KR20080002933A - 전기발진신호 발생 전자 장치 및 방법 - Google Patents

전기발진신호 발생 전자 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치는 MEMS(micro-electromechanical system)를 기반으로 한다. 전자 장치는 전형적으로 기판(104), 기판(104)에 대해 움직일 수 있는 가동 소자(102), 작동 수단, 그리고 센서를 포함한다. 동작 수단은 가동 소자(102)의 진동을 유도하는 데 사용되며, 두 개의 유도성 소자를 포함한다. 센서를 사용하여 가동 소자(102)의 유도 진동을 감지하여 전기 발진신호로 변환한다. 이 신호를 증폭하여 적어도 부분적으로는 작동 수단을 파워링하는 데 사용함으로써, 안정된 공진 주파수에서 고정 진폭을 가진 발진 신호를 얻을 수 있다. 상이한 구성요소들이 칩 상에 고집적된다.
신호, MEMS, 유도성, 작동, 가동, 발진기, 진동

Description

전기발진신호 발생 전자 장치 및 방법{LOW-VOLTAGE MEMS OSCILLATOR}
본 발명은 마이크로전자 장치에 관한 것으로, 특히 발진기(oscillators)에 관한 것이다. 또한 본 발명은 특히 MEMS(micro-electromechanical system)를 기반으로 전기 발진신호를 발생하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
예를 들어 마이크로프로세서 및 마이크로제어기 애플리케이션, 통신 애플리케이션 등과 같은 폭넓은 전자 애플리케이션 분야에서, 다소 정확한 값을 가진 기준 주파수를 발생시키기 위해 수정발진기(quartz crystal oscillators)를 사용한다. 수정발진기는 전형적으로 고품질 인자를 가지며 상당한 안정성을 지닌다. 그렇지만 수정발진기는 반도체 기판에 집적시키기 어려운 벌크 소자(bulky elements)들로 인한 단점을 가진다. 환언하면 수정발진기는 고집적 반도체 해결방안에는 적합하지 않다는 것이다.
예를 들어 반도체 기판과 같은 기판에 집적시킬 수 있는 발진기, 공진기 또는 유사한 전자부품들을 설계하려는 여러 시도가 있어 왔다. 몇몇 설계는 최신 IC 기술과 쉽게 호환되지 않는 비교적 고전압을 필요로 하는 정전효과를 기반으로 한 시스템을 포함한다. 또 다른 설계는 MEMS로도 언급될 수 있는 초소형 전자기계시스템을 기반으로 한 발진기 또는 유사한 전자부품을 포함한다. MEMS는 전형적으로 전기기능과 기계기능 또는 유압기능을 결합한 초소형 전자기계시스템이다. 이것은 반도체칩 상에 내장되는 광학 스위치, 조정가능 레이저, 센서, 밸브, 기어, 미러 및 작동수단에 적용된다. 전자 필터 또는 전자 스위치와 같은 MEMS의 특정 애플리케이션은 이미 보고되어 왔다. 미합중국 특허출원 2003/0030527은 전자 필터용 MEMS 장치의 사용을 기술한다. 이 문서는 정전원리로 동작하는 필터에 비해 더 높은 주파수로 감도를 증가시키기 위하여 전기 에너지를 자기 에너지로, 더 나아가 기계 에너지로 변환시키는 데 강자성체를 사용하는 전자 필터를 기술한다. 결과적으로, 이러한 MEMS 장치를 제조하기 위해서는 적어도 하나의 강자성체를 사용할 필요가 있는 데, 이는 비표준이며 표준 반도체 공정 기법과 거의 호환되지 않는다.
본 발명의 목적은 전자 장치에 사용하기 위한 개선된 전자 발진부품 장치와, 이를 제조하는 방법 및 동작 방법을 제공하는 데 있다. 본 제조 및 동작 방법과 장치는 초소형 전자기계 시스템을 기반으로 한다. 전술한 목적은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의해 성취된다.
본 발명은 초소형 전자기계 시스템을 기반으로 전기 발진신호를 생성하는 전자 장치에 관한 것으로, 이 전자 장치는 기판, 작동 수단(actuating means), 상기 기판에 대해 움직일 수 있는 가동 소자(moveable element), 그리고 센서를 구비하며, 상기 작동 수단은 가동 소자의 움직임을 일으키는 데 적합하며, 상기 센서는 가동 소자의 움직임을 전기 발진신호로 변환하는 데 적합하고, 여기서 상기 작동 수단은 제1 유도성 소자(inductive element) 및, 적어도 제2 유도성 소자를 포함하고, 상기 제1 유도성 소자는 상기 기판에 고정되며, 상기 제2 유도성 소자는 상기 가동 소자에 고정된다. 본 발명은 전기 발진신호를 발생시키는 전자 장치가 반도체 기판, 예를 들면 실리콘 기판에 집적될 수 있다는 이점을 가지며, 따라서 고집적 해결방안, 환언하면 칩 상에 통합된 기능성을 가지는 장치를 제공한다. 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 이점은 표준 반도체 처리기법을 사용하여 쉽게 집적될 수 있다는 것이다. 이 때문에, 발진을 발생하는 전자 장치를 보다 더 단순하게 저가로 구현할 수 있다. 본 장치의 다른 이점은 단지 저 전압을 필요로 한다는 것이다. 또한 본 장치의 이점은 멤브레인 속성(membrane properties)을 선택함으로써 발생할 발진 주파수 선택을 결정할 수 있다는 것이다. 본 장치의 또 다른 이점은 상기 전자 장치가 특이 재료, 예를 들면 강자성체를 포함하지 않는다는 것이다.
전자 장치의 센서는 가동 소자에 고정된 자기장 유도성 소자(magnetic field inducing inductive element)와, 자기장 유도성 소자에 DC 전류를 공급하는 DC 전류원을 포함할 수 있다.
전자 장치의 센서는 기판상에 동작하는 가변 자력을 전기 발진신호로 변환시키기 위해 기판에 고정된 자기장 감지 유도성 소자를 포함할 수 있다. 상기 전자 장치의 이점은 장치의 센서를 쉽게 고집적할 수 있고, 표준 반도체 처리기법으로 제조할 수 있다는 것이다. 또한 센서는 홀 센서(Hall sensor) 또는 자기변형 소자를 포함할 수 있다.
제1 유도성 소자와 적어도 제2 유도성 소자는 서로 전기접속될 수 있다. 제1 유도성 소자와 적어도 제2 유도성 소자를 연결하면 이들 유도성 소자들에게 동일한 교류신호를 공급할 수 있다. 이로 인하여 제1 유도성 소자와 적어도 제2 유도성 소자 간에 최적의 포스 상호작용(force interaction)을 위상차 없이 얻을 수 있다는 이점을 가지게 된다.
전자 장치는 센서로부터의 전기 발진신호를 수신하여, 증폭된 전기 발진신호를 작동 수단으로 공급하는 데 적합한 전자 증폭회로를 더 구비할 수 있다. 상기 전자 장치는 고정 진폭의 공진 발진신호를 얻을 수 있으며, 쉽게 기준신호로 사용할 수 있다는 이점을 가진다. 전자 증폭회로는 증폭기의 이득 입력신호로서 DC 전류신호를 수신하는 데 적합할 수 있다. 이것은 유리하게도 전자 장치의 이득을 쉽게 제어할 수 있게 해준다.
상기 전자 장치는 제1 유도성 소자와 제2 유도성 소자에 교류를 공급하는 교류 전류원을 더 구비할 수 있다. 상기 전자 장치는 발생된 공진 발진신호의 일부를 재사용할 수 있다는 이점이 있다. 본 발명의 이점은 작동에 저전압을 사용할 수 있다는 것이다.
유도성 소자의 각각이, 혹은 선택적으로 전자기코일 일 수 있다. 전자기코일은 표준 반도체 처리기법을 사용하여 구현될 수 있다는 이점이 있다. 진보된 IC 기술의 경우에 다수의 종래기술 시스템에서처럼 고전압, 즉 20V 내지 40V를 필요로 하지 않지만, 본 발명의 실시예는 더 낮은 전압, 즉 5V, 3V, 심지어 1V 처럼 더 낮은 전압에 사용될 수 있다는 이점이 있다. 시스템이 전류를 사용함에 따라, 전류가 저 임피던스 소자에서 발생될 수 있는 한 전원은 가능한 낮을 수 있고, 따라서 증폭기를 만들 수 있다. 이는 칩 상에 상당한 고전압이 필요없도록 발진기를 기반으로 전류를 사용함으로써 얻을 수 있다. 이런 식으로, 고전압을 발생시키는 데 필요한 추가 회로가 필요없을 수 있다.
유도성 소자는 기판과 평면상에 구현될 수 있다. 이로인하여 상당히 유효한 장치를 만들 수 있다.
상기 전자 장치는 고정된 진폭에서 전기 발진신호를 유지관리하는 위상 시프팅 및 레벨 제어수단을 구비할 수 있다. 상기 장치는 기준 발진 주파수를 생성하는 데 사용될 수 있다는 이점이 있다.
초소형 전자기계 시스템은 밀폐 캐비티(closed cavity)에 제공될 수 있다. 이 밀폐 캐비티는 밀폐된 진공 캐비티일 수 있다. 밀폐 캐비티는 캐핑 기판(capping substrate)을 포함할 수 있고, 캐비티를 밀폐하기 위한 밀봉 요소(sealing elements)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예의 이점은 고품질 인자의 장치를 얻을 수 있다는 것이다.
가동 소자는 멤브레인일 수 있다. 멤브레인 속성을 선택함으로써 공진 주파수를 선택할 수 있다.
또한 본 발명은 기판상의 초소형 전자기계 시스템을 기반으로 전기 발진신호를 발생하기 위한 방법을 제공하는 데, 상기 방법은 기판에 고정된 제1 유도성 소자, 그리고 가동 소자에 고정되어 가동 소자의 진동을 발생하기 위한 적어도 제2 유도성 소자에 교류를 공급하는 단계와, 상기 가동 소자의 진동을 기판상에 교류 자력으로 변환시키는 단계와, 상기 기판상의 교류 자력을 전기 발진신호로 변환시키는 단계를 포함한다.
교류 자력을 변환시키는 단계는 자기장 감지 유도성 소자로써 교류 자력을 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
진동을 변환하는 단계는 가동 소자상에 제공되는 자기장 유도성 소자를 통해 DC 전류를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 전기 발진신호를 증폭시키는 단계와, 제1 유도성 소자와 적어도 제2 유도성 소자에 증폭된 전기 발진신호를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 전기 발진신호를 증폭시키는 단계는 DC 전류를 사용하여 제어될 수 있다.
상기 방법은 전기 발진신호를 고정된 진폭으로 유지관리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 기술된 바와 같이 전기 발진신호를 발생하는 전자 장치는 유리하게도 저전압 기준 발진기로서 사용될 수 있다.
또한 본 발명의 이점은 전기 발진신호를 생성하는 전자 장치를 소형화할 수 있다는 것이다. 따라서 본 발명의 실시예의 이점은 전기 발진신호를 생성하기 위한 전자 장치의 규모가 작다는 것이다. 전기 발진신호를 발생하는 전자 장치의 크기는 전 방향으로 수백 마이크로미터까지 제한될 수 있다.
본 발명의 이점은 본 발명에 따른 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치를 거의 모든 시스템에 사용할 수 있다는 것이며, 여기서 집적 시스템내 발진기를 사용할 수 있다. 다소 정확한 값을 필요로 하는 기준 주파수를 사용하는 모든 애플리케이션에 전기 발진신호를 발생시키는 전자 장치를 유리하게 사용할 수 있다.
본 발명의 특정 양상 및 바람직한 양상은 첨부된 청구의 범위의 독립항 및 종속항에 나타나 있다. 종속항의 특징은 단지 청구항에 명확히 설명된 것만이 아닌, 다른 종속항의 특징 및 독립항의 특징과 적절히 결합할 수 있다.
본 기술분야에 장치의 일정한 개선, 변경 및 발전이 있어 왔지만, 본 발명의 개념은 종래기술로부터 출발하여 상당한 새로운 신규 개선을 나타내는 것으로, 특성에 있어 보다 효율적이고 안정되며 신뢰할 만한 장치를 제공한다.
본 발명은 전기 발진신호, 예를 들면 통신 애플리케이션, 마이크로컴퓨터등에 사용할 수 있는, 예를 들어 기준 전기발진신호를 발생하기 위한 개선된 방법 및 장치의 설계를 가능하게 한다.
본 발명의 상기 및 다른 특성, 특징 및 이점들은 예로써 본 발명의 원리를 도시하는 첨부 도면과 함께 후술되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상기 설명은 본 발명의 범주를 제한하려는 것이 아니며 단지 예시를 위한 것이다. 아래의 참조 도면은 첨부 도면을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 유도성 소자 집합에 의해 작동되는 MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 생성하기 위한 전자 장치의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라서 전자기 코일집합에 의해 작동되는 MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 측면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 같이, 전자기 코일집합에 의해 작동되는 MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 X-Z 단면도이다.
도 4는 본 발명의 전형적 실시예에 따라서 전자기 코일집합에 의해 작동되는 MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 가능한 제1 배치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라서 전자기 코일집합에 의해 작동되는 MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 가능한 제2 배치를 도시한다.
도 6a는 도 5에 도시된 바와 같이 전기 발진신호를 발생하는 전자 장치의 배치의 선 A-A'를 따른 단면도이다.
도 6b는 도 5에 도시된 바와 같이 전기 발진신호를 발생하는 전자 장치의 배치의 선 B-B'를 따른 단면도이다.
도 6c는 도 5에 도시된 바와 같이 전기 발진신호를 발생하는 전자 장치의 배치의 선 C-C'를 따른 단면도이다.
도 7a는 도 5에 도시된 바와 같이 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 제1 전자기코일 및 제4 전자기코일을 구비한 제1 재료층의 배치를 도시한다.
도 7b는 도 5에 도시된 바와 같이 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 제2 전자기코일 및 제3 전자기코일을 구비하는 제2 재료층의 배치를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라서 캐비티에 둘러싸인 유도성 소자 집합에 의해 작동되는 MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따라서 캐비티에 놓인 유도성 소자 집합에 의해 작동되는 MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따라서 주파수 공진루프가 제공될 시에, MEMS를 구비하여 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 단면도이다.
상이한 도면에서 동일한 참조번호는 동일하거나 혹은 기능상 유사한 것들이다.
본 발명은 특정 실시예와 도면을 참조하여 기술할 것이지만 이로 제한되지는 않으며 청구항에 의해서만 한정된다. 청구항에서 참조 기호는 범주를 제한하려는 것이 아니다. 도시된 도면은 단지 개략적인 것으로 제한적이지 않다. 도면에서, 소정 요소의 크기는 과장되었을 수도 있으며 예시를 위해 스케일에 맞게 도시하지 않을 수도 있다. 본 명세서 및 청구항에 사용되는 "구비하여, 포함하여"라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 단수형 요소의 경우, 이는 특별히 언급하지 않는 한 복수의 요소를 포함한다.
또한 명세서 및 청구항에서의 용어 "제1, 제2, 제3" 등은 유사한 소자들을 구별하는 데 사용되며, 순차적으로 또는 연대순으로 기술하는 데 필요한 것은 아니다. 상기 용어들은 적절한 환경에서 서로 바뀔 수 있으며, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예는 기술되거나 도시된 바와 다른 순서로 동작할 수 있다는 것을 알아야 한다.
더욱이 명세서 및 청구항에서의 "상부, 하부, 위, 아래"등과 같은 용어는 설명을 위해 사용되며 반드시 상대 위치를 기술하는 것은 아니다. 상기 용어들은 적절한 환경에서 서로 바뀔 수 있고, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예는 기술되거나 도시된 바와 다른 방위로 동작할 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 발명의 실시예에서, 용어 "기판"은 장치, 회로 또는 에피택셜층(epitaxial layer)이 형성될 수 있거나, 혹은 사용가능한 임의 하부 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, "기판"은 예를 들면 도핑 실리콘, GaAs(gallium arsenide), GaAsP(gallium arsenide phosphide), InP(indium phosphide), Ge(germanium) 또는 SiGe(silicon germanium) 기판과 같은 반도체 기판을 포함할 수 있다. "기판"은 반도체기판 부분에 추가적으로 예를 들어 SiO2 또는 Si3N4층과 같은 절연층을 포함할 수 있다. 또한 용어 "기판"은 SOG(silicon-on glass), SOS(silicon-on sapphire) 기판을 더 포함한다. 따라서 용어 "기판"은 관심있는 층 또는 부분의 기초가 되는 층의 소자들을 통상 정의하는 데 사용된다. 또한 "기판"은 예를 들면 유리 또는 금속층과 같이, 층이 형성되는 임의 다른 베이스일 수 있다.
제1 실시예에서, 본 발명은 MEMS로도 불리는 초소형 전자기계 시스템을 기반으로 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 예를 들면 진동 멤브레인과 같은 가동 소자와, 발진 주파수 발생기로서의 작동 수단, 그리고 발진신호를 검출하고 이를 전기 발진신호로 변환하기 위한 센서를 사용한다. 주파수 발생 및 이에 대한 바람직한 주파수 탐지는 두 개의 유도성 소자집합을 기반으로 하여 반도체 처리기법과 충분한 호환성을 가진 장치를 제조할 수 있도록 해준다. 특정 반도체 처리기법의 사용으로 제한되지는 않지만, 예를 들면 MOS 처리와 같이 저전압에서 동작하는 시스템을 얻을 수 있게 하는 기법이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 표준 반도체 처리기법은 가능한 적은 추가 단계와 결합하여, 예를 들면 가동 소자를 자유롭게 하는 단일 추가 단계만을 가지고 MEMS 구조물을 생성한다.
상기 시스템은 가동 소자의 주 공진 주파수에서 안정된 공진 발진을 얻을 수 있도록 해주는 피드백 시스템을 더 구비할 수 있다. 발진기는 종래의 시스템과 달리 표준 반도체 처리기법에 대해 호환성이 적거나 혹은 거의 호환되지 않는 특이 재료, 예를 들어 강자성체를 사용할 필요가 없다. 이제 도면을 참조하여 상기 장치의 상이한 구성요소를 설명할 것이다. 도 1은 전기 발진신호를 발생하는 전자 장치(100)를 개략적으로 도시한다. 전기 발진신호를 발생하는 전자 장치(100)는 기판(104)에 장착되거나 혹은 위에 형성되어 기판(104)에 대해 자유롭게 진동할 수 있는 가동 소자(102)를 포함한다. 실제로, 가동 소자(102)는 전형적으로 기판(104)으로부터 완전히 분리되지는 않지만, 기계적으로는 피봇점 또는 턴오버점으로 보여질 수 있는 앵커링점(anchoring point)을 기판에 가질 것이다. 앵커링점은 전형적으로 작동 수단 영역과 센서 영역 사이에 제공될 수 있다. 그렇지만 가동 소자(102)의 큰 부분이 자유롭게 움직일 수 있을 것이다. 가동 소자는 평면 구조, 예를 들면 평평한 박막 또는 멤브레인 소자(102)일 수 있다. 가동 소자(102)는 진 동할 수 있는 적당한 재료로 만들어진다. 따라서 가동 소자(102), 예를 들어 멤브레인과 같은 가동 소자(102)는 예를 들어 금속, 폴리실리콘, 질화물등과 같은 임의 유형의 강재료로 완성될 수 있다. 예를 들면 알루미늄 또는 구리층이 가동 소자(102)로 사용되는 경우, 전형적인 두께는 1㎛ 내지 10㎛의 범위일 수 있는 데, 본 발명은 이로 제한되지는 않는다. 가동 소자(102)는 주 공진주파수를 가지는데, 예를 들어 멤브레인의 경우에는 플렉시블 모드(flexive mode)의 주 공진주파수를 가진다. 따라서 주 공진주파수는 바람직하게 가동 소자(102)의 플렉시블 모드의 주 공진주파수와 상응한다.
또한 상기 장치는 그의 주 공진주파수에서 멤브레인의 진동을 발생시키는 데 적합한 작동 수단을 구비한다. 작동 수단은 제1 유도성 소자집합, 예를 들어 둘 또는 그 이상의 전자기코일을 포함한다. 유도성 소자집합은 제1 유도성 소자(106), 예를 들면 제1 전자기코일과, 적어도 하나의 제2 유도성 소자(108), 예를 들면 제2 전자기코일을 포함한다. 제1 유도성 소자집합은 하나의 제1 유도성 소자(106)와 하나의 제2 유도성 소자(108)를 포함할 수 있다. 제1 유도성 소자(106)는 기판(104)에 제공되어, 예를 들어 기판(104)상에 제1 금속층으로서 구현되는 전자기 코일이 된다. 따라서 제1 유도성 소자(106)는 기판(104)에 대해 고정 위치를 가지거나, 혹은 환언하면 기판(104)에 고정 또는 형성된다. 제2 유도성 소자(108)는 기판(104)에 대해 자유롭게 플로팅(floating)할 수 있도록 구현된다. 이는 예를 들면 제2 금속층으로 구현된 전자기코일일 수 있다. 제2 유도성 소자(108)는 기계적으로 가동 소자(102), 예를 들면 멤브레인에 기계적으로 연결되거나, 혹은 환언하면 가동 소자(102)에 고정 또는 통합된다. 이로써 제2 유도성 소자(108)는 멤브레인(102)을 구성하는 부분이 되거나 혹은, 개별 멤브레인에 대해 애드온 매스(add-on mass) 유형으로서 가동 소자(102), 예를 들면 멤브레인에 연결될 수 있다. 두 유도성 소자(106, 108)는 동일한 기판뿐만 아니라 개별 기판상에서 만들어질 수 있다. 예를 들면 전자기코일일 수 있는 유도성 소자는 저손실의 금속으로 만들어질 수 있다. 이의 전형적인 예는 알루미늄, 금, 구리 등 일 수 있다. 바람직하게, 두 유도성 소자(106, 108)는 예를 들어 언더 에칭(under-etching) 기법을 기반으로 동일한 기판상에 제조될 수 있는데, 이것은 필요한 제조력과 제조비용을 감소시킨다. 제2 유도성 소자(108)가 제1 유도성 소자(106)에 대해 자유롭게 진동할 수 있는 방식으로, 제1 유도성 소자(106)와 제2 유도성 소자(108)는 도전성 비아(conductive via)(110)에 의해 선택적으로 전기접속될 수 있다. 유도성 소자(106, 108)는 사실상 서로 위에 위치하여, 유도성 소자들에 전류를 제공함으로써 유도성 소자들간에 상호작용하는 힘을 발생시킨다. 제1 유도성 소자(106)와 제2 유도성 소자(108)의 모두에 교류 전류(AC 전류)를 공급함으로써 유도성 소자(106, 108)에 가변력을 발생시키고, 결과적으로, 유도성 소자(106, 108)의 서로에 대한 상대 움직임을 일으킴으로써, 가동 소자(102), 예를 들면 멤브레인의 움직임을 유지시키거나 혹은 움직이게 한다. 환언하면, 작동 수단은 적어도 두 유도성 소자, 즉 자기장을 발생시키는 제1 유도성 소자, 그 자기장에 반응하는 제2 유도성 소자를 구비함으로써, 가동 소자(102)의 진동을 생성하기 위한 "모터"로서 동작한다. 제1 및 제2 유도성 소자(106, 108)에서 흐르는 교류에 의해, 가변력은 유도성 소자 들을 서로로부터 멀리 밀어낼 것이며, 전류의 변동은 유도성 소자들이 밀어내는 힘을 변조시킬 것이다. 이런 식으로, 가동 소자(102)의 진동을 생성한다. 원리상, 두 유도성 소자(106, 108)중의 하나로 각각 제공되는 두 유사한 교류신호를 사용할 수 있으므로, 두 유도성 소자(106, 108)는 전기적으로 인터페이스되어, 동일한 신호가 도전성 비아(110)를 사용하여 두 유도성 소자(106, 108)에 공급될 수 있다. 이로써 두 유도성 소자의 신호가 동상일 것이므로 두 유도성 소자들간에 힘 결합을 향상시킨다. 이로써 가동 소자(102)의 진동은 가동 소자(102)의 주 공진주파수, 예를 들면 플렉시블 모드의 멤브레인의 주 공진주파수에서만 유발될 것이다. 따라서 AC 신호의 주파수는 주 공진주파수와 동일하도록 선택된다. 이런 방식으로, 멤브레인의 주파수는 전자회로에 의존하지 않고 기계 소자에만 의존한다. 이로써 시스템의 Q 인자를 최대화하고 안정시키게 되면 발진의 감쇠를 감소시킬 수 있다. 따라서 MEMS는 진공, 예를 들면 진공 캐비티에 제공될 수 있다. 이러한 식으로, 가동 소자(102), 예를 들어 멤브레인이 기계적 필터로서 동작하여 높은 Q 인자를 가진 장치가 된다.
전기 발진신호를 발생하기 위하여, 가동 소자(102)의 기계적 움직임, 즉 진동을 감지할 필요가 있다. 따라서 가동 소자의 진동 주파수를 감지하기 위한 수단이 제공된다. 따라서 상기 장치는 감지 영역(도 1의 좌측부)과 작동 영역(도 1의 우측부)을 가진다. 예를 들면, 센서가 제2의 유도성 소자 집합을 구비하여 가동 소자(102)의 진동을 감지함으로써, 대응하는 전기 발진신호를 제공하는 것을 기술할 것이다. 예로 센서는 자기장 유도성 소자(112)를 구비하는 데, 이는 본 명세서 에서 제2 유도성 소자로서 언급되며 가동 소자(102), 예를 들면 멤브레인에서 구현된다. 또한 센서는 자기장 유도성 소자(112)에 의해 발생되는 자기장을 감지하도록 제공된 감지 소자를 더 포함한다. 이 감지 소자는 자기장 감지 유도성 소자(114)일 수 있으며, 본 명세서에서 제4 유도성 소자로서 언급된다. 본 예에서, 자기장 감지 유도성 소자(114)는 물리적으로 제3 유도성 소자(112) 아래에 위치한 반도체기판(104)에, 혹은 상에 제공된다. 자기장 유도성 소자(112)가 가동 소자(102)상에 혹은 내에 삽입되고 자기장 감지 유도성 소자(114)는 기판(104)에 삽입되지만, 두 유도성 소자의 위치가 전환될 수 있다는 것은 분명하다. 제3 및 제4 유도성 소자(112, 114)는 예를 들면 전자기코일일 수 있다. 이들 유도성 소자는 저손실을 위해 금속으로 만들어질 수 있다. 이들의 전형적인 예는 알루미늄, 금, 구리 등이다. 제3 유도성 소자(112)는 가동 소자(102), 예를 들면 멤브레인상에 혹은 내에 구현되므로, 가동 소자(102)의 진동은 제3 유도성 소자(112)의 진동을 일으킬 것이다. 따라서 제3 유도성 소자(112)는 기판(104)에 대해 고정된 위치를 가지지 않는다. (도시되지 않은) 전류원에 의한 DC 전류가 자기장 유도성 소자로 공급된다. 제 3 유도성 소자(112)가 DC 전류를 공급받기 때문에, 제3 유도성 소자(112)의 진동은 제4 유도성 소자(114)에 의해 감지되는데, 이것은 제4 유도성 소자(114)의 자기장을 변화시킨다. 즉, DC 전류가 제3 유도성 소자(112)에 대한 고정 자기장을 생성하며, 제3 유도성 소자(112)는 진동으로 인해 제4 유도성 소자(114)에 대해 가까이로 그리고 멀리 이동하며 따라서 기판(104)에 대해 자기장의 변화를 일으킨다. 제3 유도성 소자를 통해 흐르는 DC 전류는 예를 들어 10mA와 같 은 소정 mA의 범위에 있을 수 있다. DC 전류는 전체 회로의 공급 전류로부터 공급될 수 있다. 환언하면, 전원으로부터 추가적인 DC 전류 구동을 절약하기 위하여, 이 발진기가 세워진 시스템에서 다른 곳을 흐르는 전류로부터 DC 전류를 얻을 수 있다. 특정 설계에서, 공통 전원이 제2 유도성 소자(108)와 제3 유도성 소자(112)에 공급될 수 있다. 공통 전원이 주 전원일 시, 상이한 유도성 소자에 적절한 신호를 생성하기 위하여 전형적으로 감결합 커패시터(decoupling capacitor)를 사용한다. 이 대신에, 공통 전원은 증폭기를 위한 전류원일 수 있고, 제3 유도성 소자로 공급하기 위해 감결합 커패시터를 필요로 할 수 있다. 이런 식으로, DC 신호만이 제3 유도성 소자로 공급되고, AC 신호는 제1 및 제2 유도성 소자로 공급된다. 제4 유도성 소자(114)에서 발생된 가변 자기장은 가동 소자(102), 예를 들면 멤브레인의 주 공진주파수와 대응하는 발진 전기신호를 생성한다. 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치로써 얻을 수 있는 전형적인 발진 주파수는 RF 범위에 있다. 예를 들면, 전형적으로 수백 kHz, 예를 들면 300 kHz의 하위 범위와 수 MHz의 상부 범위를 가지는 주파수를 얻을 수 있는 데, 본 발명이 이로 제한되지는 않는다. 보다 높은 주파수를 얻기 위해서는 전형적으로 보다 작은 소자가 필요하다. 이들은 종종 제조하기가 더 어렵거나, 융통성이 적거나 혹은 보다 약하다. 이 대신에, 더 높은 주파수의 발생은 많은 재료에서의 진동을 기반으로 할 수 있다. 제3 유도성 소자(112) 및 제4 유도성 소자(114)는 동일한 기판 또는 상이한 기판상에 제조될 수 있다. 바람직하게는 제3 유도성 소자(112)와 제4 유도성 소자(114)는 예를 들어 언더 에칭에 의해 동일한 기판상에 제조되는 데, 이는 제조력과 경제적 비용을 감소시킨다.
전술한 바와 같이 진동 주파수 센서가 두 유도성 소자의 결합을 포함하였지만 다른 감지장치를 사용할 수 있다. 기판에 집적가능한 검출수단을 기반으로 하는, 작동 수단과 다른 검출 수단을 적용할 수 있다. 자기장 유도성 소자에 의해 발생되는 자기장을 감지하는 것은 자기장을 감지하기 위한 다른 적당한 수단, 예를 들면 집적된 홀 센서, 자기변형 소자, 압전 센서등에 의해 수행될 수 있다. 또한 센서가 커패시터의 변동을 근거로 할 수 있지만, 상대 고전압, 예를 들면 10V 또는 그이상의 전압에서 동작하는 단점을 가지므로 덜 유리하다. 센서에서 발생된 전기 발진신호는 몇몇 애플리케이션에서 출력신호로서 사용될 수 있다. 발생된 전기 발진신호는 작은, 즉 수 마이크로볼트 차수이다. 이 신호는 증폭기로 입력되어 증폭된 전기 발진신호를 생성할 수 있다. 바람직하게도, 상기 장치는 발생된 전기 발진신호를 안정화시키기 위하여 피드백 루프를 더 포함한다. 이런 식으로, 전기 발진신호는 발생 될 수 있을 뿐 아니라 주 공진 주파수에서 전기 발진신호를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예는 폭넓은 방식으로 구현될 수 있다. 필요한 정확성 및, 가능한 온도 드리프트 및 에이징 드리프트(aging drift)와 같은 부가적인 영향인자에 의존해, 전기 발진신호를 생성하기 위한 전기장치의 구성소자는 다소 안정된 재료로 만들어질 것이다. 불안정하지만 예측가능한 구현을 사용하는 경우, 예를 들면 보상표 집합을 사용하여 위상동기루프와 같은 디지털 집적회로에 튜닝 시스템으로써 구현될 수 있다. 이미 기술한 바와 같이, 기판은 예를 들면 반도체 기판과 같이 유도성 소자를 구현하기에 적당한 유형의 기판일 수 있는 데, 이로 제한되지는 않는다.
바람직하게, 유도성 소자(106, 108, 112 114)는 전자기코일이다. 이는 저전압에서 동작하는 시스템을 얻을 수 있게 해주므로 유리하다. 전자기코일은 바람직하게는, 방향에 있어 사실상 기판의 평면에, 혹은 이 기판에 평행한 전자기 나선형 도전체이다. 따라서 전자기코일의 축은 기판 평면에 사실상 수직 할 수 있다. 집적된 인덕터는 2000년 닉네자드(Niknejad), 메이어(Meyer), 클루워 아카데믹 프레스(Kluwer Academic Press)의 책 "Design, Simulation and Applications of Inductors and transformers for Si RF IC's" 에 기술되어 있다. 본 발명의 장치에서, 두 평평한 유도성 소자를 사용한 작동은 상당히 효율적이며 상당히 플렉시블한 배선으로써 제조될 수 있다. 또한 평평한 유도성 소자를 사용하면 유도성 소자의 중앙축을 따라 작동 및 감지 또는 검출을 수행하게 되고, 이런 방식으로 가동 소자로/로부터 최적 에너지 전송을 얻을 수 있으므로 유리하다. 전자기코일을 사용하게 되면 유도성 소자의 제조를 위한 표준 반도체 처리기법을 사용할 수 있다. 도 2 및 도 3에는 이러한 장치(200)의 사용을 도시한다. 도 2는 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 측면을 도시하고, 도 3은 X-Z 단면을 도시한다. 멤브레인 움직임을 위한 작동 수단으로서 동작하는 제1 유도성 소자 집합은 제1 전자기코일(206)과 제2 전자기코일(208)의 두 전자기코일을 포함하는 데, 이들은 한 감겨진 코일 위에 또다른 감겨진 코일이 있다. 제1 전자기코일(206)은 외부, 즉 바깥으로부터 중심으로 감겨진다. 그 다음, 제1 전자기코일(206)의 중심점은 도전성 비아(110)에 의해 제2 전자기코일(208)로 연결되는 데, 제2 전자기코일은 중심으로부터 바깥 외부로 감겨진다. 원칙상, 이들 코일(206, 208)은 동일한 기판상에 혹은 두 상이한 기판상에 있을 수 있다. 본 예에서 멤브레인 움직임의 센서로서 동작하는 제2 유도성 소자집합은 제3 전자기코일(212)로서 언급되는 적어도 하나의 전자기코일을 포함한다. 선택적으로 제4 전자기코일(214)이 제공되는 데, 이 코일은 제3 전자기코일과 전기접속되지 않는다. 전자기코일(212)은 전형적으로 한번 감긴 코일이다. 원칙상, 두 전자기코일(212, 214)은 동일한 기판 또는 개별 기판상에 제조될 수 있다. 제2 유도성 소자집합의 코일을 독립된 처리단계로 제조할 수 있지만, 또한 제1 유도성 소자집합의 코일의 생산과 같은 동일한 처리단계 동안에 제조할 수 있다.
설명을 위하여, 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 소정 실시예를 제공할 것이다. 여기서 유도성 소자는 동일한 기판 내 및 상에 제조되며, 본 발명은 이로 제한되지는 않는다. 이들 예에서, MEMS의 일부인 유도성 소자는 언더 에칭 기법을 사용하여 제조된다. 도 4 및 도 5는 언더 에칭에 의한 전자 장치 제조의 두 예를 도시한다. 전자기코일에 대한 구조를 설명하였지만, 본 발명의 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치는 이로 제한되지 않으며, 임의 유도성 소자를 사용할 수 있다.
언더 에칭은 기판상에 특정 구조물을 제공하고, 에칭제 베스(a bath of etching agent)에서 기판을 처리함으로써 행해질 수 있다. 먼저 절연층의 언더 에칭을 위한 일반적인 처리를 보다 상세히 설명할 것이다. 에칭은 전형적으로 절연 층의 재료를 선택적으로 에칭하기 위한 것이다. 예를 들어 금속층 아래의 절연층을 제거하기 위하여, 먼저 기판을 절연층 및 금속층으로 덮는다. 에칭의 선택성을 충분히 보장할 수 없을 수도 있으므로, 금속층의 상부에 패시베이션층(passivation layer)을 제공하여 에칭제로부터 금속층을 적어도 부분적으로 보호한다. 그 다음, 에칭제와 절연층을 접촉하게 하여 언더 에칭을 행한다. 충분히 좋은 품질의 언더 에칭을 얻기 위해서는 절연층과 에칭제 간의 수평 방향에 있어 허용가능한 초기 거리를, 예를 들면 산화물의 언더 에칭의 경우에 대략 3㎛로 제한할 필요가 있으므로, 재료로 덮혀지지 않은 영역으로 언더 에칭되는 절연층의 모든 영역의 거리를 또한 그 거리 예를 들면 산화물의 경우에 하부 에칭을 위해 3㎛ 또는 그 이하로 제한하여야 한다. 결과적으로, 더 넓은 영역을 언더 에칭할 필요가 있다면, 에칭제가 절연층에 자유롭게 접근할 수 있도록 패시베이션층 및 금속층에 홀(holes)을 제공해야할 필요가 있다. 이들 홀의 크기는 전형적으로 에칭제의 유형 및, 언더 에칭할 재료에 의존할 것이다. 예를 들면 BEG로 언급되는 부틴 에틸 글리콜조(a bath of butene ethyl glycol)에서 산화물 언더 에칭의 경우, 홀은 전형적으로 적어도 2㎛×2 ㎛이다. 그러면, 홀은 언더 에칭 화학작용이 산화물층을 녹여 제거함으로써 메카니즘을 자유롭게 하도록 진행될 수 있는 유일한 영역이다. 넓은 영역의 경우에, 가능하게는 홀을 통해 에칭제와 구조물을 접촉시키므로써 언더 에칭을 허용한다.
도 4 및 도 5에 도시된 예를 다시 참조하면, 도 4는 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 제1 예를 도시하는 데, 여기서 MEMS가 언더 에칭에 의해 형성 된다. 제1 유도성 소자(106)와 제4 유도성 소자(114)는 동일한 반도체 처리단계에서 제조될 필요가 없으므로, 상이한 재료로 제조될 수 있고 기판에 대해 상이한 높이에 위치될 수 있지만, 본 발명은 이로 제한되지는 않는다. 또한 제2 유도성 소ㅈ자08)와 제3 유도성 소자(112)도 상이한 재료 및 상이한 반도체 처리단계로 제조될 수 있는데, 그러나 본 발명은 이로 제한되지는 않는다. 그럼에도 불구하고, 제1 및 제4 유도성 소자(106 114)는 바람직하게는 동일한 반도체 제조단계 동안에 동일한 제1 재료로 제조되며, 제2 및 제3 유도성 소자(108, 112)도 동일한 반도체 단계 동안에 동일한 제2 재료로 제조된다. 이는 필요한 반도체 처리단계의 수를 감소시키고 장치의 복잡성을 감소시키므로써 결과적으로 제조 비용을 감소시키므로 유리하다. 도 5는 두 상이한 층에서만 생성된 4개의 유도성 소자를 가진 제2 전자 장치의 예의 평면도이고, 도 6a 내지 도 6c는 이 장치의 단면을 도시한다. 도 7a 및 도 7b는 제1 및 제4 유도성 소자(106, 114)가 만들어지는 제1 재료의 배치(lay-out)와, 제2 및 제3 유도성 소자(108, 112)가 각각 만들어지는 제2 재료의 배치를 도시한다. 도 5 내지 도 7b에 도시된 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 예는 예시를 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 명백히 알아야 할 것이다. 도 5에 도시된 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치(300)는 제1 유도성 소자(106)와 제2 유도성 소자(108)를 구비하는데, 본 예에서 제1 유도성 소자(106)는 3 권선(turns)의 1 미크론 두께인 제1 재료층으로 구성된 전자기코일이며, 제2 유도성 소자(108)는 3 미크론 두께의 제2 재료층으로 구성된 전자기코일이다. 유도성 소자들 사이에, 본 예에서 0.5 미크론 두께의 실리콘 산화물인 (도 5 내지 도 7b에 도시되지 않은) 절연층이 제공된다. 언더 에칭 동안에 이 절연층을 제거함으로써, 고형물을 포함하지 않는 에칭 볼륨(etched volume)(302)을 만든다. 절연층 외에, 제1 유전체(106)와 제2 유전체(108) 사이에 도전성 비아를 제공함으로써, 유도성 소자(106, 108)를 서로 전기접속되게 한다. 본 예에서, 감지 소자 부분인 제3 유도성 소자(112)는 본 예에서 3 미크론 두께의 제2 재료층인 제2 유도성 소자(108)와 동일층에서 만들어진 단일 권수로서 구현된 전자기코일이며, 감지 소자 부분인 제4 유도성 소자(114)는 본 예에서 1 미크론 두께의 제1 재료층인 제1 유도성 소자(106)와 동일층에서 만들어진 다수의 권수를 가진 전자기코일로서 구현된다. 따라서 제1 유도성 소자(106)와 제4 유도성 소자(114)는 동일한 두께를 가지며, 제2 유도성 소자(108)와 제3 유도성 소자(112)는 동일한 두께를 가진다. 제1 재료과 제2 재료는 동일하거나 혹은 상이한 재료일 수 있다. 이들 재료는 예를 들면 알루미늄, 금, 은, 구리 등과 같은 저 손실 금속일 수 있다. 제2 유도성 소자(108)와 제3 유도성 소자(112)의 상부에 패시베이션층(304), 예를 들면 질화물층을 제공할 수 있는데, 본 예에서는 이 패시베이션층은 1.5㎛ 두께의 질화물층이며, 언더 에칭 동안에 제2 및 제3 유도성 소자에 대한 보호층으로서 사용된다. 유리하게도, 한편으로 제1 유도층과 제4 유도층 사이에 예를 들어 질화물과 같은 부가적인 얇은 보호층을 제공하면서, 다른 한편으로는 본 예에서 산화물, 즉 실리콘 산화물인 언더 에칭가능한 절연층을 제공한다. 이는 언더 에칭 동안에 제1 및 제4 유도성 소자를 보호할 수 있게 해준다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 패시베이션층과 제2 및 제3 전자기코일에 접근 홀(access holes)(306)을 제공함으로써, 절연 층의 언더 에칭 동안에 제2 및 제3 전자기코일의 넓은 영역에 접근할 수 있다. 전자기 코일들간의 절연층을 충분히 제거할 수 있도록 홀을 제공한다. 이 실시예의 이점은 제1 유도성 소자 및 제4 전자기 유도성 소자의 생산을 동일한 반도체 처리단계를 사용하여 행할 수 있다는 것이다. 이는 도전성 재료를 침적시키고, 결과적으로 마스크를 통해 에칭함으로써 제조될 수 있는 데, 유도성 소자, 예를 들면 전자기 코일을 형성한다. 이 대신에, 기판에서 또한 전자기 코일을 위한 적절한 형태를 가진 몰드(mold)를 생성하고, 이 몰드를 도전성 재료로 채움으로써 유도성 소자를 만들 수 있다. 또한 동일한 반도체 처리단계를 사용하여 제2 유도성 소자와 제3 유도성 소자를 만들 수 있다. 이는 도전성 재료층을 제공하고, 유도성 소자의 적절한 형태를 에칭함으로써 행해질 수 있다. 또한 동일한 반도체 처리단계를 사용하여 제2 유도성 소자 및 제3 유도성 소자 아래의 산화물을 언더 에칭할 수 있다. 언더 에칭은 제2 및 제3 유도성 소자를 자유롭게 할 수 있다. 도 6a는 도 5의 선 A-A'를 따른 단면을 도시한다. 이 단면은 에칭 볼륨(302)에 의해 이격된 상이한 전자기코일(106, 108, 112, 114)의 상대 위치를 보여준다. 또한 패시베이션층(304)과 접근 홀(306)을 도시한다. 도 6b는 도 5의 선 B-B'를 따른 단면을 도시하는 데, 제4 유도성 소자(114)에 형성된 센서 출력 부근의 상이한 구성요소를 도시한다. 도 6c는 도 5의 선 C-C'를 따른 단면을 도시하는 데, 제2 유도성 소자와 제3 유도성 소자 사이의 전이영역(transition area) 부근의 상이한 구성요소를 도시한다. 도 5에 도시되어 있는 구조물은 약 60㎛의 길이와 15㎛ 두 배의 넓이를 가진 진동 멤브레인을 가진다. 도 7a는 제1 유도성 소자(106)와 제4 유도성 소 자(114)가 만들어지는 제1 재료의 배치를 도시한다. 도 7b는 제2 유도성 소자(108)와 제3 유도성 소자(112)가 만들어지는 제2 재료의 배치를 도시한다. 본 발명의 회로를 제조하는 데 필요한 반도체 처리기법은 유리하게도 표준 반도체 처리기법일 수 있다. 또한 도 5는 제3 유도성 소자(112)와 제2 유도성 소자(108) 사이의 공통 입력 접속점(308)을 도시하고, 제3 유도성 소자(112)의 제2 출력점(310)을 표시한다. 센서(312)의 출력점, 즉 제4 유도성 소자(114)의 출력점을 또한 표시한다. 전기성 비아(314)는 제4 유도성 소자(114)를 밀폐시킨다(close). 또한 초기 AC 신호를 제1 유도성 소자(106)로 제공하는 입력점(316)을 도시한다. 본 발명에 따라서, 예를 들면 실리콘 웨이퍼 상에 캡을 납땜할 수 있도록 하는 데 사용되는 준비층(preparation layer), 예를 들면 전기 접속을 위해, 캐비티를 생성하는 데 사용되는 부가적인 층들이 제공될 수 있다. 예를 들어 알루미늄이 금속층으로 사용되는 경우, 니켈금층이 준비층으로 사용될 수 있다.
제2 실시예에서, 본 발명은 이전 실시예에 기술된 바와 같은 전자 장치에 관한 것으로, 여기서 전기 발진신호를 생성하기 위한 전자 장치의 MEMS 구성요소가 캐비티에 위치한다. 캐비티는 바람직하게 진공 캐비티이지만, 본 발명은 이로 제한되지는 않는다. 또한 캐비티는 예를 들어 기체로 채워질 수 있다. 가동 소자(102)가 진공에서 표류할 수 있도록 캐비티, 바람직하게는 진공 캐비티에 MEMS를 수용하면 가동 소자(102)의 자유로운 진동을 가능하게 하여, 발진 주파수 발생 동안에 상당한 고품질 계수 Q를 얻는다. Q 인자는 진공에서 예를 들면 100 내지 1000 사이일 수 있다. 진공 레벨은 멤브레인의 기계적 Q에만 영향을 주는, 즉 보 다 낮은 레벨의 진공만이 감쇠 효과를 도입하므로 크게 중요하지 않다. 진공 레벨이 낮은 경우, 발진을 유지하는 데 더 많은 에너지를 필요로 하고, 따라서 장치의 작동 수단과 멤브레인 사이에 더 많은 결합을 요구한다. 그러면 멤브레인은 그의 주 공진 주파수상에서 발진시에 덜 "자유롭다". 얻을 수 있는 진공 레벨의 예는 예를 들어 10-2 mbar 이지만, 본 발명은 이로 제한되지 않는다. MEMS가 충분한 고 진공 레벨을 가진 진공 캐비티에 위치하는 경우, 사실상 진동의 감쇠는 발생하지 않는다. 땜납 범프로 만들어진 밀봉링을 사용하여 예를 들면 두 실리콘층들 사이의 반도체 기판을 위해 캐비티를 생성하는 방법의 예는 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.의 국제특허출원 WO 03/079439에 기술되어 있다. 진공 오븐에서 땜납 범프로 만들어진 링을 리플로우(reflow) 시키면 진공 캐비티를 얻을 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 캐비티를 생성하는 데 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 도 8은 기판(404)에 의해 밀폐된 캐비티(402)에 병합되는 MEMS 구조에 의해 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치(400) 부분의 예를 도시한다. 기판(104), 캐핑 기판(404), 그리고 예를 들어 남땜 범프로 만들어진 밀봉 링과 같은 밀봉 요소(sealing elements)(406)에 의해 형성된 캐비티(402)에 병합되는 소정의 전형적인 MEMS 구조를 도시한다. 땜납 범프는 예를 들면 주석과 같은 임의 적당한 재료로 만들어질 수 있다. 캐비티의 전형적인 높이 H는 예를 들면 20㎛일 수 있는데, 본 발명이 이로 제한되지는 않는다. 캐핑 기판(404)은 예를 들면 캐비티를 밀폐시키는 기능 외에는 다른 기능을 가지지 않는 캐핑 재료로 만들어질 수 있거나, 혹은 캐핑 기판(404)은 부가적인 기능, 즉 예를 들어 캐피티 상부상에 위치한 능동 집적회로일 수 있다. 예를 들면, 전자 장치에 사용되는 증폭기 회로가 캐핑 기판(404)에 집적될 수 있다. 이런식으로, 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 모든 기능 구성요소가 제한된 치수를 가진 장치에 집적될 수 있는데, 즉 예를 들면 장치의 Z 방향의 두께는 수백 미크론으로 제한될 수 있다. 시스템의 기계 부분이 전형적으로 대략 120㎛×60㎛일 수 있으므로, X-Y 평면에서의 치수도 심하게 제한되어 실제로 초소형 구조물일 수 있다.
제3 실시예에서, 본 발명은 전술한 임의 실시예에 기술된 전자 장치에 관한 것으로, 피드백 루프가 더 제공된다. 이런 식으로, 도 10에 도시된 바와 같이 전기 발진신호를 발생하기 위한 안정된 전자 장치(500)를 생성하여 고정 진폭을 가진 전기 발진신호를 제공한다. 이 시스템은 유리하게도 기준 발진기로서 사용될 수 있다. 이것은 센서의 출력신호를 입력함으로써, 예를 들면 소정 실시예에서 자기장 감지 유도성 소자(114)에 의해 발생된 신호를, 증폭회로로 언급되는 신호를 증폭하기 위한 전자회로(502)로 입력시키므로써, 그리고 증폭 신호를 작동 수단의 제1 및 제2 유도성 소자로 피드백시키므로써 얻어진다. 증폭을 위해 전자회로(502)를 적절히 설계함으로써, 즉, 위상 및 이득을 조정함으로써, 전기 발진신호(500)를 발생하기 위한 안정된 전자 장치를 얻으므로써, 신호가 고정 진폭에서 유지된다. 안정된 진동 모드에서, 제2 유도성 소자(108)는 많이 움직이지 않겠지만, 멤브레인은 자가발진하고 각 사이클에서 작은 양의 에너지만을 손실하므로 감지부분 부근의 가동 멤브레인은 상당한 움직임을 보이게 될 것이며, 따라서 작동 수단은 이들 손 실을 보상하는 데에만 사용된다. 이 상당한 움직임은 감지측 부근의 가동 소자(102) 부분의 고 Q 인자의 진동에 의해 발생된다. 가동 소자(102), 예를 들면 멤브레인 부분의 Q 인자와 함께 라인에서의 진폭의 비율을 구할 것으로 기대된다. 그럼에도 불구하고, 기판을 치치 않도록 진동의 진폭을 제한시키기 위해 선택한다. 증폭회로는 최대 이득을 얻도록 입력신호와 비교한 출력신호을 동조시켜야 한다. 따라서 전형적으로 위상 시프트가 유도되며, 이는 몇몇 기계적 및/또는 전기기계 인자에 하는 데 의존한다. 유사하게 이득은 과구동없이 발진을 유지시키도록 작동 수단을 구동하기 위하여 이득을 조정한다. 그 때문에, 이들은 시스템이 안정된 동작에 있을 때보다 발진을 개시하는, 즉 시작시에 보다 높다. 따라서 전자 증폭회로(502)는 신호의 증폭을 가능하게 하는 임의 전자회로일 수 있으므로, 위상 및 이득 조정을 보장할 수 있다. 이러한 회로는 예를 들면 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 단극 트랜지스터를 기반으로 할 수 있을 뿐만 아니라 예를 들면 MOS, PHEMT, 양극접합 트랜지스터(BJT) 또는 이종접합 양극 트랜지스터(HBT)와 같은 다른 유형의 트랜지스터일 수 있다. 따라서 전자 장치(502)는 교류가 제1 유도성 소자쌍, 즉 제1 유도성 소자(106)와 제2 유도성 소자(108)로 공급될 시에 증폭된 전기 발진신호를 발생하기 위하여 감지된 소전압, 즉 전기 발진신호를 증폭시킨다. 본 실시예에 기술된 바와 같이 피드백 루프를 제공함으로써, 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치를 생성하여 가동 소자(102), 즉 멤브레인의 주 공진주파수에서 공진한다. 따라서 가동 멤브레인의 주 공진주파수가 장치의 주파수를 설정한다. 발진은 보다 높은 루프 이득에서 최적일 것이므로, 모든 소자, 즉 증폭회로, 액추에이터(actuator) 및 센서가 최대 이득을 제공한다. 이런 식으로, 상기 장치는 멤브레인 플렉시브 모드의 주 공진주파수에서 발진을 최적으로 유지할 수 있을 것이다. 선택적으로, 센서가 도 10에 도시된 바와 같은 자기장 유도성 소자(112)를 구비하는 경우, 자기장 유도성 소자(112)로 공급되는 DC 전류는 루프의 이득을 제어하는 데 사용될 수 있다. 따라서 DC 신호는 증폭기(502)의 전자회로에 대한 이득 신호로서 사용될 수 있거나, 혹은 환언하면 증폭기 이득은 제3 유도성 소자(112)를 통해 공급되는 DC 전류에 의해 조절될 수 있다. 이런 식으로, 증폭기(502)의 전자회로의 전력소비와의 직접 연결을 얻으므로써, 보다 높은 DC 전류의 경우에 보다 높은 루프 이득을 얻는다. 또한 증폭원의 전자회로로부터 제3 유도성 소자로 공급되는 DC 전류를 재사용할 수 있다. 결과적으로, 유도성 소자(112)를 통해 흐르는 DC 전류를, 증폭을 위한 전자회로의 공급 전류로부터 독립되도록 선택할 수 있으므로, DC 입력은 증폭기(502)의 전자회로를 위한 공급 전류로서 연결되고, 감결합 커패시터는 작동 수단 입력점과 그라운드 사이에 제공된다. 후자의 경우, 전류를 재사용함으로 적은 전류를 소비할 것이지만, 보다 강한 감결합 커패시터가 필요하다. 진동의 개시 후에, 진동을 유지하도록 유도성 소자(106, 108)로 추가 공급할 필요가 있는 AC 전류는 가동 소자(102)의 진동 감쇠로 인한 손실 및, 감지를 위해 제4 유도성 소자에 의해 탈취당한 소정 에너지로 인한 손실만을 보상할 필요가 있으므로 상당히 낮을 것으로 기대된다. 센서의 출력신호를 공급받는 전자회로(502)는 바람직하게 상당히 높은 입력 임피던스 증폭기일 수 있다. 제1 및 제2 유도성 소자를 통해 공급되는 AC 전류는 소량, 예를 들면 약 100㎂일 수 있 다.
본 발명의 소정 실시예의 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치는 특히 패시브 집적 실리콘 기판(PICS)상에 배치되는 데 유용하다. 전형적으로, 모든 수동 구성요소를 지닐 뿐만 아니라 그들간의 상호접속 패턴을 지니는 단일 저비용 실리콘을 제작한다. 예를 들면 실리콘과 같은 반도체 기판에 MEMS 구조를 쉽게 집적시킬 수 있기 때문에, 유리하게 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치와 PICS를 결합할 수 있다. 환언하면, 본 발명의 실시예를 사용하여 기준 발진기 기능의 실리콘 기반 시스템인 패키지에 집적화를 유리하게 수행할 수 있다. 이런 식으로, 전체 무선 기능이 단일 실리콘 기반의 패키지에 집적될 수 있다. 또한 유리하게도 능동 기능부, BAW 필터, MEMS등을 기반으로 상이한 기술로 몇몇 다이를 플리핑(flipping)하여 집적화할 수 있다.
본 기술분야에는 본 발명을 구현하는 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치의 목적을 성취하는 다른 배치가 분명히 있을 것이다.
본 발명에 따른 장치에 대해 재료 뿐만 아니라 바람직한 실시예, 특정 구조 및 구성을 본 명세서에서 기술하였지만, 본 발명의 범주 및 사상을 벗어나지 않고서도 형태 및 상세사항에 있어 각종 변경 또는 변형을 행할 수 있다는 것을 알아야할 것이다. 예를 들면, 전술한 실시예에서 전기 발진신호를 발생하기 위한 특정 대체 장치를 설명하였지만, 본 발명은 또한 유도성 소자에 의해 동작되는 작동 수단을 가진 MEMS를 기반으로 전기 발진신호를 발생하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 전형적으로, 가동 소자의 진동을 유도하도록 가동 소자를 작동시키는 단계를 포함하고, 따라서 작동은 고집적가능 작동 수단에 의해 수행된다. 이는 장치의 기판에 삽입되거나 혹은 고정된 하나의 유도성 소자, 예를 들면 제1 유도성 소자와, 기판에 대해 움직일 수 있는 가동 소자에 삽입되거나 혹은 고정된 하나의 유도성 소자, 예를 들면 제2 유도성 소자인 두 유도성 소자집합을 사용하여 수행될 수 있다. 이들 유도성 소자는 전자기코일일 수 있다. 이들 유도성 소자는 서로 위쪽에 위치될 수 있다. 이들 유도성 소자에 교류를 공급함으로써, 유도성 소자들간에 변동하는 교번력(alternating forces)이 발생하여 가동 소자의 진동을 일으키거나, 혹은 적어도 가동 소자의 가동 부분의 작동을 일으킨다. 따라서 예를 들어 두 유도성 소자집합에서 교류를 제공함으로써 작동을 수행할 수 있다. 가동 소자의 움직임, 즉 진동은 상기 기판상의, 즉 상기 기판에 대한 교번력에서 변환된다. 예를 들면, 가동 소자의 가동 부분에 삽입되거나 혹은 고정된 유도성 소자, 예를 들면 제3 유도성 소자를 통하여 DC 전류를 공급함으로써 변환을 수행할 수 있다. 후자는 가동 소자에 대한 고정 자력을, 그리고 진동시에는 기판에 대해 변동 자력을 발생하게 한다. 그러면, 기판상에 변동되는 혹은 교번력을 측정하고, 발생된 전기 발진신호일 수 있는 교번 전기신호로 변환한다. 기판에 고도의 집적도를 제공하는 다른 수단을 사용할 수도 있지만, 이러한 변환은 유도성 소자, 예를 들면 제4 유도성 소자를 사용하여 행해질 수 있다. 제3 및 제4 유도성 소자로 구성될 수 있는 센서의 출력점에서 얻어지는 발생된 전기 발진신호를 직접 사용할 수도 있고, 혹은 먼저 증폭시킬 수 있다. 선택적으로, 발생된 전기 발진신호는 채택된 전자회로, 예를 들면 증폭기에서 증폭될 수 있고, 그리고 증폭된 발생 전기신호는 가 동 소자를 작동시키는 데 적어도 부분적으로 사용될 수 있다. 후자는 예를 들어 증폭된 발생 전기발진신호를 작동 수단의 유도성 소자로 공급함으로써 수행될 수 있다. 그것에 의해, 고정 진폭을 가진 발생 전기발진신호를 생성하기 위해, 증폭 동안에 얻은 이득 및 위상을 제어할 수 있다. 자력 변동시에 가동 소자의 변환을 변환하기 위하여 제3 유도성 소자에 사용되는 DC 신호를 공급함으로써, 증폭된 발생 전기발진신호의 이득을 적어도 일부분 결정할 수 있는 데, 이 신호는 적합한 전자회로, 예를 들면 증폭기에서 이득 제어 신호이다. 전술한 방법은 본 발명의 실시예에 기술된 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치를 사용하여 유리하게 수행될 수 있다.

Claims (18)

  1. 초소형 전자기계 시스템(micro-electromechanical system)을 기반으로 전기 발진신호를 발생하기 위한 전자 장치(100, 200, 300, 400, 500)에 있어서,
    기판(104)과,
    작동 수단(actuating means)과,
    상기 기판(104)에 대해 움직일 수 있는 가동 소자(moveable element)(102)와,
    센서를 포함하며,
    상기 작동 수단은 상기 가동 소자(102)의 움직임을 발생시키고, 상기 센서는 상기 가동 소자(102)의 움직임을 전기 발진신호로 변환시키며,
    상기 작동 수단은 제1 유도성 소자(106)와 적어도 제2 유도성 소자(108)를 포함하고, 상기 제1 유도성 소자(106)는 상기 기판(104)에 고정되며, 상기 제2 유도성 소자(108)는 상기 가동 소자(102)에 고정되는
    전자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 가동 소자(102)에 고정된 자기장 유도성 소자(112)와, 상기 자기장 유도성 소자(112)에 DC 전류를 제공하기 위한 DC 전류원을 포함하는 전자 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 기판(104)에 고정되어, 상기 기판(104)에 대해 작용하는 가변 자력을 전기 발진신호로 변환하는 자기장 감지 유도성 소자(114)를 포함하는 전자 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 유도성 소자(106)와 상기 적어도 제2 유도성 소자(108)는 서로 전기접속되는 전자 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 장치(500)는
    상기 센서로부터 상기 전기 발진신호를 수신하고, 증폭된 전기 발진신호를 상기 작동 수단으로 공급하는 전자 증폭회로(502)를 더 포함하는 전자 장치.
  6. 청구항 2항만을 인용하는 제 5 항에 있어서,
    상기 전자 증폭회로(502)는 또한 상기 전자 증폭회로(502)를 위한 이득 입력신호로서 상기 DC 전류신호를 수신하는 전자 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 전자 증폭회로(502)는 고정 진폭으로 상기 전기 발진신호를 유지관리하기 위한 위상 시프팅 및 레벨 제어수단을 포함하는 전자 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 유도성 소자(106)와 상기 제2 유도성 소자(108)에 교류 전류를 공급하기 위한 교류 전류원을 더 포함하는 전자 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도성 소자(206, 208)는 전자기 코일인 전자 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 초소형 전자기계 시스템이 밀폐 캐비티(closed cavity)(402)에 제공되는 전자 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밀폐 캐비티는 상기 캐비티(402)를 밀폐하기 위한 밀봉 요소(sealing elements)(406)와 캐핑 기판(capping substrate)(404)을 포함하는 전자 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 소자는 멤브레인(membrane)인 전자 장치.
  13. 기판(104)상의 초소형 전자기계 시스템을 기반으로 전기 발진신호를 발생하기 위한 방법에 있어서,
    가동 소자(102)의 진동을 발생하기 위하여, 상기 기판(104)에 고정된 제1 유도성 소자(106)와, 상기 가동 소자(102)에 고정된 적어도 제2 유도성 소자(108)에 교류 전류를 공급하는 단계와,
    상기 가동 소자(102)의 상기 진동을 상기 기판(104)에 대한 교번 자력(alternating magnetic force)으로 변환하는 단계와,
    상기 기판(104)에 대한 상기 교번 자력을 전기 발진신호로 변환하는 단계
    를 포함하는 전기발진신호를 발생하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 교번 자력을 변환하는 단계는 자기장 감지 유도성 소자(114)로써 상기 교번 자력을 감지하는 단계를 포함하는 전기발진신호를 발생하는 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 진동을 변환하는 단계는 상기 가동 소자(102)상에 제공된 자기장 유도성 소자를 통하여 DC 전류를 공급하는 단계를 포함하는 전기발진신호를 발생하는 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 발진신호를 증폭하는 단계와, 상기 증폭된 전기 발진신호를 상기 제1 유도성 소자 및 적어도 상기 제2 유도성 소자에 공급하는 단계를 더 포함하는 전기발진신호를 발생하는 방법.
  17. 청구항 15항만을 인용하는 제 16 항에 있어서,
    상기 전기 발진신호를 증폭하는 단계는 상기 DC 전류를 사용하여 제어되는 전기발진신호를 발생하는 방법.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 발진신호를 고정 진폭으로 유지하는 단계를 더 포함하는 전기발진신호를 발생하는 방법.
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