[發明專利]單片體MEMS設備

在審

• 申請號: 201410247050.X
• 申請日: 2014-06-05
• 公開（公告）號: CN104242868A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 艾曼紐爾·P·奎芙;丹尼爾·N·小庫瑞
• 申請（專利權）人: 硅谷實驗室公司
• 主分類號: H03H9/24
• 分類號: H03H9/24;H03H9/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 孫紀泉

技術領域

本發明涉及微電子機械系統(MEMS)。

背景技術

通常，微電子機械系統(MEMS)為非常小的機械設備。典型MEMS設備包括可以被用于不同應用中的傳感器和驅動器，例如，諧振器(例如，振蕩器)、溫度傳感器、壓力傳感器、或慣性傳感器(例如，加速度或角速度傳感器)。機械設備通常具有某些形式的機械運動的能量并且使用類似于微電子產業中使用的那些制造技術(如使用光刻、沉積、和刻蝕過程)以微尺度被形成。

通常，MEMS變換器在不同形式之間轉換能量，例如，靜電和機械形式。MEMS變換器可以被用作將運動轉換成電能的傳感器(加速計、壓力傳感器等)和將電信號轉換成運動的驅動器(梳驅動、微鏡設備、諧振器)。使用電容變換器的MEMS設備容易制造并且產生低噪音和低工號傳感器和/或驅動器。

電容感應是基于檢測電容器電容的改變的。如果在電容器兩端施加已知電壓(例如MEMS設備電容器兩端施加固定的DC電勢差)，響應于電容器的一個板相對于電容器的另一個板的運動，由于電容變化引起的電流改變將呈現。類似地，電容驅動是基于MEMS電容變換器的兩個板之間的靜電力變化的。例如，DC工作點可以通過將DC偏置電壓施加至電容器兩端并施加引起該電容器的板上力的改變的AC電壓而被建立。MEMS設備的變換器是基于生成靜電力的變換間隙兩端的電壓的，或相反地，變換基于由于在變換器輸出端生成電荷變化的位移而引起的間隙變化。變換間隙可以根據環境因素(例如，溫度、應變和老化)而變化，因而關于時間改變電容。這些相同環境因素還可以影響與MEMS設備相關聯的彈簧系數(即，彈簧剛度)，其典型地被塑造為質量-彈簧-阻尼器系統。通常，電極電容的改變通過靜電牽引(pulling)影響等效彈簧剛度，該等效彈簧剛度影響MEMS設備的諧振頻率。以需要高精度應用(例如，具有需要在+/-百萬分之(ppm)10的諧振頻率規格的諧振器)為目標的MEMS設備由于環境因素對諧振頻率的影響不可以實現目標規格。

MEMS設備可以被配置為在定時設備中使用的諧振器。該諧振器可以具有各種物理形狀，例如，梁或板。MEMS設備可以具有通過錨附著至基板從該基板懸浮的部分(例如，懸浮質量(mass)、體、或諧振器)。示例性懸浮質量可以為以下特征但不限于此：梁、板、懸臂、或音叉。在特定實施方式中，MEMS設備包括兩側有一個或多個驅動電極和一個或多個感應電極的諧振特征(例如，懸浮質量)。

參考圖1，傳統MEMS設備(例如，MEMS設備100)包括經由錨104耦合至基板102的諧振器105。在運行期間，電極110靜電驅動諧振器105動態地偏轉，當通過減小諧振器105和電極110之間的間隙而在諧振器105和電極110之間存在壓差時，這增加了諧振器105和電極110之間的電容。由于電極110和諧振器105具有相同的高度和厚度，并且位于相同平面上，當被驅動時，諧振器105在電極110和第二電極111之間的距離上橫向變形，即，平行于基板的平面。電極110基本與基板102平行。隨著諧振器105和電極111之間的電容響應于由電極110驅動的偏轉而變化時，電極111檢測諧振器105的諧振頻率。MEMS設備100通常被稱為“面內”或“橫向”模式諧振器，因為諧振器105被驅動以以下模式諧振：諧振器105橫向移動(在方向109上)并與電極110保持垂直對齊。

參考圖2，在示例性MEMS應用中，在振蕩器配置中MEMS設備100被耦合至放大器210。感應電極220基于來自MEMS設備100的震動諧振器的能量傳遞來提供信號，因而將機械能轉換成電能。通常，在電路不同點處引入的偏置信號確定了電路的工作點并且可以被預定，增加至AC信號的固定DC電壓或電流。MEMS設備100的諧振器接收DC偏置電壓，V_MASS，該偏置電壓通過精密電壓參考或偏壓發生器206的電壓調節器來生成。然而，在其它實施方式中，偏置信號可以在電極或振蕩電路的其它節點處被引入。大反饋電阻器(RF)在工作的線性區域中偏置放大器210，因而使得放大器210工作為高增益反向放大器。MEMS諧振器通過將放大器210的輸出反饋至MEMS設備100的驅動電極來支持MEMS設備100的振動。放大器210從感應電極202接收小信號電壓并在驅動電極204上生成使得MEMS設備100的諧振器繼續振蕩的電壓。結合電容C₁和C₂的MEMS設備100形成π型網絡帶通濾波器，該濾波器在MEMS設備100的諧振頻率處提供從驅動電極204至感應電極的180度相移和電壓增益。