CN102577100A - 振荡器装置 - Google Patents

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Abstract

一种振荡器装置，其包括：谐振器电极(11)和通过间隙(13)与所述谐振器电极分隔的第二电极(12)，所述间隙(13)具有这样的大小，所述大小促进跨所述间隙(13)的电子转移(14)，其中所述谐振器电极(11)是被安装以进行相对于所述第二电极(12)的振荡运动(15)的谐振器电极，所述振荡运动导致所述谐振器电极和所述第二电极之间的所述间隙的大小随时间可变；反馈电路(20)，其被配置为将依赖于跨所述间隙(13)的电子转移(14)的电子转移信号作为反馈信号(21)而进行传递；以及与所述谐振器电极(11)相邻的驱动电极(30)，其被配置为从反馈电路接收反馈信号(21)，所述反馈电路被配置为提供依赖于跨间隙的电子转移的随时间变化的反馈信号。

Description

振荡器装置
技术领域
本发明的实施例涉及振荡器装置。更具体地，涉及使用机电产生的正反馈信号的振荡器装置。
背景技术
振荡器需要谐振器被激发到振荡中。对于没有反馈的振荡器，与振荡器相关联的损耗(阻尼)意味着需要在振荡频率上或在操作频率的某倍数上的连续振荡驱动信号来维持振荡。然而，当利用恰当的放大和相位控制来反馈由振荡器自身产生的振荡信号以进一步激发振荡器时，可以无需振荡驱动信号而维持振荡。
发明内容
根据本发明的多种但不一定是全部的实施例，提供了一种装置，其包括：第一电极和通过间隙与所述第一电极分隔的第二电极，所述间隙具有这样的大小，所述大小促进跨所述间隙的电子转移，其中所述第一电极是被安装以进行相对于所述第二电极的振荡运动的谐振器电极，所述振荡运动导致所述第一电极和所述第二电极之间的所述间隙的大小随时间可变；反馈电路，其被配置为将依赖于跨所述间隙的电子转移的电子转移信号作为反馈信号而进行传递；以及与所述第一电极相邻的驱动电极，其被配置为从反馈电路接收反馈信号，所述反馈电路被配置为提供依赖于跨间隙的电子转移的反馈信号。
根据本发明的多种但不一定是全部的实施例，提供了一种装置，其包括：第一电极和第二电极，其被配置为使得所述第一和第二电极的第一相对运动改变所述第一和第二电极之间的间隙；用于传递依赖于跨所述间隙的电子转移的电子转移信号的部件；用于维持跨非导电间隙的电子转移的概率依赖于跨所述间隙的距离的部件；以及用于依赖于电子转移信号而改变所述第一电极移动经过的场的部件。
根据本发明的多种但不一定是全部的实施例，提供了一种方法，其包括：传递依赖于跨第一振荡电极和第二电极之间的间隙的电子转移的振荡电子转移电流；以及使用依赖于跨第三振荡电极和第四电极之间的间隙的电子转移的振荡电子转移电流来驱动所述第一振荡电极。
附图说明
为了更好地理解本发明的实施例的各种示例，现在将仅以示例的方式参考附图，在附图中：
图1示意性地图示了包括单个振荡器的装置；
图2示意性地图示了包括具有共享驱动电极的多个振荡器的装置；
图3示意性地图示了包括具有相对的共享驱动电极的多个振荡器的装置；以及
图4示意性地图示了包括多个振荡器和控制电路的装置，所述控制电路包括组合电路和路由电路。
具体实施方式
图1至图4示意性地图示了装置10，其包括：
第一电极11和通过间隙13与第一电极11分隔的第二电极12，间隙13具有这样的大小，该大小促进跨间隙13的电子转移14，其中第一电极11是被安装以用于进行相对于第二电极12的振荡运动15的谐振器电极，该振荡运动导致第一电极11和第二电极12之间的间隙13的大小随时间可变；
反馈电路20，其被配置为将依赖于跨间隙13的电子转移14的电子转移信号(I)作为反馈信号21而进行传递；以及
与第一电极11相邻的驱动电极30，其被配置为从反馈电路接收反馈信号21，该反馈电路被配置为提供依赖于跨间隙的电子转移的反馈信号21。
参考图1，该图图示了包括单个振荡器的装置10。与第一电极11相邻的驱动电极30从反馈电路20(而不是与不同的振荡器的不同的第一电极相关联的不同的反馈电路)接收反馈信号21。
装置10包括：第一谐振器电极11、通过间隙13与第一电极11分隔的第二电极12、用于提供促进跨间隙13的电子转移14的跨间隙13的偏置电压的电能源2、被配置为将依赖于跨间隙13的电子转移14的电子转移信号(I)作为反馈信号21而进行传递的反馈电路20以及被配置为从反馈电路20接收反馈信号21的与第一电极11相邻的驱动电极30。
第一谐振器电极11被安装以用于进行相对于第二电极12的振荡运动。
第一谐振器可以是机械振动元件。在所图示的示例中，其为刚性悬臂。在其他实施中，第一谐振器可以使用基于物体的物理变形(诸如例如三维物体的表面变形或波或形状变形)的其他振荡系统。
在所图示的示例中，装置10是纳米机电系统(NEMS)，因为它的至少一个尺度在1微米以下。例如，作为第一电极11操作的悬臂的宽度和高度的尺度小于1微米。
在一些实施例中，宽度可以在10到500nm之间的范围，而在其他实施例中，可以使用该范围之外的宽度。在一些实施例中，长度可以在100nm到10微米之间的范围，而在其他实施例中，可以使用该范围之外的长度。悬臂的几何形状确定其谐振基频。
第一谐振器电极11例如可以是例如掺杂硅、金属的纳米线、或碳纳米管或半导体纳米线。
可以例如使用自上而下和/或自下而上方法形成第一谐振器电极11。自上而下方法使用化学或物理工艺来去除材料以创建结构。自下而上方法通过对结构进行自组装的物理和/或化学工艺来合成结构。
在一些实施例中，不需要外部刺激来将第一谐振器电极11设置到振荡运动中。与系统相关联的热能典型地足以将第一谐振器电极11设置到运动中，其中其运动的主分量与其基模相关联。在其他实施例中，可以使用独立的刺激来将第一谐振器电极11设置到振荡运动中。
第一电极11相对于第二电极12的振荡运动15导致第一电极11和第二电极12之间的间隙13的大小随时间可变。间隙13的大小随着第一谐振器电极11振荡而改变。
第一谐振器电极11和第二电极12之间的间隙13引入第一谐振器电极11和第二电极12之间的势垒。该间隙可以包括真空或非导电介质。非导电介质是在其跨其传导任何电子之前需要跨其建立显著的电势差的介质。对于小电势差值而言在电势差和电流之间不存在线性关系。非导电材料可以是液体。其可以例如是气体或诸如空气之类的气体混合物或液体。
电能源2被配置为提供跨间隙13的电势差。在所图示的示例中，电能源是提供基本恒定偏置的直流(DC)电压的一个或多个电池单元。DC偏置控制AC电子转移信号(I)的幅度，并且因此允许控制振荡器的转移函数H(jω0)，从而可以对于自维持振荡满足Barkhausen准则。Barkhausen准则是H(jω0)G(jω0)＝1，其中G(jω0)是反馈环路的增益而H(jω0)是在谐振频率ω0的振荡器的转移函数。
跨间隙13的电势差和非导电的间隙13的组合导致电荷累计在第一电极11和第二电极12上。在所图示的示例中，第一电极是阴极而第二电极是阳极。所施加的电势差和间隙的大小被配置为提供至少在间隙随着第一电极11的运动而变窄时促进跨间隙13的电子转移14的电场。
跨间隙13的电子转移14的概率依赖于间隙的大小，因为它依赖于克服势垒和从第一电极的材料释放电子所需的电场。
势垒可以被视作电极材料的属性，例如对于场发射的功函数。
势垒可以被视作间隙的属性，例如量子力学隧道效应中的势垒。
反馈电路20被配置为将依赖于跨间隙13的电子转移14的电子转移信号(I)作为到驱动电极30的反馈信号21而进行传递。
在本实施例中反馈电路20是“内部反馈”电路。这意味着反馈电路20包括具有与第一谐振器电极11的大小相同数量级的路径长度的互连。也就是说，它是介观的(mesoscopic)。在该实施例中，互连不延伸到在不同的、宏观的尺度的外部电路。然而，在其他实施例中，反馈电路可以是“外部反馈”电路。这意味着反馈电路20包括延伸到在不同的、宏观的尺度的外部电路的互连。
驱动电极30位于与第一谐振器电极11相邻和接近，但不与第一谐振器电极11接触。驱动电极30在第一谐振元件11和驱动电极30之间建立依赖于反馈信号21的电场。
驱动电极30的表面面积及其与第一谐振器电极11的分隔被配置为使得在驱动电极30和第一谐振器电极11之间存在足够的电容耦合。驱动电极30和第一谐振器电极11之间的电容越大，则由驱动电极施加在第一谐振器电极11上的力越大。
随着第一谐振器电极11振荡，其产生振荡反馈信号21，该振荡反馈信号21转而产生在第一谐振器电极11上的振荡力，从而创建无需外部地施加的振荡驱动信号或外部相位或增益控制而自维持第一谐振器电极11的振荡的正反馈系统。在主要由DC电势源控制的反馈电路参数满足Barkhausen准则时，实现自维持的振荡。
第一谐振器电极11的机械阻抗(悬臂的硬度)小，从而使得由驱动电极的电场提供的能量足以维持振荡。
第一谐振器电极11的机械阻抗(悬臂的硬度)还可以用于提供稳定。例如，悬臂的硬度与其位移的立方成比例而非线性地增加。
图2图示了包括多个振荡器的装置10。
每个振荡器包括：第一谐振器电极11、通过间隙13与第一电极11分隔的第二电极12、被配置为将依赖于跨间隙13的电子转移14的电子转移信号(I)作为反馈信号21进行传递的反馈电路20、以及驱动电极30。
在该示例中，振荡器共享用于提供促进跨间隙13的电子转移14的跨间隙13的偏置电压的共同电能源2。
在该示例中，振荡器共享被配置为从振荡器的反馈电路20接收反馈信号21的、与振荡器的第一电极11相邻的共同驱动电极30。
组合来自分离的振荡器的反馈信号21，并且向共同驱动电极30提供所生成的反馈信号的组合叠加。这在各个振荡器之间施加耦合，从而使得可以发生振荡器之间的同步，即不同振荡器的第一谐振器电极11可以同相移动。
所图示的示例中的振荡器的第一谐振器电极11从分离的纳米线50形成，所述纳米线中的每个通过安装在衬底54上的夹具52而保持在悬臂布置中。共同驱动电极30和共同第二电极12也安装在衬底54上。
衬底54例如可以从蓝宝石、玻璃或氧化硅形成。
图3图示了包括与图2中所图示的类似的多个振荡器的装置。然而，该装置不仅具有支撑共同驱动电极30的底部衬底54，它还具有支撑另一共同驱动电极30的顶部衬底54。
组合来自分离的振荡器的反馈信号21，并且向相互同相的两个相对的共同驱动电极30提供所生成的反馈信号的组合叠加。这在各个振荡器之间施加耦合，从而使得可以发生振荡器之间的同步。不同振荡器的第一谐振器电极11中的一些第一谐振器电极可以同相移动(由两个相对的驱动电极中的相同的驱动电极驱动)，并且其他的谐振器电极11可以反相移动(由两个相对的驱动电极中的不同的驱动电极驱动)。每个振荡器可以与阵列内的每个其他振荡器同相或反相。即每个振荡器占据两个相位状态中的一个。
图4示意性地图示了包括多个振荡器501、502和503和控制电路的装置10，所述控制电路包括组合电路621和路由电路663。
每个振荡器50n包括：第一谐振器电极11n、通过间隙与第一电极11n分隔的第二电极12n、被配置为将依赖于跨间隙的电子转移的电子转移信号(I)作为反馈信号21n进行传递的反馈电路20、以及被配置为从反馈电路接收反馈信号的与第一电极11n相邻的驱动电极30n。
多个反馈信号211、212和213被提供为到第一组合电路621的输入。第一组合电路621创建其输入中的所选择的输入的和，并且提供该和作为输出信号641。在一些实施例中，该和可以被选择性地加权。
多个反馈信号211、212和213被提供为到第二组合电路622的输入。第二组合电路622创建其输入中的所选择的输入的和，并且提供该和作为输出信号642。在一些实施例中，该和可以被选择性地加权。
多个反馈信号211、212和213被提供为到第三组合电路623的输入。第三组合电路623创建其输入中的所选择的输入的和，并且提供该和作为输出信号643。在一些实施例中，该和可以被选择性地加权。
路由电路663接收多个输出信号641、642、643，并且向第一振荡器601的驱动电极301选择性地提供多个输出信号641、642、643中的一个作为反馈信号64a、向第二振荡器602的驱动电极302选择性地提供多个输出信号641、642、643中的一个作为反馈信号64b、并且向第三振荡器603的驱动电极303选择性地提供多个输出信号641、642、643中的一个作为反馈信号64c。
因此，有可能暂时或永久地配置装置10，从而第一振荡器601的驱动电极被配置为从第二振荡器602的反馈电路接收反馈信号212。
因此，有可能暂时或永久地配置装置10，从而第一振荡器601的驱动电极被配置为不从第一振荡器601的反馈电路接收反馈信号211。
还有可能向各个振荡器60的多个驱动电极30提供相同的反馈信号64。该多个驱动电极30继而作为共同驱动电极而操作。
组合电路621和路由电路663典型地被提供为不与振荡器“芯片上”集成的外部电路。组合电路621和路由电路66的大小尺度典型地是宏观的，也就是说是比振荡器60大得多的尺度。
在附图和以上描述中，组件可能被图示和/或描述为连接。应当理解，可替代地，组件可以操作地耦合，并且可以存在任何数目的中介元件或中介元件的任何组合(包括无中介元件)。
以上段落中所描述的装置10的应用包括但不限于：模式识别、数据分类、射频电子、信号处理、感测和编码/解码。
虽然已经参考各种示例在以上段落中描述了本发明的实施例，但应当理解对所给出的示例可以进行修改而不从所请求保护的本发明的范围偏离。
以上描述中所描述的特征可以按照与明确描述的组合不同的组合来使用。
虽然已经参考特定特征描述了功能，但这些功能可以由无论是否已描述的其他特征来执行。
虽然已经参考特定实施例描述了特征，但这些特征也可以存在于无论是否已描述的其他实施例中。
虽然在以上说明书中试图对本发明的据信尤其重要的那些特征的关注，但应当理解，申请人对于上文提及和/或在附图中示出的任何可专利特征或特征组合请求保护，而无论是否已对其特别强调。

Claims (20)

1.一种装置，其包括：
谐振器电极和通过间隙与所述谐振器电极分隔的第二电极，所述间隙具有这样的大小，所述大小被配置为促进跨所述间隙的电子转移，其中所述谐振器电极被安装以进行相对于所述第二电极的振荡运动，所述振荡运动导致所述谐振器电极和所述第二电极之间的所述间隙的大小随时间可变；
反馈电路，其被配置为将依赖于跨所述间隙的电子转移的电子转移信号作为反馈信号而进行传递；以及
用于驱动所述谐振器电极的驱动电极，其被配置为从反馈电路接收反馈信号，所述反馈电路被配置为提供依赖于跨间隙的电子转移的反馈信号。
2.如权利要求1所述的装置，其进一步包括电能源，其用于提供用于建立跨所述间隙的电压的恒定偏置电压。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述反馈电路提供与所述谐振器电极处于相同的大小尺度的内部反馈。
4.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述谐振器电极是悬臂。
5.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述装置是纳米机电系统并且所述谐振器电极是纳米结构。
6.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述驱动电极的大小和位置被设置为使得所述驱动电极和所述谐振器电极之间的电容使能所述谐振器电极的自维持振荡运动。
7.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，在使用中，跨间隙的电子转移的概率依赖于所述间隙的大小，跨随时间变化的间隙的电子转移产生随时间变化的反馈信号，并且被施加到所述驱动电极的随时间变化的反馈信号提供所述谐振器电极移动经过的随时间变化的场。
8.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中与所述谐振器电极相邻的所述驱动电极被配置为从所述反馈电路接收所述反馈信号。
9.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其包括多个振荡器，其中每个振荡器包括：
谐振器电极和通过间隙与所述谐振器电极分隔的第二电极，所述间隙具有这样的大小，所述大小被配置为促进跨所述间隙的电子转移，其中所述谐振器电极被安装以进行相对于所述第二电极的振荡运动，所述振荡运动导致所述谐振器电极和所述第二电极之间的所述间隙的大小随时间可变；
反馈电路，其被配置为将依赖于跨所述间隙的电子转移的电子转移信号作为反馈信号而进行传递；以及
用于驱动所述谐振器电极的至少一个驱动电极，其被配置为从反馈电路接收反馈信号，所述反馈电路被配置为提供依赖于跨间隙的电子转移的反馈信号。
10.如权利要求9所述的装置，其中共同驱动电极用于所述多个振荡器中的一些或全部振荡器。
11.如权利要求9或10所述的装置，其中共同第二电极用于所述多个振荡器中的一些或全部振荡器。
12.如权利要求9、10或11所述的装置，其中第一振荡器的所述驱动电极被配置为从第二振荡器的所述反馈电路接收反馈信号。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述第一振荡器的所述驱动电极被配置为不从所述第一振荡器的所述反馈电路接收反馈信号。
14.如权利要求9、10或11所述的装置，其进一步包括控制机制，所述控制机制被配置为选择哪些驱动电极从哪些振荡器接收反馈信号。
15.如权利要求9、10或11所述的装置，其进一步包括控制机制，所述控制机制被配置为选择性地连接第一振荡器的驱动电极以从多个振荡器中的任何振荡器接收所选择的反馈信号。
16.如权利要求9、10或11所述的装置，其进一步包括控制机制，所述控制机制被配置为组合所选择的多个振荡器的反馈信号以产生用于一个或多个驱动电极的组合的反馈信号。
17.一种装置，其包括：
谐振器电极和第二电极，其被配置为使得所述谐振器电极和所述第二电极的第一相对运动改变所述谐振器电极和所述第二电极之间的间隙；
用于传递依赖于跨所述间隙的电子转移的电子转移信号的部件；
用于维持跨非导电间隙的电子转移的概率依赖于跨所述间隙的距离的部件；以及
用于依赖于电子转移信号而改变所述谐振器电极移动经过的场的部件。
18.一种方法，其包括：
传递依赖于跨第一振荡电极和第二电极之间的间隙的电子转移的振荡电子转移电流；以及使用依赖于跨第三振荡电极和第四电极之间的间隙的电子转移的振荡电子转移电流来驱动所述第一振荡电极。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一和第三电极是同一电极。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述第一和第三电极是不同的电极。
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