CN101088216B - 电荷偏置mem谐振器 - Google Patents

Abstract

一种包括振动元件(10)以及至少第一电极(20)和第二电极(30)的谐振器，至少一个电极存储有电荷，以对所述器件进行电荷偏置。电荷调节器(C)可以增加或减少存储的电荷。所述电荷调节器可以是用于减小泄漏的电容器或是通过开关连接的电源。它可以减小静态阻力的问题、减小功耗并减小非线性，使得能够在操作前调节电荷电平。第二开关可以用于将所述振动元件接地。

Description

电荷偏置MEM谐振器

技术领域

本发明涉及MEM谐振器和结合该谐振器的器件，并涉及该谐振器的操作方法。

背景技术

微机电(MEM或MEMS)谐振器是已知的，而且以RF频率上的片上高Q因子而著称。MEM谐振器把电信号转换为振动元件的损耗极其低的机械振动，并且把振动转换回电信号。仅当输入接近可移动元件的谐振频率时，MEM谐振器才产生输出。它们可以用作可结合到振荡器中的窄带滤波器或例如VCO。以前，这种功能通常使用例如SAW滤波器或石英谐振器等组件。石英谐振器已用作振荡器电路(例如Colpitts振荡器、Pierce振荡器)中的频率选择元件。不幸的是，石英谐振器是高成本、大体积的分立组件，不能使用与现代IC工艺兼容的制造技术容易地对其进行集成。因此，希望减小MEM谐振器的封装/装配成本和组件数目，减少阻抗匹配问题，并减小可能显著影响RF应用性能的寄生效应。这会导致把所有的RF/模拟/数字组件合并到通常称做RF片上系统(SoC)的单个具有无线功能(wireless-enabled)的芯片上。例如，可以使用现代的CMOS工艺在N型或P型单晶半导体晶片上进行合并。对于包括夹紧梁(clamped beam)、悬臂和圆盘形式的振动元件的振动元件和电极以及多个振动元件的配置，多种谐振器的几何结构是已知的。

根据美国专利申请20030052742可知，提供了包括至少两个可振动组件的MEM谐振器，所述至少两个可振动组件相对于与其振动频率有关的波长而靠近地放置，并且受到驱动以彼此相差半个振动周期而异相地振动，即对彼此的运动进行镜像。按照所述方式驱动可振动构件导致了相消性干扰效应并改善了谐振器的Q因子，其中所述干扰效应抑制了从振动组件向晶元(die)中的声能泄漏。通过使用与形成基于CMOS的存储器的集成电容器类似的工艺，对在晶元中的一个或更多个沟槽(trench)进行深度各向异性蚀刻出，形成可振动板形式的可振动组件。

根据WO 03/023957可知，在100+MHz范围中工作的高Q机械谐振器具有某些局限性。另外，这些高Q谐振器的频率上界较低，限制了其在某些应用中的使用。此外，这些高Q谐振器难以制造且具有相对大的质量。因此，该文献建议谐振器包括具有内嵌电荷的组件、至少一个输入电极、至少一个输出电极和至少一个公共电极。输入和输出电极与公共电极分隔开来，并且实质上在与公共电极相对的所述组件的相对侧。所述组件、输入和输出电极中至少一个是相对于另一个可移动的。在制造期间，利用电子枪把电子注入所述组件以沉积内嵌电荷，尽管可以使用把内嵌电荷存储在所述组件中的其它技术，例如在所述组件两端施加足以引起电子注入、弹道注入、极化和高场注入的电偏置。相同技术可以用于把内嵌电荷存储在电介质形成的或作为带电浮动导体(floating conductor)而形成的组件中。

存在对改进器件的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的MEM谐振器、结合该谐振器的器件以及该谐振器的制造和操作方法.

根据第一方面，本发明提供：

一种包括振动元件和电极的谐振器，其设置为使所述元件根据输入信号而振动，并根据振动而产生输出信号，所述电极和振动元件中至少一个设置为在使用时存储电荷，并且所述电极和振动元件中至少一个包括电荷调节器，所述电荷调节器设置用于增加或减少存储的电荷。

谐振器可以具有输入和输出电极。此外，本发明不需要公共电极。

振动元件可以是接地导体，输入电极可以是浮动带电导体。可以在适当时对输入电极充电，例如在制造期间利用针对其进行预充电。

上述设置有助于保持电荷量，防止电荷泄漏。它还能够减少电荷量，从而减小朝向衬底的拉入(pull in)力，由此减小静态阻力(stiction)的问题。使用存储的电荷而非对器件进行偏置的电压源的优点可以包括：减小功耗、对高电压电源的需求降低、以及相对于振动元件的位移而更加线性的输出电流。减小这种非线性效应能够产生更高的Q因子和更窄的频带滤波特性。在电非线性比机械非线性占优势的特定操作条件下，这一点尤其真实。

本发明的附加特征是，电荷调节器包括与带电电极或带电元件耦合的电荷储备池。这是保持电荷避免泄漏的一种尤其直接的方式。由于储备池可以比单独的电极存储多得多的电荷，所以给定的泄漏对留在组合的储备池和电极上的电荷量具有在比例上小得多的影响。

另一附加特征是，电荷调节器包括通过第一开关与带电电极或带电元件耦合的电压源。这可以和电荷储备池一同使用，或代替电荷储备池。在任一情况下，均能够在操作前对电荷电平进行调节。

另一附加特征是，带电电极或带电元件是输入或输出电极。与具有公共电极或对振动元件充电相反，这可以带来带电电极的某些益处，即减小功耗、降低对高电压电源的需求以及输出电流相对于振动元件的位移更加线性，同时在对振动元件充电时减小对其的拉入力这一缺点。

另一附加特征是，带电电极或带电元件设置在振动元件的两侧。这可以改进器件特性的线性性。对于本发明，相对侧的电极不一定是本质要求。

另一附加特征是，电荷储备池包括去往电极的输入路径或来自电极的输出路径中的去耦电容器。

针对从属权利要求的另一附加特征是，振动元件与大地耦合。这使振动元件能够用作双电极单间隙设置中的输出电极，或例如与一侧或两侧的带电电极一同使用。

针对从属权利要求的另一附加特征是，振动元件通过开关与大地耦合。这能够在操作前或任意时刻减少振动元件上的任意电荷。使用开关的另一优点是，开关具有低泄漏。此外，尽管没有开关的备选方案更为简单，但它可能导致输出中的某些非线性。

另一附加特征是，振动元件与带电电极或带电元件结合。这可以实现具有单间隙的双电极器件。

另一附加特征是第二带电电极或元件。

另一附加特征是，对第二带电电极充电至不同的极性。这可以减小振动元件的运动阻抗。

另一附加特征是，控制器设置为控制第一和/或第二开关闭合，以对谐振器进行预充电，而且控制第一和/或第二开关在操作期间断开。可选择地，控制器可以设置为控制第一开关和/或第二开关在操作期间闭合，以使所述器件能够作为电压偏置器件而操作。

另一附加特征是，第一和/或第二开关包括MEM开关。

本发明的其它方面包括：谐振器的操作方法，以及包括谐振器的集成电路。

任何附加特征都可以组合在一起，而且可以和任何方面进行组合。其它优点对于本领域的技术人员是明显的，特别是优于其它现有技术。在不背离本发明权利要求的前提下，可以做出多种改变和修改。因此，应当清楚地理解，本发明的形式仅为了说明，而不是限制权利要求的范围。

附图说明

参考附图，通过示例描述本发明的实现方式，附图中：

图1示出了常规谐振器；

图2至7示出了根据本发明实施例的谐振器；

图8和9示出了与实施例一同使用的MEM开关的示例；

图10示出了用作开关的浮动栅极器件的示例；以及

图11示出了用于实施例的谐振器结构的示例。

具体实施方式

将参考具体实施例和特定附图对本发明进行描述，但是本发明不限于此，而仅由权利要求限定。所述附图仅是示意性而非限制性。在附图中，为了说明目的，一些元件的尺寸可能被夸大而没有按比例绘制。当术语“包括(comprising)”用在本说明书和权利要求中时，它不排除其它元件或步骤。当涉及单数名词，使用“a”或“an”等不定冠词或定冠词时，除非特别说明，否则定冠词和不定冠词包括该名词的复数。

权利要求中使用的术语“包括(comprising)”不应解释为仅限于其后列出的装置；它不排除其它元件或步骤。因此，“包括装置A和B的器件”这种表述的范围不应限制为仅包括组件A和B的器件。这表示对于本发明，器件中相关组件仅为A和B。

此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于在相似元件之间进行区分，而不一定描述次序或时间顺序。要理解，这样使用的术语在适当情况下可以互换，而且这里描述的本发明的实施例能够按照除了这里所述或示出的顺序之外的其它顺序进行操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、之上、之下等是用于描述的目的，而不一定描述了相对位置。要理解，这样使用的术语在适当情况下可以互换，而且这里描述的本发明的实施例能够以除了这里所述或示出的方向之外的其它取向而操作。

图1示意性地示出了常规的电压偏置MEMS谐振器。振动元件10夹在两个电极20、30之间。方块3、5指示用于把振动元件固定到例如衬底的锚定装置(anchor)。谐振器附着到衬底，或是衬底的一部分。

谐振器需要对电极20、30进行偏置的具有高DC电压的高电压电源8，以在间隙9中实现高电场。交流电压源Vin 10示作输入7，输出4是按照振动元件10感生出的电流Iout(6)来进行测量的.

图2示意性地示出了根据本发明的电荷偏置谐振器的第一实施例。谐振器附着到衬底(例如半导体衬底)或是衬底的一部分。如上所述，方块3、5指示用于把振动元件固定到例如衬底的锚定装置。显然，如上所述，对于振动元件及其锚定装置可以设想其它的几何结构，而且并非意欲将本发明限制为特定几何结构。与图1相比，该设置的不同之处在于，利用固定电荷而不是固定电压来实现谐振器的偏置。因此，在使用期间，梁(beam)10没有与DC电压电源相连。该方法的优点是，谐振器不需要单独的高DC电压源8，一旦例如在生产期间被偏置，那么在操作期间谐振器的偏置和谐振频率不易受到DC电压电源的电平变化的影响。这允许对谐振器的谐振频率进行更为精确的调谐。

如果使用相同的偏置电压，那么电荷偏置谐振器的运动电阻至少与电压偏置谐振器近似相等。谐振器梁10与左边电极之间的间隙9是g+x，而梁与右边电极之间的间隙9’是g-x(x是距离平衡处的位移)。当开关闭合时，施加电荷Qdc＝Vdc2A ε0/g。当施加偏置电荷时，交流(ac)电压Vin＝0。根据另一实施例，先前仅在制造期间例如通过电子枪注入存储电荷，而现在以通过开关11耦合的电压电源8的形式设置电荷调节器来增加或减少存储电荷。由于设置有开关11，所以能够重复进行预充电。在操作前对谐振器进行预充电，例如开关11闭合，Vin＝0V。在操作期间，开关11断开。理想情况下不会发生电荷泄漏，但在实际中将会有一些泄漏。因此，可以短时间地闭合开关11以刷新电荷。这可以在诸如系统接通或初始化时当场进行，或者频率更低地在诸如进行维护时或在检测到故障时执行。

通过如图2所示地向振动梁10添加电荷而对谐振器进行电荷偏置存在一个缺点。当自由梁10上累积了大量电荷时，衬底与自由梁10之间可能形成力。该效应可能导致谐振器的变形，并最终甚至是毁坏和静态阻力。因此，在其它实施例中，振动元件10保持在地电势。在图3的实施例中，元件10的两侧的电极分别是输入20和输出30电极，它们都用于存储电荷，以对谐振器进行电荷偏置。电荷调节器具有通过第一开关11和11’耦合的电压电源8和8’的形式，并分别针对每一个电极20、30而设置。设置去耦电容器C，以阻止高充电电压散布至电路的其它部分，例如散布到电路的输入和输出。去耦电容器C各自用作电荷储备池，或为此目的可以设置其它电容器。

通过经第二开关15耦合到衬底(假定为地电势)或接地电极，保持振动元件10上的电势较低。在操作前，对谐振器进行预充电，且所有的开关8、8’和15均闭合。在操作期间，所有的开关8、8’和15均断开。可以看出的是，图3中谐振器的操作与图2中的操作相同，除了两个串联去耦电容器C的影响之外。在电容C为无限大的条件下，两个电荷偏置谐振器具有相同的运动阻抗，但图3中的谐振器不会遭受朝向衬底的拉入力。

使用电荷储备池的另一优点是，电荷储备池可以用作缓冲器以减少小泄漏电流的影响。由于电容器C可以存储比谐振器自身(其电容仅为A ε₀/g)多得多的电荷，所以去耦电容器存储的电荷量可以大得多。因此，泄漏电流对图1或2中的谐振器的影响比图3中的谐振器的影响大得多。

图2和3中的设置的显著优点是电部分的线性响应，尽管仍存在来自机械原因的一些非线性性。可以看出，电荷偏置谐振器比电压偏置器件具有更好的线性性。明显地，电压偏置情况下存在三个非线性性来源。致动力(actuation force)与(Vdc+Vin)的平方成比例.其次，这个力与(g+x)的平方成反比.最后，输出电流对于位移不是线性的.相反，对于电荷偏置器件，Iout＝c(ω)*Vin，其中c与Vin无关.所以仅留下机械非线性性.具有电荷储备池的电荷偏置谐振器的备选实施方式也是可能的，然而这些实施方式中的一些不具有这种线性性的优点.图4-7中示出了示例.注意图4和6中的谐振器仅需要一个间隙，这能够实现更加简单的、更为紧凑的结构.

图4示出了具有一个间隙9的电荷偏置谐振器。与图3相比，去除了输出电极30，而且振动元件10用作输出电极。它通过去耦电容器C于输出耦合。如上所述，使用开关15把振动元件10的电势预充电至地电势。

图5示出了电荷偏置谐振器，其中振动元件10固定在地电势的，而不需要第二开关15。在其它方面它与图3中的实施例是可比的，但略微更简单。注意，例如与图3相对比，该配置可能示出了一些非线性性。尽管如此，在其预充电后不需要DC电压源。

图6示出了具有一个间隙9的电荷偏置谐振器的实施例。它与图4中的实施例相似，但没有第二开关15将振动元件10预充电至地电势。因此，也不需要输出侧的去耦电容器C。

图7示出了与图4类似的具有一个间隙9的实施例，但在该实施例中使用经由开关11’耦合的电压源8’对用作输出电极的振动元件10进行预充电。将振动元件10充电至与通过电压源8和开关11对间隙9另一侧的另一电极20的充电相反的极性。还要注意，图7中谐振器的运动阻抗比图1-6中的谐振器的运动阻抗低3倍(如果g＞＞x且Vdc＞＞Vin，则这些谐振器具有相同的运动阻抗)。注意这种降低也对于电压偏置谐振器(所有开关都闭合)也发生。同样，图7中的配置的缺点是，在衬底与谐振器之间可能形成拉入力(谐振器处于提升的电势上)。

使用开关电压源向电荷偏置谐振器施加电荷的一种备选方案是，在生产期间，通过利用针或探针把电荷施加到谐振器上或电荷储备池中，从而向电荷偏置谐振器施加电荷。可以去除所述针，如果电荷泄漏足够低，那么电荷将留在储备池中。如果电荷泄漏过高，那么备选实施方式可以使用开关，所述开关间或地将谐振器或储备池与电压源连接以恢复电荷。图8和9中示出了使用MEM技术的开关的示例。在图8中，黑色区域是导电电极。这些图示出了电化(galvanic)MEMS开关的两个示意图，并示出了如何把这些开关与谐振器的振动元件或电极连接。图8示出了具有两个驱动电极18、19的开关，可以通过施加驱动电压而迫使两个驱动电极18、19靠在一起，以克服偏置弹力(biasspring force)k。这引起开关触点对13以及14和15的闭合。一个开关触点14可以和Vdc电压电源耦合，而另一开关触点13根据上述设置按照需要与谐振器或电荷储备池R耦合，例如与振动元件或电极耦合。电极13和18安装在绝缘载体C上。当开关闭合时，在充电电压和谐振器/电荷储备池之间形成电连接。图9示出了可能的开关结构的三维视图，其中GC是电化触点，R是谐振器而HVDc是用于充电的高电压连接。其它的几何结构是可能的。典型地，取决于设计，MEMS开关在2到300V之间的电压上进行开关操作。典型值为40V。由于MEMS开关具有很小的泄漏电流，所以非常适合对谐振器进行充电。

例如标准FET或DMOS晶体管的晶体管可以用作开关，但是对于许多应用来说，泄漏电流过大。另一示例是闪速存储器(flash)、OTP或EPROM非易失性存储晶体管，把谐振器与浮动(floating)栅电极相连。可以通过CHEI(沟道热电子注入)或通过Fowler NordheimTunneling(FN)进行电子注入。图10示出了典型非易失性存储晶体管的示意图。它具有衬底27、源极23、漏极25、电介质层22、浮动栅极24和控制栅极21。可以通过施加下列电压把电荷注入浮动栅极24：典型值为：源极＝0V，漏极＝5V，控制栅极＝10V。衬底与浮动栅极之间的电介质的典型厚度为10nm。浮动栅极的典型电荷保持时间可以很长。例如，电势为4V的10nm的Si0₂栅极氧化物在其电荷的10％泄漏掉之前要花费10²⁰(10²⁰)年(参见G.Ianaccone and S.Gennai，Proc.7^thInt.Workshop on Computational Electronics，Glasgow 2000，p.153，ISBN/ISSN 0-85261-704-6)。关于非易失性晶体管的一般信息，参见例如：

http://www-ee.eng.hawaii.edu/～msmith/ASICs/HTML/Book2/CH04/ CH04.3.htm

另一种可能方案是真空管，例如MEMS三极管。关于MEMS真空三极管的示例，参见Applied Physics Letters--May 20，2002--Volume80，Issue 20，pp.3820-3822。谐振器或电荷储备池可以和三极管的阳极相连。另一种可能方案是使用(MEMS)熔丝，施加电荷然后熔化熔丝。注意，如果使用这种方法，则随后不能对电荷进行刷新。最后，另一选择是使用电晕放电，例如与对驻极体进行充电的方式类似。

参考图12，下文简要描述一种用于制造谐振器结构的方法的示例。

在图12A中，SOI晶片包括p掺杂硅层(pSi)和绝缘二氧化硅层(SD)，将硅衬底(Si)和铝金属层(MET)溅射沉积到晶片上。这一层可以具有3microohm.cm的电阻率。通过常规的平版蚀刻(lithographic)技术在金属层上形成图案。如图12B中所示，涂覆平版抗蚀剂掩模(TRE)并使其形成图案，之后在上硅层中蚀刻出两个或更多个沟槽，直到到达SiO₂层为止，例如作为蚀刻停止处。如图12C所示，去除了抗蚀剂。如图12D所示，例如使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)，通过沟槽接入，有选择地蚀刻去除SiO₂。这留下了锚定到硅并在硅半导体两个边缘表面之间悬挂的谐振器梁，所述两个边缘表面可以用作电极。

谐振器结构的实施示例可以使用常规的MEMS谐振器结构，图11示出的示例显示了来自“Sensors and Actuators”，A 97-98(2002)，pp.497-502的SEM图片。所示振动元件具有梁谐振器R的形式，并且被锚定在每一端。在两端示出了电极E、F。在这个示例中，对锚定支架和电极外部进行金属化处理。该尺寸适于在大约14Mhz处操作。注意，如电荷偏置谐振器来操作该器件，需要将它们以和上文示例中描述的方式不同的方式连接。对于一个间隙的谐振器的实施示例，参见IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.25，No.4，APRIL2004，p.173和“Sensors and Actuators”，A 101(2002)，pp.1-9中的谐振器。在典型的实施示例中，使用30V的充电电压，不需要特殊的预防措施来防止泄漏，就可以使电荷在谐振器上保持长达许多小时。振动元件可以导电的，或振动元件可以是隔离器。当振动元件是带电隔离器时，可以认为其具有驻极体(如用于麦克风中)。

如果采取措施使电荷不泄漏，则可以完全省去充电泵/dc-dc转换器(用于产生很高的电压)，而且电路变得非常简单/便宜.例如，可以在制造期间把电荷施加到振动元件(使用电子枪/探针/等).这是本发明的一个实施例.如果电荷确实泄漏，则充电泵/dc-dc转换器仅需要间或地有效，因为节省了功率，所以这也是有利的.这是本发明的另一实施例.附加的电荷储备池电容器可以在不同位置.如上所述，当电荷从振动元件或电极泄漏出时，来自这些电容器的电荷将填补(因而补偿)泄漏的电荷.基本上，存在三个主要的选项：1)外加电容器与电极耦合；2)外加电容器与振动元件耦合；3)外加电容器与电极和振动元件耦合.

通过把谐振器封装在真空封装中，可以防止/减少电荷泄漏。其优点是允许获得足够高的Q因子。

MEMS谐振器的应用和用途包括集成电路中的振荡器(针对频率参考信号)或滤波器，包括SAW/BAW滤波器的任何应用。

总而言之，电荷偏置谐振器的主要优点之一是，在操作期间不需要DC电压源。因此，仅需要在操作前对谐振器进行预充电。如果可以防止电荷泄漏，则仅需要在生产期间对谐振器预充电一次，这允许同时把谐振频率调谐到适当值。不需要DC电压源还意味着谐振器的能耗变为零。因此，电荷偏置谐振器可以看作纯粹的无源器件(像石英晶体)。

电荷偏置具有其它优点，即：即使不满足条件Vdc＞＞Vin且g＞＞x，谐振器在所有情况下也会是线性的。因此排除了电非线性性，而仅剩余机械非线性性。这可以简化设计或提高Q值。明显地，偏置不一定对振动元件本身执行，而可以使用外部电荷储备池将偏置施加到电极上。一些优点如下：

-衬底(处于GND电势)和谐振器之间不存在力，从而降低了静态阻力的风险。

-电荷储备池用作电荷缓冲器，显著减小泄漏电流对谐振器操作的影响，从而显著增加谐振器的工作寿命。

-无泄漏器件的实施可以更简单。

一些实施方式还可以如电压偏置谐振器一样进行操作(通过保持所有开关闭合)。

Claims (18)

1.一种谐振器，包括通过间隙分隔开的振动元件和电极，其中所述电极被设置为使所述振动元件根据输入信号而振动，并根据振动产生输出信号，将电极和振动元件中至少一个设置为在使用时存储电荷，并且所述电极和振动元件中至少一个包括电荷调节器，所述电荷调节器设置用于增加或减少存储的电荷，

所述电荷调节器包括通过第一开关与带电电极或带电元件耦合的电压源，其中带电电极或带电元件是所述电极和振动元件中至少一个。

2.根据权利要求1所述的谐振器，所述电荷调节器包括与带电电极或带电元件耦合的电荷储备池。

3.根据权利要求1或2所述的谐振器，所述带电电极或带电元件是输入或输出电极。

4.根据权利要求2所述的谐振器，所述电荷储备池包括去往电极的输入路径或来自电极的输出路径上的去耦电容器。

5.根据权利要求1或2所述的谐振器，所述振动元件与衬底或接地电极电耦合。

6.根据权利要求5所述的谐振器，所述振动元件通过第二开关与衬底或地电耦合。

7.根据权利要求1或2所述的谐振器，所述振动元件与所述带电电极或带电元件结合。

8.根据权利要求1或2所述的谐振器，具有第二带电电极。

9.根据权利要求1或2所述的谐振器，具有设置在所述振动元件的两侧的带电电极。

10.根据权利要求8所述的谐振器，将所述第二带电电极充电至不同的极性。

11.根据权利要求1或2所述的谐振器，具有控制器，所述控制器设置为控制第一开关闭合以对谐振器进行预充电，并且控制第一开关在操作期间断开。

12.根据权利要求6所述的谐振器，具有控制器，所述控制器设置为控制第二开关闭合以对谐振器进行预充电，而且控制第二开关在操作期间断开。

13.根据权利要求6所述的谐振器，具有控制器，所述控制器设置为控制第一和/或第二开关在操作期间闭合。

14.根据权利要求1或2所述的谐振器，第一开关包括MEM开关。

15.根据权利要求6所述的谐振器，第二开关包括MEM开关。

16.一种集成电路，包括上述任一项权利要求所述的谐振器。

17.一种权利要求1至15中任一项所述的谐振器的操作方法，具有步骤：控制第一开关以对带电电极进行预充电。

18.一种权利要求1至15中任一项所述的谐振器的操作方法，具有步骤：控制第一开关以将谐振器作为电压偏置器件而进行操作。

Images