TWI569571B - 超低功率熱致動振盪器及其驅動電路 - Google Patents

超低功率熱致動振盪器及其驅動電路 Download PDF

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Description

超低功率熱致動振盪器及其驅動電路
本發明係關於一種超低功率熱致動振盪器，特別尤指僅需施加一低功耗電流即能使線結構態樣的熱致動元件產生形變，並進一步使驅動振盪器的質量塊產生相對應的諧頻振盪之振盪器。
一般微機電機械振盪器大約可分為電容式(Capacitive)、壓電式(Piezoelectric)和熱致動壓阻感測式(Thermal-piezoresistive)等三種，各自有其優缺點。電容式振盪器可以提供低功率、真空中高Q值及良好的IC相容性，但其線性效果差、製程複雜且需要較大致動面積和微小電容間隙，使得大氣下的共振器Q值低，於量測上亦容易受到雜散電流的干擾。壓電式振盪器擁有極高的機電耦合係數，可以提供降低的運動阻抗，但Q值低及基材的製程不易與CMOS製程整合等缺點，使得壓電式振盪器的運用領域受限。
致動振盪器係利用溫度以轉換成驅動力，其製程簡單，僅需1至2道光罩即可，與CMOS製程相容性高，無需大的傳感面積，無微小電容間隙，使得共振器在大氣下仍具有Q值，並且可利用本身結構內部的熱、機、電耦合效應產生自激振盪，目前，文獻上的最低振盪器操作功率約在數個mW。
目前文獻中尚未見聞如何實現一個超低功耗的熱致動振盪器的解決方案。綜觀所述，本發明之發明人經多年苦心潛心研究、思索並設計一種超低功率熱致動振盪器及其驅動電路，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用，其中，亦極適合作為氣體環境下之感測器用途。
有鑑於上述之問題，本發明之目的係提出一種超低功率熱致動振盪器係利用三維微奈米化的熱致動器結構，以有效縮減了熱時間常數，進而使熱反應速度能跟上微機械共振器之共振頻率。再者，因元件體積縮減可大幅降低功率消耗。
有鑑於上述之問題，本發明之目的係提出一種超低功率熱致動振盪器係利用振盪器結構內熱、機、電耦合的效應，無須外接主動放大電路即可使質量塊自我振盪於共振器之共振頻率(Resonance Frequency)上。
有鑑於上述之問題，本發明之目的係提出一種超低功率熱致動振盪器係利用線結構態樣的熱致動元件並與質量塊的相對配置，可以大幅提升振盪器之Q值，降低熱致動振盪器之起振功率。
有鑑於上述之問題，本發明之目的係提出一種超低功率熱致動振盪器係利用不同的彈簧結構態樣搭配質量塊的轉動慣量，進而改變振盪器之振盪頻率(Oscillation Frequency)。
有鑑於上述之問題，本發明之目的係提出一種超低功率熱致動振盪器係可簡化電路設計的複雜性並可減少電路雜訊與功耗，及微小化與降低成本的目的。
有鑑於上述之問題，本發明之目的係更揭露一種熱致動振盪器之驅動電路，係利用偏壓電晶體等元件的電路配置設計，以達到熱致動振盪器之自激振盪，其作用如下：1.取代電阻或電感等大型偏壓元件，進一步降低整體系統之功耗和體積。2.可作為迴饋電路控制之輸入端。3極適合電路積體化。4.調控熱致動振盪器的振盪頻率。
基於上述目的，本發明係提供一種超低功率熱致動振盪器，其包含至少一組質量塊、至少一熱致動元件以及複數個驅動件。該至少一組的質量塊係對稱配置且由至少一彈簧結構懸空連接於一基板上。至少一熱致動元件可為線結構以提升熱致動振盪器之電阻抗並同時降低熱致動振盪器之熱電容，至少一熱致動元件則與至少一組質量塊相連接。複數個驅動件係設置於至少一熱致動元件兩側，以提供驅動電流，當驅動電流流經至少一熱致動元件時，使至少一熱致動元件變形，進而驅動至少一組對稱配置的質量塊產生振盪於共振頻率上。
基於上述目的，本發明再提供一種超低功率熱致動振盪器，其包含至少一組質量塊、至少一熱致動元件以及複數個驅動件。至少一組的質量塊係對稱配置且由至少一彈簧結構懸空連接於一基板上。至少一熱致動元件可為線結構以提升熱致動振盪器之電阻抗並同時降低熱致動振盪器之熱電容，至少一熱致動元件係直接連接於至少一彈簧結構上。複數個驅動件係分別設置於至少一熱致動元件兩側，以提供驅動電流，當驅動電流流經至少一熱致動元件時，使至少一熱致動元件變形，進而驅動至少一組對稱配置的質量塊產生振盪於共振頻率上。
其中，熱致動元件的線結構之態樣係指線結構厚度比質量塊之厚度為小。
較佳地，熱致動元件的線結構之態樣可為任一單根寬度或厚度小於2μm之單線結構或陣列線結構。
較佳地，彈簧結構可包含伸縮彈簧結構、旋轉彈簧結構或其組合。
較佳地，複數個驅動件更包含導電材質之兩電極。
基於上述目的，本發明再提供一種熱致動振盪器之驅動電路，其包含熱致動振盪器以及驅動電路。熱致動振盪器包含兩個電極及熱致動元件。驅動電路可包含偏壓電晶體，其中偏壓電晶體之控制端係輸入偏壓電壓，而偏壓電晶體之電流流入端與電流流出端以及兩個電極係形成一電流迴路，以驅動熱致動振盪器之自激振盪。
較佳地，熱致動元件可為線結構。
較佳地，驅動電路更可包含正回饋迴路，正回饋迴路可連接於偏壓電晶體之控制端以降低驅動功率。
較佳地，驅動電路更可包含負電阻電路，負電阻電路可連接於熱致動振盪器之任一輸出端以降低驅動功率。
較佳地，驅動電路可包含電壓放大器、電流放大器、轉阻放大器、轉導放大器、溫度補償電路、頻率計數電路、差分電路、電性迴饋接線，移相器、濾波器、倍頻器、除頻器或其組合，以增加熱致動振盪器之控制精準性。
本發明之主要目的係在於提供一種超低功率熱致動振盪器及其驅動電路，其可具有下述一個或多個優點：
1.簡化電路設計：利用簡單的驅動電路，即可利用溫度、機械、電流、電壓間的耦合交互循環影響，以維持振盪器的自激振盪，進一步降低振盪器所需功率。
2.提升性能：藉由設計不同振盪器的元件結構尺寸，並改變相關元件之配置，以獲得不同的振盪模態和頻率。
3.簡化製程：縮減製程遮罩的使用次數，以降低遮罩的設計時程及簡化製程。
4.結構設計變更：本發明係針對熱致動振盪器的關鍵元件(熱致動元件、彈簧結構)進行設計變更，以藉此改變振盪器之振盪頻率。進一步說明，針對熱致動元件係以線結構取代樑結構，可進一步降低所需之電路總偏壓，較佳地更可利用底切製程以縮減熱致動元件之體積。再者，利用旋轉彈簧結構以改變振盪器的振盪項中的彈簧係數值。
5.降低功率需求：藉由驅動電極延伸至熱致動元件周圍以有效降低等效阻值，以使所有的電壓跨壓主要分佈於熱致動元件上。再者，可設計電流不流經質量塊，將進一步降低雜散電容和電阻的影響並有效減低驅動功率需求。
為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。
100‧‧‧超低功率熱致動振盪器
10‧‧‧質量塊
15‧‧‧旋轉彈簧結構
20‧‧‧熱致動元件
30‧‧‧驅動件
32‧‧‧電極
200‧‧‧熱致動振盪器
250‧‧‧驅動電路
5‧‧‧真空泵
6‧‧‧電源供應器
7‧‧‧頻譜分析儀
第1圖係為本發明之超低功率熱致動振盪器之第一實施例示意圖。
第2圖係為本發明之超低功率熱致動振盪器之熱致動元件之線結構態樣示意圖。
第3圖係為本發明之超低功率熱致動振盪器之第二實施例示意圖。
第4圖係為本發明之超低功率熱致動振盪器之不同態樣SEM圖。
第5圖係為本發明之超低功率熱致動振盪器之相位雜訊與小訊號輸出圖。
第6圖係為本發明之熱致動振盪器之驅動電路之示意圖。
為利 貴審查員瞭解本發明之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。
本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。
請同時參閱第1圖及第2圖，本發明之超低功率熱致動振盪器100包含至少一組的質量塊10、至少一個的熱致動元件20以及複數個驅動件30。至 少一組質量塊10係對稱配置且由至少一彈簧結構懸空連接於一基板上。實施上，基板可為具有壓阻特性的任何材質，較常見的材質種類為鍺、多晶矽、非晶矽、碳化矽及單晶矽等材料。
至少一熱致動元件20可為線結構以提升熱致動振盪器之電阻抗並同時降低熱致動振盪器之熱電容，至少一熱致動元件20則與至少一組的質量塊10相連接。複數個驅動件30係設置於至少一熱致動元件20的兩側以提供驅動電流。當驅動電流流經至少一熱致動元件20時，使至少一熱致動元件20變形，進而驅動至少一組對稱配置的質量塊10產生振盪於共振頻率上。
進一步說明，熱致動元件20是熱致動振盪器中極為重要的關鍵元件，目前針對熱致動元件20的相關研究都僅拘限在如何縮減樑結構的寬度尺寸課題上，並未探討利用立體體積縮減以提升驅動阻抗的可能性，而本發明則揭露利用底切(Undercut)效應以產生一個次微米尺寸的結構，可根據實際上的設計需求將樑結構逐步蝕刻成單線結構或陣列線結構等不同態樣(參照第2圖)，其主要特徵為具有比質量塊厚度更小之結構厚度尺寸。
以線結構態樣呈現的熱致動元件20能大幅提升驅動阻抗，使熱反應速度能跟上整體結構的共振頻率，再者，因熱致動元件20的體積縮減可大幅降低功率消耗。實施上，熱致動元件20的任一單根線結構之態樣可為寬度或厚度小於2μm，較佳態樣可為任一單根寬度或厚度小於1μm。
當驅動件30施予熱致動元件20驅動電流時，熱致動元件20會因熱擾動、電路雜訊等產生溫度變化並藉由熱膨脹效應轉換成熱驅動力，在符合結構微機械自然共振頻率處之擾動尤其會被放大，當溫度、機械、電流藕合場的內部迴授過程之迴路增益大於1且相位接近0度時，質量塊10則會自激振盪。其 中，結構的自然共振頻率可由未受外力驅動時的彈簧結構的彈簧恢復力及質量塊10的轉動慣量所推導得知。
舉例說明，但不以此為限。由圖中可知悉，第一實施例係利用旋轉彈簧結構15以連接質量塊10及基板上。當質量塊10成翼型配置(Wing-type)時，利用旋轉彈簧結構15將質量塊10適當連接於基板時，可產生一振盪器振盪頻率。
請參閱第3圖，第二實施例為本發明之另一配置態樣，與第一實施例之差異點為熱致動元件20兩端點直接連接於彈簧結構上且將電極32延伸到熱致動元件20周圍，其主要設計考量是藉由導電材質電極32本身的低阻值，再與原先的走線、支撐結構等相聯結後，藉由以上方法可以有效降低等效阻值，以使所有的電壓跨壓主要分佈於熱致動元件20上，使電功率集中在熱致動元件20上，提高熱致動元件20的溫升效率，進而減少整體功率消耗。
進一步說明，藉由縮短導電材質電極32與熱致動元件20端點間的距離且沒有與質量塊10直接相接的設計，因此電流可不流經質量塊10，整體等效雜散電阻可再降低，進一步有效減低驅動總偏壓之需求，進一步降低總功率消耗。
實施上，當質量塊10尺寸變大時，質量塊10更可包含複數個釋放孔，釋放孔除了能於蝕刻過程中加速蝕刻速率並維持尺寸精準度外，更可降低質量塊10對共振頻率之影響，實施上釋放孔之型態可為孔洞特徵或隙縫特徵。
請參閱第4圖，由圖中可知悉，超低功率熱致動振盪器可藉由設計不同的元件結構尺寸及相關元件之配置，並於具壓阻特性之基板上利用MEMS的相關製程建構出奈米尺度之元件，本實施例僅以(100)方向的單晶矽基 板為例，但不以此為限。實施上，本發明的振盪器設計無論第一實施例的Wing-type態樣的或第二實施例的Free I-Bar態樣均具有結構簡單、製程容易、低操作功率、元件可靠性高等的優點。
請同時參閱第1圖及第5圖，其係為本發明之超低功率熱致動振盪器之相位雜訊與小訊號輸出圖。由圖中可知悉，本實驗係探討本發明之Wing-type I態樣的超低功率熱致動振盪器100於真空環境(10-4Torr)中進行振盪測試的閉迴路量測並分析其相位雜訊。首先將超低功率熱致動振盪器100放置於真空腔室內且與將測量接頭電性連接於驅動件30，再利用真空泵5將量測腔室內抽至10-4Torr之真空環境。由實驗結果發現，當施加0.22mA電流時，超低功率熱致動振盪器100在工作頻率830kHz時即會產生出平面(Out-of-plane)模態的自激振盪。所需消耗的直流功率為70μW，由電源供應器6所提供的輸入訊號為Vpp=22.4mV，而輸出的載頻功率(Carrier power)經過頻譜分析儀7量測後為-41.73dBm。在相位雜訊的特性上，偏置頻率(Offset frequency)在1kHz與100kHz分別有-91.09dBc/Hz和-91.8dBc/Hz的表現。
本發明之第一實施例所揭露之超低功率熱致動振盪器100，在真空中Q值最大可達到14,000，在空氣中也有3,000的優異表現，而振盪時最低的等效運動阻抗(Rm)為600Ω。若作為質量感測器使用，將所量測之相位雜訊轉換為Allan Deviation以計算其質量感測性能，最低可得到小於1 femtogram的質量解析能力。
本發明的超低功率熱致動振盪器100相較於習知的熱致動振盪器僅需較小的直流功率即可開始振盪，其原因為旋轉彈簧結構15具有寬且短的幾何結構，可以有效降低寄生結構電阻，另一方面，更可提供良好的機械支撐特 性，因此熱致動元件20可以製造成線狀結構而仍保有一定的元件可靠性及良率，是故，熱致動元件20經縮減成線狀結構可以有效提升元間的功率操作效率，不但能降低所需的直流功率並且不會產生太大的頻率飄移。
再進一步說明，旋轉彈簧結構15可以決定元件的共振頻率，因其結構共振項中的彈簧係數值係由旋轉彈簧結構15所決定，使得整體結構更容易滿足自激振盪。
請參閱第6圖，本發明更提供一種熱致動振盪器之驅動電路，其包含熱致動振盪器200以及驅動電路250，其中熱致動振盪器200包含兩個電極及熱致動元件，實施上熱致動元件可為線結構以有效降低所需的驅動功率。驅動電路250可包含偏壓電晶體，其中偏壓電晶體之控制端係輸入偏壓電壓，而偏壓電晶體之電流流入端與電流流出端以及熱致動振盪器200之兩個電極係形成一電流迴路，以驅動熱致動振盪器200之自激振盪。實施上，驅動電路250亦可為檢測電路。
實施上，驅動電路250可包含電壓放大器、電流放大器、轉阻放大器、轉導放大器、溫度補償電路、頻率計數電路、差分電路、電性迴饋接線，移相器、濾波器、倍頻器、除頻器或其組合。
進一步說明，利用偏壓電晶體的主要目的為提供一電流偏壓以達到自激振盪條件，且不同的電流偏壓會使熱致動振盪器200的溫度產生變化，進而改變共振頻率，再者，電晶體可根據實際需求搭配不同的電路設計，以降低起振所需的偏壓電流及功率。
由於熱致動振盪器200的作動原理係為溫度、機械、電流間的相互耦合作用，然而目前的研究均僅針對元件結構間的配置進行探討，對於驅動 電路250則較少著墨，本發明則利用偏壓電晶體等元件特性進行驅動電路250的設計配置，以達到熱致動振盪器200之自激振盪，本實施例係藉由驅動電路250即可調控熱致動振盪器200達起振條件並微調振盪頻率，以獲得針對不同態樣之熱致動振盪器200進行調控。
舉例說明，如第6圖的(F)及(G)部分所示，驅動電路250更可包含正回饋迴路，正回饋迴路係連接於偏壓電晶體之控制端和熱致動振盪器200之任一輸出端，以降低驅動功率，更可增加熱致動振盪器200之控制精準性。
實施上，如第6圖的(H)部分所示，驅動電路250更可包含一等效負電阻電路，該等效負電阻電路係由熱致動振盪器200之任一輸出端至電位地間所等效形成。等效負電阻電路將調變電流迴路中之等效寄生電阻，以降低驅動功率。
由於習知的振盪器對於驅動電路和質量塊的振盪影響並無研究，然而本發明係將各關鍵元件及相對配置關係均進行設計改良，使得本發明的熱致動振盪器可以藉由驅動電路加以調控，以增加其運用領域。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
100‧‧‧超低功率熱致動振盪器
10‧‧‧質量塊
15‧‧‧旋轉彈簧結構
20‧‧‧熱致動元件
30‧‧‧驅動件

Claims (9)

  1. 一種超低功率熱致動振盪器，其包含：至少一組質量塊，係對稱配置且由至少一彈簧結構懸空連接於一基板上；至少一熱致動元件，係為一線結構以提升該熱致動振盪器之電阻抗並降低該熱致動振盪器之熱電容，該至少一熱致動元件連接於該至少一組質量塊；以及複數個驅動件，係分別設置於該至少一熱致動元件兩側，以提供一驅動電流，當該驅動電流流經該至少一熱致動元件時，使該至少一熱致動元件變形，進而驅動該至少一組質量塊產生諧頻振盪；其中該線結構之態樣係為任一單根線之結構厚度比質量塊結構厚度為小。
  2. 一種超低功率熱致動振盪器，其包含：至少一組質量塊，係對稱配置且由至少一彈簧結構懸空連接於一基板上；至少一熱致動元件，係為一線結構以提升該熱致動振盪器之電阻抗並降低該熱致動振盪器之熱電容，該至少一熱致動元件連接於該至少一彈簧結構；以及複數個驅動件，係分別設置於該至少一熱致動元件兩側，以提供一驅動電流，當該驅動電流流經該至少一熱致動元件時，使該至少一熱致動元件變形，進而驅動該至少一組質量塊產生諧頻振盪； 其中該線結構之態樣係為任一單根線之結構厚度比質量塊結構厚度為小。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項中所述之超低功率熱致動振盪器，其中任一單根線之寬度或厚度小於2μm之單一線結構或陣列線結構。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項中所述之超低功率熱致動振盪器，其中該至少一彈簧結構係包含一伸縮彈簧結構、一旋轉彈簧結構或其組合。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項中所述之超低功率熱致動振盪器，其中該複數個驅動件更包含導電材質之兩電極。
  6. 一種熱致動振盪器之驅動電路，係包含：一熱致動振盪器，包含兩個電極及一熱致動元件、至少一組質量塊，係對稱配置且由至少一彈簧結構懸空連接於一基板上；以及一驅動電路，係包含一偏壓電晶體，該偏壓電晶體之一控制端係輸入一偏壓電壓，而該偏壓電晶體之一電流流入端與一電流流出端以及該兩個電極係形成一電流迴路，以驅動該熱致動振盪器之自激振盪；其中該熱致動元件係為線結構，其中該線結構之態樣係為任一單根線之結構厚度比質量塊結構厚度為小。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之熱致動振盪器之驅動電路，其中該驅動電路更包含一正回饋迴路，該正回饋迴路係連接於該偏壓電晶體之該控制端以降低驅動功率。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之熱致動振盪器之驅動電路，其中該驅動電路更包含一負電阻電路，該負電阻電路係連接於該熱致動振盪器之任一輸出端以降低驅動功率。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之熱致動振盪器之驅動電路，其中該驅動電路係包含電壓放大器、電流放大器、轉阻放大器、轉導放大器、溫度補償電路、頻率計數電路、差分電路、電性迴饋接線，移相器、濾波器、倍頻器、除頻器或其組合，以增加該熱致動振盪器之控制精準性。
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