[发明专利]MEMS谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS谐振器。

背景技术

MEMS谐振器有望取代高精度振荡器中庞大并且昂贵的石英晶体。所述振荡器广泛地用于计时和频率基准应用，诸如实时时钟、手机中的RF模块、包含蓝牙模块的设备、USB模块以及其他数字和电信设备。MEMS振荡器提供小尺寸、低成本和潜在的高集成水平。一些最初的MEMS振荡器产品最近已经商业化。

MEMS振荡器基本上包括MEMS谐振器和外部放大器电路。这两个部分可以存在于相同封装中的两个独立管芯中，或者可以集成到相同的管芯中。所述MEMS谐振器由硅质量弹簧系统组成，可以激励所述质量弹簧系统进入机械谐振振动，并且意味着感测这个振动并且将它转换成电信号。将所述电信号馈送至放大器电路。这个电路基本上由增益放大器和移相器组成。将所述放大器的输出反馈到所述谐振器的激励一侧。如果所述总的回路增益大于1并且所述回路相移为0，那么可以在所述回路内维持所述振荡。所述振荡器的输出频率由所述MEMS谐振频率保持稳定。

存在多种MEMS谐振器。三种最常见类型的MEMS谐振器是电容谐振器、压电谐振器和压阻谐振器。从应用的角度来看，存在两个感兴趣的频率范围：MHz和kHz。例如，输出信号在MHz范围(典型地从10MHz到几百MHz)的振荡器可以应用在USB、以太网、视频和音频电路。工作在kHz范围(典型地32kHz到几百kHz)的振荡器可用于实时时钟(RTC)电路、低速串行I/O等。

对于MHz范围，压阻谐振器具有较低相位噪声的好处。在kHz频率范围，由于通常需要超低功率(例如用于实时时钟)，电容原理是较好的选择。

在电容MEMS谐振器中，所述谐振结构由在所述致动间隙(actuation gap)上作用的静电力激励。所述静电激励可以基于平行板(parallel-plate)原理或者梳齿驱动(comb-drive)原理。为了感测所述结构的振动，由感测间隙(有时也会是相同的致动间隙)分离的所述结构与固定电极之间电容变化用作输出信号。为了感测所述电容变化，在所述结构和所述感测电极之间施加DC电压。所述电容变化将自己显现在流经所述感测间隙的AC电流中，所述电流被称作动态电流(motional current)。

为了保证良好的性能，所述谐振器应当实现足够的信噪比(SNR)，所述信噪比与所述动态电流Im成比例：

Im=η∂x∂t=ηω0x0cosω0t---(1)]]>

其中，x和x0分别是位移和振幅。ω0是谐振频率，t是时间，以及η是机电耦合系数，所述η依赖于所述间隙上的DC偏置电压、间隙尺寸、电极面积等。

从公式(1)可以看出，所述动态电流与谐振频率与振幅的乘积成比例。不幸地是，对于本发明主要感兴趣的低频谐振器，由于ω0数值小，Im可以是相当小的。

然而，通过利用大振幅x0激励所述设备能够补偿这一点。此外，所述信噪比(SNR)也由所述谐振器的功率容量(power handling)确定，所述功率容量是在每个周期上存储在所述系统中的最大能量。所述存储能量可被表示为：