MEMS振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种压阻MEMS振荡器，包括：谐振器本体(20)；与谐振器本体相邻的第一和第二驱动电极(30)，用于提供致动信号；以及至少第一感测电极(24)，与各个锚定点(22)相连。控制和/或处理电极(30，24)处的电压，使得从一个驱动电极(30)至感测电极(24)的馈通AC电流至少部分地偏移从另一个驱动电极(30)至感测电极(24)的馈通AC电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及MEMS振荡器，例如用于产生时钟信号或基准频率信号。
技术介绍
诸如标签、银行卡或ID卡之类的扁平物体内部的电子组件需要典型小于0.5mm的较低外廓。预计对于这些扁平物体中的驻留物，需要扁平、低成本、低功率的实时时钟(RTC)和频率基准振荡器(RFO)，用于电子安全、制药和食品工业的未来应用。振荡器包括连接在闭合反馈环中的谐振器和反馈放大器电路。现有技术的RTC使用具有较高外廓的石英晶体谐振器，典型地超出了将其合并到例如卡、标签和纸板之类的扁平产品中所必需的容许亚mm级规格。主要原因在于用于密封石英晶体的封装技术不利于最小化。此外，不能容易地将石英谐振器集成到硅芯片上。因此，不能在单个芯片上实现包括晶体和放大器的完整振荡器的集成，这进一步妨碍了 RTC和RFO的小型化。相反，可以使用表面微切削加工技术来加工和封装MEMS谐振器，并且能够将其与放大器电路相集成以形成非常小形状因子(form-factor)的振荡器。表面微切削加工是一种技术，使用薄膜沉积和蚀刻技术在基板的顶部制造独立和可移动的结构。按照这种方式，能够在例如硅晶片的顶部加工谐振器及其封装。封装的谐振器仅具有数个薄膜测量的高度，整个厚度约 ο μ m。此外，表面微切削加工能够将数千个封装的谐振器限定在单个晶片上，无需使用昂贵的组装步骤。当单个器件占据的面积减少时，与微切削加工相关的生产成本随之下降。按照这种方式，谐振器的微型化也具有成本优势。对于石英谐振器，由于使用组装之类的生产工艺，当谐振器的尺寸减小时，生产成本增尚ο因此，基于MEMS谐振器的振荡器允许较低的外廓和较低成本的时钟和振荡器。然而，不能根据需要消耗很少的功率。压阻MEMS谐振器需要用于电极的体DC偏置电流和DC极化电压。压阻谐振器的本体被馈入DC电流。通过向所附但绝缘的电极(“门”)施加AC信号，调制了本体的电阻系数，因此产生信号电压。这出现在较窄的频率区域用于适当操作。物理布局导致的寄生电容引起了贯穿结构的不希望的导通路径，例如，从驱动电极到感测电极的馈通路径。这些限制了振荡器的性能并增大了功耗。低功耗和高性能通常是一对矛盾的需求为了获得超过由固有电容馈通路径引起的信号转移的幅度选择性，需要更大的偏置和/或极化。这增大了功耗。如果能够消除或至少减少电容馈通路径，能够降低功耗和/或增大幅度选择性。W02008/149298公开了一种使用MEMS谐振器的压力计。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种如权利要求1所述的压阻MEMS振荡器。该振荡器设计使用施加或测量的信号以提供对于谐振器中寄生电容效应的偏移。具体地，平衡了两个驱动电极和感测电极之间的电容引起的电压耦合。这种平衡意味着至少部分地彼此抵消了流过这些寄生电容的馈通电流。本专利技术通常可以应用于压阻振荡器。在一个示例中，振荡器本体包括伸长结构，所述伸长结构具有在第一和第二末端区域之间的一对平行连接臂，其中所述连接臂各具有锚定占-Al— / … 第一和第二驱动电极与第一和第二末端区域分别相邻，用于提供致动信号；提供了第二感测电极，所述第一和第二感测电极分别与第一和第二连接臂的锚定点相连。这定义了一种双臂狗骨头状谐振器。在另一个示例中，所述振荡器包括环形物，所述环形物具有在锚定点之间的所述环形物的内部部分和/或外部部分处限定的至少两个压阻部分，感测电极与每一个锚定点相连，其中至少第一和第二驱动电极与所述环形物的内轮缘(rim)和/或外轮缘相邻，用于提供致动信号；以及至少一个锚定点配置有与其相连的感测电极。该环形物可以具有至少两个压阻部分，所述压阻部分具有与每一个锚定点相连的感测电极，其中至少第一和第二驱动电极与所述压阻部分相邻，用于提供致动信号。可以提供四个锚定点，每一个锚定点具有与其相连的感测电极。在一个示例中，所述控制电路适用于向驱动电极施加相等幅度且相反极性的电压。这些相反的电压从而导致在锚定位置处抵消的电压偏移。所述控制电路可以适用于向驱动电极施加相反极性的电压，相对于相应驱动电极和感测电极之间的电容进行幅度加权。即使寄生电容具有不同的量，这也提供了一种偏移寄生电容效应的方式。所述控制电路可以适用于提供通过压阻弹簧构件的DC电流(这可以通过向感测电极施加电压或者使用电流源在感测电极之间提供电流来实现)，并且适用于测量感测电极处的信号(取决于所施加的驱动信号，所测量的信号可以是电压或电流)。这提供了一种电压致动感测或电流致动感测以得出谐振器输出信号。在另一种结构中，所述控制电路适用于在两个感测电极之间提供电流，并且适用于测量这两个感测电极之间的信号差，例如电压差。例如，这可以提供电流偏置感测以得出谐振器差分输出电压信号。所述控制电路可以适用于向驱动电极施加相等的电压，并且适用于测量这两个感测电极之间的差分信号。这提供了一种差分感测方法，再次提供了寄生电容效应的抵消，但是同时仍然能够将相等的电压轮廓(profile)施加至驱动电极。可以将差分感测方法与相反驱动信号方法相结合。本专利技术还提供了一种如权利要求9所述的控制压阻振荡器的方法。附图说明现在将参考附图描述本专利技术的示例，其中图1示出了已知的压阻MEMS谐振器及其偏置细节；图2以简化形式示出了如何制造图1的谐振器；图3示出了图1的器件的频率选择性，并且附加地示出了通过本专利技术实现的频率选择性；图4示出了图1结构的电容的等效电路以及简化形式；图5示出了应用于图1所示类型谐振器的本专利技术的驱动和感测方案的三个示例；图6示出了应用于另一种类型的本专利技术的驱动和感测方案的第一示例；图7示出了图6的谐振器如何偏转；图8示出了应用于图6类型的谐振器的本专利技术的驱动和感测方案的第二示例；图9示出了应用于图6类型的谐振器的本专利技术的驱动和感测方案的第三示例；以及图10示出了应用于图6类型的谐振器的本专利技术的驱动和感测方案的第四示例。具体实施例方式图1示出了一种已知的压阻MEMS谐振器，在W02004/053431中更加详细地对其进行了描述。图1所示的谐振器1包括衬底10，所述衬底10是硅晶片。备选地，衬底10可以是砷化镓晶片或者可以包括任意其他半导体、金属或电介质材料。对于设计用于在IOMHz以上的频率工作的谐振器1，有利地是使用包括例如玻璃之类的电介质的衬底10，因为这减小了衬底中耗散的电磁能量的损耗。谐振器1还包括具有两个平行连接元件20a、20b的导电谐振器元件20。谐振器沿具有长度I的纵向方向延伸，用于按照体模式(bulk mode)工作。经由分别与锚定元件23和M相连的支撑元件21和22将谐振器附着到衬底10。如图2C所示，将锚定元件23和24附着到衬底10。除了经由锚定元件23和M的连接之外，所述谐振元件20和支撑元件21和22与衬底10无连接。可以使用微机械系统(MEMS)领域中众所周知的技术制造谐振器。简而言之，如图2A所示，衬底10首先配置有氧化层11，在所述氧化层顶部上沉积了硅层12。由未示出的光致抗蚀剂覆盖硅层12，通过例如光刻对光致抗蚀剂进行构图。然后对已构图的抗蚀剂显影，产生如图1所示的由抗蚀剂覆盖的谐振器元件20、支撑元件21和22、锚定元件23和M以及致动器30的表面区域，同时表面的其余部分没有抗蚀剂。然后对由抗蚀剂部分地覆盖的表面进行刻蚀，所述刻蚀选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种压阻ＭＥＭＳ振荡器，包括：谐振器本体（２０），包括谐振器质量块部分、压阻传感器部分和至少一个锚定点；与谐振器本体相邻的第一和第二驱动电极（３０），用于提供致动信号；至少第一感测电极（２４），与相应锚定点（２２）相连；以及控制电路（５００），用于控制施加至电极的电压，并且用于处理在第一感测电极（２４）处测量的信号以得出振荡器输出信号，其特征在于：所述控制电路（５００）适用于控制施加至所述电极（３０，２４）的电压，并且处理在所述感测电极（２４）处测量的信号，使得通过对所述第一和第二驱动电极与所述感测电极之间的电压耦合进行平衡，从一个驱动电极（３０）到所述感测电极（２４）的馈通ＡＣ电流被从另一个驱动电极（３０）到所述感测电极（２４）的馈通ＡＣ电流至少部分地偏移，其中所述控制电路适用于：驱动ＤＣ偏置电流从第一感测电极通过谐振器本体至地，并且从感测电极电压得出振荡器输出信号，向驱动电极施加相等和相反的ｄｃ电压，并且向驱动电极施加相反极性的ａｃ电压；和／或驱动ＤＣ偏置电流从第一感测电极通过谐振器本体至地，并且从第一感测电极和第二感测电极之间的电压差得出振荡器输出信号，其中在第一感测电极处将ＤＣ偏置电流提供到谐振器本体中，在第二感测电极处从所述谐振器本体抽取ＤＣ偏置电流。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：皮特鲁斯·A·T·马瑞努斯·费尔梅伦，金·范乐，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL