低电压mems振荡器的制作方法

专利名称：低电压mems振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子领域，特别地涉及振荡器。更具体地，本发明涉 及用于基于微机电系统(MEMS)产生电振荡信号的方法和系统。
背景技术：
在电子应用的广泛领域中，例如微处理器和微控制器应用、通信应 用等等，使用石英晶体振荡器来产生具有或多或少精度值的基准频率。 典型地，石英晶体振荡器具有高品质因子并且非常稳定。然而，它们的 缺点是大体积元件，导致难以将它们集成到半导体衬底中。换句话说， 石英晶体振荡器不是很好的适用于高度集成的半导体解决方案。
已经做出了不同尝试来设计能集成到诸如半导体衬底之类的衬底 中的振荡器、谐振器或类似的电子组件。几种设计包括基于静电效应的 系统，这需要不易于与现代IC技术兼容的相对较高的电压。不同的设计 包括基于也称为MEMS的微机电系统的振荡器或类似电子组件。微机电系 统典型地是将机械或水力功能和电子功能相结合的微电子系统。其典型 应用是嵌入在半导体芯片中的光开关、可调激光器、传感器、阀、齿轮、 镜子和致动装置。已经有报道MEMS作为电子滤波器或电子开关的特殊应 用。US专利申请2003/0030527描述了 MEMS装置作为电子滤波器的应用。 文献描述了使用铁磁材料把电能转换为磁能并进一步转换成机械能来增 加和在静电定律下工作的滤波器相比的高频灵敏度的电滤波器。因此， 制造这样的MEMS器件要求使用至少一种铁磁材料，而这是非标准的，并 且提供和标准半导体处理技术极少的兼容性。

发明内容
本发明的目的是提供用于电子装置的改进振荡电子组件的制造和 操作方法以及设备。制造和操作方法以及设备基于微机电系统。通过根
据本发明的方法和装置完成上述目标。
本发明涉及基于微机电系统产生电振荡信号的电子装置，电子装置 包括衬底、致动装置、相对衬底可运动的可运动元件以及传感器，致动 装置适用于引起可运动元件的运动而传感器将可运动元件的运动转换成 电振荡信号，其中致动装置包括第一感应元件和至少一个第二感应元件， 第一感应元件固定在衬底上而第二感应元件固定在可运动元件上。本发 明的优点是可以将用于产生电振荡信号的电子装置集成到半导体衬底 中，例如硅衬底，从而提供高度集成解决方案或换句话说具有片上集成 功能的装置。用于产生电振荡信号的电子装置的优点是容易使用标准半 导体处理技术来集成。后者获得了用于产生振荡的电子装置的更简单、 更低成本的实现。所述装置的另一优点是只要求低电压。所述装置还有 一个优点是通过选择膜片性质可以确定所产生的振荡频率的选择。还有 一个优点是电子装置不包括特殊的材料，比如铁电材料。
电子装置的传感器可以包括固定在可运动元件上的磁场诱导感应
元件和用于在磁场诱导感应元件中提供DC电流的DC电流源。
电子装置的传感器可以包括固定在衬底上的磁场感测感应元件，用 于把作用于衬底上的变化磁力转换成电振荡信号。电子装置的优点是所 述装置的传感器是高度易集成的并可以用标准半导体处理技术制作。传 感器还可以包括霍尔传感器或者磁致伸縮元件。
第一感应元件和至少一个第二感应元件可以是彼此电连接的。把第 一感应元件和至少一个第二感应元件相连接可以允许向这些感应元件提 供相同的交变电流信号。后者的优点是可以获得第一感应元件和至少一 个第二感应元件之间的优化相互作用力，因为没有出现相位差。
电子装置还可以包括电子放大电路，适用于从传感器接收电振荡信 号并向致动装置提供放大的电振荡信号。电子装置的优点是可以获得具 有固定振幅的谐振振荡信号，其可以容易地被用作基准信号。电子放大
电路可以适用于接收DC电流信号作为放大器的增益输入信号。这有利地
允许容易地控制电子装置的增益。
所述装置可以包括向第一感应元件和第二感应元件提供交变电流 的交变电流源。所述装置的优点是可以重复使用所产生的谐振振荡信号 的一部分。本发明的优点是可以使用低电压来致动。
所述感应元件中的每一个或选定的一组可以是电磁线圈。优点是可 以用标准半导体处理技术来实现电磁线圈。本发明实施例的优点是没有 像很多现有技术系统那样要求先进IC技术的高电压，也就是不需要20V
到40V的电压，而是本发明可以在低电压下使用，也就是像5V那么低， 像3V那么低甚至像1V那么低。当系统使用电流时，供电电压可以尽可 能低，只要在低阻抗元件下可以产生电流并因此可以实现放大器。通过 用基于振荡器的电流来避免在芯片上对很高电压的需要来得到后者。按 照这种方式，可以避免需要用于产生这些高压的附加电路。
感应元件可以在衬底的平面内实现。这可以得到非常高效的装置。 所述装置可以包括用来把电振荡信号保持在固定幅度的相移和电 平控制装置。优点是所述装置可以用来产生基准振荡频率。
可以将微机电系统设置在封闭腔中。封闭腔可以是封闭真空腔。封 闭腔可以包括覆盖衬底，并且可以包括用来封闭腔体的密封元件。本发 明实施例的优点是可以获得所述装置的高品质因子。
可运动元件可以是膜片。选择膜片特性可以允许选择谐振频率。 本发明还涉及基于衬底上的微机电系统产生电振荡信号的方法，所 述方法包括在固定在衬底上的第一感应元件和固定在可运动元件上的至 少一个第二感应元件中提供交变电流以引起可运动元件的振动，将可运 动元件的振动转换成衬底上的交变磁力，以及将衬底上的交变磁力转换 成电振荡信号。
对交变磁力进行转换可以包括用磁场感测感应元件来感测交变磁力。
对振动进行转换可以包括提供经过在可运动元件上设置的磁场诱 导感应元件的DC电流。
所述方法还可以包括放大电振荡信号和向第一感应元件和至少一 个第二感应元件提供放大的电振荡信号。可以使用DC电流控制电振荡信 号的放大。
所述方法还可以包括把电振荡信号保持在固定的幅度。可以优选地 使用如在本发明实施例中描述的用于产生电振荡信号的电子装置作为低
压基准振荡器。
本发明还有一个优点是用于产生电振荡信号的电子装置允许小型 化。从而本发明实施例的优点是用于产生电振荡信号的电子装置的尺寸 很小。用于产生电振荡信号的电子装置的尺寸可以在所有方向限制在几 百毫米以内。
本发明的优点是可以在其中可以使用集成系统中的振荡器的几乎 所有系统中使用根据本发明的用于产生电振荡信号的电子装置。有益地， 可以在使用基准频率的所有应用中使用产生电振荡信号的电子装置，其 中需要基准频率具有或多或少的精度值。
在所附独立和从属权利要求中展示了本发明的特殊的和优选的方 面。在适当的情况下，可以把从属权利要求中的特征和独立权利要求中 的特征以及其它从属权利要求中的特征相结合，所述结合并不仅限于权 利要求中列举的那些。
尽管在该领域中存在器件持续的改进、变化和演化，但是确信本发 明的原理表示实质的新的和新颖的改进，包括与现有实践的背离，从而 提供这种性质的更有效、稳定和可靠的装置。
本发明的教益允许用于产生电振荡信号(例如，基准电振荡信号) 的改进方法和设备的设计，如可以在例如通信应用、微计算机等中使用。
根据结合作为示例示出了本发明原理的附图的以下详细描述，本发 明的这些和其他特征、特点和优势将变得显而易见。该描述仅用于示例 目的，而并不限制本发明的范围。以下引用的参考图指的是参考附图。


图1是根据本发明第一实施例的包括由一组感应元件致动的MEMS 的产生电振荡信号的电子装置的侧视图2是根据本发明第一实施例的包括由一组电磁线圈致动的MEMS 的产生电振荡信号的电子装置的侧视图3是如图2所示包括由一组电磁线圈致动的MEMS的产生电振荡 信号的电子装置的X-Z截面图4是根据本发明示范性实施例的包括由一组电磁线圈致动的
MEMS的产生电振荡信号的电子装置的第一可能布局；
图5是根据本发明另一示范性实施例的包括由一组电磁线圈致动的 MEMS的产生电振荡信号的电子装置的第二可能布局；
图6a是如图5所示的产生电振荡信号的电子装置的布局沿A-A'线 的截面图6b是如图5所示的产生电振荡信号的电子装置的布局沿B-B'线 的截面图6c是如图5所示的产生电振荡信号的电子装置的布局沿C-C'线 的截面阁7a是包括如图5所示的产生电振荡信号的电子装置的第一电磁 线圈和第四电磁线圈的第一材料层布局；
图7b是包括如图5所示的产生电振荡信号的电子装置的第二电磁 线圈和第三电磁线圈的第二材料层布局；
图8是根据本发明第二实施例的包括由装在腔中的一组感应元件致 动的MEMS的产生电振荡信号的电子装置的截面图9是根据本发明第二实施例的包括由装在腔中的一组感应元件致 动的MEMS的产生电振荡信号的电子装置的截面图IO是根据本发明第三实施例的包括MEMS的产生电振荡信号的电 子装置的截面图，其中提供了频率谐振回路；
在不同附图中，同样的附图标记表示同样或类似元件。
具体实施例方式
将参考具体实施例和特定附图描述本发明，但是本发明不局限于 此，而是由权利要求来限制。不应该将权利要求中的任何参考符号解释 为限制范围。附图只是示意性的并且是非限制性的。在附图中，为了说 明的目的将一些元件的尺寸进行夸大，并且不是按比例绘制。在本说明 书和权利要求中使用术语"包括"时，并不排除其他元件或步骤的存在。 单数元件也可以包括多个元件，除非另有说明。
另外，在描述和权利要求中的术语第一、第二和第三等用于区分类 似的元件，并且不一定是用于描述有顺序的或按时间顺序的。应该理解
的是，这样使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且这里描述的本 发明的实施例能够以除了这里所述或所示的其他顺序操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方和下方等是用 于描述性目的，并且不一定是描述相对位置。应该理解的是这样使用的 术语在适当的环境下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例可以 按照除了这里所述或所示之外的其他朝向来操作。
在本发明的实施例中，术语"衬底"可以包括任何可以使用的一种 或多种基底材料，或其上可以形成装置、电路或外延层的材料。在其它 可选实施例中，该"衬底"可以包括半导体衬底，例如掺杂硅、砷化镓
(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、锗(Ge)，或锗硅(SiGe) 衬底。例如，"衬底"可以包括除了半导体衬底部分以外的绝缘层，如 Si02或Si^层。从而，术语衬底还包括玻璃基硅、兰宝石基硅衬底。术 语"衬底"从而用来一般地定义用在感兴趣的层或部分下的层的元素。 同样，"衬底"可以是其上形成层的任何的其它基底，例如玻璃或金属层。 在第一实施例中，本发明涉及基于也称为MEMS的微机电系统来产 生电振荡信号的电子装置和方法。所述装置使用可运动元件，例如振动 膜片，以及作为振荡频率发生器的致动装置和用于检测振荡频率并将其 转换为电振荡信号的传感器。频率发生和优选地其频率检测都是基于一 组两个感应元件，允许在与半导体处理技术完全的兼容性下制造该装置。 虽然不限制使用专门的半导体处理技术，但是允许得到在很低电压下工 作的系统的技术(例如M0S处理)是优选的。在优选的实施例中，标准 半导体处理技术和尽可能少的外加步骤相结合来创建MEMS结构，例如利
用仅仅单个外加步骤以释放可运动元件。
所述系统还可以包括反馈系统，从而可以在可运动元件主振荡频率 处得到稳定谐振振荡。与现有技术系统相反，振荡器不需要包括使用与 标准半导体处理技术很少兼容或不兼容的特殊材料，例如铁磁材料。现 在将参考附图对装置的不同组件在更多细节上进行描述。在图1中可以 看到用于产生电振荡信号的电子装置100的原理性表示。产生电振荡信 号的电子装置100包括安装或形成在衬底104上以便可以相对于衬底 104自由振动的可运动元件102。实际上，典型地不把可运动元件102从衬底104上完全断开，而是会具有到衬底的锚点，从机械上讲，可以 看做是轴心点或旋转点。典型地，在致动装置区域和传感区域之间提供
锚点。然而，可运动元件102的很大部分可以自由运动。可运动元件可 以是平面结构，例如薄扁片或膜片。可运动元件102由允许可运动元件 102振动的合适材料构成。因此，可以以任何类型的硬材料，例如金属、 多晶硅、氮化物等，实现例如膜片的可运动元件102。如果例如使用铝 或铜层作为可运动元件102，典型的厚度范围可以从lPm到10um，虽 然本发明不限制于此。可运动元件102具有主谐振频率，例如在膜片的 情况下弹性模式(flexive mode)的主谐振频率。从而主谐振频率优选 地和可运动元件102的弹性模式的主谐振频率相对应。
所述装置还包括用于在其主谐振频率产生膜片振动的致动装置。致 动装置包括第一组感应元件，例如两个或更多电磁线圈。该组感应元件 包括第一感应元件106，例如第一电磁线圈，以及至少一个第二感应元 件108，例如第二电磁线圈。第一组感应元件可以包括一个第一感应元 件106和一个第二感应元件108。在衬底104上提供第一感应元件106， 例如是在衬底104上作为第一金属层实现的电磁线圈。从而第一感应元 件106具有关于衬底104的固定位置，或者换句话说，固定在或形成在 衬底104上。实现第二感应元件108以使得其相对于衬底104自由悬浮。 它可以是例如作为第二金属层实现的电磁线圈。第二感应元件108机械 上与例如膜片的可运动元件102耦合，或者换句话说固定在或集成在膜 片102上。因此，第二感应元件108可以是构成膜片102的一部分，或 者可以把它与例如膜片的可运动元件102相连接，例如作为单独的膜片 上的外加物。可以在分离衬底上也可以在同一个衬底上制作两个感应元 件106、 108。为了低损耗，可以例如是电磁线圈的感应元件可以由金属
制成。其典型例子是铝、银、金、铜，等等。优选地，基于例如不完全 刻蚀(under-etching)技术，在同一衬底上制作两个感应元件106、 108，
因为这减少了需要的制造人力和制造成本。可以可选地用电导通孔110 把第一感应元件106和第二感应元件108电气相连，以便第二感应元件 108可以相对第一感应元件106自由振动。感应元件106、 108实质上放 置为一个在另一个上面从而在感应元件中提供电流导致感应元件之间互
作用力的出现。通过在第一感应元件106和第二感应元件108两个中都 提供交流电(AC电流)，感应元件106、 108中产生变力，导致感应元件 106、 108相对于对方的相对运动，用来使例如膜片的可运动元件102运 动或保持其运动。换句话说，致动装置包括至少两个感应元件，第一感 应元件用来产生磁场，至少一个第二感应元件用来对该磁场作出反应， 并作用为"发动机"来产生可运动元件102的振动。用流经第一和第二 感应元件106、 108的交流电，变化的力会推动感应元件互相远离并且电 流变化会调制把感应元件推离的力。用这样的方法产生了可运动元件 102的振动。尽管在原理上可以使用两个相似的交流电信号，把每个信 号提供给感应元件106、 108中的一个，但是优选地两个感应元件106、 108电气相接以便可以用电导通孔110把相同的信号提供给两个感应元 件106、 108。后者提高两个感应元件之间的力耦合，因为在两个感应元 件中的信号同相。因此，只在可运动元件102的主谐振频率(例如膜片 的弹性模式的主谐振频率)处引起可运动元件102的振动。因此选择AC 信号的频率和主谐振频率一样。用这种方法，膜片的频率不取决于电子 电路而只取决于机械元件。于是，最大化和稳定系统的Q因子允许减少 振荡阻尼。因此可以在真空(例如真空腔)中提供MEMS。用这种方法， 例如膜片的可运动元件102作用为机械滤波器，从而得到具有高Q因子 的装置。
为了产生电振荡信号，需要感测可运动元件102的机械运动，即振 动。因此提供了用于感测可运动元件的振动频率的装置。因此，装置具 有感测区(图1的左手边)和致动区(图1的右手边)。将用举例的方法 描述包括第二组感应元件并允许感测可运动元件102的振动并提供对应 的电振荡信号的传感器。示例性的传感器包括磁场诱导感应元件112， 在本申请中也称为第三感应元件，在例如膜片的可运动元件102中实现。 它还包括被提供来感测由磁场诱导感应元件112产生的磁场的感测元 件。该感测元件可以是磁场感测感应元件114，在本申请中也称为第四 感应元件。在本例子中在物理上位于第三感应元件112下面的半导体衬 底104上或内提供磁场感测感应元件114。很清楚，虽然把磁场诱导感 应元件112放在可运动元件102内或上并且把磁场感测感应元件114放
在衬底104内，但是两个感应元件的位置可以交换。第三和第四感应元
件112、 114可以是例如电磁线圈。为了低损耗，这些元件可以由金属制
成。其典型例子是铝、银、金、铜，等等。因为在例如膜片的可运动元
件102上或内实现第三感应元件112，可运动元件102的振动会导致第 三感应元件112的振动。从而第三感应元件112不具有相对于衬底104 的固定位置。通过电流源(未示出)向磁场诱导感应元件提供DC电流。 用第四感应元件114感测第三感应元件112的振动，因为对第三感应元 件112提供了 DC电流，在第四感应元件114中产生变化的磁场，也就是 DC电流为第三感应元件112产生了固定磁场，该固定磁场由于振动而以 接近和远离第四感应元件114的方式运动，从而导致了相对于衬底104 的变化的磁场。流经第三感应元件的DC电流可以在若干mA的范围内， 例如10mA。可以从总电路的供电电流提供DC电流。换句话说，为了节 省从电源的额外DC电流驱动，可以从内置有该振荡器的系统中流经其他 地方的电流得到DC电流。在特别的设计中，可以给第二感应元件108 和第三感应元件112提供共同的供电点。当共同供电点是主供电点时， 一般使用去耦电容器以在不同感应元件中产生正确的信号。可选地，共 同供电点可以是放大器的电流源，其中需要去耦电容器对第三感应元件 进行馈送。用这样的方法在第三感应元件中只提供第三感应元件中的DC 信号，而在第一和第二感应元件中提供AC信号。第四感应元件114中产 生的变化的磁场产生对应例如膜片的可运动元件102的主谐振频率的振 荡电信号。用产生电振荡信号的电子装置可以得到的典型振荡频率位于 RF范围。 一般可以得到在例如具有几百kHz下限(如300kHz)并具有几 MHz上限的范围内的频率，但是本发明不限于此。为了得到更高频率， 一般需要更小的元件。这经常更难制作，更不灵活或更脆弱。可选地， 高频生成也可以基于材料块(bulk)的振动。第三感应元件112和第四 感应元件114可以在相同或不同衬底上制作。优选地，第三感应元件112 和第四感应元件H4用例如不完全刻蚀在相同衬底上制作，因为这减少 制造难度和经济成本。
虽然上面把振动频率传感器描述为包括两个感应元件的组合，可以 使用其它感测装置。和致动装置相对比，可以应用其它检测装置，只要
它们基于衬底可集成检测装置。感应由磁场诱导感应元件产生的磁场可 以用任何其它适合于感测磁场的装置执行，例如任何集成霍尔传感器， 磁致伸縮元件，压电传感器，等等。虽然传感器也可以基于变化电容器， 但是后者更不具优势，因为它有在较高电压(也就是例如在iov或更高) 下工作的缺点。传感器中产生的电振荡信号可以用作给几个应用的输出 信号。产生的电振荡信号一般很小，也就是在几微伏的数量级。可以把 信号馈给放大器116来产生放大的电振荡信号。优选地，装置还包括反 馈回路，以稳定产生的电振荡信号。用这种方法，不仅可以产生电振荡 信号，还可以维持主谐振频率处的参考电振荡信号。
可以用广泛范围的方式实施本发明实施例。取决于所需要的精度和 额外影响因子，例如可能的温度漂移和老化漂移，用于产生电振荡信号 的电子装置的组件会用较稳定或较不稳定的材料制作。如果使用不稳定 但是可预测的实现方式，则可以用数字集成电路中的可调系统(例如使 用一组补偿表的锁相环)来对其进行补充。如已经讨论过的，衬底可以 是适合在其上实现感应元件的任何类型的衬底，例如一但是不限于一半 导体衬底。
优选地，感应元件106、 108、 112、 114是电磁线圈。后者的优点 是它允许获得低电压下工作的系统。优选地，电磁线圈是实质上定位于 衬底平面内或平行于衬底的电磁螺旋形导体。从而电磁线圈的轴可以实 质上禾口衬底平面正交。在"Design, Simulation and Applications of Inductors and transformers for Si RF IC， s，， ， Niknejad， Meyer， Kluwer Academic Press, 2000 —书中描述了可集成的感应器。在本发 明的装置中，用两个扁平感应元件的致动非常有效并且可以用非常柔软 的导线制作。它还有优点是，使用扁平感应元件，沿着感应元件的中轴 执行致动和感测或检测，因为用这种方法可以得到去往或来自可运动元 件的优化能量传输。使用电磁线圈允许使用标准半导体处理技术来制造 感应元件。在图2和图3中表示了这样的使用电磁线圈的装置200。图2 表示产生电振荡信号的电子装置的侧视图，而图3表示X-Z截面。作为 膜片运动的致动装置的第一组感应元件于是包括两个电磁线圈，也就是 第一电磁线圈206和第二电磁线圈208，其中的一个电磁线圈在另一个
之上盘绕。第一电磁线圈206从外面(即外周)向中心点盘绕。于是用
电导通孔IIO把第一电磁线圈206的中心点和从中心点向外向外围盘绕 的第二电磁线圈208的中心点相连接。在原理上，这些线圈206、 208 可以在同一个或两个不同衬底上。作为膜片运动的传感器的第二组感应 元件在本例子中包括至少一个电磁线圈，称为第三电磁线圈212。可选 的，提供不和第三电磁线圈电气相连的第四电磁线圈214。电磁线圈212 典型地是单圈线圈。在原理上，两个线圈212、 214可以制作在同一个衬 底或分离的衬底上。虽然可以在单独的处理步骤中制作第二组感应元件 的线圈，但是它们也可以在和第一组感应元件的线圈生产一样的处理步 骤中制作。
通过说明的方法，将提供一些用于产生电振荡信号的电子装置的示 范性实施例，其中感应元件制作在同一衬底中或同一衬底上，本发明不 限于此。在这些例子中，用不完全刻蚀技术来制作作为MEMS的一部分感 应元件。图4和图5表示两个可用不完全刻蚀制造的电子装置的例子。 虽然将针对电磁线圈描述结构，本发明的用于产生电振荡信号的电子装 置不局限于此并且可以使用任何感应元件。
例如可以通过在衬底上提供特别结构，然后将衬底暴露于刻蚀剂浴 中来实现不完全刻蚀。首先将在更多细节上描述用于绝缘层不完全刻蚀 的一般过程。 一般将刻蚀选择为对绝缘层材料的选择性刻蚀。为了去掉 例如金属层下的绝缘层，首先用绝缘层和金属层覆盖衬底。在金属层顶 部，提供钝化层来至少部分保护金属层不被刻蚀剂损坏，因为不能完全 保障刻蚀的选择性。然后，通过使绝缘层和刻蚀剂相接触来发生不完全 刻蚀。因为对于氧化物的不完全刻蚀而言，需要把绝缘层和刻蚀剂之间 在水平方向上的初始允许的距离限制在例如3 u m左右，为了得到不完全 刻蚀的充分的品质，应当把要被不完全刻蚀的绝缘层的所有区域到没有 被材料覆盖的区域的距离也限制到那个距离，例如对氧化物的不完全刻 蚀而言是限制到3ixm或更少。于是如果需要不完全刻蚀更宽的面积，需 要在钝化层和金属中提供孔以允许刻蚀剂自由接触绝缘层。这些孔的尺 寸一般取决于刻蚀剂的类型和要被不完全刻蚀的材料。例如对于在丁烯 乙基乙二醇也称为BEG的浴中不完全刻蚀氧化物而言，典型地孔为至少
2um乘2um。因此，孔是不完全刻蚀化学剂可以流动来溶解要被牺牲的 氧化物层从而释放机械装置的惟一区域。在需要不完全刻蚀较宽区域的 情况下可能通过孔把结构和刻蚀剂相接触，然后允许不完全刻蚀。
选择回到图4和图5所示的例子。在图4中表示了用于产生电振荡 信号的电子装置的第一个例子，其中MEMS由不完全刻蚀形成。这里第一 感应元件106和第四感应元件114不需要在同一个半导体处理步骤中制 作，并且从而可以(虽然本发明不限于此)由不同材料制作并且可以位 于相对于衬底的不同高度上。第二感应元件108和第三感应元件112也 可以在不同半导体处理步骤中并由不同材料制作，虽然本发明不限于此。 然而，优选地，第一和第四感应元件106、 114在同一半导体处理步骤中 由同样的第一材料制作，而第二和第三感应元件108、 112在同一半导体 处理步骤中由同样的第二材料制作。后者的优点是因为它减少了需要的 半导体处理步骤数目并从而减少了装置复杂度、需要的努力和由此带来 的制造成本。在图5的顶视图和图6a到图6c的截面图中表示了具有在 仅仅两个不同层产生的四个感应元件的第二示例性电子装置。图7a和图 7b分别表示其中制作了第一和第四感应元件106、 114的第一材料的布 局，以及其中制作了第二和第三感应元件108、 112的第二材料的布局。 用说明的方法表示在图5到图7b中所示的用于产生电振荡信号的示例性 电子装置将会很清楚，并且很清楚本发明不限于此。图5所示的用于产 生电振荡信号的电子装置300包括第一感应元件106，在本例子中是由 第一材料的3圈1微米厚层构成的电磁线圈，以及第二感应元件108， 在本例子中是由第二材料的3微米厚层构成的电磁线圈。在感应元件之 间，提供了绝缘层(从图5到图7b中未示出)，在本例子中是0.5微米 厚的氧化硅。在不完全刻蚀期间牺牲绝缘层，得到不包括固体材料的刻 蚀空间302。除了绝缘层以外，在第一感应元件106和第二感应元件108 之间提供了导电通孔，以便感应元件106、 108电气上互相连接。在本例 子中，第三感应元件112，作为感测元件的一部分，是在和第二感应元 件108同一层制作的作为单圈实现的电磁线圈，在本例子中是第二材料 的3微米厚层，而第四感应元件114也作为感测元件的一部分，被实现! 为在和第一感应元件106同一层中制作的具有若干圈的电磁线圈，在本例子中是第一材料的1微米厚层。从而第一齊应元件106和第四感应元
件114具有同样的厚度，而第二感应元件108和第三感应元件112具有
同样的厚度。第一材料和第二材料可以是相同的材料或不同的材料。这 些材料可以是低损耗金属，例如铝、金、银、铜，等等。在第二感应元
件108和第三感应元件112的顶部，可以提供例如氮化物层的钝化层 304，在本例子中它是1.5um厚的氮化物层，并在不完全刻蚀期间用作 第二和第三感应元件的保护层。有益地， 一方面可以在第一和第四感应 元件之间提供例如氮化物的额外薄保护层，另一方面被不完全刻蚀的绝 缘层是氧化物在本例子中也就是氧化硅。后者允许在不完全刻蚀期间保 护第一和第四感应元件。在图5可以看到在钝化层和第二和第三电磁线 圈中提供了接触孔306来允许在第二和第三电磁线圈的广大区域对绝缘 层进行不完全刻蚀。提供孔以便可以实现电磁线圈之间绝缘层充分的移 除。这个示例性例子的优点是可以使用相同的(一个或多个)半导体处 理步骤来实现第一感应元件和第四电磁感应元件的生产。后者可以用例 如沉积导电材料然后接着用掩模刻蚀来制作，以便形成例如电磁线圈的 感应元件。可选的，也可以通过在衬底中创建具有适合于电磁线圈的形 状的模具并用导电材料填充模具来制作感应元件。也可以使用相同的(一 个或多个)半导体处理步骤来实现第二感应元件和第三感应元件的生产。 后者例如可以通过提供一层导电材料并刻蚀感应元件的正确形状来实 现。另外可以用相同的(一个或多个)半导体处理步骤来实现第二感应 元件下和第三感应元件下氧化物的不完全刻蚀。不完全刻蚀允许释放第 二和第三感应元件。在图6a中，表示了图5沿A-A，线的截面图。截面 表示由刻蚀空间302分隔开的不同电磁线圈106、 108、 112、 114的相对 位置。另外，表示了钝化层304和接触孔306。在图6b中，表示了图5 沿B-B'线的截面图，说明了在传感器输出附近在第四感应元件114处形 成的不同组件。在图6c中，表示了图5沿OC'线的截面图，说明了在 第二和第三感应元件之间过渡区附近的不同组件。得到的图5所示的结 构具有约60 U m长和2乘15 ix m宽的振动膜片。图7a表示第一材料的布 局，其中制作了第一感应元件106和第四感应元件114。图7b表示第二 材料的布局，其中制作了第二感应元件108和第三感应元件112。制造
本发明电路所需的半导体处理技术优选地可以是标准半导体处理技术。
另外，图5中示出了在第三感应元件112和第二感应元件108之间的公 共输入连接点308，并且指出了第三感应元件112的第二输出点310。另 外，指出了传感器312的输出点，也就是第四感应元件114的输出点。 电通孔314关闭第四感应元件114。另外在输入点316，向第一感应元件 106提供初始AC信号。在根据本发明的装置中可以提供额外层，例如用 来在硅晶片上焊接帽子的准备层，例如用于产生腔和用于电连接。如果 例如使用铝作为金属层，可以提供镍金层作为准备层。
在第二实施例中，本发明涉及如任何前面实施例中描述的电子装 置，其中把用于产生电振荡信号的电子装置的MEMS组件放置在腔中。腔 优选地是真空腔，但是本发明不限于此。腔也可以用气体填充。把MEMS 放在腔中，优选地放在真空腔中，以便可运动元件102可以漂浮在真空 中，允许可运动元件102的自由振动以得到振荡频率生成的非常高的品 质因子Q。在真空中Q因子可以是例如在100到1000之间。真空度不是 很关键，因为它只影响膜片的机械Q，也就是低真空仅仅导致阻尼效应。 如果真空度更低，将需要更多能量来保持振荡，从而要求在致动装置和 装置的膜片之间的更多耦合。于是膜片更少"自由"振荡在其主谐振频 率上。 一个可以得到的真空度例子是例如10—2毫巴，但是本发明不限于 此。如果把MEMS放在具有足够高真空的真空腔中，会出现基本无阻尼的 振动。在Koninklijke Philips Electronics N.V.的国际专利申请WO 03/079439中给出了如何使用焊块形成的密封环在例如两个硅层之间产 生半导体衬底腔的例子的详细描述。在真空炉中实现焊块形成的环的实 现回流允许得到真空腔，在本发明优选实施例中，可以用硅衬底来产生 腔。在图8中表示了具有结合在用覆盖衬底404封闭的封闭腔402中的 MEMS结构的，用于产生电振荡信号的电子装置400的一部分的例子。图 中示出了MEMS结构的一些典型元件，其被结合在由衬底104、覆盖衬底 404和例如由焊块形成的密封环的密封元件406形成的腔402中。焊块 可以用任何合适材料制作，例如锡。腔的典型高度H可以是例如20um， 但是本发明不限于此。覆盖衬底404可以由例如不具有比封闭腔更多功 能的覆盖材料制作，或者覆盖衬底404可以有附加功能，也就是它可以
例如是位于腔顶部的有源集成电路。例如，可以把用在电子装置中的放 大器电路集成在覆盖衬底404中。用这种方法，可以把用于产生电振荡
信号的电子装置的所有功能组件集成在具有有限尺寸的装置中，从而例 如把装置在Z方向的厚度限制在几百微米。因为系统的机械部分典型地
可以在120ymX60um的尺寸，在X-Y平面的尺寸也受到严格限制，从 而得到真正的微结构。
在第三实施例中，本发明涉及如任何前面实施例中描述的电子装 置，其中还提供了反馈回路。用这种方法，将创建用于产生电振荡信号 的稳定电子装置500，如图10所示，来提供具有固定幅度的电振荡信号。 系统可以有益地用作基准振荡器。通过把传感器输出信号，也就是例如 某些实施例中由磁场感测感应元件114产生的信号，馈给也称为放大电 路的电子电路502来放大信号，并且通过把放大的信号反馈给致动装置 的第一和第二感应元件来得到后者。通过用于放大的电子电路502的正 确设计，也就是通过调节相位和增益，获得用于产生电振荡信号的稳定 的电子装置500，从而将信号保持在固定幅度。在稳定的振动模式中， 第二感应元件108将不会运动太多，而感测部分附近的可运动膜片将经 历显著的运动，因为膜片本身振荡并且在每一个周期只损耗少量能量， 从而致动装置只用于补偿这些损耗。该显著运动是通过感测方附近的那 部分可运动元件102振动的高Q因子引起的。期待的是获得符合例如膜 片的那部分可运动元件102的Q因子的振幅比。然而，将选择受限的振 动幅度，使得膜片不会碰到衬底。放大电路将输出信号相对于输入信号 来定相，以得到最大的增益。典型地，因此引入了依赖于几个机械和/ 或机电因子的相移。类似地，调节所述增益以在不会过驱动的情况下驱 动致动装置驱动以维持振荡。从而，开始振荡(即启动时)的增益比当 系统处于稳定操作时更高。所述电子放大电路502因此可以是允许信号 的放大从而可以确保相位和增益调节的任意电路。这种电路可以基于诸 如场效应晶体管(FET)之类的单极晶体管，也可以是诸如MOS、 fflEMT、 双极型结型晶体管(BJT)或异质结双极型晶体管(HBT)之类的其他类 型的晶体管。电路502因此对较小的读出电压即电振荡信号进行放大， 以便产生放大的电振荡信号，作为馈送给第一对感应元件(即第一感应
元件106和第二感应元件108)的交流电流(AC电流)。通过提供如本实 施例中所述的反馈回路，创建了用于产生电振荡信号的电子装置，所述 电子装置在例如膜片的可运动元件102的主谐振频率处谐振。可运动膜 片的主谐振频率因此设定了所述装置的频率。振荡将在较高的回路增益 处是最佳的，从而全部元件(即放大电路)、致动器和传感器提供最大增 益。按照这种方式，所述设备将最佳地维持膜片弹性模式的主谐振频率 的振荡。可选地，如果所述传感器包括如图IO所示的磁场诱导感应元件 112，可以使用提供给磁场诱导感应元件112的DC电流用于控制回路增 益。因此，可以使用所述DC信号作为用于放大的电子电路502的增益信 号，或者换句话说，可以利用通过第三感应元件112提供的DC电流来调 节放大器增益。按照这种方式，获得了与用于放大的电子电路502的功 耗的直接联系，从而获得了对于较高DC电流的较高回路增益。另外可以 从用于放大的电路电源重复使用在第三感应元件中提供的DC电流。因 此，流经感应元件112的DC电流可以被选择为独立于用于放大的电子电 路的电源电流，从而DC输入被连接到接地的限流电阻，或者DC电流可 以被重复使用以便对用于放大的电子电路502馈电，从而DC输入被连接 作为用于放大的电子电路502的供电电流，并且去耦电容被提供在致动 装置输入点和地之间。在后一种情况下，因为重复使用电流，将消耗更 少的电流，但是需要更强的去耦电容器。在启动振动之后，预期需要额 外地提供给感应元件106、 108以维持振动的所需AC电流非常低，因为 只需要补偿由于可运动元件102的振动阻尼导致的损耗以及由于用于感 测的第四感应元件窃取的一些能量导致的损耗。优选地，由传感器的输 出信号馈送的电路502可以是非常高输入阻抗的放大器。通过第一和第 二感应元件馈送的AC电流可以是较小的，例如约100;/A。
具体地，用于产生本发明特定实施例的电振荡信号的电子装置在放 置在无源集成硅衬底(PICS)上是有用的。典型地，产生了这样的单个 低成本硅管芯，其不仅承载全部无源部件，而且还承载了它们之间的互 连图案。由于MEMS结构容易集成到诸如硅之类的半导体衬底上，可以有 利地执行用于产生电振荡信号的电子装置与PICS的结合。换句话说，可 以使用本发明的实施例有利地实现将基准振荡器功能集成在硅基系统封 装中。按照这种方式，例如可以将总比率功能集成到单独的硅基封装中。 另外，通过基于有源功能混合以不同技术实现的几种管芯，可以有利地
实现BAW滤波器、MEMS等。
对于本领域普通技术人员，用于完成实现本发明的产生电振荡信号 的电子装置的目的的其他结构是显而易见的。
应该理解的是，尽管针对根据本发明的装置讨论了优选实施例、具 体的构造、结构和材料，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进 行各种形式和细节上的变化和修改。例如，尽管在上述实施例中，给出 了用于产生电振荡信号的具体备选装置的描述，本发明还涉及基于具有 感应元件操作的致动装置的MEMS产生电振荡信号的方法。所述方法一般 包括以下步骤致动可运动元件，使得引入可运动元件的振动，从而通 过高度集成的致动装置执行所述致动。例如，后者可以通过使用一组两 个感应元件来实现， 一个感应元件(例如第一感应元件)在装置的衬底 中引入或者固定到衬底上， 一个感应元件(例如第二感应元件)在可以 相对于衬底运动的可运动元件中引入或固定到可运动元件。这些感应元 件可以是电磁线圈。可以将这些感应元件设置在彼此上面。通过在这些 感应元件中提供交流电，可以在感应元件之间产生变化的交变力，导致 可运动元件的振动，或者至少可运动元件的可运动部分的振动。因此， 例如可以通过在所述两个感应元件的组中提供交流电来执行致动。然后 将可运动元件的运动(即振动)转换为所述衬底上(即相对于所述衬底) 的交变磁力。例如，可以通过提供通过感应元件(例如，在可运动元件 的可运动部分上引入的或固定到其上的第三感应元件)的DC电流来执行 所述转换。后者允许产生相对于可运动元件的固定的磁力，以及在振动 时相对于衬底变化的磁力。然后测量衬底上变化的或交变的磁力，并且 将其转换为交流电信号，所述交流电信号可以是所产生的电振荡信号。 可以使用感应元件(例如，第四感应元件)来进行所述转换，尽管也可 以使用提供衬底中的较高集成度的其他装置。可以直接使用或者首先放 大所产生的电振荡信号，所述电振荡信号在可以由第三和第四感应元件 组成的传感器装置的输出点处获得。可选地，可以在适合的电子电路(例 如，放大器)中放大所产生的电振荡信号，并且可以将放大的所产生的
电信号至少部分地用于致动所述可运动元件。例如，可以通过向致动装 置的感应元件馈送放大的所产生的电振荡信号来执行后者。从而可以控 制在放大期间获得的增益和相位以便产生具有固定振幅的电振荡信号。 可以通过馈送DC信号作为在适合的电路(例如放大器)中的增益控制信
号来至少部分地确定放大的所产生的电振荡信号的增益，所述DC是在第
三感应元件中用来在变化的磁力中转换可运动元件的运动的信号。有利 地，可以使用用于产生在本发明实施例中所述的电振荡信号的电子装置
来执行上述方法。
权利要求
1.一种电子装置(100，200，300，400，500)，用于基于微机电系统产生电振荡信号，所述电子装置包括衬底(104)，致动装置，相对于所述衬底(104)可运动的可运动元件(102)以及传感器，所述致动装置适用于引起所述可运动元件(102)的运动，而所述传感器适用于将所述可运动元件(102)的运动转换成电振荡信号，其中所述致动装置包括第一感应元件(106)和至少一个第二感应元件(108)，所述第一感应元件(106)固定在所述衬底(104)上，而所述第二感应元件(108)固定在所述可运动元件(102)上。
2. 根据权利要求1所述的电子装置(100， 200， 300， 400， 500)， 所述传感器包括固定在所述可运动元件(102)上的磁场诱导感应元件(112)和用于在所述磁场诱导感应元件(112)中提供DC电流的DC电 流源。
3. 根据任一前述权利要求所述的电子装置(100， 200， 300， 400， 500)，所述传感器包括固定在所述衬底(104)上的磁场感测感应元件(114)，用于把作用于所述衬底(140)上的变化磁力转换成电振荡信号。
4. 根据任一前述权利要求所述的电子装置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述第一感应元件(106)和所述至少一个第二感应元件(108) 彼此电连接。
5. 根据任一前述权利要求所述的电子装置(500)，其中所述电子 装置(500)还包括电子放大电路(502)，所述电子放大电路(502)适 用于从所述传感器接收所述电振荡信号，并且向所述致动装置提供放大 的电振荡信号。
6. 根据权利要求5在引用权利要求2时所述的电子装置(500)， 其中所述电子放大电路(502)还适用于接收所述DC电流信号，作为所 述电子放大电路(502)的增益输入信号。
7. 根据权利要求5或6所述的电子装置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述电子放大电路(502)包括相移和电平控制装置，用于将 电振荡信号维持在固定的幅度。
8. 根据任一前述权利要求所述的电子装置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述装置(100， 200， 300， 400， 500)包括交变电流源，用 于向所述第一感应元件(106)和所述第二感应元件(108)提供交变电 流。
9. 根据任一前述权利要求所述的电子装置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述感应元件(206， 208)是电磁线圈。
10. 根据任一前述权利要求所述的电子装置(400)，其中，将所述 微机电系统设置在封闭腔(402)中。
11. 根据权利要求10所述的电子装置(400)，其中所述封闭腔包 括覆盖衬底(404)和用于封闭所述腔(402)的密封元件(406)。
12. 根据任一前述权利要求所述的电子装置(100， 200， 300， 400， 500)，其中所述可运动元件是膜片。
13. —种基于衬底(104)上的微机电系统产生电振荡信号的方法， 所述方法包括一在固定在所述衬底(104)上的第一感应元件(106)和固定在 可运动元件(102)上的至少一个第二感应元件(108)中提供交变电流， 以引起所述可运动元件(102)的振动；一将所述可运动元件(102)的所述振动转换成所述衬底(104) 上的交变磁力；一将所述衬底(104)上的交变磁力转换成电振荡信号。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中转换所述交变磁力包括用 磁场感测感应元件(114)来感测所述交变磁力。
15. 根据权利要求13至14中任意一项所述的方法，其中转换所述 振动包括提供经过在所述可运动元件(102)上设置的磁场诱导感应元件 的DC电流。
16. 根据权利要求13至15中任意一项所述的方法，所述方法还包 括放大所述电振荡信号和向所述第一感应元件和所述至少一个第二感 应元件提供所述放大的电振荡信号。
17. 根据权利要求16在引用权利要求15时所述的方法，其中使用 所述DC电流控制所述电振荡信号的放大。
18.根据权利要求13至17中任意一项所述的方法，所述方法还包 括把电振荡信号保持在固定的幅度。
全文摘要
基于微机电系统(MEMS)描述了用于产生电振荡信号的电子装置。电子装置典型地包括衬底(104)、相对衬底(104)可运动的可运动元件(102)以及致动装置和传感器。致动装置用于引起可运动元件(102)的振动并包括两个感应元件，第一感应元件配置为固定在衬底(104)上而第二感应元件配置为固定在可运动元件(102)上。使用传感器感测可运动元件(102)引起的振动并将其转换成电振荡信号。可以将信号放大并且用来至少部分地驱动致动装置，使得可以获得在稳定谐振频率处并具有固定振幅的振荡信号。将不同的器件高度集成在芯片上。
文档编号H03H9/02GK101194421SQ200680020132
公开日2008年6月4日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年4月8日
发明者让-克洛德·西克斯 申请人:Nxp股份有限公司