[发明专利]频率选择和放大设备

说明书

技术领域

本发明涉及频率选择设备，例如，无线电接收机电路。具体地，本发明涉及使用MEMS谐振器结构的无线电电路。

背景技术

无线电电路使用频率选择电路和放大设备。已提出在频率选择和放大电路中使用MEMS振荡器。

许多研究组正在集中研究基于MEMS谐振器的振荡器，最近已发布了一些初级产品。MEMS谐振器设备提供高Q因子、小尺寸、高集成度并且可能提供低成本。期望这些设备取代高精度振荡器中大体积的石英晶体。

这种振荡器广泛用于计时和频率基准应用中，如，移动电话中的RF模块、包含蓝牙模块的设备以及其他数字和通信设备。由于振荡频率可以依赖于质量、温度、加速度和磁场，所以振荡器还可以用作非常灵敏的传感器。振荡器还可以用作致动器，例如用作振动反射镜以使激光束偏转或抽吸气体或液体。

图1中示意性地示出了传统的基于MEMS的振荡器。

传统的基于MEMS的振荡器基本上由MEMS谐振器10和外部放大器电路12构成。MEMS谐振器10由可以被激励成机械谐振振动的硅弹性体(mass-spring)系统和用于感测该振动并且将该振动转换成电信号的装置构成。将电信号馈送至放大器电路12。该电路基本上由增益放大器14和移相器16构成。将放大器的输出反馈至谐振器的致动侧。如果总回路增益大于1并且回路相移是0，则可以在回路内维持振荡。

存在多种感测信号以及致动谐振器的多种方式。在大多数MEMS谐振器中，通过静电致动来执行激励，并且以电容或压阻方法来执行感测。在一些情况下，可以通过压电或热膨胀来执行致动。

基于MEMS谐振器和外部电路的传统振荡器具有许多问题。最显著地，设备必须由两个分开的部件构成：MEMS谐振器设备和(基于晶体管的)放大器电路。这两个部件通常设置在分开的管芯上或最终可以集成在单个Si管芯上，但是针对这两个部件的技术和工艺实质上不同。除非可以将放大器电路与谐振器电路放在与谐振器相同的区域上，否则组合的设备将比单独的谐振器大。因此还存在其他问题，如，放大器和其他电路块(例如，移相器、缓冲器、用于为谐振器产生DC偏置电压的电荷泵)需要很大的功率。这些附加电路使得由于接合线而导致存在寄生电容，并且接合焊盘导致额外的不期望相移和/或回路损耗。

大多数MEMS谐振器使用静电致动。致动效率可以由机电耦合效率η来指示：

η=ϵ0AVdcg2]]>

其中，A是电极面积，V_dc是(除了AC电压以外)需要施加在电极上以产生致动力的DC偏置电压，g是电极之间换能间隙的宽度。

从该公式中清楚的是，必须使电极面积最大化并且使间隙尺寸最小化以确保良好的耦合效率。由于A由MEMS结构的厚度和电极的长度来确定，所以上述需求意味着需要具有非常高的长宽比的换能间隙。用于实现这种高长宽比间隙(或沟槽)的技术是整个工艺中最难的步骤之一。

使用静电致动的另一缺点是静电致动引起固有非线性信号，这是因为静电力不仅依赖于电压而且还依赖于位移。偏置电压也必须相对较高，在5V到几十V的量级上，这需要芯片上的电荷泵级。

发明内容

本发明具体涉及诸如无线电电路之类的频率选择电路内的MEMS振荡器结构的使用，并解决以上通常与MEMS振荡器有关的问题，例如以便使得可以实现微无线电。

根据本发明，提供了一种频率选择设备，包括：

谐振器质量块，通过弹簧装置连接至基板；

反馈压阻元件，用于控制谐振器质量块的运动对于与谐振器质量块耦合的输入信号的响应，并且被布置为使得压阻元件中的应变响应于谐振器质量块的移动而变化，压阻元件中的应变变化引起电阻的变化；以及

驱动电流的装置，用于驱动电流通过压阻元件，以控制谐振器质量块的运动对于从输入信号产生的力的响应；

输入，用于将输入信号耦合至设备以便影响谐振器质量块的运动，其中将根据所述输入信号来选择期望的频率范围；以及

检测器，用于通过测量压阻元件两端的电压变化或经过压阻元件的电流变化以检测电阻的变化，来检测被谐振器放大并滤波的输出信号。