[发明专利]MEMS振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS振荡器，例如用于产生时钟信号或基准频率信号。

背景技术

诸如标签、银行卡或ID卡之类的扁平物体内部的电子组件需要典型小于0.5mm的较小外廓。预计需要扁平、低成本、低功率的实时时钟(RTC)和频率基准振荡器(RFO)来驻留在这些扁平物体中，以用于电子安全、制药和食品工业的未来应用。振荡器包括连接在闭合反馈环中的谐振器和反馈放大器电路。现有技术的RTC使用具有较大外廓的石英晶体谐振器，典型地超出了将其合并到例如卡、标签和(值)纸板之类的扁平产品中所必需的可容许亚微米规格。主要原因在于用于封装石英晶体的封装技术不适于小型化。

此外，不能容易地将石英谐振器集成到硅芯片上。因此，不能在单个芯片上实现包括晶体和放大器的完整振荡器的集成，这进一步妨碍了RTC和RFO的小型化。相反，可以使用表面微机械加工技术来加工和封装MEMS谐振器，并且能够将其与放大器电路相集成以形成非常小形状因子(form-factor)的振荡器。

表面微机械加工是一种技术，使用薄膜沉积和蚀刻技术在衬底上制造独立式和可移动的结构。按照这种方式，能够在例如硅晶片上加工谐振器及其封装。所封装的谐振器仅具有几个薄膜的高度，度量为总厚度约10μm。此外，表面微机械加工能够将成千上万个封装的谐振器限定在单个晶片上，而无需使用昂贵的组装步骤。当单个器件占据的面积减少时，与微机械加工相关的生产成本下降。这样，谐振器的小型化也具有成本优势。对于石英谐振器，由于使用组装之类的生产工艺，当谐振器的尺寸减小时，生产成本增加。

因此，基于MEMS谐振器的振荡器允许较小外廓和较低成本的时钟和振荡器。然而，它们不一定消耗很少的功率。压阻MEMS谐振器需要本体DC偏置电流和DC极化电压，以用于它们的电极。向压阻谐振器的本体馈送DC电流。通过向所附着但隔离的电极(“栅极”)施加AC信号，调制本体的电阻率，因此产生信号电压。这出现在较窄的频率区域以用于适当操作。

多个电流路径会导致显著的功耗。

发明内容

根据本发明，提供了如权利要求1所述的压阻MEMS振荡器。

本发明的装置使用流经谐振器的偏置电流来在导出电路输出方面发挥作用。这样，使用相同的电流来提供所需的DC谐振器偏置，以及在输出电路的DC工作点处驱动输出电路并产生输出。输出电路的输出与谐振器本体之间的电流路径可以包括其它组件(比如电阻器或晶体管)。然而，在输出与谐振器之间存在路径，使得谐振器DC偏置电流(或其一部分)可以在操作中在输出和谐振器之间流动。实际电流不一定源于输出一可以源于电压电源。但是，电流路径包括输出电路的一个或多个组件，从而在限定输出电路工作点方面发挥作用。因此，输出级与谐振器不是分离的相隔离的电路单元，而是通过电流路径相互连接的，这意味着对各自的DC工作点进行设置的DC偏置具有共享的电流组件。

通过使用相同的电流来用于谐振器偏置及输出电路(即，读出接口)的偏置，可以实现具有较低总功耗的基于MEMS的振荡器。

输出电路可以包括放大器电路的一部分，或实际上(如果放大器电路被设计为具有单个级)输出电路可以包括整个放大器电路。

优选地，输出电路和谐振器本体在电源轨道(rail)之间串联。因此，流过输出电路的电流与流过谐振器的电流相同。

可以使用有源负载向输出电路与谐振器的串联连接提供电流。优选地，输出电路包括用于设置放大器电路的DC偏置的DC偏置端子。

在一个示例中，输出电路包括放大器电路，放大器电路具有与谐振器本体串联的晶体管(共栅极或共基极)，其中，将DC偏置施加到DC偏置端子；DC偏置端子包括栅极或基极。这提供了具有电流源(有源负载)和用作放大器电路的单个晶体管的特别简单的电路实现。从而放大器电路的输出位于晶体管的漏极或集电极。

在另一示例中，输出电路包括放大器电路，所述放大器电路包括与谐振器本体串联并在谐振器本体的相对两侧的第一和第二晶体管，将DC偏置施加到两个DC偏置端子上，所述两个DC偏置端子包括第一和第二晶体管的栅极或基极。

这使得谐振器端子能够成为虚接地端子，其减小了对不期望的电容的灵敏度。

在一种配置中，将固定电压施加到一个或多个DC偏置端子上。这使放大器将谐振器保持在固定电压，使得谐振器电流的变化通过所提供的电流路径耦合至放大器电路输出。

但是，在另一种配置中，将可变电压施加到一个或多个DC偏置端子，其中，对可变电压进行选择以在谐振器本体中提供期望的功率耗散。这样，放大器电路的DC偏置点用作功率控制参数。