DC偏置电压(除了AC电压以外)，g是电极之间换能间隙的宽度。

根据该公式，应清楚，电极面积必须最大化，并且间隙尺寸必须最小化，以确保良好的耦合效率。由于A由MEMS结构的厚度和电极的长度来确定，因此上述要求意味着，需要具有非常高纵横比的换能间隙。用于实现这种高纵横比间隙(或槽)的技术是整个工艺中最困难步骤之一。

使用静电致动的另一缺点是，静电致动会产生本质上非线性的信号，这是由于静电力不仅取决于电压而且还取决于位移。偏置电压也必须相对高，在5伏一直到几十伏的量级，这需要芯片上的电荷泵级。

发明内容

根据本发明，提供了一种振荡器器件，包括：

谐振器质量块，通过弹簧装置连接至基板；以及

反馈元件，用于控制谐振器质量块的振荡，所述反馈元件包括连接至谐振器质量块的压阻元件，所述反馈元件被布置为使得压阻元件的应变响应于谐振器质量块的移动而变化，并且压阻元件应变的变化引起电阻的变化；以及

用于驱动电流通过反馈元件(62)的装置，

其中，用于控制振荡的致动装置包括用于驱动电流通过反馈元件(62)的端子。

本发明提供了一种振荡器器件，其中，在一个单个谐振器器件内部组合了两个部分(谐振器和闭合振荡回路的电路)，该振荡器器件可以是MEMS器件。除了也可以在MEMS结构内制成的一个或多个反馈元件以外，该器件还包括质量弹簧系统(例如，传统谐振器)。这些反馈元件使用压阻效应来感测来自振动的应变，并且使用热膨胀效应(由电能消耗的变化产生)将压阻信号转换成反馈元件自身内部的机械应力，以正反馈到机械振动中。这样，在同一谐振器结构内可以闭合振荡回路，而不必使用任何外部电路。此外，将热膨胀效应用于致动使得不需要在致动电极与谐振器质量块之间制作难度较大的换能间隙。反馈元件可以连接在谐振器质量块与基板之间，或者连接在多个谐振器质量块之间，只要谐振器质量块的振动模式引起应变的变化而应变的变化继而可以用于提供反馈控制。

器件通过将谐振器质量块的机械运动转换成压阻元件中应变的变化来操作。这引起压阻元件的电阻变化。由于电流流经压阻元件，因此这种电阻变化引起所消耗的电能(P＝I²R)的变化，这引起温度变化。温度变化引起热膨胀力，热膨胀力提供机械反馈功能，以提供对谐振器质量块的振动的反馈控制。因此，反馈元件适用于将谐振器质量块移动转换成加热，并且将加热转换成热膨胀，从而提供机械反馈功能。

可以提供电流源以向压阻元件提供电流(恒定电流操作，其中电流保持实质上恒定)，或者可以使用电压源来提供电压(恒定电压操作，其中电压保持实质上恒定)。

除了用于驱动电流通过压阻元件的端子以外，不需要其他致动电极来控制振荡。

谐振器质量块可以通过至少两个臂连接至基板，所述至少两个臂一起形成弹簧装置，其中，第一臂包括压阻元件，第二臂包括针对压阻元件的电流返回路径。这样，弹簧装置和反馈元件由同一结构来实现。两个谐振器质量块可以通过所述至少两个臂耦合在一起，其中每个臂的中点耦合至基板。

在一个实现方式中，第一压阻元件臂是以第一掺杂级掺杂的，第二臂是以更高的第二掺杂级掺杂的。两个臂是实质上相同的材料(例如，硅)，但是不同的掺杂级提供了单个反馈元件的实现。在另一布置中，第一压阻元件臂的横截面小于第二臂的横截面。这同样限定了不同的压阻特性。

振荡器器件可以包括通过第一臂耦合在一起的两个谐振器质量块，其中，每个谐振器质量块具有相应的第二臂，其中一个第二臂包括电流输入臂，另一个第二臂包括电流输出臂。这可以用于限定通过反相摆动来振荡的质量块对。

在备选布置中，谐振器质量块可以具有旋转对称性，其中至少第一和第二臂以围绕谐振器质量块的不同角位置将谐振器质量块连接至基板。

反馈元件可以包括至少两个臂。也可以提供附加输出臂来给出输出电压。

反馈元件可以包括被布置为弯曲的单个臂，其中，该臂的对边限定压阻元件对。

因此，应看出，许多不同的实现方式是可能的，其中，振荡基于将谐振器连接至基板的臂的弯曲，谐振器质量块的旋转、或者将谐振器质量块连接至基板的臂的压缩/膨胀。

在所有情况下，谐振器质量块和反馈元件可以包括单个体。类似地，谐振器质量块和弹簧装置可以包括单个体。该体可以是硅体，使得可以使用标准MEMS制造技术。

本发明还提供了一种产生振荡信号的方法，包括：

使用端子来驱动电流通过压阻元件，所述端子起到用于控制振荡的致动装置的作用；

使用压阻元件来控制谐振器质量块的振荡，所述压阻元件被布置为，使得压阻元件的应变响应于谐振器质量块的移动而变化，并且压阻元件应变的变化引起电阻的变化；以及

感测谐振器质量块的移动，以得到振荡信号。

附图说明

现在参考附图详细描述本发明，在附图中：

图1以示意形式示出了已知MEMS振荡器装置；

图2用于说明本发明的器件的一般原理；

图3用于更详细说明本发明的器件的操作的物理过程；

图4是示出了回路增益的图；

图5是示出了温度和应变如何随着时间而变化的图；

图6示出了本发明的振荡器的第一示例；

图7示出了图6所示类型的两个振荡器耦合在一起；

图8示出了图7的振荡器的实验结果；

图9示出了本发明的振荡器的第二示例；

图10a至10c示出了本发明的振荡器的第三示例；

图11示出了本发明的振荡器的第四示例；

图12示出了本发明的振荡器的第五示例；

图13示出了本发明的振荡器的第六示例；

图14示出了本发明的振荡器的第七示例；

图15示出了本发明的振荡器的第八示例；

图16示出了本发明的振荡器的第九示例；以及

图17示出了本发明的振荡器的第十示例。

具体实施方式

本发明提供了一种振荡器，其中，谐振器质量块的振荡由压阻元件来控制。

在本发明的器件中，耦合了三种物理现象：热、电(例如，压阻)和机械。

图2是本发明的器件的简要示意图。该器件由质量弹簧系统(m表示有效质量，k表示有效弹簧刚度)和一个或多个反馈元件20组成。在以下描述中这些被称作感测致动(S-A)元件，这是由于它们不但提供了对振荡的控制，而且还提供了从器件输出的电振荡信号。

感测致动元件20将块连接至器件的固定框架，即基板。在实际中，感测致动元件和块可以是弹簧本身或者是弹簧的一部分。在图2和以下详细说明中，为了简单起见仅示出和讨论一个S-A元件20。

S-A元件20由压阻材料(例如，p-或n-掺杂硅)制成。在这种情况下，S-A元件优选地与质量弹簧系统由相同材料以相同的工艺制成，但是这不是必要的。

在操作期间，发送DC电流I通过S-A元件20。在图2中没有示出针对该电流的返回路径，但是以下给出示例。该器件被设计为使得在块的振动期间，S-A元件实质上被压缩和拉伸。如下说明器件的操作原理。

质量弹簧系统可以以其自然角频率：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(1\right)$

谐振，并且具有质量因子Q，质量因子Q的倒数(1/Q)确定由于阻尼而引起的每周期部分能量损耗。为了维持振荡，必须通过振荡回路来补偿该损耗。在本发明的器件中，通过S-A元件来完成补偿。

假定将恒定电压V施加于S-A元件，该恒定电压V引起流经元件的电流I，并且该元件具有压阻特性，压阻特性具有正量规因子K。在振动周期的第一个四分之一期间，假定该质量块向固定框架(基板)移动，这使S-A元件压缩。这意味着元件经历负应变ε：

ε＝x/l(2)

其中，l是S-A元件的长度，x是S-A元件的移动端的位移(x＜0)，因此x也是质量块块的位移(该质量块块被认为是固体结构)。

由于压阻效应，根据以下方程，元件的电阻减小：

R＝R_dc(1+Kε)(3)

其中，R_dc是零应变处元件的电阻。

由于焦耳加热功率是：

$P_{\mathrm{Joule}}=V^2/R=\frac{V^2}{R_{\mathrm{dc}}(1+\mathrm{K\ϵ})}\≈\frac{V^2}{R_{\mathrm{dc}}}(1-\mathrm{K\ϵ})=P_{\mathrm{dc}}(1-\mathrm{K\ϵ})---\left(4\right)$

在以上公式中，由于Kε＜＜1，因此可以考虑近似。

根据恒定电压V和正K，P_Joule随着元件被压缩(ε＜0)而增大。因此元件的温度与其在零应变下的先前温度相比增大了。由于因有限的热容量和热传导而不可避免地引起的热延迟，温度的变化略微滞后于应变的变化。由于热膨胀效应，温度变化T直接引起元件中的应力σ：

σ＝EαT(5)

其中，E是杨氏模量，α是S-A元件的热膨胀系数。该应力引起力：

F＝σA＝EαTA(6)

其中，A是S-A元件的横截面。该力沿着元件的拉伸方向将质量块推送回，这有助于质量块在振动周期的第二和第三个四分之一中移回。注意，在这种模型中，假定在温度和力之间不存在延迟。

在周期的第三和第四个四分之一内，出现类似的但沿着相反方向的机制，这有助于质量块在达到最远位置之后移回。这样，质量弹簧系统的振动可以被正反馈，并且可以保持振荡。

为了满足振荡条件，在位移与力之间(即，在元件的应变与温度之间)必须存在一定的相位滞后在理想振荡器中，该相位滞后是90°，但是如后续所示，这不是必要的或者在实际中不是可行的。

图3示出了在器件中发生的振荡回路的物理过程的概述。

谐振器质量块的移动被示作效果30。这在反馈(S-A)元件中引入了应变，如31所示。32所示的压阻效应响应于功率输入34(电流源)引起加热所消耗的能量损耗33。这引起随着时间滞后的温度变化，如效果35所示。引起热膨胀(效果36)，热膨胀提供机械反馈功能，以在30处影响谐振器质量块的振动。存在由于所产生的阻尼而引起的能量损耗37。

因此，器件用于使用压阻效应来感测来自质量弹簧系统的机械振动的应变，并且使用热膨胀效应将所述应变直接转换成应力。应力用作致动力，以反馈给机械振动。因此在MEMS器件本身内闭合振荡回路，因此不需要使用外部放大器电路。

为了进一步理解原理，并且为了找到最优振荡条件，以下提供精心设计的模型。

起始点是器件的公共运动方程：

$m\stackrel{\·\·}{x}+\mathrm{\γ}\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}=F---\left(7\right)$

其中，γ是阻尼因子：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}m}{Q}---\left(8\right)$

F是作用在质量块上的力，在这种情况下，F是热膨胀力。将(2)、(6)和(8)组合，给出以下方程：

$m\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ϵ}}+\mathrm{\γ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}+\mathrm{k\ϵ}=\frac{\mathrm{AE\α}}{l}T---\left(9\right)$

另一方面，通过以下方程，在S-A元件中消耗的焦耳功率P与温度升高有关：

$C\stackrel{\·}{T}+\mathrm{GT}=P---\left(10\right)$

其中，C是热容量，G是S-A元件的热传导。

为了对两个成对的差分方程(9)和(10)进行求解，可以假定这两个方程的解是以下形式的：

T＝T_dc+T₀e^jωt(11)

ε＝ε_dc+ε₀e^jωt

通过组合(9)、(10)和(11)，可以得到回路增益G_loop：

$G_{\mathrm{loop}}=-\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{AEKP}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{kl}}\frac{1}{(\mathrm{j\ωC}+G)(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}+j\frac{\mathrm{\ω}}{Q{\mathrm{\ω}}_0})}---\left(12\right)$

为了维持振荡，必须满足以下两个条件：

ImG_loop＝0

ReG_loop≥1(13)

这最后得到：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1+\frac{G}{Q{\mathrm{\ω}}_{0}C}}---\left(14\right)$

以及：

$\mathrm{Re}\frac{1}{G_{\mathrm{loop}}}=\frac{\mathrm{kl}}{\mathrm{\α}{\mathrm{AEKP}}_{\mathrm{dc}}}\frac{G}{Q}(\mathrm{\ψ}+\frac{1}{\mathrm{\ψ}}+\frac{1}{Q})---\left(15\right)$

其中，是无量纲参数。

图4示出了相对于ψ(Psi)而绘制的实际回路增益(归一化为)，图4示出了当ψ＝1时回路增益最大，或者：

$\frac{G}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}=1---\left(16\right)$

在该ψ值处，实现了最佳振荡条件。最大回路增益是：

$\mathrm{Re}{G}_{\mathrm{loop}}=\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{AEKP}}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{kl}}\frac{Q}{G}---\left(17\right)$

在该条件下，温度变化的相位是度，滞后于应变的相位。图5用于定量地说明S-A元件处应力与温度之间的相移。曲线50是随着时间的温度，曲线52是应变。通过选择与预期谐振频率有关的由G和C组成的合适集合，来实现条件ψ＝1。此外，可以通过调整S-A元件的尺寸来调整G和C。

如果S-A元件是矩形，则元件的热容量和热传导可以近似为：

$G=4\mathrm{\κ}\frac{A}{l}---\left(18\right)$

C＝c_sρAl

其中，κ是特定热传导率，ρ是质量密度，c_s是材料的特定热容量。

现在条件ψ＝1可以重新写成：

${\mathrm{\ω}}_0{l}^2=\frac{4\mathrm{\κ}}{c_s\mathrm{\ρ}}---\left(19\right)$

方程(19)的右侧由材料特性来确定，因此认为实质上是固定的。为了满足(19)，对于给定频率，仅必须调整S-A元件的长度。

在上述分析中，假定在S-A元件上施加恒定电压V。为了使器件振荡(即，回路增益应当为正)，量规因子K应当为正，如方程(15)所暗示的。备选地，如果在S-A元件上施加恒定电流I，而不是恒定电压，则这给出：

P_Joule＝I²R＝I²R_dc(1+Kε)＝P_dc(1+Kε)(20)

为了使回路增益为正，量规因子K必须为负。

通过选择正确掺杂类型可以容易设置硅的压阻量规因子的符号：当硅是p掺杂时符号为正，当硅是n掺杂时符号为负。K的大小取决于多种因素，例如，晶体取向，掺杂浓度和温度。

可以使用不同方法来读出器件的振动。感测结构振动的最方便的方式是使用在振荡器操作期间已经产生的压阻效应。例如，如果使用恒定电流来维持振荡，则S-A元件上的电压变化可以用作输出信号。备选地，当使用恒定电压时，S-A元件中的电流变化是输出信号。

器件的振动也可以使用其他方法来感测，例如，电容变化、温度变化、光学测量等等。

由于致动方法中的直接热机械耦合并且不存在外部放大器电路，所提出的热机电振荡器可以在低功率下工作。根据方程(17)、(18)和(19)，可以根据以下方程确定针对最优振荡条件的最低功耗：

$P_{\mathrm{dc}}\≥\frac{4\sqrt{c_s\mathrm{\ρ\κ}}}{\mathrm{\αK}}\frac{A\sqrt{{\mathrm{\ω}}_0}}{Q}---\left(21\right)$

方程(21)的第一部分仅取决于材料特性和温度；第二部分与设计相关。例如，谐振频率为1MHz、S-A元件的横截面面积为1.5×2μm²、以及Q为50,000的由硅制成的振荡器原则上以13μW的最小DC功率工作。

对于弹簧装置、反馈元件和谐振器质量块存在许多不同的可能配置。现在概述许多可能的布置，尽管应理解以下示例并不意味着穷举。

图6示出了第一实施例，包括谐振器质量块m、以及经由两个锚点64将质量块块连接至固定基板的两个梁60、62。除了两个锚点以外，整个结构是独立式的。在图6中，仅示出了器件的顶视图(2D)。应当理解，该结构事实上延伸至第三维度，并且2D布局的平面在基板平面中。该结构由硅制成。例如，可以使用MEMS谐振器的标准工艺将该结构制作在绝缘体上硅(SOI)基板上。在制造该结构期间，一个梁62是低掺杂的，使得压阻量规因子最大化。另一个梁60和质量块m的其余部分(或者至少是在梁的两个上端之间的连接处的区域)是高掺杂的，以实现短路连接。

当DC电流I从一个锚点流至另一个锚点时，电路径由串联的两个电阻器表示：电阻器62具有相对高的电阻和相对大的压阻效应(由于低掺杂)，电阻器60具有非常低的电阻(由于高掺杂)，该非常低的电阻可以被视为短路。在高掺杂的梁60处，压阻效应非常小并且可以忽略。

在这种结构中，两个梁均对弹簧刚度做出贡献，并且只有右侧梁(具有压阻效应)用作S-A元件。

对于这种结构，摆动模式是感兴趣的振动模式(在附图平面中该块侧向摇摆)。可以选择梁和块的尺寸，使得可以满足根据上述分析的振荡条件。当质量块在摆动模式下振动时，两个梁交替地被压缩和拉伸。根据上述原理，该振动模式被放大，并且最终产生稳定振荡状态。

为了使锚点损耗最小化，从而使Q因子最大化，可以以对称配置的形式背对背地放置两个相同振荡器，如图7所示。这示出了通过两个臂耦合在一起的两个谐振器质量块70、72，其中每个臂的中点耦合至基板，从而限定锚点。

这种背对背连接的谐振器质量块的方法可以应用于以下描述的所有示例，但是为了简单起见，其他示例示出了最简单的可能配置。

在实际MEMS结构中已经测试了图7的器件。图8示出了图7的器件的实验频谱。分析中所使用的结构式使用标准MEMS谐振器工艺制造的硅结构。在测量期间，将3mA的DC电流提供给器件。该器件在2.65MHz处示出谐振峰，该谐振峰与质量块的平面内摆动模式相对应。

类似于第一实施例，在图9中示出了第二实施例。器件同样由块和两个梁90、92组成。然而，掺杂级对于两个梁和块m(或者至少是与两个梁的连接处接近的区域)是相同的。一个梁92被制作成明显比另一梁大。较宽的梁用作短路连接，较窄的梁90用作S-A元件。由于较宽的梁与较窄的梁相比具有非常小的电阻，因此，可以忽略该梁的压阻效应。质量块的位置相对于梁可以是非对称的。

图10a的第三实施例是先前实施例的另一扩展。没有单个S-A元件，而是在中间梁104的两侧上布置两个S-A元件100、102。整个结构可以以相同等级掺杂，例如以产生负量规因子。DC电流从一个S-A元件流至另一个S-A元件(可以是恒定电压或恒定电流)。中间梁不应汲取任何电流，而是仅用来感测S-A元件之间的点处的电压变化。因此，中间梁起到电压输出抽头的作用。

两个S-A元件电串联。在振动(在摆动模式中)期间，两个S-A元件交替地被压缩和拉伸，因此根据原理，两个S-A元件交替地推送和拉回质量块，例如以保持振荡。由于S-A元件的电阻反相变化，因此它们的总电阻实质上是恒定的，从而在元件中产生恒定电流，而不管是否从外部施加了恒定电压或恒定电流。读出电路可以被视为半惠斯通电桥，其中，中间梁处的电压随着振动而变化，并且可以用作输出信号。

图10b示出了第三实施例的另一扩展。中间梁104现在位于质量块顶部的中心位置。在以对称配置的形式背对背放置两个相同结构的情况下，这种布置是更优选的。在这种情况下，如果梁位于两个S-A元件100与102之间，则很难将该梁连接至外部。优选地，中间梁104是细长的梁，以便使通过将该梁连接至基板的锚点的能量损耗最小化，从而使Q因子最大化。

图10c示出了第三实施例的又一扩展。第三实施例中的中间梁104现在由两个小梁104a、104b来代替，这两个小梁104a、104b对称地附着至S-A元件的接近质量块的端部。这些梁也锚定至基板，并且这些梁电连接至器件的输出端口。梁也是细长的，以便使能量损耗最小化，从而使Q因子最大化。此外，由于S-A元件处梁的附着点接近结构的旋转点，因此进一步降低了通过这些梁的能量损耗。

图11的第四实施例具有谐振器质量块m和附着到质量块两侧的两个梁。在感兴趣的振动模式中，质量块侧向平移，从而沿着梁的纵向交替压缩和拉伸梁。一个梁110是低掺杂的并且用作S-A元件，另一梁112和质量块是高掺杂的，以在S-A元件与其他锚点之间实现短路连接。

为了致动和感测振荡，允许DC电流从一个锚点流至另一个锚点。在这种情况下，弹簧刚度是两个梁沿着纵向的刚度之和。基于电压检测，读出方法与图6的示例的读出方法相同。

图12的实施例具有谐振器质量块m，其中三个梁连接在质量块的三个不同侧。感兴趣的振动模式是摆动模式，摆动模式的旋转点在靠近中间梁120的某一位置处。与这种振动模式相关联的刚度由所有三个梁来贡献。整个结构以相同等级掺杂。质量块左侧和右侧的梁122、124用作S-A元件，中间梁用来挑选输出信号。将恒定电流I从一个S-A元件发送到另一个S-A元件。当质量块振动时，两个S-A元件交替地被压缩和拉伸。这意味着使用推拉方法来致动质量块。在中间梁处，出现可以用作输出信号的电压变化。

图13的实施例中的器件具有通过S-A元件134彼此连接的两个质量弹簧结构130、132。每个结构在下侧(图的下侧)具有另一梁136，该另一梁136将质量块连接至基板。在感兴趣的模式中，两个块反相摆动，并且S-A元件的中间点是固定的。为了确保激励正确模式，可以如所示的来锚定S-A的中间点，但是S-A的中间点应当保持电隔离。S-A梁是低掺杂的(以具有压阻效应)，并其余部分是高掺杂的(以实现短路)。

在操作期间，通过S-A元件和质量块体将DC电流从一个梁发送到另一梁。S-A元件缩短并延伸，从而将两个质量块驱动到反相摆动模式中。可以从电压变化(当使用恒定电流时)或电流变化(当使用恒定电压时)获得输出信号。

图14的实施例具有谐振器质量块m，谐振器质量块m具有旋转对称性。至少第一和第二臂在围绕谐振器质量块的不同角位置处将谐振器质量块连接至基板。

在图14中，谐振器质量块的形状是圆形，但是谐振器质量块可以是椭圆形、方形、或另一正多边形。至少两个S-A元件140、142沿着切线方向附着至质量块的边缘。当两个元件同相缩短和延伸时，这两个元件使质量块围绕对称中心来回旋转。这是感兴趣的振动模式。将DC电流从一个S-A元件发送到另一个S-A元件。整个结构的掺杂浓度相同，以实现压阻效应。由于质量块的面积较大，该质量块用作电短路。备选地，S-A是低掺杂的以具有压阻效应，质量块可以以更高等级来掺杂。可以基于电压或电流检测来再次进行读出。

在图15的实施例中，谐振器质量块同样具有旋转对称性。然而，在该实施例中块并不是圆形而是环带(环)形状150。存在至少两个具有曲线形状的S-A元件151、152、154、156(在所示的示例中是4个S-A元件)，所述至少两个SA元件151、152、154、156沿着切线方向附着至环的内边缘。将DC电流划分成两个相同的流：这两个流在两个S-A元件处进入结构，并且在另外两个S-A元件处离开。在操作期间，所有S-A元件缩短并且同相延伸，从而引起环的旋转振动模式。可以采用与图14的实施例的读出方式以相同方式进行读出。

图16所示的设计类似于无钳夹的谐振器结构，但是该谐振器具有沿着梁中间将梁划分成两个支线162、164的切口。在梁的尖端(自由端)，两个支线仍连接。DC电流可以从梁的一个支线流到另一个支线。在这种情况下，振动模式是纵向体声波(BAW)模式，在纵向体声波(BAW)模式中，质量块和弹簧合并在相同结构内。S-A元件是结构的支线，该结构在BAW模式中可以自谐振。

结构的BAW模式谐振频率由以下方程给出：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{\mathrm{\π}}{2L}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}---\left(21\right)$

其中，L是结构的长度。将方程(21)与方程(19)联合，得到针对硅的特征谐振频率ω_th，

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{th}}=\frac{{\mathrm{\π}}^2}{16}\frac{c_{s}E}{\mathrm{\κ}}---\left(22\right)$

假定针对(100)方向E＝130GPa，κ＝100Wm^-1K^-1(在RT处)，c_s＝850Jkg^-1K^-1(在RT处)，ρ＝2330kg/m³，得到f_th＝ω_th/2π＝89GHz以及特征长度L＝21nm。

在上述所有实施例中，S-A元件主要在纵向模式下工作，即，S-A元件被纵向压缩和延伸。在图17的实施例中，如果可以特殊设计元件的掺杂方案，则弯曲S-A元件也可以工作。

可以考虑梁有变形，变形具有曲率半径为R的显著弯曲分量。在这种情况下，梁的中心线具有零应变。外半径具有拉伸应变，内半径具有压缩应变。梁的边缘类似于图6中分离的梁。为了使用边缘力形成S-A元件，对梁的边缘170进行掺杂，这用作S-A元件，并且梁的中间部分是未掺杂的以与边缘电分离。

器件在推拉模式下工作，这意味着梁的边缘被交替地压缩和延伸。这使得梁的两侧交替弯曲。

本发明提供了一种简化的振荡器结构。可以在一个单个MEMS结构内实现整个振荡器，而不必使用任何外部电路。不需要换能间隙和高DC电压。仅需要小的DC电流来致动器件并提供输出信号。该器件与硅工艺技术兼容。因此，器件制造可以非常简单，这是由于器件可以是仅由一种具有压阻特性的均匀材料(例如硅)制成的结构。可以通过设计来控制谐振频率，与硅工艺技术兼容，并且可以以高Q因子实现元件的高线性度(不需要晶体管)。

通过集成反馈控制元件作为谐振器质量块结构的一部分，振荡器不需要外部电极来控制谐振器振动。因此，不需要固定的致动电极。典型地需要这些电极与谐振器质量块的间距小(例如，间隔小于1μm)。本发明的器件中的谐振器质量块可以被大横向间隙(例如大于5μm)包围。这可以有助于放宽处理要求。本发明的布置也可以使得无需小间距的读出电极，这是由于也可以采用压阻效应来实现振荡信号的读出，如上所述。

以与其他传统的基于MEMS的振荡器相同的方式，该器件可以代替传统石英振荡器，传统石英振荡器用于时间参考应用，例如，GSM设备、蓝牙、以及许多其他RF电路。该器件也可以使用在任何类型的谐振传感器中，例如，使用机械谐振作为检测方法的应变传感器、生物传感器等。

原则上，具有压阻效应的所有材料都可以用于形成反馈元件。压阻效应存在与许多金属、金属合金以及半导体中。半导体中的效应比金属和金属合金中的效应大得多(尽管金属使在应变仪中)。金属和金属合金的示例是：铂、镍、康铜(铜镍合金)、镍铬合金V(镍铬合金)、铂合金(通常是钨)、高镍弹簧钢(镍铁合金)、或者卡马型合金线(镍铬合金)。尽管已经将器件描述为由硅形成，但是也可以使用其他半导体。适合的半导体示例是Si、Ge、SiGe、SiC、III-V型半导体，例如GaAs、InSb、InAs。

在上述优选示例中，可以使用压阻元件来实现感测(即，振荡信号的输出)，例如，通过针对恒定电流实现来测量电压或者针对恒定电压实现来测量电流，来实现感测。然而，也可以使用其他感测方法，例如与谐振器质量块邻近的间隙的电容感测，或者任何其他已知的感测方法。即使感测并不是像在优选实施例中那样是完全集成的，但是本发明仍提供显著的简化，这在于引起机械振荡的机械反馈可以完全集成到振荡器器件的结构中。

各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (15)

1.一种振荡器器件，包括：

谐振器质量块，通过弹簧装置连接至基板；

反馈元件，用于控制谐振器质量块的振荡，所述反馈元件是连接至谐振器质量块的压阻元件，所述反馈元件被布置为使得压阻元件的应变响应于谐振器质量块的移动而变化，所述压阻元件应变的变化引起电阻的变化，并且所述反馈元件被设置为提供所述谐振器质量块的机械反馈控制；

用于驱动电流通过反馈元件的装置，以及

用于感测谐振器质量块的移动以得到振荡信号的装置；

致动装置，用于控制振荡，其中，所述致动装置包括端子，所述端子用于驱动电流通过反馈元件。

2.根据权利要求1所述的振荡器器件，其中，用于驱动电流通过反馈元件的装置包括：用于向压阻元件提供电流或电压的电流源或电压源。

3.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，其中，谐振器质量块通过至少两个臂连接至基板，所述至少两个臂一起形成所述弹簧装置，其中第一臂包括所述压阻元件，第二臂包括针对所述压阻元件的电流返回路径。

4.根据权利要求3所述的振荡器器件，包括：通过所述至少两个臂耦合在一起的两个谐振器质量块，其中，每个臂的中间点耦合至基板。

5.根据权利要求3所述的振荡器器件，其中，第一臂是以第一掺杂级掺杂的，第二臂是以更高的第二掺杂级掺杂的。

6.根据权利要求3所述的振荡器器件，其中，第一臂的横截面小于第二臂的横截面。

7.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，包括：通过反馈元件耦合在一起的两个谐振器质量块，其中，每个谐振器质量块具有相应的第二臂，一个第二臂包括电流输入臂，另一个第二臂包括电流输出臂；所述反馈元件为臂的形式。

8.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，其中，谐振器质量块具有旋转对称性，其中所述反馈元件包括至少第一和第二反馈元件，所述至少第一和第二反馈元件以围绕谐振器质量块的不同角位置将谐振器质量块连接至基板，所述至少第一和第二反馈元件为臂的形式。

9.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，其中，反馈元件包括至少两个臂。

10.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，还包括：从谐振器质量块伸出并用于提供输出电压的至少一个输出臂。

11.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，其中，反馈元件包括被布置为弯曲的单个臂，其中所述臂的对边限定压阻元件对。

12.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，其中，谐振器质量块和反馈元件包括单个体。

13.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，其中，谐振器质量块和弹簧装置包括单个体。

14.根据权利要求1或2所述的振荡器器件，其中，谐振器质量块包括硅体。

15.一种产生振荡信号的方法，包括：

使用端子来驱动电流通过反馈元件，所述端子起到用于控制振荡的致动装置的作用；所述反馈元件是连接至谐振器质量块的压阻元件；

使用反馈元件来控制谐振器质量块的振荡，所述反馈元件被布置为，使得反馈元件的应变响应于谐振器质量块的移动而变化，反馈元件应变的变化引起电阻的变化，并且反馈元件提供所述谐振器质量块的机械反馈控制；以及

感测谐振器质量块的移动，以得到振荡信号。