[发明专利]电荷偏置MEM谐振器

说明书

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。