CN1849746A - 机电换能器和电设备 - Google Patents

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Abstract

机电换能器(1)具有谐振器元件(20)和用于引起与电学输入信号有关的谐振器元件(20)的弹性形变的致动器(30)。为了保持温度稳定，机电换能器(1)具有感应元件(40)用以提供电感应信号，该信号是谐振器元件(20)的温度的函数，以及加热元件(50)用以加热谐振器元件减小温度相关频率偏差，保持谐振频率等于工作温度的标称频率。加热元件(50)受基于电感应信号的电加热信号的控制。谐振器元件可以具有加热元件或感应元件；它可以是惠斯通电桥的一部分；它可以由在相反的方向延伸的两个纵向可延伸的部分(201，202)组成，在无形变部分(203)中的支撑区(204)中连接。

Description

机电换能器和电设备
本发明涉及一种将电学输入信号转换成电学输出信号的机电换能器。
本发明还涉及一种包括这种机电换能器的电子设备。
首段中描述的机电换能器在本领域是公知的。这种机电换能器的一个实例是微机电系统(MEMS)器件，特别是窄带通滤波器(高Q滤波器)。该滤波器使用微谐振器的固有振动频率发射准确频率的信号同时减弱其他频率的信号和噪声。该滤波器装置包括半导电的谐振器和导电的输入结构，交变电学信号输入到该输入结构。该交变电学信号导致在半导电谐振器上形成镜像电荷，由此吸引谐振器朝向导电的输入结构。如果交变信号频率与固有机械振动频率相似，则谐振器振动，增强了镜像电荷和发射的AC信号。电学和机械振动的啮合选择性地隔离和发射所期望的频率。
已知的机电换能器的一个缺点在于当机电换能器的环境温度改变时其传递系数(transmittance)改变。当机电换能器用作滤波器或振荡器时这是尤其不利的。例如这种情况可能发生，即包括机电换能器的振荡器产生的信号的频率不同于它在工作温度产生的频率，这会导致受振荡器控制的电气设备出现故障。当机电换能器用作滤波器时，温度导致的传递系数的改变可能导致这样的结果，即要由滤波器发射的信号不被滤波器发射而是被其阻隔，导致包括该滤波器的电气设备出现故障。
本发明的一个目的是提供一种机电换能器，其传递系数对机电换能器的环境温度的改变较不敏感。
本发明由独立权利要求定义。从属权利要求定义了优选实施例。
根据本发明的机电换能器包括提供电感应信号的感应元件，该电感应信号是谐振器元件温度的函数。该感应元件类似地用作电温度计，其有效地测量谐振器元件的温度。根据本发明的机电换能器还包括用于加热谐振器元件的加热元件，以减少频率偏差，保持谐振频率基本等于标称频率。为达此目的该加热元件由从电感应信号得出的电加热信号控制。这样，由于机电换能器的环境温度改变而导致的谐振频率的改变(它改变了机电换能器传递系数)就被抵消了。
由于机械损耗，谐振器元件不具有单个陡峭的谐振频率，而是具有一个谐振频率带。谐振频率带的宽度与谐振器的品质因子Q成反比。根据本发明，当标称频率位于谐振频率带内部时，谐振频率基本等于标称频率。
该致动器装置可以包括静电致动器，取而代之或除此之外，该致动器装置可以包括例如US-3,634,787中描述的压电致动器。作为弹性形变的函数的电学输出信号，可取决于谐振器元件的位置和/或速度。
从US-B1-6,238,946可以获知MEMS器件的固有频率可以通过加热谐振器调节。这可以通过制造一个焊盘完成，该焊盘能使电流从谐振器传送到另一个焊盘并因此加热该谐振器。
如果加热元件包括加热电阻器则是有利的，因为这允许通过电加热信号相对简单和有效地控制加热元件。对于欧姆电阻器，焦耳热与流经加热元件的电流成比例。如果加热电阻器至少包括谐振器元件的一部分则是尤其有利的，因为谐振器元件被有效地加热。优选地，加热电阻器包括整个谐振器元件，因为这样该谐振器元件被更有效地加热。
一个实施例中感应元件包括感应电阻器，其具有感应电阻，包括工作温度(T0)下的标称感应电阻(RS)和与标称感应电阻的温度相关感应电阻偏差(dRS(T-T0))，电感应信号是感应电阻的函数。该实施例中感测谐振器元件的温度包括监控感应电阻器的与温度相关的电阻率变化。这种情况下，感应元件具有相对简单的结构且其相对容易产生电感应信号。产生电感应信号的一个特别简易的方法是测量感应电阻器上的电压降。
如果感应电阻器至少包括谐振器元件的一部分则是更为有利的，因为谐振器元件的温度直接被测量，即例如机电换能器的其他元件的温度对电感应信号的影响有限，优选地，没有影响。其他的优势是机电换能器可以相对紧凑地构建。一个实施例中感应电阻器包括整个谐振器元件。
一个实施例中感应元件包括加热元件和/或加热元件包括感应元件。至少部分地将加热元件和感应元件集成在相同的电学装置中产生简单和紧凑的机电换能器。优选地，这两个元件完全集成在一个电学装置中。优选地，这两个元件完全集成在谐振器元件中，因为这允许同时实现精确的温度测量和有效的加热。一个实施例中加热元件和感应元件包括同一电阻器，该电阻器优选地由谐振器元件形成。
为了有效的温度稳定，优选工作温度高于环境温度。当机电换能器与具有设备特定工作温度的其他设备结合使用时，如果机电换能器的工作温度高于设备特定工作温度则是有利的。优选地，机电换能器的工作温度和设备特定工作温度之间的差至少是10K，因为这导致相对强的温度稳定性。为了限制加热所需的功耗，如果该差值低于100K则通常是有利的。
一个允许实现相对精确和容易的温度稳定传递系数的实施例中，感应电阻器包括在惠斯通(Wheatstone)型电子电路中，该惠斯通型电路包括第一接触区和第二接触区，第一接触区通过第一连接和与第一连接并联的第二连接与第二接触区电连接，第一连接包括与第一电阻器串联的感应电阻器，第二连接包括与第二电阻器串联的参考电阻器，感应电阻器和第一电阻器通过第一电连接器相连，参考电阻器和第二电阻器通过第二电连接器相连，电感应信号包括第一连接器和第二连接器之间的电势差。
优选地参考电阻器具有参考电阻，其包括工作温度(T0)下的标称参考电阻(RR)和与标称参考电阻的温度相关参考电阻偏差(dRR(T-T0))，相对温度相关参考电阻偏差小于相对温度相关感应电阻偏差(dRR(T-T0)/RR＜dRS(T-T0)/RS)。这允许相对容易地构建第一电阻器和第二电阻器。如果该条件不满足，必须调整第一电阻器和第二电阻器的温度相关性使得能够产生电感应信号，并且需要相对复杂的电路来产生加热信号。
优选地参考电阻器的相对温度系数TCRR＝dRR/(RR·dT)足够低以允许实现相对容易的温度稳定。TCRR的优选最大值一般取决于感应电阻器的相对温度系数TCRS＝dRS/(RS·dT)和谐振器元件所需的稳定性，即谐振器元件的最大允许温度变化。如果TCRS增加，TCRR也增加。如果谐振器元件的最大允许温度变化增加，TCRR也增加。
优选地，温度相关参考电阻偏差尽可能的低。参考电阻器可以由具有正温度相关性，即dR/dT为正的第一元件和具有负温度相关性即，dR/dT为负的第二元件组成。第一元件和第二元件的温度相关参考电阻偏差部分地相互补偿，这导致参考电阻器的温度相关电阻微分减少。或者，参考电阻器可以由本身具有相对小的TCR的材料组成，由此满足上述TCRR优选值的条件。
这种情况也是优选的，即如果第一电阻器具有第一电阻，其包括工作温度(T0)下的标称第一电阻(R1)和与标称第一电阻的温度相关第一电阻偏差(dR1(T-T0))，第二电阻器具有第二电阻，其包括工作温度(T0)下的标称第二电阻(R2)和与标称第二电阻的温度相关第二电阻偏差(dR2(T-T0))，则相对温度相关第一电阻偏差基本等于相对温度相关第二电阻偏差(dR1(T-T0)/R1＝dR2(T-T0)/R2)。该实施例中第一电阻器和第二电阻器的温度相关电阻变化不影响电势差。
如果不满足该条件，则必须调整参考电阻器和感应电阻器的温度相关性使得能够产生电感应信号，且需要相对复杂的电路产生加热信号。优选地，温度相关参考电阻偏差尽可能的低。第一电阻器和/或第二电阻器可以由具有正温度相关性即dR/dT为正的第一元件和具有负温度相关性即dR/dT为负的第二元件组成。第一电阻元件和第二电阻元件温度相关参考电阻偏差部分地相互补偿，这分别导致第一电阻器和/或第二电阻器的温度相关参考电阻偏差减小。
如果感应电阻器位于第一接触区和第一连接器之间，参考电阻器位于第一接触区和第二连接器之间，在工作温度下，参考电阻器具有标称参考电阻(RR)，第一电阻器具有标称第一电阻(R1)，第二电阻器具有标称第二电阻(R2)，标称感应电阻与标称第一电阻的比等于标称参考电阻与标称第二电阻的比乘以一个缩放因子(c)，该缩放因子(c)基本等于1(RS/R1＝cRR/R2，c≈1)。这种情况下，当感应元件在工作温度时电势差基本等于零，这允许以相对容易的方式控制电子加热信号。例如加热信号可以与该电势差成比例。
当缩放因子不恰好等于1时，机电换能器稳定在一个略不同于工作温度的温度。因此谐振器元件的谐振频率稳定在一个略不同于标称频率的频率。取决于机电换能器的应用，在应用特定容差范围内，必须满足标称频率。该容差范围对应于实际温度必须处于的工作温度附近的温度范围，以使实际频率位于应用特定容差范围内。这里“基本”一词意味着缩放参数与1的偏差很小，使得温度确实处于该温度范围内。
一个实施例中加热元件包括、优选地组成加热电阻器，感应电阻器组成该加热电阻器，第二接触区与地电势电连接，第一接触区与提供电加热信号的电能源电连接。以这种方式，感应元件和加热元件集成在一个电路中，电加热信号的控制以相对容易的方式实现。
如果标称参考电阻大于标称感应电阻(RR＞RS)，则是有利的，因为这样电流主要流经组成加热电阻器的感应电阻器。流经参考电阻器的电流相对小。因此参考电阻器的功耗相对低，这导致相对低的总功耗。
该换能器的一个实施例中谐振器元件由在长度方向具有第一长度的第一部分和在长度方向具有第二长度的第二部分组成，弹性形变包括被第一弹性力阻碍的第一长度变化和被第二弹性力阻碍的第二长度变化，第一弹性力和第二弹性力在谐振器元件的无形变部分基本相互补偿，谐振器元件在包括在无形变部分中的支撑区域中连接到衬底。
在这样的换能器中，从谐振器元件通过支撑区流到衬底的机械能的量，即能量损耗相对低，因为谐振器元件在基本无形变的支撑区域连接到衬底。因此该换能器在相对明确定义的频率具有相对高的Q因子并相应地具有相对大的输出信号。
如果谐振器元件相对于垂直于长度方向的假想平面是镜像对称的且其包括在无形变部分中则通常是有利的。在这种情况下，可能使用镜像对称的致动器引起形变，使得第一弹性力和第二弹性力在无形变部分基本相互补偿。
如果谐振器元件在垂直于长度方向的宽度方向具有宽度(长度大于宽度)则是有利的。如果第一电阻器元件具有垂直于长度方向和宽度方向的高度方向的高度(长度大于高度)则是更为有利的。长度相对于宽度和高度越大，越好地定义谐振器元件的特征模式，其中第一长度和第二长度改变，而其他尺寸不改变。此时相对容易地在该特征模式激励谐振器元件，同时不激励涉及谐振器元件的其他参数变化的其他特征模式。
上述描述的实施例的一个变形方案中，支撑区包括第一谐振器接触和第二谐振器接触，该第二谐振器接触通过包括在谐振器元件中的导电路径与第一谐振器接触电连接，该导电路径包括无形变部分外部的一个点。
这种换能器中，组成电阻器的谐振器元件可以常规地连接，因为没有必要在无形变部分之外区域电接触谐振器元件以获得是长度的变化的函数的电阻。这产生相对简单的换能器。而且，无形变部分之外的谐振器元件的加热在这种换能器中更为有效。可以采用该电流路径以在支撑区外的电阻性地加热谐振器元件。此外使用该电流路径的电阻，可以有效地测量支撑区外部的谐振器元件的温度。
如果谐振器元件在长度方向具有外端，所述点在该外端处则是特别有利的。这种换能器中导电路径具有长度方向的部分，它基本等于或甚至分别大于第一长度或第二长度。因此，第一和第二长度的改变分别导致该导电路径长度相对大的改变，这样产生相对大的信号。如果谐振器元件具有长度方向的另一个外端，该导电路径依次包括所述点和该另一个外端处的另一个点则是有利的。这种换能器中第一和第二长度的改变导致导电路径长度甚至更大的改变，这样导致更大的信号。
一个实施例中该谐振器元件包括组成导电路径的具有第一电导率的第一材料，以及具有第二电导率的第二材料，第二电导率小于第一电导率，从第一谐振器接触到没有点的第二谐振器接触的每个路径都包括第二材料。
谐振器元件的电阻与连接第一谐振器接触和第二谐振器接触的所有路径有关。相对于所有其他路径的电阻，特定路径的电阻决定该特定路径对总电阻的贡献有多少：电阻相对小的路径对总电阻的贡献相对大，而电阻相对大的路径对总电阻的贡献相对小。通过使用电导率相对低的第二材料，不包括点的路径的电阻增加，导致对总电阻的贡献相对少。这些不包括点的路径尤其包括整个包围在无形变部分中的那些路径，因而不产生作为形变函数的电阻。通过使用第二材料，后者路径的贡献减少，换能器的灵敏度增加。
第二材料的电导率越低，不包括无形变部分外的点的路径的贡献越小。因此如果第二材料包括电介质材料则是特别有利的。优选地，第二材料由例如二氧化硅的电介质材料或任何在半导体器件制造中使用的其它电介质组成。或者，第二材料可以包括气态材料或真空。这种材料具有好的隔离属性并易于包括在谐振器元件中。
第一材料可以包括任何电导率取决于形变的材料。它可以包括所有类型的金属，例如铜、铝或钨。硅材料和其他半导体材料可以获得很好的结果，因为这些材料具有作为长度变化的函数而相对强烈改变的电阻率。
根据本发明的机电换能器优选地用在电设备中，用于接收和/或发射电信息信号，其中该电信息信号是电学输入信号和/或电学输出信号的函数。例如这种电设备可以是移动电话或移动电话的基站。或者，该电设备可以是使用电信号的无线传输的任何其他电设备。该机电换能器适于用作例如振荡器或滤波器。
参考附图，根据本发明的机电换能器的这些和其他方面将得到进一步的解释和描述，附图中：
图1是示意图；
图2是沿着图1中的线II-II的机电换能器的剖面图，
图3A-D是在制造过程的各个阶段沿图1中线III-III的机电换能器的剖面图，
图4是仅示出谐振器元件、致动器和锚定元件的换能器的一个实施例的局部顶视图，
图5A-5C是在制造过程的各个阶段根据图4中的V-V的换能器的剖面图，
图6A和6B是分别仅示出谐振器元件、致动器和锚定元件的换能器的其他两个实施例的局部顶视图，和
图7A-7H是在制造过程各个阶段根据图6A和6B中的VII-VII的换能器的剖面图，
这些图没有按比例示出。一般地，相同的部分由相同的参考数字指示。
图1所示的将电学输入信号转换成电学输出信号的机电换能器1包括硅晶片衬底10。或者，衬底10可以是砷化镓晶片或它可以包括任何其他半导电材料、金属材料或电介质材料。对于工作频率设计在10MHz以上的机电换能器，使用包括电介质(例如玻璃)的衬底10是有利的，因为这减小了衬底10中的电磁能损耗。
换能器1还包括谐振器元件20，它是在长度方向延伸的长度1为μm尺寸的导电横梁。在它的长度方向的两个外端处谐振器元件20分别通过锚定元件23和24与衬底10连接。锚定元件23和24固定到衬底10，如图3所示。除了通过锚定元件23和24的连接，谐振器元件20不接触衬底10。
例如可以使用微机电系统(MEMS)领域中公知的工艺制造换能器。图3A-D中示出了在制造工艺的各个阶段机电换能器的剖面图。简而言之，首先在衬底10上提供电介质层11，例如它可以是氧化物层，其上淀积导电层90。例如导电层90可以是n型或p型掺杂的硅层。随后在导电层90之外形成谐振器元件20、锚定元件23和24以及致动器30。当导电层90由例如硅这样的半导体构成时，可以向其提供注入区91用于此后接触谐振器元件20和/或致动器30。注入区91使用离子注入以增加电导率并允许此后通过金属线接触谐振器元件20和/或致动器30。
接着，导电层90被另一电介质层92覆盖，该电介质层92优选地由另一种电介质材料组成，使得此后层11的电介质材料可以相对于层92的其他电介质材料选择性地刻蚀。当层11由氧化硅组成时，层92可以由氮化硅组成。层92被图形化以暴露注入区91。
在电介质层92的顶部，淀积导电材料层93并将其图形化以形成参考电阻器61、第一电阻器60和第二电阻器62。接着，向所获得的预制备的机电换能器1提供另一个导电材料(例如铝)层94，该层被图形化，以通过注入区91将谐振器元件20电连接到第一电阻器60并连接到由锚定元件24形成的第一接触区、将参考电阻器61电连接到第二电阻器62并连接到由锚定元件24形成的第一接触区、分别将第一电阻器60和第二电阻器62电连接到由元件25形成的第二接触区，元件25基本与锚定元件24相同。
这样获得的预制备的机电换能器1被光敏抗蚀剂覆盖，例如通过光刻图形化该光敏抗蚀剂。然后显影图形化的抗蚀剂，形成谐振器元件20、锚定元件23和24、致动器30的表面区域，如图1所示并在下面描述，层93和层94被抗蚀剂覆盖，而表面的另一部分(至少包括待形成的谐振器元件20和致动器30之间的区域)没有抗蚀剂。部分被抗蚀剂覆盖的表面然后被刻蚀，该刻蚀选择性地去除那些不被抗蚀剂覆盖的硅层的部分。这样谐振器元件20、致动器30和它们之间的间隙都被定义。接着，因为前面的刻蚀而暴露的层11在第二刻蚀步骤中被刻蚀。该刻蚀步骤去除氧化物层11的所有暴露部分、以及与这些部分相邻的一些材料。第二刻蚀步骤的结果是，层90的中心部分从衬底10分离，如图3D所示。该中心部分形成谐振器元件20。换句话说谐振器元件20仅通过锚定元件23和24连接到衬底10。因此谐振器元件20相对于衬底10自由运动，即例如它可以在垂直于长度方向的方向上变形。
上述方法具有这样的优势，即参考电阻器61、第一电阻器60和第二电阻器62与谐振器元件20集成在相同的衬底10上。
横梁偏离它的平衡位置的运动被弹性力阻碍。该弹性力以及谐振器元件的质量决定了谐振器元件的谐振频率。该谐振频率包括工作温度下的标称频率和与标称频率的温度相关频率偏差。
机电换能器1包括致动器30，用于引起谐振器元件20的弹性形变。致动器30包括一个电极，其表面面对着长度方向的横梁。致动器30可以相对于谐振器元件被提供电致动电势差，该致动电势差是电输入信号的函数。该致动电势差包括AC部分和DC部分，AC部分是输入信号。
该电极和谐振器元件20的表面组成电容器。当施加致动电势差时，它们相互施加静电力，导致横梁的弹性形变。周期性地改变电致动电势差导致横梁周期性地形变。当电致动电势差随着频率(该频率基本与横梁的谐振频率匹配)改变时，横梁开始机械振动，这导致相对大的形变。换句话说，弹性形变取决于电输入信号，且当电输入信号包括基本随谐振器元件的谐振频率改变的信号成分时，弹性形变共振增强。
机电换能器1还包括电输出信号产生元件，用于产生电输出信号，该输出信号是弹性形变的函数。图1的实施例中电输出信号产生元件包括另一个电极31，其表面在与致动器30的电极面对的一侧的相对侧面对长度方向的横梁。该另一个电极31的表面和谐振器元件20的表面组成另一个电容器。
当横梁相对于该另一个电极被偏置时，在该另一个电极31上感生电荷。因为弹性形变，组成所述另一个电容器的横梁和所述另一个电极之间的距离(通常称为间隙g)被调制，在另一个电极31上感生额外的电荷。该另一个电极31是一个电路的一部分，该电路中所述额外电荷被测量以产生电输出信号。额外电荷的数量以及电输出信号的幅度取决于间隙g的大小，因此取决于横梁的形变：间隙越小，额外电荷越大。因此，输出信号可以用来电容性地测量弹性形变。
机电换能器1还包括感应元件40用以提供作为谐振器元件20的温度的函数的电感应信号。感应元件40包括感应电阻器，它具有感应电阻，其包括工作温度T0下的标称感应电阻RS和与标称感应电阻的温度相关感应电阻偏差dRS(T-T0)。该实施例中当T-T0＞0时温度相关感应电阻偏差dRS为正，即感应电阻器具有正的温度相关性。图1的实施例中感应电阻器由谐振器元件20组成，即感应电阻器至少包括谐振器元件20的一部分。
感应电阻器包括在惠斯通型的电路中，如图1所示。该惠斯通型的电路包括由锚定元件24形成的第一接触区和由元件25形成的第二接触区，元件25与锚定元件24基本相同。第二接触区25与地电势电连接。第一接触区通过第一连接和与第一连接并联的第二连接与第二接触区电连接。第一连接包括与第一电阻器60串联的感应电阻器，第二连接包括与第二电阻器62串联的参考电阻器61。感应电阻器和第一电阻器60通过第一电连接器电连接，该第一连接器在本实施例中由锚定元件23形成。参考电阻器61和第二电阻器62通过第二电连接器电连接，该连接器由与锚定元件23基本相同的元件26形成。
感应电阻器40位于第一接触区24和第一连接器23之间，参考电阻器61位于第一接触区24和第二连接器26之间。在工作温度下参考电阻器61具有标称参考电阻RR，第一电阻器60具有标称第一电阻R1，第二电阻器62具有标称第二电阻R2。标称感应电阻与标称第一电阻之比等于标称参考电阻与标称第二电阻之比乘以一个缩放因子c，该因子基本等于1，即RS/R1≈RR/R2成立。电感应信号包括第一连接器23和第二连接器26之间的电势差。该电势差并因此所述电感应信号是感应电阻的函数。所述电感应信号包括感应电阻器上的电压降，该电压降与第一电阻器60、第二电阻器和参考电阻器61上的电压降相比较。在工作温度，该电势差基本为零，因为RS/R1≈RR/R2成立。
当谐振器元件20的温度改变时，感应电阻器的温度也改变。因为温度相关感应电阻偏差dRS(T-T0)，感应电阻RS改变。那么，实际感应电阻和实际第一电阻的比不再等于实际参考电阻与实际第二电阻的比。因此，电势差不再基本为零。
机电换能器1还包括用于加热谐振器元件20的加热元件50，以减小频率偏移从而保持振动频率基本等于标称频率。加热元件50包括加热电阻器，该加热电阻器至少包括谐振器元件20的一部分。图1的实施例中谐振器元件20组成加热元件50，因此感应电阻器40也组成加热电阻器50。
加热元件50由从电感应信号得出的电加热信号控制。第一接触区24与电能源70电连接以提供电加热信号。电能源70包括运算放大器71，它放大第一连接器23和第二连接器26之间的电势差。运算放大器71的输出与电压源72的负极电连接。电压源72的正极与第一接触区24电连接。电压源72供给恒定电压VS。取而代之或除此之外，电压源72可以提供AC电压VS，该电压以足够高的频率变化，使得在AC电压振动的时间尺度上加热有效地恒定。
在工作温度，运算放大器71的输入端的电势差是零，这样电压源72的负极也为零电势，正极为VS。流经图1中所示的电阻器的电流由它们的标称电阻和VS的值决定。
当实际温度低于工作温度时，因为感应电阻器的正温度相关性，感应电阻器的实际电阻小于标称感应电阻。因此感应电阻器上的电压降减小，电势差dV为正。这样电压源72的负极具有正电势，它等于dV乘以运算放大器71的增益。电压源的正极的电势相对于地增加相同的量。这导致电流增加，从而导致焦耳热增加因而导致横梁温度增加。
当实际温度高于工作温度时，因为感应电阻器的正温度相关性，感应电阻器的实际电阻大于标称感应电阻。因此感应电阻器的电压降增加，电势差dV为负。电压源72的负极具有负电势，它也等于dV乘以运算放大器71的增益。电压源的正极的电势相对于地也有同样数量的增加。倘若dV乘以增益的绝对值小于VS，这导致电流减小，从而导致焦耳热减小，因而导致横梁温度降低。
电加热信号是电感应信号的函数。一个实施例中电加热信号与电感应信号成比例。取而代之或除此之外，电加热信号可以包括一个与电感应信号在预定时间段的积分成比例的成分，和/或与电感应信号在另一个预定时间段的变化成比例的另一成分。当加热信号具有该成分和/或该另一成分时，噪声分别在相对大的和相对短的时间尺度上减少。
图1的实施例中谐振器元件20是宽度W为2μm、长度L为10μm、垂直于图1的平面的高度H为20μm的横梁。它由掺磷的硅制成，磷的浓度为3·1016cm3。在工作温度下，该横梁的感应电阻为RS＝1000Ohm。该横梁的温度相关感应电阻偏差为dRS(T-T0)＝37.5·(T-T0)Ohm。
图1的实施例中，参考电阻器61、第一电阻器60和第二电阻器62都由TiWN层组成，它具有小于例如100ppm(百万分之)/K(开尔文)的相对温度相关电阻偏差，且小于相对温度相关感应电阻偏差，即下面的关系成立：
dRR(T-TO)/RR＝dR1(T-TO)/R1＝dR2(T-TO)/R2＜dRS(T-TO)/RS
这暗示着相对温度相关第一电阻偏差基本等于相对温度相关第二电阻偏差。
或者，参考电阻器61、第一电阻器60和第二电阻器62都由SiCrN层组成，它也具有小于例如100ppm/K的相对温度相关电阻偏差。该材料具有这样的优势，即，其电阻率比TiWN的电阻率高，这允许制备相对紧凑的参考电阻器61、第一电阻器60和第二电阻器62。
对于TiWN，相对温度相关电阻偏差由TiWN层中的氮浓度控制。TiWN层通过溅射淀积制备，氮浓度通过控制制备该层的反应腔中的N2浓度而控制。
对于SiCrN，相对温度相关电阻偏差通过对该层进行退火而控制。SiCrN和TiWN层的制备细节在J.J.van den Broek等在PhilipsJournal of Research，Volume 51，issure number 3，429-447页发表的文章“Metal film precision resistors：Resistive metalfilms and a new resistor concept”中公开。
优选地，dRR(T-TO)/RR＝dR1(T-TO)/R1＝dR2(T-TO)/R2≈0成立，因为这种情况下温度稳定是相对准确的。
参考电阻器61和第二电阻器62基本相同并具有折线(meander)形状，如图1的插图所示。实际的折线可以具有多个拐角，多于图1所示的一个。折线的长度，即由参考数字66指示的折线中间的线的长度，是2500μm，折线的宽度V是20μm，垂直于图1平面的TiWN层的高度是50nm。参考电阻器61和第二电阻器62都具有5000Ohm的标称电阻，因此标称参考电阻小于标称感应电阻RR＜RS。
第一电阻器60也具有类似于参考电阻器和第二电阻器的折线形状。第一电阻器60的折线长度是500μm，折线的宽度V是20μm，垂直于图1的平面的TiWN层的高度是50nm。第一电阻器60的标称第一电阻是R1＝1000Ohm。
一个实施例中，谐振器元件20是n型掺杂的硅横梁，掺杂浓度为3·1016cm-3，高度为20、宽度为20且长度为200μm，工作温度电阻为7kOhm。谐振器元件20的Q因子大约为105，谐振器频率f在工作温度373k附近的温度相关相对变化大约为df/(f0·dT)＝40ppm/K，其中f0是工作温度下的谐振频率。因为谐振频率的带宽与谐振器的品质因子Q成反比，假设df/f0＜1/Q成立，则实际的频率位于振动频率带内。当dT＜0.25K时该条件满足，这样感应电阻器(由谐振器元件20组成)的温度应当稳定在0.25K内。因为它的组成，谐振器元件20的TCR为10000ppm/K，因此感应电阻器的偏移必须小于10000(ppm/K)*0.25K＝2500ppm。当参考电阻器61、第一电阻器60和第二电阻器62的温度在例如100K的范围变化时该条件满足。则TCRR应该小于2500ppm/100K＝25ppm/K。第一电阻器60和第二电阻器62的TCR优选地满足与参考电阻器61相同的条件。
参考电阻器61由50nm厚的SiCrN层组成，其电阻为1.3mOhmcm，宽度为10μm，长度为540μm。它具有14kOhm的电阻。第二电阻器62与参考电阻器62相同，第一电阻器60由50nm厚的SiCrN层组成，其电阻为1.3mOhm cm，宽度为20μm，长度为540μm。它具有7kOhm的电阻，该电阻等于谐振器元件20的电阻。
图4中示出了具有谐振器元件20、致动器30和锚定元件24和25的换能器的一个实施例的局部顶视图。为简单起见，与图1中相同的换能器1的其他部分予以省略。该实施例中换能器1包括导电的谐振器元件20，其在长度方向延伸，长度为1。它通过支撑元件21和22连接到衬底10，支撑元件分别与锚定元件23和24相连。锚定元件23和24固定在衬底上，如图5C所示。除了通过锚定元件23和24的连接，谐振器元件20和支撑元件21和22与衬底10分离。
例如可以使用微机电系统(MEMS)领域所公知的工艺制备换能器。简而言之，首先在衬底10上提供氧化物层11，该氧化物层11上淀积硅层12，如图5A所示。硅层12被光敏抗蚀剂(未示出)覆盖，该抗蚀剂例如通过光刻图形化。然后显影图形化的抗蚀剂，产生被抗蚀剂覆盖的图4中示出的谐振器元件20、支撑元件21和22、锚定元件23和24以及致动器30的表面区域，而表面的剩余部分没有抗蚀剂。部分被抗蚀剂覆盖的表面然后被刻蚀，该刻蚀选择性地去除没有被抗蚀剂覆盖的硅层12的部分。刻蚀的结果如图5B所示。接着，因为先前的刻蚀而暴露的氧化物层11在第二刻蚀步骤中被刻蚀。该刻蚀步骤去除了氧化物层11的所有暴露部分以及与这些部分相邻的一些氧化物。第二刻蚀步骤的结果是，图5C中硅层12的中心部分与衬底分离。它们形成谐振器元件20。在相同的刻蚀步骤，支撑元件21和22下的氧化物层11也被去除，使得谐振器元件20仅通过锚定元件23和24与衬底10连接。
谐振器元件20在长度方向具有两个外端。每个外端面对导电的致动器30的相应电极。致动器30能够接收相对于谐振器元件20的致动电势差VIN以使谐振器元件20弹性形变。致动电势差是提供到换能器1的输入信号的函数。除了该输入信号，该致动电势差还可以包括例如DC成分。弹性形变包括长度l的变化量d1，如图4所示。
谐振器元件20是够传导电流经过谐振器元件20的电路的一部分。该电路可以与图1中示出和描述的电路相同。
谐振器元件20组成具有欧姆电阻R的电阻器，因为谐振器元件20包括具有开放空间的空隙19，所以欧姆电阻R是长度l的变化d1的函数。谐振器元件20包括两个相互平行的横梁，每个横梁分别固定于支撑元件21和22。这两个横梁在外端通过元件205相互连接。空隙19在上述光刻步骤和刻蚀步骤中产生。它防止电流以直线的方式从支撑元件22流到支撑元件21。该电流必须沿着谐振器元件20形成的导电路径流动。该导电路径在长度方向延伸。
谐振器元件20由在长度方向具有第一长度的第一部分201和在长度方向具有第二长度的第二部分202组成。图4所示的实施例中第一长度等于第二长度，由0.5·1给出。另一个未示出的实施例中，第一长度不同于第二长度，例如，它可以是0.25·1。在另一个未示出的实施例中第二部分202省略。弹性形变包括由第一弹性力F1阻碍的第一长度的改变和第二弹性力F2阻碍的第二长度的改变。因为致动器30包括两个基本相同的电极，每个电极与谐振器元件20的外端分开基本相同的间隙g，所以第一弹性力F1和第二弹性力F2在无形变部分203基本相互补偿，无形变部分203位于谐振器元件20的中间。谐振器元件20通过包括在无形变部分203中的支撑区204中的支撑元件21和22连接到衬底10。这样，机械能的流动被限制，Q因子相对高，导致相对大的信号。
支撑区204包括第一谐振器接触250和第二谐振器接触260，第二谐振器接触260通过包括在谐振器元件20中的导电路径与第一谐振器接触250电连接。该导电路径包括点P，其位于无形变部分203的外部、元件205的内部。谐振器元件20具有长度方向的外端，点P位于该外端处。
图4中示出的谐振器元件20包括组成所述导电路径的具有第一电导率的第一材料，以及具有小于第一电导率的第二电导率的第二材料。该实施例中第一材料是硅，第二材料包括电介质材料(此处是空气)。硅可以包括晶向为[110]、[111]或[100]的晶体硅。
或者，换能器1可以被封装，使得第二材料包括压强低于1Pa的低压气体，这具有这样的优势，即中心部分19基本没有任何污染，否则这些污染可能导致不期望的电路短路。下面描述的另一个实施例中第二材料包括固态的电介质。因为中心部分19，从第一谐振器接触250到没有点P的第二谐振器接触260的每个路径都包括第二材料。
对于长度l＝360μm，宽度b＝8μm和图4中示出的厚度t＝2.67μm以及高度h＝10μm的谐振器元件20，横梁的特征频率大约为12MHz。
图6A和6B中示出的另一个实施例中谐振器元件20通过垂直于衬底10主表面的方向上的支撑元件21和22连接到衬底。这些实施例中谐振器元件20的中心部分19填充有电介质，例如氧化硅或氮化硅。对于μm量级或更小的相对小的中心部分19，通常很难通过刻蚀制备空隙19，而不残留刻蚀剂残留物，或在去除刻蚀剂时在形成谐振器元件20的两个平行横梁之间的产生接触。如下所述通过在制造工艺过程中用电介质填充中心部分19，这些困难大为避免。应当注意图6A和6B中仅示出了不同于图1中描述和示出的实施例的换能器1的那些部分。
图6A的实施例中谐振器元件20具有圆形形状，半径为r，它径向地被致动器30环绕，构成环形间隙g。致动器30能够接收相对于谐振器元件20的电致动电势差以在径向方向(即等高线模式)使谐振器元件20弹性形变。还应当注意这类谐振器元件20在长度方向延伸，具有长度1：长度方向可以是任何径向方向，该方向上的长度1与半径r相等。弹性形变包括长度变化dl，它等于半径变化dr。这种谐振器元件尤其适用于相对高的频率，例如高于10MHz或甚至高于150MHz。它具有相对高的Q因子，Q因子可以高于7000或甚至更高。
谐振器元件20由圆形的相互平行的板18a和18b组成，它们的外端通过环形元件205相互电连接。由圆形元件18a和18b以及环形元件205密封的是圆形电介质区域，它组成谐振器元件20的中心部分19。上圆形板18a和下圆形板18b分别通过支撑元件21和22与导体17a和17b电连接。这样，谐振器元件20组成电阻为R的欧姆电阻器，电阻R是对应于长度l+dl的实际半径r+dr的函数。
图6B中示出的一个备选实施例中谐振器元件20是梁形的。它由矩形的相互平行的板18c和18d组成，这些板的在长度方向的外端通过矩形元件205a相连。没有矩形元件205a的矩形板18c和18d的部分被包括氮化硅的中心部分19分离。与图6A中所示的实施例相对照，中心部分19在这里不是完全密封的。与图6A中示出的实施例类似，换能器1还包括导体17a和17b以及支撑元件21和22用于接触谐振器元件20以构成电阻器。它还包括类似于图1和图4中示出的致动器30。
图6A和图6B中示出的换能器1可以用下面的方法制备。图7A-7H中示出了在制造工艺的各个阶段，根据图6A和图6B中的VII-VII的换能器1。衬底10首先被电介质层11覆盖，该电介质层可以包括例如氮化硅。在电介质层11的顶部，例如通过淀积多晶硅层形成导体17b，通过光刻和刻蚀图形化该多晶硅层。这些步骤的结果在图7A中示出。
接着，淀积另一电介质层102(其为例如二氧化硅)，并在其中制备图7B中示出的开口103a以暴露导体17b的一部分。然后，淀积多晶硅薄膜104以覆盖电介质层102，由此填充开口103a并产生支撑元件21。在薄膜104的顶上淀积额外的电介质层，例如使用光刻和刻蚀，由其形成例如图7C中示出的中心部分19。在该结构的顶部淀积另一多晶硅薄膜106，如图7D所示。
下面的步骤中通过刻蚀除去所有没有谐振器元件20和致动器30的区域中的多晶硅，由层104和106以及中心部分19形成谐振器元件20和致动器30，由此定义了间隙g，如图7E所示。在该结构的顶部，淀积包括二氧化硅的另一层电介质层107，并在其中形成如图7F所示的开口103b以暴露作为谐振器元件20的一部分的层106的一部分。然后，淀积例如铝、钨、铜或多晶硅的导电薄膜以覆盖电介质层104，由此填充开口103b和产生支撑元件22。然后通过光刻和刻蚀从该金属薄膜形成导体17a，如图7G所示。最后，电介质层102和107的大部分都被刻蚀去除，分别产生图6A和6B所示的谐振器元件1。当制造如图6B所示的具有填充有电介质材料的中心部分19的换能器1时，基本上该电介质材料不同于电介质层102和107的材料，后面的层可以相对于中心部分19的电介质材料选择性地被刻蚀。因此，中心部分19由氮化硅制成而层102和107包括二氧化硅。
总而言之，用于将电学输入信号转换成电学输出信号的机电换能器1包括谐振器元件20和用于引起谐振器元件20弹性形变的致动器30。弹性形变取决于电学输入信号，且当电学输入信号包括基本随谐振器元件的谐振频率改变的信号成分时该弹性形变被共振增强。电学输出信号是弹性形变的函数。谐振频率包括工作温度下的标称频率和与标称频率的温度相关频率偏差。为了稳定谐振器元件的谐振频率，机电换能器1还包括感应元件40用于提供电感应信号，该电感应信号是谐振器元件20的温度的函数，以及加热元件50用于加热谐振器元件以减小温度相关频率偏差，保持谐振频率基本等于标称频率。加热元件50由从电感应信号得出的电加热信号控制。
应当注意上述实施例仅说明而没有限制本发明，本领域技术人员能够设计很多可供选择的实施例而不偏离所附权利要求的范围。权利要求中，任何圆括号中的参考符号不构成对权利要求的限制。“包括”一词不排除不同于权利要求中列出的其他元件或步骤的存在。元件前的“一个”一词不排除多个这种元件的存在。

Claims (17)

1.一种将电学输入信号转换成电学输出信号的机电换能器(1)，该机电换能器(1)包括：
-谐振器元件(20)，
-致动器装置(30)，用于引起谐振器元件(20)的弹性形变，该弹性形变取决于电学输入信号，且当电学输入信号包括基本随谐振器元件的谐振频率改变的信号成分时被共振增强，电学输出信号是弹性形变的函数，谐振频率包括工作温度下的标称频率和与该标称频率的温度相关频率偏差，
-感应元件(40)，用于提供电感应信号，该电感应信号是谐振器元件(20)的温度的函数，以及
-加热元件(50)，用于加热谐振器元件，以减小该温度相关频率偏差，从而保持谐振频率基本等于标称频率，加热元件(50)由从电感应信号得出的电加热信号控制。
2.如权利要求1所述的机电换能器(1)，其中加热元件(50)包括加热电阻器，该加热电阻器至少包括谐振器元件(20)的一部分。
3.如权利要求1所述的机电换能器(1)，其中感应元件(40)包括感应电阻器，该感应电阻器具有感应电阻，该感应电阻包括工作温度(T0)下的标称感应电阻(RS)和与该标称感应电阻的温度相关感应电阻偏差(dRS(T-T0))，电感应信号是该感应电阻的函数。
4.如权利要求3所述的机电换能器(1)，其中感应电阻器至少包括谐振器元件(20)的一部分。
5.如权利要求1所述的机电换能器(1)，其中感应元件(40)包括加热元件(50)和/或加热元件(50)包括感应元件(40)。
6.如权利要求3所述的机电换能器(1)，其中感应电阻器包括在惠斯通型电路中，该惠斯通型电子电路包括第一接触区(24)和第二接触区(26)，第一接触区(24)通过第一连接和与第一连接并联设置的第二连接与第二接触区(26)电连接，该第一连接包括与第一电阻器(60)串联的感应电阻器，该第二连接包括与第二电阻器(62)串联的参考电阻器(61)，感应电阻器和第一电阻器(60)通过第一电连接器(23)相连，参考电阻器(61)和第二电阻器(62)通过第二电连接器(26)相连，电感应信号包括第一连接器(23)和第二连接器(26)之间的电势差。
7.如权利要求6所述的机电换能器(1)，其中参考电阻器(61)的参考电阻包括工作温度(T0)下的标称参考电阻(RR)和与该标称参考电阻的温度相关参考电阻偏差(dRR(T-T0))，相对温度相关参考电阻偏差小于相对温度相关感应电阻偏差(dRR(T-T0)/RR＜dRS(T-T0)/RS)。
8.如权利要求6所述的机电换能器(1)，其中第一电阻器(60)具有第一电阻，该第一电阻包括工作温度(T0)下的标称第一电阻(R1)和与该标称第一电阻的温度相关第一电阻偏差(dR1(T-T0))，第二电阻器(62)具有第二电阻，该第二电阻包括工作温度(T0)下的标称第二电阻(R2)和与该标称第二电阻的温度相关第二电阻偏差(dR2(T-T0))，相对温度相关第一电阻偏差基本等于相对温度相关第二电阻偏差(dR1(T-T0)/R1＝dR2(T-T0)/R2)。
9.如权利要求6所述的机电换能器(1)，其中感应电阻器位于第一接触区(24)和第一连接器(23)之间，参考电阻器(61)位于第一接触区(23)和第二连接器(26)之间，在工作温度下，参考电阻器(61)具有标称参考电阻(RR)，第一电阻器(60)具有标称第一电阻(R1)，第二电阻器(62)具有标称第二电阻(R2)，标称感应电阻与标称第一电阻之比等于标称参考电阻与标称第二电阻之比率乘以一个缩放因子(c)，该缩放因子(c)基本等于1(RS/R1＝cRR/R2，c≈1)。
10.如权利要求9所述的机电换能器(1)，其中加热元件(50)包括加热电阻器，感应电阻器组成该加热电阻器，第二接触区(26)与地电势电连接，第一接触区(23)与电能源(70)电连接用于提供电加热信号。
11.如权利要求10所述的机电换能器(1)，其中标称参考电阻大于标称感应电阻(RR＞RS)。
12.如权利要求1所述的机电换能器(1)，其中谐振器元件(20)包括在长度方向具有第一长度的第一部分(201)和在长度方向具有第二长度的第二部分(202)，弹性形变包括被第一弹性力(F1)阻碍的第一长度的变化和被第二弹性力(F2)阻碍的第二长度的变化，第一弹性力(F1)和第二弹性力(F2)在谐振器元件(20)的无形变部分(203)基本相互补偿(F1+F2≈0)，谐振器元件(20)在包括在无形变部分(203)中的支撑区(204)中连接到衬底(10)。
13.如权利要求12所述的机电换能器(1)，其中支撑区(204)包括第一谐振器接触(250)和第二谐振器接触(260)，该第二谐振器接触(260)通过包括在谐振器元件(20)中的导电路径与第一谐振器接触(250)电连接，该导电路径包括无形变部分(203)之外的点(p)。
14.如权利要求13所述的机电换能器(1)，其中谐振器元件(20)具有长度方向上的外端，点(P)在该外端处。
15.如权利要求13所述的机电换能器(1)，其中谐振器元件(20)包括组成所述导电路径的具有第一电导率的第一材料，以及具有小于第一电导率的第二电导率的第二材料，从第一谐振器接触(250)到没有点(P)的第二谐振器接触(260)的每个路径都包括第二材料。
16.如权利要求15所述的机电换能器(1)，其中第二材料包括电介质材料。
17.一种用于接收和/或发射电信息信号的电设备，包括如权利要求1所述的机电换能器(1)，其中该电信息信号是电学输入信号和/或电学输出信号的函数。
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