[发明专利]谐振器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及谐振器，例如MEMS谐振器。

背景技术

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。

本发明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。

发明内容

根据本发明，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。

本发明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发明的示例，其中：

图1示出了已知的谐振器；

图2示出了图1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；