谐振器及其控制方法技术

一种谐振器，包括谐振器本体和用于驱动所述谐振器进入谐振模式的驱动电极，其中所述谐振器本体平行于第一轴振动。所述谐振器包括沿垂直于所述第一轴的方向向所述谐振器施加电压的装置。这用于频移主谐振模式以外的谐振模式的频率，并且允许来自所述谐振器的输出信号的增加的振幅。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及谐振器，例如MEMS谐振器。
技术介绍
在各种产品中，MEMS谐振器正取代石英谐振器作为基准计时装置；它们用作振荡器电路中的基准谐振器或者用作计时基准来同步数字电路中的操作。MEMS谐振器提供小尺寸(特别是小的高度被认为是优势)、低制造成本的优势。在另一个应用中，MEMS谐振器还可以组合用于形成高质量滤波器。在振荡器电路中，对于MEMS谐振器最重要的要求是(i)稳定的谐振频率； (ii)高品质因子，以便把所述MEMS谐振器对所述振荡器相位噪声的贡献最小化，以及(iii)使大振幅输出信号不失真以便提供所述振荡器的高信噪比并且用于线性振荡器输出。如果用在滤波器中，MEMS谐振器应当满足对于不同原因的相同要求(i)稳定的谐振频率以便具有稳定的滤波器操作；(ii)高品质因子以便提供低插入损耗；以及(iii)使大振幅输出信号不失真，以便提供大的动态范围。本专利技术旨在改进这些要求中的第三个。MEMS谐振器体现了对低于机械设计预期的所述谐振振荡的振幅的限制。这种限制的起源最近才被充分理解，并且所述起源与从所需振动模式(固有模式)到其他固有模式的能量转换有关。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种谐振器，包括谐振器本体和激励电极，所述激励电极用于驱动所述谐振器进入谐振模式，其中所述谐振器本体平行于第一轴振动；检测结构，用于检测沿第一轴方向的振动并且产生根据所述振动获得的电输出信号，其中，所述谐振器包括将偏置电压施加在所述谐振器本体上的装置(86)，采用通过不导电间隙(non-conductive gap)与所述谐振器本体分离的至少一个偏置电极(86),所述不导电间隙沿与第一轴方向垂直的方向延伸。施加在至少一个不导电间隙(诸如空气间隙或者用于真空密封封装的真空)上的横向电压(transverse voltage)引入了所述谐振器本体两端的电场,所述电场使所述寄生振动模式偏移。可以选择所施加的电压，使得所述寄生模式与作为所述谐振器设计一部分的主振动模式频率分离，或者可以存在反馈控制电路使得所述电压是可变的。用于施加电压的装置可以包括沿与第一轴方向垂直的方向相对于所述谐振器本体放置的反电极(counter-electrode),以及用于在所述谐振器本体和所述反电极之间施加电压的电压源。所述反电极可以位于所述谐振器本体上方，或者它可以是所述谐振器本体下方的载体衬底(carrier substrate)的一部分。替代地，所述反电极可以放置在侧面。如果使用了反馈电路，它可以将电输出信号用作输入。因此，所述电信号的分析可以用于检测振幅限制(amplitude clipping),所述振幅限制代表在所述寄生模式中浪费的能量。所述反馈电路可以替代地包括用于测量横向于(transverse to)所述第一轴方向的振动的装置。这样，可以更直接地测量所述寄生模式振动，例如使用电容传感器。所述谐振器可以包括MEMS谐振器。在一个示例中，所述谐振器本体包括一对沿所述第一轴方向延伸的臂，在这对臂的每一个末端都有端头(head)，其中施加电压的装置包括在一个端头一侧上的第一电极或者在一个端口相对一侧上的第一对电极，横向于所述第一轴方向，以及在另一个端头一侧上的第二电极或者在另一个端头相对一侧上的第二对电极，横向于所述第一轴方向。、然后所述激励电极位于在所述谐振器第一轴方向上沿着中心轴放置的端头的末端。本专利技术还提供了一种控制谐振器的方法，所述谐振器包括谐振器本体和用于驱动所述谐振器进入谐振模式的激励电极，其中所述谐振器本体平行于第一轴振动，所述方法包括采用通过不导电间隙(non-conductive gap)与所述谐振器本体分离的至少一个偏置电极(86)向所述谐振器本体施加偏置电压，所述不导电间隙沿与所述第一轴方向垂直的方向延伸；检测沿所述第一轴方向的振动；以及产生根据所述振动获得的电输出信号。附图说明现在将参考附图描述本专利技术的示例，其中图I示出了已知的谐振器；图2示出了图I的谐振器设计的修改；图3示出了图2的谐振器的振幅与频率特性曲线；图4示出了振幅与频率特性曲线如何被限幅；图5示出了作为不同频率下其他振动模式的结果所述最大振幅如何依赖于频率；图6示出了在不同频率下的多个其他振动模式可以如何存在；图7示出了实现本专利技术所述谐振器的两种方式；图8示出了实现本专利技术所述谐振器的另外一种方式；图9示出了本专利技术所述谐振器电路的第一个示例；图10示出了本专利技术所述谐振器电路的第二个示例；图11更详细地示出了如何实现图10所示电路；图12示出了本专利技术所述谐振器的另一个示例；图13示出了本专利技术所述谐振器的再一个示例；图14示出了本专利技术所述谐振器的又一个示例；图15示出了向图14的设计施加的弯曲模式移动(bending mode movement);以及图16示出了向图14的设计施加的扭转模式移动(torsion mode movement)。具体实施例方式设计MEMS谐振器使得激励信号激发所述谐振器的固有模式之一。图I示出了一种谐振器，设计用于当施加激励电压时按照长度伸缩模式(length-extensional)振动。如果适当地设计，所述激励信号不激发其他模式(诸如在该示例中的弯曲模式或者扭转模式)。图I所示的设计是一种已知的压阻MEMS谐振器，在W02004/053431中更详细地进行了描述。图I所示的谐振器I包括作为硅晶片的衬底10。替代地，所述衬底10可以是砷化镓晶片或者它可以包括其他任何半导体、金属或者电介质材料。对于设计用于在IOMHz以 上频率工作的谐振器1，采用包括诸如玻璃的电介质之类的衬底10是有利的，因为这样减少了在所述衬底中耗散的电磁能损耗。所述谐振器I还包括具有两个平行连接元件20a、20b的导电谐振器元件20。在体谐振模式(bulk mode)操作下，所述谐振器纵向延伸，沿第一轴具有长度1，所述预期振动沿所述第一轴发生。所述谐振器经由支撑元件21和22附着于衬底10，所述支撑元件分别与锚元件(anchor element) 23和24相连。所述锚元件23和24固定在衬底10上。除了经由所述锚元件23和24连接之外，所述谐振器元件20和所述支撑元件21和22不受所述衬底10的约束。所述谐振器元件20沿纵向具有两个外部末端205。它们可以比所述连接梁20a、20b以及间隙19的组合宽度大，以便在所述末端处限定较宽的谐振器质量体(mass)，从而限定所谓的狗骨头形状。这如图2所示。再回到图I，每一个所述外部末端205分别面对所述导电激励器30的电极，并且通过激励间隙g与所述电极间隔开。所述激励器可被看作栅极端子(gate terminal)，向这些端子施加所述控制输入。所述激励器30能够接收相对于所述谐振器元件20的激励电位差Vin,利用静电力使所述谐振器元件20弹性形变。所述激励电位差是施加在所述谐振器I上的所述输入信号的函数。除了所述输入信号之外，所述激励电位差还可以典型地包含直流分量。所述弹性形变包括长度I的变化，变化量为dl，如图I所示。反馈系统控制所述激励电压的频率，并且所述反馈回路利用与所述谐振器的物理谐振频率相同的激励电压频率谐振稳定。所述谐振器元件20是振荡电路的一部分，所述振荡电路能够通过所述谐振器元件20传导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2011.03.28 EP 11160031.81.一种谐振器(1)，包括谐振器本体和激励电极(30)，所述激励电极用于驱动所述谐振器进入谐振模式，其中所述谐振器本体平行于第一轴振动；检测结构(27、28、29)，用于检测沿第一轴方向的振动并且产生根据所述振动获得的电输出信号， 其中，所述谐振器包括将偏置电压施加在所述谐振器腔体上的装置(86)，采用通过不导电间隙与所述谐振器本体分离的至少一个偏置电极(86)，所述不导电间隙沿与所述第一轴方向垂直的方向延伸。2.根据权利要求I所述的谐振器，其中用于施加偏置电压的装置包括沿与第一轴方向垂直的方向相对于所述谐振器本体放置的反电极(74)，以及用于在所述谐振器本体和所述反电极(74)之间施加电压的电压源。3.根据权利要求I所述的谐振器，其中用于施加偏置电压的装置包括用于在所述谐振器本体和在所述谐振器本体下方的载体衬底(72)之间施加电压的电压源。4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器，其中调节所述用于施加偏置电压的装置适配为施加恒定电压。5.根据权利要求I至4中任一项所述的谐振器，其中用于施加偏置电压的装置包括用于调节所述电压的反馈电路(92 ；96)。6.根据权利要求5所述的谐振器，其中所述反馈电路(92)将所述电输出信号作为输入。7.根据权利要求5所述的谐振器，其中所述反馈电路包括用于测量横向于所述第一轴方向的振动的装置(96)。8.根据权利要求7所述的谐振器，其中用于测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯珀·范德阿奥斯特，安德烈亚斯·伯纳德斯·玛丽亚·扬斯曼，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：