KR20070087213A - 공진기, 이것을 포함하는 집적 회로 및 공진기의 작동 방법 - Google Patents

공진기, 이것을 포함하는 집적 회로 및 공진기의 작동 방법 Download PDF

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KR20070087213A
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피터 스티네켄
비크 요제프 토마스 마티누스 반
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

공진기는 진동 소자(10)와 적어도 제 1(20) 및 제 2(30) 전극을 구비하며, 적어도 하나의 전극은 디바이스가 전하 바이어스되도록 전하를 저장한다. 전하 조정기(C)는 저장된 전하를 추가하거나 또는 감소시킬 수 있다. 전하 조정기는 누설을 감소시키기 위한 캐패시터일 수 있으며 또는 스위치에 연결된 파워 서플라이일 수 있다. 이것은 정지마찰의 문제를 감소시키고, 전력 소비를 감소시키며, 비 선형성을 감소시킨다. 이것은 전하 레벨이 동작 전에 조정되는 것을 가능케 한다. 제 2 스위치는 진동 소자를 접지시키는 데에 사용될 수 있다.

Description

공진기, 이것을 포함하는 집적 회로 및 공진기의 작동 방법{CHARGE BIASED MEM RESONATOR}
본 발명은 MEM 공진기, 이러한 공진기와 결합하는 디바이스 및 이러한 공진기의 동작 방법에 관한 것이다.
마이크로전자기계적(MEM 또는 MEMS) 공진기들이 알려져 있으며 RF 주파수에서의 높은 온-칩 Q-인자에서 중요하다. MEM 공진기는 전기 신호를 진동 소자의 극도로 낮은-손실의 기계적 진동으로 변환시키며, 진동을 다시 전기 신호로 변환시킨다. 이들은 만약 입력이 이동가능한 소자의 공진 주파수에 대해 차단되었을 때에만 출력을 생성한다. 이들은 예를 들어 오실레이터, 또는 VCO에 결합될 수 있는 높은 대역 필터로서 사용될 수 있다. 이전에는 이러한 기능은 종종 SAW 필터 또는 수정 공진기와 같은 구성 요소에서 사용되었다. 수정 공진기는 오실레이터 회로 내의 주파수 선택 소자로서 사용되어왔다(예를 들어, 콜핏(Colpitts) 오실레이터, 피어스(Pierce) 오실레이터). 불행히도 수정 공진기는 값비싼, 벌크의 개별적인 구성 요소로, 현대 IC 프로세스와 호환가능한 제조 기술을 사용하여 쉽게 집적될 수 없다. 따라서 관심을 갖는 MEM 공진기는 패키징/어셈블리 비용과 구성 요소의 수를 감소시키고, 임피던스 매칭 문제와, RF 애플리케이션 성능에 대해 뚜렷한 영향을 미칠 수 있는 기생 요소들(parasitics)을 감소시키는 것이다. 이것은 모든 RF/아날로그/디지털 구성 요소를 단일 무선-동작 칩(wireless-enabled chip) 상에 통합하도록 하며, 이는 흔히 RF 시스템-온-칩(SoC: RF system-on-a-chip)이라 불린다. 이것은 예를 들어, N 또는 P형 단결정질 반도체 웨이퍼 상에서 현대 CMOS 프로세스를 사용할 수 있다. 다양한 공진기 외형이 클램프된 빔(clamped beam), 캔틸레버(cantilever) 및 다이의 형태인 진동 소자를 포함하는 진동 소자, 전극과 복수의 진동 소자를 갖는 배치에 대해 알려져 있다.
자신들의 진동 주파수에 관련된 파장에 대해 근접하게 배치되고, 서로의 위상에서 1/2 진동 주기만큼 벗어나게 진동하도록, 즉 서로의 동작을 반영하도록 구동하는 적어도 두 개의 진동가능한 부재를 포함하는 MEM 공진기를 제공하는 것이 미국 특허출원 20030052742로부터 알려진다. 전술된 바와 같이 진동가능한 부재를 구동하는 것은 진동가능한 부재로부터 다이로의 음향 에너지의 누설을 억제하고, 공진기의 Q-인자를 향상시키는 소거 간섭 현상을 이끈다. 진동가능한 플레이트의 형태인 진동가능한 부재는, CMOS 기반 메모리에 대한 집적 회로 캐패시터를 형성하는 데에 사용되는 것과 유사한 프로세스를 사용하여, 다이 내의 하나 이상의 트렌치를 깊게 이방성 에칭함으로써 형성된다.
100+MHz 범위 내에서 동작되는 높은 Q 기계적 공진기가 일부 제한을 가진다는 것이 WO 03/023957로부터 알려진다. 또한, 이러한 높은 Q 공진기의 상위 주파 수 범위는 일부 애플리케이션에 대한 그들의 사용을 낮게 제한한다. 또한 이러한 높은 Q 공진기는 제조하기가 어려우며 상대적으로 큰 부피를 갖는다. 따라서 이 문서는 공진기가 전하가 삽입된 부재, 적어도 하나의 입력 전극, 적어도 하나의 출력 전극 및 적어도 하나의 공통 전극을 포함하는 것을 제안한다. 입력 및 출력 전극은 공통 전극으로부터의 부재로부터 이격되어 실질적으로 대향하는 측면 상에 배치된다. 적어도 하나의 부재와 입력 및 출력 전극은 서로에 대해 이동가능하다. 제조 동안, 삽입된 전하를 증착시키도록 전자는 전자총을 사용하여 부재 내에 주입되지만, 전자 주입을 발생시키기에 충분한 전기 바이어스를 부재 양단에 인가하는 것, 탄도 주입, 편광 및 높은 필드 주입과 같이, 부재 내에 삽입된 전하를 저장하는 다른 기술들이 사용될 수 있다. 동일한 기술이 유전체로 형성된 부재 또는 충전된 플로팅 컨덕터로서 형성된 부재 내에 삽입된 전하를 저장하는 데에 사용될 수 있다.
그러나 향상된 디바이스에 대한 필요성은 여전히 남아있다.
본 발명의 목적은 향상된 MEM 공진기, 이 공진기와 결합하는 디바이스 및 이러한 공진기를 제조하고 동작하는 방법을 제공하는 것이다.
제 1 측면에 따르면, 본 발명은
입력 신호에 따라 진동하고 진동에 따라 출력 신호를 생성하도록 구성된 진동 소자 및 전극을 포함하되,
전극과 진동 소자 중 적어도 하나는 사용시에 전하를 저장하도록 구성되고, 그에 따라 전극과 진동 소자 중 적어도 하나는 저장된 전하를 추가하거나 또는 감소시키도록 구성된 전하 조정기를 포함한다.
공진기는 입력 및 출력 전극을 구비할 수 있다. 또한 본 발명은 공통 전극을 필요로 하지 않는다.
진동 소자는 접지 컨덕터(grounded conductor)일 수 있고 입력 전극은 플로팅 충전 컨덕터(floating charged conductor)일 수 있다. 이것은 예를 들어 니들(needle)을 사용한 제조 중 사전충전될 때와 같은 적절한 시점에서 충전될 수 있다.
전술된 구성은 전하 누설에 반하여 전하량이 유지되는 것을 가능케 할 수 있다. 또한 이것은 기판으로의 풀-인 힘(pull in force)이 감소되도록 전하량이 감소되는 것을 가능케 할 수 있고, 따라서 정지 마찰 문제를 감소시킨다. 디바이스를 바이어스하는 데에 전압 소스가 아닌 저장된 전하를 사용하는 것의 장점은 전력 소비의 감소, 고전압 전력 서플라이에 대한 필요성의 감소 및 진동 소자의 변위 시의 보다 선형적인 출력 전력을 포함할 수 있다. 이러한 비-선형적 효과를 감소시키는 것은 보다 높은 Q 인자와 더욱 좁은 대역 필터링 특성으로 이끌 수 있다. 이것은 특히 전기적인 비-선형성이 기계적인 비-선형성보다 우위로 나타나는 동작 조건 하에서 큰 효과를 갖는다.
본 발명의 추가적인 특성은 충전된 전극 또는 충전된 소자에 연결된 전하 저장소를 포함하는 전하 조정기이다. 이것은 특히 누설에 대비하여 전하를 유지하는 간단한 방법이다. 저장소는 전극이 단독으로 저장하는 것보다 훨씬 많은 전하를 저장할 수 있기 때문에, 주어진 누설은 결합된 저장소와 전극에 남아있는 전하량에 비례적으로 훨씬 적은 효과를 가질 것이다.
다른 추가적인 특성은 제 1 스위치에 의해 충전된 전극 또는 충전된 소자로 연결된 전압 소스를 포함하는 전하 조정기이다. 이것은 전하 저장소와 함께 사용되거나 또는 전하 저장소 대신 사용될 수 있다. 다른 경우에서, 이것은 전하 레벨이 동작 전에 조정되도록 하는 것을 가능케 한다.
다른 추가적인 특성은 충전된 전극 또는 충전된 소자가 입력 또는 출력 전극이라는 점이다. 공통 전극 또는 충전된 진동 소자를 구비하는 것과는 반대로, 이것은 전력 소비의 감소, 고전압 전력 서플라이에 대한 낮은 필요성 및 진동 소자의 변위시 보다 선형적인 출력 전류와 같이 충전된 전극의 일부 장점을 가질 수 있는 동시에 진동 소자가 충전될 때 진동 소자 상에 풀-인 힘이 나타나는 단점을 감소시킨다.
다른 추가적인 특성은 충전된 전극 또는 충전된 소자가 진동 소자의 양 측면 상에 배치된다는 것이다. 이것은 디바이스의 선형성 특성을 향상시킬 수 있다. 대향하는 측면 상의 전극은 본 발명에 대해 반드시 기본적인 요구일 필요는 없다.
다른 추가적인 특성은 전극으로의 또는 전극으로부터의 입력 또는 출력 경로 내의 디커플링 캐패시터를 포함하는 전하 저장소이다.
특허청구범위의 종속항에 대한 다른 추가적인 특성은 접지된 진동 소자이다. 이것은 예를 들어 진동 소자가 두 개의 전극와 하나의 갭을 갖는 구성에서 출력 전극으로서 사용되거나, 하나 또는 두 개의 측면 상의 충전된 전극과 함께 사용되는 것을 가능케 할 수 있다.
특허청구범위의 종속항에 대한 다른 추가적인 특성은 스위치를 통해 접지되는 것이다. 이것은 진동 소자 상의 임의의 전하가 동작 전에 또는 임의의 시간에 감소될 수 있도록 한다. 스위치 사용의 다른 장점은 이들이 낮은 누설을 가질 수 있다는 점이다. 또한, 스위치를 배치하지 않는 대안이 보다 간단함에도 불구하고, 이것은 출력의 일부 비선형성을 나타낼 수 있다.
다른 추가적인 특성은 진동 소자가 충전된 전극 또는 충전된 소자와 결합된다는 것이다. 이것은 하나의 갭을 갖는 두 전극 디바이스를 가능케 한다.
다른 추가적인 특성은 제 2 충전된 전극 또는 소자이다.
다른 추가적인 특성은 제 2 충전된 전극이 다른 극성으로 충전된다는 점이다. 이것은 진동 소자의 동작 임피던스를 감소시킬 수 있다.
다른 추가적인 특성은 공진기가 사전충전되도록 폐쇄되고 동작 중에 개방되는 제 1 및/또는 제 2 스위치를 제어하도록 구성된 컨트롤러이다. 이와는 달리 컨트롤러는 제 1 스위치 및/또는 제 2 스위치가 동작 중에 차단되도록 제어할 수 있게 구성되어 디바이스가 전압 바이어스된 디바이스처럼 동작하는 것을 가능케 할 수 있다.
다른 추가적인 특성은 MEM 스위치를 포함하는 제 1 및/또는 제 2 스위치이다.
본 발명의 다른 측면은 공진기의 동작 방법과 공진기를 포함하는 집적 회로를 포함한다.
추가적인 임의의 특성은 함께 결합되거나 또는 다른 임의의 측면들과 결합될 수 있다. 다른 장점들은 종래 기술을 바탕으로 하여 당업자들에게 명백히 이해될 것이다. 다수의 변화 및 변경이 본 발명의 특허청구범위로부터 벗어나지 않는 한 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 형태는 단지 예시적인 것으로 본 발명의 특허청구범위의 범주를 제한하는 것은 아님을 명확히 이해해야 한다.
도 1은 종래의 공진기를 도시한 도면,
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공진기를 도시한 도면,
도 8 및 도 9는 실시예에서 사용하는 MEM 스위치의 예를 도시한 도면,
도 10은 스위치로서 사용하는 플로팅 게이트 디바이스의 예를 도시한 도면,
도 11은 실시예에서 사용하는 공진기 구조의 예를 도시한 도면.
본 발명이 효과를 가질 수 있는 방법이 첨부된 도면을 참조로 하여 예시의 방법으로 하기에서 기술될 것이다.
본 발명은 임의의 도면을 참조로 하여 특정 실시예에 대해 기술될 것이지만, 본 발명이 이러한 실시예로 제한되는 것은 아니며, 오직 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 도시된 도면들은 단지 개략적인 것으로 제한을 위한 것은 아니다. 도 면에서, 일부 소자의 크기는 과장될 수 있으며 설명을 위해 실제 축적대로 도시되지 않았다. 본 설명과 특허청구범위에서 "포함하는"이라는 용어가 사용되었으며, 이것은 다른 소자 또는 단계를 제외하는 것은 아니다. 단수의 명사를 지칭하도록 사용된 용어들은 특별한 언급이 없는 한 동일한 명사의 복수형도 포함하는 것이다.
본 명세서에서 사용된 "포함하는"이라는 용어는, 이것이 수식하는 수단만으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 다른 소자 또는 단계들을 제외하는 것은 아니다. 따라서, "수단 A와 B를 포함하는 디바이스"라는 표현의 범주는 디바이스가 오직 구성 요소 A와 B만을 포함하는 것으로 제한되어서는 안된다. 이것은 본 발명에 있어서, 관련된 디바이스의 구성 요소가 A와 B임을 의미하는 것이다.
또한, 설명과 특허청구범위에서의 제 1, 제 2, 제 3 및 그와 유사한 용어들은 유사한 소자들을 구별하는 데에 사용되는 것으로 반드시 순서 또는 연대순을 기술하는 것은 아니다. 이렇게 사용되는 용어들은 적정한 환경에서 상호교환가능하고 본 명세서에서 기술된 본 발명의 실시예는 본 명세서에서 기술되거나 도시되지 않는 순서로 동작할 수 있다.
또한, 설명과 특허청구범위에서의 상부, 바닥, 위, 아래 및 이와 유사한 용어들은 설명을 위해 사용되는 것으로 반드시 상대적인 위치를 기술하는 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어들은 적절한 환경에서 상호교환가능하며 본 명세서에서 기술된 본 발명의 실시예는 본 명세서에서 기술되거나 또는 도시되지 않은 다른 배향으로 동작할 수 있다.
도 1은 종래의 전압 바이어스된 MEMS 공진기를 개략적으로 도시한다. 진동 소자(10)는 두 개의 전극(20, 30) 사이에서 샌드위치된다. 사각형(3, 5)은 예를 들어, 기판으로 진동 소자를 고정시키는 앵커(anchor)를 나타낸다. 공진기는 기판에 부착되거나 또는 기판의 일부분이다.
공진기는 갭(9) 사이에서 높은 전기장을 획득하기 위해 높은 DC 전압으로 전극(20, 30)을 바이어스 하도록 고전압 서플라이(8)를 필요로 한다. 교류 전압 소스 Vin(10)는 입력(7)으로서 도시되었고, 출력(4)은 진동 소자(10)에 의해 유도된 전류 IOUT(6)에 관하여 측정된다.
도 2는 본 발명에 따른 전하 바이어스된 공진기의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한다. 공진기는 예를 들어 반도체 기판인 기판에 부착되거나 또는 기판의 일부분이다. 전술된 바와 같이, 사각형(3, 5)은 공진 소자를 예를 들어 기판에 부착시키는 앵커를 나타낸다. 전술된 바와 같이 명확하게, 진동 소자 및 그들의 앵커, 또는 앵커들에 대한 다른 외형들이 고려될 수 있으며, 본 발명은 특정 외형으로 제한되지 않는다. 도 1과 비교하여, 이러한 배치는 공진기의 바이어싱이 고정된 전압 대신 고정된 전하에 의해 실행된다는 점이 다르다. 따라서 빔(10)은 사용 중에 DC 전압 서플라이에 접속되지 않는다. 이러한 방법의 장점은 공진기가 개별적인 높은 DC 전압 소스(8)를 필요로 하지 않으며, 한번 바이어스되면, 예를 들어 생산 중에, 바이어싱과 그에 따른 공진의 주파수가 동작 동안 DC 전압 서플라이의 레벨의 변화에 영향을 받지 않는다. 이것은 자신의 공진 주파수의 보다 정확한 튜닝을 허용한다.
만약 동일한 바이어스 전압이 사용되었다면, 전하 바이어스된 공진기의 운동 저항은 적어도 전압 바이어스된 공진기와 대체로 동일할 것이다. 공진기 빔(10)과 좌측 전극 사이의 갭(9)은 g+x이고, 빔과 우측 전극 사이의 갭(9')은 g-x이다(x는 평형 상태로부터의 변위). 스위치가 폐쇄되었을 때 전하 Qdc=Vdc 2Aε0/g이 인가된다. 바이어스 전하를 인가할 때 AC 전압 Vin=0이다. 다른 실시예에 따르면, 앞에서 저장된 전하가 오직 제조 동안에만 예를 들어 전자총에 의해 삽입되는 데에 반해, 이제는 저장된 전하를 추가하거나 또는 감소시키는 데에 스위치(11)에 의해 연결된 전압 서플라이(8)의 형태로 전하 조정기가 제공된다. 스위치(11)가 제공되기 때문에, 사전-충전이 반복될 수 있다. 공진기가 사전-충전되는 동작 전에, 예를 들어, 스위치(11)가 폐쇄되고, Vin=0V이다. 동작 동안 스위치(11)는 개방된다. 이상적으로 전하는 누설되지 않지만, 실제로는 일부 누설이 존재할 것이다. 따라서, 스위치(11)는 전하를 리프레쉬(refresh)하기 위해 간단히 폐쇄될 수 있다. 이것은 스위치온 또는 시스템의 초기화, 또는 보다 드물게는 정비가 실행되거나 오류가 검출되었을 때 필드에서 실행될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 진동 빔(10)에 전하를 추가함으로써 공진기에 전하를 바이어싱하는 것은 하나의 단점을 갖는다. 많은 전하가 자유 빔(10) 상에 축적되었을 때, 기판과 자유 빔(10) 사이에 힘이 발달할 수 있다. 이러한 효과는 변형을 일으키고 결과적으로 공진기의 풀-다운과 정지마찰을 발생시킨다. 따라서, 다른 실시예에서, 진동 소자(10)는 접지 퍼텐셜로 유지된다. 도 3의 실시예에서, 소 자(10)의 양 사이트의 전극은 각각 입력(20) 및 출력(30) 전극이며, 둘 모두 공진기를 전하 바이어스하도록 전하를 저장하는 데에 사용된다. 제 1 스위치(11, 11')에 의해 연결된 전압 서플라이(8, 8')의 형태인 전하 조정기는 개별적으로 각각 전극(20, 30)에 대해 제공된다. 디커플링 캐패시터 C는 예를 들어 입력 및 출력과 같은, 회로의 다른 부분에 높은 충전 전압이 보급되는 것을 억제하도록 제공된다. 디커플링 캐패시터 C는 각각 전하 저장소로서 역할을 할 수 있으며, 또는 다른 캐패시터들이 이러한 용도로 제공될 수 있다.
진동 소자(10) 상의 퍼텐셜은 기판(접지 퍼텐셜에 있는 것으로 가정)에 연결되거나 또는 제 2 스위치(15)를 통해 접지 전극에 연결됨으로써 낮게 유지된다. 공진기가 사전-충전되는 동작 이전에 모든 스위치(8, 8', 15)는 폐쇄된다. 동작 동안 모든 스위치(8, 8', 15)는 개방된다. 도 3의 공진기의 동작은 두 개의 직렬 디커플링 캐패시터 C의 영향을 제외하면 도 2와 동일하다. 극한(limit)에서 C의 캐패시턴스는 무한하고, 전하 바이어스된 공진기 모두 동일한 동작 임피던스를 갖지만, 도 3의 공진기는 기판을 향한 풀-인(pull-in) 힘에 의한 문제를 갖지 않는다.
전하 저장소 사용의 다른 장점은, 이것이 작은 누설 전류의 영향을 감소시키는 데에 버퍼로서 사용될 수 있다는 점이다. 캐패시터 C가 공진기(오직 Aε0/g의 캐패시턴스를 가짐) 자신보다 훨씬 많은 전하를 저장할 수 있기 때문에, 디커플링 캐패시터에 의해 저장된 전하의 양은 훨씬 많을 수 있다. 따라서 누설 전류는 도 3보다 도 1 또는 2의 공진기에 훨씬 높은 영향을 가질 것이다.
도 2와 도 3의 배열의 중요한 장점은 기계적인 요인으로부터 일부 비-선형성이 여전히 존재하지만 전기적인 부분의 선형 응답이 존재한다는 점이다. 전하 바이어스된 공진기는 전압 바이어스된 공진기보다 더 선형적이다. 전압 바이어스의 경우에는 비선형적인 세 개의 소스가 존재한다. 활성화력은 (Vdc+Vin)의 제곱에 비례한다. 다음으로, 힘은 (g+x)의 제곱에 반비례한다. 다음으로, 출력 전류는 변위에 대해 선형적이지 않다. 반대로, 전하 바이어스된 디바이스에 있어서, Iout=c(ω)*Vin이며, 이때 c는 Vin과 독립적이다. 따라서 오직 기계적인 비선형성만이 남는다. 전하 저장소를 갖는 전하 바이어스된 공진기의 다른 구현이 가능하지만, 이들 중 일부는 동일한 선형성의 장점을 갖지 않는다. 예시들이 도 4-7에 도시되었다. 도 4 내지 6의 공진기는 오직 하나의 갭만을 필요로 하며, 이것은 보다 간단하고 조밀한 구성을 가능케 한다.
도 4는 하나의 갭(9)을 갖는 전하-바이어스된 공진기를 도시한다. 도 3에 비교하여, 출력 전극(30)은 제거되었고, 진동 소자(10)는 출력 전극으로서 사용된다. 이것은 디커플링 캐패시터 C를 통해 출력에 연결된다. 진동 소자(10)의 퍼텐셜은 앞서와 같이 스위치(15)를 사용하여 접지로 사전충전된다.
도 5는 제 2 스위치(15)를 필요로 하지 않고 접지 퍼텐셜에 고정된 진동 소자(10)를 갖는 전하-바이어스된 공진기를 도시한다. 이것은 도 3의 실시예와 유사하지만 조금 더 간단하다. 이러한 구성은 예를 들어 도 3과 비교하여 일부 비-선형성을 나타낼 수 있다. 그러나, 사전-충전 후에 DC 전압 소스를 필요로 하지 않 는다.
도 6은 하나의 갭(9)을 갖는 전하-바이어스된 공진기의 실시예를 도시한다. 이것은 도 4의 실시예와 유사하지만, 진동 소자(10)를 접지에 사전충전시키는 데에 제 2 스위치(15)를 필요로 하지 않는다. 따라서 출력측 상의 디커플링 캐패시터 C에 대한 필요성이 존재하지 않는다.
도 7은 도 4의 실시예와 유사하게 하나의 갭(9)을 갖는 실시예를 도시하지만, 이러한 경우, 출력 전극으로서 사용되는 진동 소자(10)는 스위치(11')를 통해 연결된 전압 소스(8')를 사용하여 사전충전된다. 이것은 전압 소스(8)와 스위치(11)에 의해 갭(9)의 다른 쪽 상의 다른 전극(20)의 전하에 반대인 극성으로 충전된다. 또한 도 7의 공진기의 동작 임피던스는 도 1 내지 도 6의 공진기보다 4배 낮다(만약 g>>x이고 Vdc>>Vin이면 모두 동일한 동작 임피던스를 갖는다). 이러한 감소는 전압 바이어스된 공진기에 대해서도 발생한다(모든 스위치가 폐쇄됨). 도 7의 구성의 단점은 풀인 힘이 기판과 공진기 사이에서 발달할 수 있다는 것이다(공진기는 상승된 퍼텐셜에 존재함).
전하 바이어스된 공진기에 전하를 인가하는 스위칭된 전압 소스를 사용하는 것의 대안은 공진기 상에 또는 전하 저장소 내에 니들(needle) 또는 프로브를 사용하여 전하를 인가함으로써 생산 중에 이것을 실행하는 것이다. 니들은 제거될 수 있으며 만약 전하 누설이 충분히 낮으면, 전하는 저장소 내에 남아있을 것이다. 만약 전하 누설이 너무 높으면 다른 구현에서 스위치를 사용할 수 있으며, 이것은 전하를 복구하도록 공진기 또는 저장소를 전압 소스에 때때로 접속시킨다. 스위치 를 사용하는 MEM 기술의 예시가 도 8 및 도 9에 도시되었다. 도 8에서 검정색 영역이 도전성 전극이다. 이러한 도면들은 갈바닉 MEMS 스위치의 두 가지 개략도를 도시하며 진동 소자 또는 공진기의 전극으로 접속되는 방법을 도시한다. 도 8은 바이어스 스프링 힘 k를 극복하기 위해, 구동 전압을 인가함으로써 함께 힘이 주어지는 두 개의 구동 전극(18, 19)을 구비하는 스위치를 도시한다. 이것은 한 쌍의 스위치 콘택트(13; 14, 15)의 접근을 발생시킨다. 하나의 스위치 콘택트(14)는 Vdc 전압 서플라이에 연결될 수 있고, 다른 스위치 콘택트(13)는 전술된 구성에 따라 원하는 바와 같이, 공진기 또는 충전 저장소 R에, 예를 들어 진동 소자 또는 전극에 연결될 수 있다. 전극(13, 18)은 절연 캐리어 C 상에 장착된다. 스위치를 폐쇄할 때 충전 전압과 공진기/전하 저장소 사이의 전기 접속이 이루어진다. 도 9는 스위치의 가능한 구성에 대한 3차원 도면을 도시하며, 이때 GC는 갈바닉 콘택트, R은 공진기이고 HVDc는 충전을 위한 고전압 접속부이다. 다른 형태 또한 가능하다. MEMS 스위치는 전형적으로 설계에 따라 2-300V 사이의 전압에서 스위칭한다. 전형적인 값은 40V이다. 이것은 매우 낮은 누설 전류를 갖기 때문에 공진기를 충전하는 데에 적합하다.
일반적인 FET 또는 DMOS 트랜지스터와 같은 트랜지스터가 스위치로 사용될 수 있지만, 다수의 애플리케이션에 있어서 누설 전류가 너무 높다. 다른 예는 플래쉬, OTP, 또는 EPROM 비-휘발성 메모리 트랜지스터가 있으며, 이들은 공진기를 플로팅 게이트 전극으로 접속시킨다. 전자 삽입은 CHEI(channel hot electron injection) 또는 FN 터널링(Fowler Nordheim Tunneling)에 의해 발생할 수 있다. 도 10은 전형적인 비-휘발성 메모리 트랜지스터의 개략도를 도시한다. 이것은 기판(27), 소스(23), 드레인(25), 유전층(22), 플로팅 게이트(24) 및 제어 게이트(21)를 포함한다. 전하는 전형적인 값으로서 소스=0V, 드레인=5V, 제어 게이트=10V를 인가함으로써 플로팅 게이트(24) 내에서 삽입될 수 있다. 기판과 플로팅 게이트 사이의 유전체의 전형적인 두께는 10nm이다. 플로팅 게이트의 전형적인 전하 보유 시간은 매우 길 수 있다. 예를 들어 4V의 전위를 갖는 10nm SiO2 게이트 산화물은 자신의 전하의 10%가 누설될 때까지 1020년을 유지할 수 있다(G. Iannaccone 및 S. Gennai의 Proc. 7th Int. Workshop on Computational Electronics, Glasgow 2000의 153페이지, ISBN/ISSN 0-85261-704-6 참조 ). 비-휘발성 트랜지스터에 대한 전반적인 정보는 예를 들어,
http://www-ee.eng.hawaii.edu/~msmith/ASICs/HTML/Book2/CH04/CH04.3.htm를 참조하기 바란다.
다른 가능성은 예를 들어, MEMS 3극 진공관과 같은 진공 튜브이다. MEMS 3극 진공관의 예로서 2002년 5월 20일 Applied Physics Letters, Volumn 80, Issue 20, pp.3820-3822를 참조하여라. 공진기 또는 전하 저장소는 3극 진공관의 애노드에 접속될 수 있다. 다른 가능성은 전하를 인가한 다음 퓨즈를 녹임으로써 (MEMS) 퓨즈를 사용하는 것이다. 이러한 방법을 사용하면 전하가 후에 리프레쉬될 수 없다는 점을 유의하여야 한다. 마지막으로 다른 대안은 예를 들어, 일렛트릿(electrets)이 충전되는 것과 유사한 방법인 코로나의 방전을 사용하는 것이다.
공진기 구조체의 제조 방법의 예는 도 12를 참조로 하여 하기에서 간략하게 기술될 것이다.
도 12a에서 SOI 웨이퍼는 p-도핑된 실리콘 층(pSi) 및 절연 실리콘 이산화물 층(SD)을 포함하고 실리콘 기판(Si) 및 알루미늄 금속층(MET)이 웨이퍼 상에 스퍼터 증착된다. 이러한 층은 3마이크로Ω.cm의 저항성을 가질 수 있다. 이러한 금속층은 종래의 리소그래픽 기술에 의해 패터닝된다. 도 12b에 도시된 바와 같이 리소그래픽 레지스트 층(TRE)이 도포되고 패터닝된 후 두 개 이상의 깊은 트렌치가 예를 들어 에치 스톱인 SiO2 층에 도달할 때까지 상부 실리콘 층 내부로 에칭된다. 도 12c에 도시된 바와 같이 레지스트는 제거된다. 도 12d에 도시된 바와 같이 SiO2는 예를 들어 트렌치를 통한 액세스에 의해 버퍼된 산화물 에칭제(BOE)를 사용하여 선택적으로 에칭된다. 이것은 실리콘에 앵커된(anchored) 공진기 빔을 남겨두고 전극으로서의 역할을 할 수 있는 실리콘 반도체의 두 개의 에치 표면 사이에서 부유한다.
공진기 구조체의 구현 예는 종래의 MEMS 공진기 구조체를 사용할 수 있으며, 예시가 "SENSORS AND ACTUATORS" A97-98(2002), pp.497-502로부터의 SEM 모습을 나타낸 도 11에 도시된다. 이것은 빔 공진기 R의 형태를 갖고 각 단부에서 앵커된 진동 소자를 도시한다. 전극 E, F는 양 측면 상에 도시되었다. 앵커 지지부 및 전극의 외부 부분은 이 예에서 금속화된다. 동작하기에 적합한 크기는 약 14Mhz이다. 디바이스가 충전 바이어스된 공진기처럼 동작하기 위해서, 이들은 앞서 예로 서 설명된 바와 같이 서로 다른 방법으로 접속되어야 한다. 하나의 갭을 갖는 공진기의 구현 예는 2004년 4월, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.25, NO.4, p173과 "SENSORS AND ACTUATORS", A 101(2002) pp.1-9를 참조하여라. 누설을 막기 위한 특정 예방 조치 없이 30V 충전 전압을 사용하는 전형적인 구현 예에서, 전하는 수 시간 동안 공진기 상에 남아있다. 진동 소자가 전도할 수 있거나 또는 절연체일 수 있다. 진동 소자가 충전된 절연체일 때 이는 일렉트릿(마이크에서 사용됨)을 갖는다고 일컫는다.
만약 이러한 전하가 누설되지 않았다고 측정되었다면, 충전펌프/dc-dc-컨덕터(매우 높은 전압을 발생시키기 위한 것)를 생략할 수 있고, 회로는 매우 단순하고 저렴해질 것이다. 전하는 예를 들어 제조 동안 (전자 총/프로브 니들 등을 사용하여) 진동 소자에 인가될 수 있다. 이것은 본 발명의 일 실시예이다. 만약 전하가 누설된다면, 충전펌프/dc-dc 컨버터는 단지 때때로 활성화될 필요가 있는 상황이 존재하며, 이것 역시 전력을 절약하기 때문에 바람직하다. 이것은 본 발명의 다른 실시예이다. 추가적인 전하 저장소 캐패시터는 다양한 장소에 배치될 수 있다. 전술된 바와 같이, 전하가 진동 소자 또는 전극으로부터 누설될 때, 이러한 캐패시터로부터의 전하는 누설된 전하를 대신하여 다시 필-업(즉 보상)할 것이다. 기본적으로 다음과 같은 세 가지 주요 선택이 존재한다: 1) 전극에 연결된 여분의 캐패시터 2) 진동 소자에 연결된 여분의 캐패시터 3) 전극과 진동 소자에 연결된 여분의 캐패시터.
전하 누설은 공진기를 진공 패키지 내에 패키징함으로써 방지/감소될 수 있 다. 이것은 충분히 높은 Q-인자를 허용한다는 장점을 갖는다.
이러한 MEMS 공진기의 적용 및 사용은 임의의 SAW/BAW 필터의 적용을 포함하는 집적 회로 내의 오실레이터(주파수 기준 신호를 위한 것) 또는 필터를 포함한다.
요약하면, 전하 바이어스된 공진기의 주요 장점 중 하나는 동작 중에 DC 전압 소스를 필요로 하지 않는다는 점이다. 따라서 공진기는 오직 동작 이전에 사전 충전되기만 하면 된다. 만약 전하 누설이 방지될 수 있다면 공진기 주파수가 동시에 옳은 값으로 튜닝되도록 생산 중에 단지 한번만 사전-충전되면 된다. DC 전압 소스의 부재는 공진기의 에너지 소비가 0이 되도록 한다. 전하 바이어스된 공진기는 따라서 (수정 결정처럼) 순수하게 패시브한 디바이스로서 간주된다.
전하 바이어싱은 다른 장점을 가지며, 이는 공진기는 모든 경우, Vdc>>Vin이고 g>>x가 만족되지 않을 때조차도 선형적이라는 점이다. 따라서 전기적인 비-선형성이 제거되고 오직 기계적인 비-선형성만이 남는다. 이것은 설계를 단순화하고 Q값을 증가시킨다. 바이어싱은 진동 소자 자신에 대해 실행되어야할 필요는 없으며 외부의 전하 저장소를 사용하여 전극에 인가될 수 있다. 몇몇 장점은 다음과 같다.
- (접지 퍼텐셜에 있는) 기판과 공진기 사이에 힘이 존재하지 않으므로 정지마찰의 위험이 감소된다.
- 전하 저장소는 공진기 동작에 대한 누설 전류의 영향을 현저하게 감소시킬 수 있고 따라서 공진기의 기능 수명을 현저하게 증가시킬 수 있는 전하 버퍼로서의 역할 을 한다.
- 누설이 없는 디바이스의 구현을 단순화한다.
일부 구현은 (모든 스위치가 폐쇄된 채로 유지시킴으로써) 전압 바이어스된 공진기로서도 동작할 수 있다.

Claims (19)

  1. 진동 소자 및 전극을 포함하는 공진기에 있어서,
    상기 공진기는 입력 신호에 따라 상기 진동 소자가 진동하고, 상기 진동에 따라 출력 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 전극과 상기 진동 소자 중 적어도 하나는 사용시에 전하를 저장하도록 구성되고, 그에 따라 상기 전극과 상기 진동 소자 중 적어도 하나는 상기 저장된 전하를 추가하거나 또는 감소시키도록 구성된 전하 조정기를 포함하는
    공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 조정기는 상기 충전된 전극 또는 충전된 소자에 연결된 전하 저장소를 포함하는
    공진기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전하 조정기는 제 1 스위치에 의해 상기 충전된 전극 또는 충전된 소자에 연결된 전압 소스를 포함하는
    공진기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전된 전극 또는 충전된 소자는 입력 전극 또는 출력 전극인
    공진기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전하 저장소는 전극으로의, 또는 전극으로부터의 입력 또는 출력 경로 내에 디커플링(decoupling) 캐패시터를 포함하는
    공진기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 소자는 기판 또는 접지 전극에 전기적으로 연결되는
    공진기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 진동 소자는 제 2 스위치에 의해 기판 또는 접지에 전기적으로 연결되는
    공진기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 소자는 상기 충전된 전극 또는 충전된 소자와 결합되는
    공진기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 충전된 전극을 구비하는
    공진기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 소자의 양 측면 상에 배치된 충전된 소자를 구비하는
    공진기.
  11. 제 9 항 내지 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 충전된 전극은 다른 극성으로 충전되는
    공진기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 제 3 항에 따른 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치가 상기 공진기를 사전충전하도록 폐쇄되고 동작 중에는 개방되도록 제어할 수 있게 구성된 컨트롤러를 구비하는
    공진기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 제 7 항에 따른 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치가 상기 공진기를 사전충전하도록 폐쇄되고 동작 중에는 개방되도록 제어할 수 있게 구성된 컨트롤러를 구비하는
    공진기.
  14. 제 4 항 내지 제 13 항 중 제 3 항에 따른 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치 및/또는 상기 제 2 스위치가 동작 중에 폐쇄되도록 제어할 수 있게 구성된 컨트롤러를 구비하는
    공진기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 제 3 항에 따른 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 MEM 스위치를 포함하는
    공진기.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 제 7 항에 따른 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치는 MEM 스위치를 포함하는
    공진기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항의 공진기를 포함하는
    집적 회로.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 제 3 항에 따른 공진기를 동작하는 방법에 있어서,
    상기 충전된 전극을 사전충전하도록 상기 제 1 스위치를 제어하는 단계를 포함하는
    공진기 동작 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 제 3 항에 따른 공진기를 동작하는 방법에 있어서,
    상기 공진기를 전압 바이어스된 디바이스처럼 동작하도록 상기 제 1 스위치를 제어하는 단계를 포함하는
    공진기 동작 방법.
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