专利名称：传感器和电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将电输入信号转换成电输出信号的机电传感器，该传感器包括衬底；附着到衬底的导电谐振元件，谐振元件沿具有长度1的纵向方向延伸；导电致动器，能够接收相对于谐振元件的电致动电势差，用于弹性形变谐振元件；该致动电势差是输入信号的函数，该弹性形变包括长度的变化d1，谐振元件是能够提供输出信号的电路的一部分，输出信号是长度1的变化d1的函数。
本发明还涉及一种电子装置，包括使用时钟信号工作的信号处理器，以及根据本发明的用于提供时钟信号的传感器。
T.Mattila等的文章“A12 MHz micromechanical bulkacousticmode osillator”(Sensors and Actuators A，volume 101，page 1-9，2002)公开了一种机电传感器。
这种传感器能够将电输入信号转换成电输出信号。它包括谐振元件，该谐振元件是沿具有μm尺度的长度1的纵向方向延伸的梁。该梁在其中央部分被夹到衬底上，并且除了该中央部分之外，相对于衬底自由移动，即它可以在例如纵向方向上变形。该梁偏离其平衡位置的运动被弹性力抵抗。该弹性力和谐振元件的质量决定谐振元件的本征频率。
该已知的传感器包括用于引起谐振元件弹性形变的导电致动器。该致动器具有两个电极，所述电极的表面面对梁在纵向方向的外端。该致动器能够被提供相对于谐振元件的电致动电势差，该致动电势差是输入信号的函数。在该已知传感器中，该致动电势差包括AC成分和DC成分，AC成分是输入信号。
电极表面和谐振元件的外端构成电容器。当提供致动电势差时，它们因此相互施加静电力，导致梁弹性形变。该弹性形变包括亮度1的变化d1。由于该弹性形变，构成电容器的电极和梁外端之间的距离(通常称作间隙g)改变，并且在梁外端上感生额外的电荷。
谐振元件是下述电路的一部分，该电路中测量这些感生电荷以便产生作为长度1的变化d1的函数的电输出信号。感生电荷的量以及输出信号的幅度取决于间隙g的尺寸，因此取决于梁的形变间隙越小，该信号越大。因此，输出信号可用于容性测量长度1的变化d1。
电致动电势差的周期性变化导致梁的周期性形变。当电致动电势差以基本上与梁的本征频率匹配的频率变化时，梁变为机械谐振，这产生相对大的形变以及对应的大输出信号。
公知传感器的缺点是输出信号相对小。
本发明的目的是提供一种传感器，其能够提供相对大的输出信号本发明由独立权利要求限定。从属权利要求定义优选实施例。
根据本发明，该目的得以实现是由于谐振元件构成具有欧姆电阻R的电阻器，R是长度1的变化d1的函数，输出信号是电阻R的函数。
根据本发明的传感器具有包括构成电阻器的谐振元件的电路。该电阻器的电阻R是弹性形变d1的函数。其可以包括，例如任何类型的压阻材料。该电路能够提供作为电阻R的函数并且因此作为长度1的变化d1的函数的输出信号。例如可以通过测量电阻R获得该输出信号。电阻R可以通过现有技术中公知的各种技术测量。在一个实施例中，通过检测与该电路电连接的测量区域与参考区域之间的电势差，测量电阻器上的电压降V。测量区域和参考区域的位置并不重要，只要它们相互之间的电势差至少部分地由电阻器上的电压降确定即可。在另一个实施例中，为该电路提供恒定电压，并测量通过电阻器的电流I。
在根据本发明的传感器中，可以与公知传感器相似，通过将其电容性地连接到致动器来使谐振元件形变。与公知传感器相对照的是，根据本发明的传感器使用压阻效应测量形变。这种电容性激励-电阻检测方案比公知的电容性激励-电容检测方案更灵敏，尤其是对于具有相对高本征频率的传感器。只要两个传感器均具有与公知传感器相同的尺寸并且均被提供相同的启动电势差，就能看到根据本发明的传感器的输出信号是公知传感器的输出信号的大约100倍。
当设计具有较高本征频率的传感器时，谐振元件必须更小且更硬。在这种情况下，公知传感器的输出信号变得更小，因为其与谐振元件的宽度和高度成线性比例。与此相反，只要保持了谐振元件的形状，即长度与厚度之比和长度与宽度之比，根据本发明的传感器的欧姆电阻的相对变化dR/R和输出信号就与谐振腔尺寸无关。根据本发明的传感器的这个特征构成了一个重要的额外的优点，因为其允许制造能够提供相对大信号的相对高频的传感器。
根据本发明的传感器的优点还在于输出信号更少地依赖于间隙g的尺寸公知传感器的输出信号以1/g4成比例变化，而根据本发明的传感器的输出信号以1/g2成比例变化。因此，在根据本发明的传感器中，经常可以使用更大的间隙。
应当注意，本发明不限于下面将要作为例子描述的梁形谐振元件。谐振元件的中央部分是否附着到衬底也不重要。根据本发明的传感器对谐振元件的唯一要求是其沿具有长度1的纵向方向延伸，弹性形变包括长度1的变化d1，且谐振元件是其中构成具有欧姆电阻R的电阻器的电路的一部分，欧姆电阻R是长度1的变化d1的函数。
本发明采用如下思想在电阻检测方案中，当谐振元件沿具有长度1的纵向方向延伸且当弹性形变包括长度的变化时，输出信号特别大，欧姆电阻R是长度1的变化d1的函数。在这种情况下，弹性形变包括谐振元件的体模量。欧姆电阻是长度变化的一阶线性函数，并因此是弹性形变的一阶线性函数。
与此相对照的是，对于在所谓的弯曲模式下工作的谐振元件，输出信号相对小。在这种情况下，谐振元件可以例如在一个外端附着到衬底，另一个外端是自由的。当这种谐振元件被弯曲时，谐振器的长度处于第一不变级，因此信号相对小。或者，谐振元件可以在两点上附着到衬底，例如其两个外端。在这种情况下，长度不随弹性形变变化，但是横向延长x不与静电力F成线性比例。可以发现，力F通过F＝k1·x+k3·x3与横向延长x相关联，其中k1表示与单测夹紧梁相似的且不对欧姆电阻的变化有贡献的弯曲，k3表示长度的变化，其不改变谐振元件的电阻。这表明工作在弯曲模式下的双夹紧的谐振元件仅在非线性范围(即，输出信号以x3的比例变化)才能在电阻检测模式下读出。非线性操作的结果是，输出信号相对小，且能量损失相对高，这使得Q因子相对小。Q因子是一个重要参数，因为其确定所限定的谐振元件的本征频率情况Q因子越大，即能量损失越小，本征频率的限定就越好。它也确定周期性形变的幅度Q因子越大，形变越大。因此相对大的Q因子在相对良好限定的频率下产生相对大的信号。
从D.Lange等人的文章“CMOS chemical microsensors basedon resonant cantilever beams”(Proceedings of the SPIEconference on smart electronics and MEMS，vol.3328，p.233-243，1998)中得知，在化学传感器中采用压阻效应测量由于悬臂的弯曲产生的形变。该化学传感器的悬臂被弯曲以产生弹性形变，即该弹性形变包括弯曲型。在第一级，悬臂的长度在弯曲期间不变化，导致电阻的变化较小并且相应的信号相对小。
在该传感器的一个实施例中，谐振元件包括在纵向方向上具有第一长度的第一部分以及在纵向方向上具有第二长度的第二部分，弹性形变包括被第一弹性力抵抗的第一长度的变化，以及被第二弹性力抵抗的第二长度的变化，在谐振元件的无形变部分第一弹性力和第二弹性力基本相互平衡，该谐振元件附着到包含在无形变部分中的支撑区域中的衬底。
在这种传感器中，从谐振元件经由支撑区域流到衬底的机械能量的量(即，能量损失)相对低，这是因为谐振元件附着到基本无形变的支撑区域中的衬底上。因此，该传感器具有相对高的Q因子，并且相应地在相对良好限定的频率下有相对大的输出信号。
如果谐振元件相对于垂直于纵向方向且包含在无形变部分中的虚平面基本上是镜面对称的，通常是有利的。在这种情况下，使用镜面对称的致动器产生形变以使第一弹性力和第二弹性力在无形变部分基本相互平衡是可能的。
如果谐振元件在垂直于纵向方向的宽度方向上具有比长度小的宽度也是有利的。此外，如果第一谐振元件在垂直于纵向方向且垂直于宽度方向的高度方向上具有小于长度的高度也是有利的。长度相对于宽度和高度越大，在第一长度和第二长度变化而其它尺寸不变的谐振元件中，本征频率的限定就越好。因此在该本征模式下激励该谐振元件相对容易，而不需要同时激励涉及该谐振元件的其它参数的变化的其它本征模式。
在上述实施例的一个变型中，支撑区域包括第一谐振器接触和通过包含在谐振元件内的导电通路连接到第一谐振器接触的第二谐振器接触，该导电通路由无形变部分外部的一个点构成。
在这种传感器中，构成电阻器的谐振元件可以方便地接触，因为这样就不需要在无形变部分外的区域中电接触该谐振元件以用于获得作为长度变化的函数的电阻。这使得传感器相对简单。
如果谐振元件在纵向方向上具有外端，点在该外端处，则是特别有利的。在这种传感器中，导电通路具有在纵向方向上的部分，其分别基本等于或者甚至大于第一长度或第二长度。因此，第一长度或第二长度的变化分别导致导电通路的长度的相对大的变化，从而产生相对大的信号。如果谐振元件在纵向方向上具有另外的外端，导电通路依次包括上述点和位于该另外的外端处的另一点，则是有利的。在这种传感器中，第一长度和第二长度的变化导致导电通路的长度的甚至更大的变化，并且因此产生甚至更大的信号。
在一个实施例中，谐振元件包括构成导电通路的具有第一电导率的第一材料，以及具有小于第一电导率的第二电导率的第二材料，从第一谐振器接触到第二谐振器接触的、不经过所述点的每条路径均包括第二材料。
谐振元件的电阻归因于连接第一谐振器接触和第二谐振器接触的所有路径。特定路径的电阻与所有其它路径的电阻的关系确定了该特定路径对总电阻的贡献有多少电阻相对小的路径对总电阻的贡献程度相对大，而电阻相对大的路径对总电阻的贡献程度相对小。通过使用电导率相对低的第二材料，不包含所述点的路径的电阻增加，从而总电阻的贡献相对小。不包括所述点的这些路径尤其包括完全封闭在无形变部分中的那些路径，因此并不引起是形变的函数的电阻。通过使用第二材料，后面的路径的贡献减小，从而传感器的灵敏度增加。
第二材料的电导率越低，不包括无形变部分外部的点的路径的贡献就越小。因此，如果第二材料包括电介质材料，则特别有利。优选地，第二材料包括诸如二氧化硅的电介质材料，或者在半导体器件制造中使用的任何其它电介质。或者，第二材料可包括气体材料或真空。这种材料具有良好的隔离性能，并且容易包含在谐振元件中。
第一材料可包括电导率依赖于其形变的任何材料。它可以包括所有类型的金属，例如铜、铝或钨。使用硅或其它半导体材料获得了令人满意的结果，因为这些材料的电阻作为长度变化的函数其变化相对较强。
在另一实施例中，谐振元件包含在惠斯通型电路中。该电路通过第一连接并通过平行于第一连接设置的第二连接将第一接触区域与第二接触区域连接，第一连接包括与第二电阻器串联的谐振元件，第二连接包括与第四电阻器串联的第三电阻器，谐振元件和第二电阻器通过包括测量区域的第一电连接器连接，且第三电阻器和第四电阻器通过包括参考区域的第二电连接器连接。
这种电装置与其中四个电阻器之一由谐振元件构成的惠斯通电桥类似。其允许灵敏地测量谐振元件上的电压降。优选该四个电阻器的电阻相似，因为这样输出信号就包括相对小的DC成分和直接测量形变的相对大的AC成分。理想的是，当电致动电势差的AC成分是零时这四个电阻基本相同。
如果惠斯通电路包括第一接触区域和第二接触区域，第一接触区域通过第一连接并通过平行于第一连接设置的第二连接与第二接触区域连接，第一连接包括与第二谐振元件串联的该谐振元件，第二连接包括与第四谐振元件串联的第三谐振元件，该谐振元件和第二谐振元件通过包含测量区域的第一电连接器连接，且第三谐振元件通过包括参考区域的第二电连接器与第四谐振元件连接，第二谐振元件、第三谐振元件和第四谐振元件分别与该谐振元件基本相同。
在本实施例中，第二电阻器包括第二谐振元件，第三电阻器包括第三谐振元件，且第四电阻器包括第四谐振元件，该谐振元件、第二谐振元件、第三谐振元件和第四谐振元件基本相同。
该传感器中的输出信号可能经历这四个电阻器中任何一个的电阻漂移，例如温度波动。当所有四个电阻器包括基本相同的谐振元件时，每个电阻器的这部分以与波动类似的方式变化，并且因此输出信号的波动相对小。优选这四个电阻器均包括基本相同的谐振元件，因为这样它们就具有以基本相同方式波动的基本相同的电阻。由此信号差基本不依赖于前述波动。
在一个实施例中，该谐振元件位于第一接触区域和第二谐振元件之间，第三谐振元件位于第二接触区域和第四谐振元件之间，且第二导电致动器用于使第三谐振元件弹性形变。第二致动器能够接收关于第三谐振元件的第二电致动电势差。由此，类似于上述的该谐振元件与致动器之间的耦合，第二致动器能够容性耦合到第三谐振器。
在该实施例中，当第二电致动电势差和所述电致动电势差具有共同的AC成分时，输出信号增加。由此，该谐振元件和第三谐振元件的形变是同相的。该谐振元件的形变调制测量区域的电势，而第三谐振元件的形变调制参考区域的电势。因为该谐振元件位于第一接触区域和第二谐振元件之间，且第三谐振元件位于第二接触区域和第四谐振元件之间，所以测量区域的电势调制和参考区域的电势调制是反相的，这产生更大的输出信号。优选该致动器和第二致动器基本相同，并被提供相同的致动电势差。在这种情况下，输出信号增加两倍。
在该实施例的一个变型中，有用于使第二谐振元件弹性形变的第三导电致动器，以及用于使第四谐振元件弹性形变的第四导电致动器。该第三致动器和第四致动器分别能够接收关于第二谐振元件的第三电致动电势差以及关于第四谐振元件的第四电致动电势差。
在该实施例中，输出信号的幅度进一步增加。优选该致动器、第二致动器、第三致动器和第四致动器基本彼此相同。优选为该致动器和第二致动器提供基本相同的致动电势差，而为第三致动器和第四致动器提供另外的电致动电势差，该另外的电致动电势差与所述电致动电势差相同，但是有90度的相移。在这种情况下，输出信号又增加两倍。该实施例将相对高的频率与相对高的输出信号相结合。
其优点还在于在工作期间由于谐振元件的热导致的温度波动最终得到平衡。通常，在工作期间，谐振元件由于其机械形变而受热。这可能改变谐振元件的电阻，并导致输出信号的不可控变化。由于在该实施例中，所有四个谐振元件以相同方式形变，所以这种加热效应被补偿，且输出信号的不可控变化减小。
在一个实施例中，该传感器设有正反馈回路。在工作中，电输出信号被锁定到谐振元件的本征频率。该传感器可被用作能够产生具有谐振元件的本征频率的电信号的振荡器器件。传感器的这个实施例适于取代体声波(BAW)发生器，例如石英晶体或表面声波(SAW)发生器。根据本发明的传感器用作具有如下优点的振荡器它比公知振荡器小得多，并且能够与集成电路集成。它特别适合其中小尺寸器件重要的应用，例如移动电话和手表，或者其中振荡器将被集成在集成电路中的应用，例如在电视机或收音机中。
在另一个实施例中，谐振元件包括第一谐振元件和通过耦合元件与第一谐振元件机械耦合的第二谐振元件。致动器能够接收致动电势差以使第一谐振元件弹性形变。由于该机械耦合，在工作中第二谐振元件也弹性形变。第二谐振元件是能够提供输出信号的电路的一部分。输出信号是第二谐振元件的长度1的变化d1的函数。第二谐振元件构成具有欧姆电阻R的电阻器，欧姆电阻R是第二谐振元件的长度1的变化d1的函数。输出信号是电阻R的函数。
由于第一谐振元件和第二谐振元件通过耦合元件耦合，所以该传感器的谐振具有两个极，从而导致更宽的谐振。通过将几个谐振元件串联耦合，并且检测最后一个的弹性形变，可以获得相当宽的谐振。这种传感器适于用作带通滤波器。
在包括使用时钟信号工作的信号处理器的电子装置中使用根据本发明的传感器是有利的。该传感器适于提供时钟信号，并且由此可能代替提供时钟信号的现有器件(例如BAW和SAW发生器)，由此减小了振荡器的尺寸并允许振荡器集成在集成电路中。这种电子装置可以是，例如移动或无线电话、由于移动电话的基站、用于接收包括例如电视信号或无线电信号的电磁信号的接收器、以及包括阴极射线管的显示装置(例如电视机或监视器)。所有这些电子装置都包括使用时钟频率工作的信号处理器。
将参照附图进一步阐述根据本发明的传感器的这些和其它方面，附图中
图1是传感器的一个实施例的顶视图；图2A-2C是在制造过程的各个阶段沿图1的II-II的该传感器的截面图；图3是根据本发明的传感器以及公知传感器的透射率曲线图；图4是该传感器的另一个实施例的顶视图；图5A和5B是该传感器的另外两个实施例的顶视图；图6A-6H是在制造过程的各个阶段沿图5A和5B的VI-VI的该传感器的截面图；图7是该传感器的另一个实施例的示意图；图8是该传感器的又一实施例的示意图；图9是电子装置的示意图。
附图未按比例绘制，相同的部件用相同的附图标记表示。
图1所示的机电传感器1包括硅晶片衬底10。或者，衬底10可以是砷化镓晶片或者其可以包括任何其它半导电、金属或电介质材料。对于设计成在高于10MHz的频率下工作的传感器1而言，优选使用包括电介质(例如玻璃)的衬底10，因为这减小耗散在衬底中的电磁能量的损失。
该传感器1还包括导电谐振元件20，其沿具有长度1的纵向方向延伸。其通过支撑元件21、22附着到衬底10，元件21、22分别连接到固定元件(anchor element)23和24。固定元件23和24固定到衬底，如图2C所示。谐振元件20和支撑元件21和22除了通过固定元件23和24与衬底10的连接外与衬底10是分离的。
可以使用例如微机电系统(MEMS)领域中公知的技术制造该传感器。简而言之，首先为衬底10提供氧化物层11，该氧化物层11顶上沉积了硅层12，如图2A所示。硅层12被光敏抗蚀剂(未示出)覆盖，通过例如光刻图形化光敏抗蚀剂。然后显影图形化的抗蚀剂，产生了被抗蚀剂覆盖的如图1所示的谐振元件20、支撑元件21和22、固定元件23和24以及致动器30的表面区域，同时表面的剩余部分上无抗蚀剂。然后对部分被抗蚀剂覆盖的表面进行刻蚀，这选择性去除了未被抗蚀剂覆盖的硅层12的部分。图2B中示出了刻蚀的结果。随后，在第二刻蚀步骤中，刻蚀由于先前的刻蚀而暴露的氧化物层11。该刻蚀步骤除去氧化物层11的所有暴露部分，以及邻近这些部分的一些氧化物。作为第二刻蚀步骤的结果，图2C中的硅层12的中央部分与衬底分离。它们形成谐振元件20。在同一刻蚀步骤中，支撑元件21和22下的氧化物层11也被除去，使得谐振元件20仅通过固定元件23和24附着到衬底10。
谐振元件20在纵向方向上具有两个外端。每个外端面对导电致动器30的相应电极。致动器30能够接收关于谐振元件20的致动电势差VIN，用于使谐振元件20弹性形变。致动电势差是施加到传感器1的输入信号的函数。除了该输入信号之外，致动电势差还可包括例如DC成分。弹性形变包括图1所示的长度1的变化量d1。
谐振元件20是能够将电流传导通过谐振元件20的电路的一部分。谐振元件20经由辅助电阻器27、固定元件24和支撑元件22电连接到DC电压源VDC的正极或负极。谐振元件20还经由支撑元件21和固定元件23接地。因此，谐振元件20能够传导电流I。当谐振元件20传导电流I时，其构成了引起电压降V的欧姆电阻R的电阻器。
谐振元件20构成具有欧姆电阻R的电阻器(其中R是长度1的变化d1的函数)，这是因为谐振元件20包括具有开口空间的中央部分19。谐振元件20包括两个相互平行的梁，每个梁分别固定到支撑元件21和22。这两个梁在所述两个外端通过元件205相互连接。中央部分19已经在前述的光刻步骤和刻蚀步骤中产生。这样防止了电流在直线中从支撑元件22流向支撑元件21。电流必须流过由谐振元件20形成的导电通路。该导电通路沿纵向方向延伸。
该电路能够产生作为长度1的变化d1的函数并且作为电阻R的函数的输出信号。为此，该电路包括电连接到该电路的测量点28。该测量点位于辅助电阻器27和固定元件24之间，并且在工作中产生电输出信号，该电输出信号是测量点28和接地的参考点29之间的电势差Vout。
在一个可供选择的实施例中(未示出)，辅助电阻器27与谐振元件20相似。与谐振元件20相似，该辅助电阻器27经由固定元件和支撑元件附着到衬底10。通过与致动器30类似的致动器向其提供致动电势差。该致动器提供给辅助电阻器27的谐振元件的致动电势差与致动器30提供给谐振元件20的致动电势差基本相同，只是相位偏移180度。在该实施例中，位于辅助电阻器27和固定元件24之间的测量点28提供的输出信号增加两倍。
在另一个可供选择的实施例中(未示出)，辅助电阻器27不位于电压源和固定元件24之间，而是位于固定元件23和地之间。在这种情况下，测量点28位于辅助电阻器27和固定元件23之间。
在又一实施例中(也未示出)，省略了DC电压源VDC和辅助电阻器27。固定元件24连接到电流源的正极，且固定元件23连接到该电流源的负极。测量点28位于该电流源的正极和固定元件24之间，且参考点29位于固定元件23和该电流源的负极之间。同样，在这些实施例中，输出信号是长度1的变化d1的函数，这是本领域的技术人员能够理解的。
谐振元件20由在纵向方向上具有第一长度的第一部分201和在纵向方向上具有第二长度的第二部分202构成。在图1所示的实施例中，第一长度等于第二长度，且给定为0.5·1。在另一实施例中(未示出)，第一长度不同于第二长度。它可以是例如0.25·1。在又一实施例中(也未示出)，省略了第二部分202。弹性形变包括被第一弹性力F1抵抗的第一长度的变化和被第二弹性力F2抵抗的第二长度的变化。由于致动器30包括两个基本相同的电极，每个电极与谐振元件20的外端分开基本相同的间隙g，所以第一弹性力F1和第二弹性力F2在位于谐振元件20中间的无形变部分203中基本相互补偿。谐振元件20在位于无形变部分203的支撑区域204中通过支撑元件21和22附着到衬底10。由此，机械能量流受到限制，并且Q因子相对高，导致相对大的信号。
支撑区域204具有第一谐振器接触250和第二谐振器接触260，第二谐振器接触260通过包含在谐振元件20中的导电通路电连接到第一谐振器接触250。该导电通路具有在无形变部分203外且在元件205中的点P。谐振元件20具有在纵向方向上的外端，并且点P位于该外端。
图1所示的谐振元件20包括构成导电通路的、具有第一电导率的第一材料，以及具有小于第一电导率的第二电导率的第二材料。在该实施例中，第一材料是硅且第二材料包括电介质材料，该电介质材料是空气。硅可以包括晶向为[110]、[111]或[100]的晶体硅。
或者，传感器1可以被密封，使得第二材料包括压强低于1Pa的低压气体，其优点在于中央部分19基本不受任何污染，否则这些污染可能导致有害的电短路。在下述的另一个实施例中，第二材料包括固体电介质。由于中央部分19，从第一谐振器接触250到第二谐振器接触260的任何不经过点P的通路都包括第二材料。
对于长度1＝360μm、宽度b＝8μm以及图1所示的厚度t＝2.67μm且高度h＝10μm的谐振元件20，梁的本征频率大约为12MHz。图3所示的用输入信号规一化的输出信号，即根据本发明的传感器1的透射率是公知传感器(也在图3中示出)的100多倍。两个透射率都适用于传感器的间隙g＝1μm以及100V的致动电势差的DC成分。
在图4所示的传感器1的实施例中，与图1的谐振元件20相同的谐振元件20a包含在惠斯通型电路中。惠斯通型电路包括第一接触区域25和第二接触区域26。第一接触区域25经由第一连接并经由平行于第一连接设置的第二连接电连接到第二接触区域26。
第一连接包括与由第二谐振元件20b构成的第二电阻器串连的支撑元件21a和22a以及谐振元件20a。第二连接包括与由第四谐振元件20d构成的第四电阻器串连的由第三谐振元件20c构成的第三电阻器。
谐振元件20a、20b、20c和20d通过固定元件27a和27b以及相应的支撑元件21a、21b、21c和21d以及22a、22b、22c和22d附着到衬底10。
谐振元件20a和第二谐振元件20b通过由支撑元件21a和22b形成的第一电连接器并通过固定元件27a连接。第一电连接器包括测量点28。第三谐振元件20c和第四谐振元件20d通过由支撑元件21c和22d形成的第二电连接器并通过固定元件27b连接。第二电连接器包括参考点29。第二谐振元件20b、第三谐振元件20c和第四谐振元件20d均与谐振元件20a基本相同。理想的是，支撑元件21a、21b、21c和21d基本相同，且支撑元件22a、22b、22c和22d也基本相同。
谐振元件20a位于第一接触区域25和第二谐振元件20b之间。第三谐振元件20c位于第二接触区域26和第四谐振元件20d之间。与致动器30a基本相同的第二导电致动器30c用于使第三谐振元件20c弹性形变。致动器30a和30c能够接收关于谐振元件20a和20c的基本相同的致动电势差，用于分别使谐振元件20a和20c弹性形变。
传感器1还包括用于使第二谐振元件20b弹性形变的第三导电致动器30b，以及用于使第四谐振元件20d弹性形变的第四导电致动器30d。第三致动器30b和致动器30a，以及第四致动器30d和第二致动器30c通过连接器31连接，它们被设计成对AC信号引入大约90度的延迟，该AC信号具有与谐振元件20a的本征频率基本相同的频率。
在另一个实施例中(未示出)，省略了第三致动器30b和第四致动器30d。在又一实施例中(未示出)，也省略第二致动器30c。在后一实施例的一个变型中，谐振元件20b、20c和20d被欧姆电阻器代替，其中每一个优选具有与谐振元件20a的欧姆电阻R基本相同的电阻。
在图5A和5B所示的另一实施例中，谐振元件20在垂至于衬底10的主表面的方向上通过支撑元件21和22附着到衬底10。在这些实施例中，谐振元件20的中央部分19填充有电介质，例如氧化硅或氮化硅。对于尺寸在微米量级或更小的相对小的中央部分19，通常难以通过刻蚀产生开口空间19，而不留下刻蚀剂的残留物或者不在除去刻蚀剂时在形成谐振元件20的两个平衡梁之间产生接触。通过在下面描述的制造过程中使用电介质填充中央部分19，可以避免这些问题。
在图5A所示的实施例中，谐振元件20具有半径为r的圆形形状，并且其被致动器30径向包围，形成环形间隙g。致动器30能够接收关于谐振元件20的电致动电势差，用于使谐振元件20在径向方向上弹性形变，即以等高线模式(contour mode)弹性形变。应当注意，这种谐振元件20还在具有长度1的纵向方向上延伸该纵向方向可以是任何径向方向并且该方向上的长度1与半径r相同。弹性形变包括长度的变化d1，其类似于半径的变化dr。这种谐振元件特别适用于高频，例如10MHz以上或者甚至150MHz以上。它的Q因子较高，可以是7000以上或更高。
谐振元件20由圆形的、相互平行的板18a和1gb组成，它们的外端通过环形元件2 05相互电连接。被圆形元件18a和18b以及环形元件205密封的是圆形电介质区域，该区域构成了谐振元件20的中央部分19。上圆形板18a和下圆形板18b分别通过支撑元件21和22电连接到导体17a和17b。由此谐振元件20构成了具有电阻R的欧姆电阻器，R是与长度1+d1相对应的实际半径r+dr的函数。
在图5B所示的可供选择的实施例中，谐振元件20是放射状的。它由矩形的、相互平行的板18c和18d组成，这两个板的外端在纵向方向上通过矩形元件205a连接。矩形板18c和18d的部分(与矩形元件205a分离)通过包含氮化硅的中央部分19分开。与图5A所示的实施例相反，中央部分19在此处没有被完全密封。与图5A所示的实施例类似，传感器1还包括导体17a和17b以及用于接触构成电阻器的谐振元件20的支撑元件21和22。它还包括类似于图1中示出的致动器30。
图5A和5B所示的传感器1可通过如下方法制造。在图6A-6H中示出了制造过程中各阶段的根据图5A和5B中的VI-VI的传感器1。衬底10首先被可包含例如氮化硅的电介质层11覆盖。例如通过沉积多晶硅层(该多晶硅层通过光刻和刻蚀而被图形化)在电介质层11顶上形成导体17b。这些步骤的结果在图6A中示出。
随后，如图6B所示，沉积例如二氧化硅的另外的电介质层102并在其中制造开口103a以暴露导体17b的一部分。然后，沉积多晶硅膜104以覆盖电介质层102，从而填充开口103a和产生支撑元件21。在膜104顶上沉积另外的电介质层，其中央部分19使用例如光刻和刻蚀形成，如图6C所示。在该结构的顶上，沉积另外的多晶硅膜106，如图D所示。
在下一步骤中，通过刻蚀掉在无谐振元件20和致动器30的所有区域内的多晶硅，由层104和106以及中央部分19形成谐振元件20和致动器30，从而限定间隙g，如图6E所示。在该结构的顶部，沉积接下来的包括二氧化硅的电介质层107，并且如图6F所示在其中形成开口103b，以暴露作为部分谐振元件20的层106的一部分。然后，沉积例如铝、钨、铜或多晶硅的导电膜，以覆盖电介质层104，从而填充开口103b并产生支撑元件22。如图6G所示，然后通过光刻和刻蚀由该金属膜形成导体17a。最后，电介质层102和107的大部分被刻蚀掉，分别产生图5A和5B所示的传感器1。当制造图5B所示的具有填充有电介质材料的中央部分19的传感器1时，重要的是该电介质材料不同于电介质层102和107的材料，且后面的层可以相对于中央部分19的电介质材料被选择性刻蚀。因此，中央部分19由氮化硅制造，而层102和107包括二氧化硅。
图7示意性所示的传感器1包括具有输入端41的放大器40，输入端41电连接到根据本发明的传感器的测量点28。放大器40能够放大测量点29提供的电信号的AC成分，并向致动器30提供放大后的信号。放大器40设有相移器，该相移器能够移动放大后的信号的相位使得在致动器30中的放大后的信号与谐振元件20的形变同相。由此在该实施例中，传感器1设有正反馈回路。因此在工作中，电输出信号锁定到谐振元件20的本征频率。该传感器1可被用作能够产生具有谐振元件20的本征频率的电信号的振荡器器件。
图7所示的传感器1可用于提供具有等于谐振元件20的本征频率的预定频率的电信号。或者，可以使用图1或图5A或图5B所示的传感器1，其中从电压源向致动器30提供致动电势差，以能够产生具有可调频率的信号VIN，其中通过连接到测量点28的反馈电路来调整该频率。
图8示意性所示的传感器1包括第一谐振元件20e和第二谐振元件20f。每个谐振元件20e和20f与图1中所示的谐振元件20基本相同，并且以相同的方式附着到衬底10。第一谐振元件20e和第二谐振元件20f通过耦合元件16机械耦合，耦合元件16与这两个元件连接并与衬底分开。设置致动器30使得其能够引起第一谐振元件20e弹性形变。当通过致动器30使第一谐振元件20e谐振时，由于耦合元件16引起第二谐振元件20f的谐振运动。可以使用上述的电阻检测方案检测第二谐振元件20f的谐振运动。为此，第二谐振元件20e是图8所示的能够提供输出信号的电路的一部分。输出信号是第二谐振元件20f的长度1’的变化d1’的函数。第二谐振元件20f构成具有欧姆电阻R’的电阻器，与图1中的传感器类似，欧姆电阻R’是第二谐振元件20f的长度1’的变化d1’的函数。输出信号是电阻R’的函数。由于第一谐振元件20e和第二谐振元件20f通过耦合元件16耦合，传感器1具有边沿相对陡峭的、更宽的谐振。通过将几个谐振元件20串连耦合，并且检测最后一个的弹性形变，可以获得相当宽的谐振。这种传感器适于用作滤波器。当为其提供作为致动电势差的电输入信号VIN时，其在测量点28仅对于频率在传感器1的谐振内的那些输入信号成分产生可检测电输出信号。为了提供电输出信号，传感器1包括与图1所示传感器1相似的辅助电阻器27。
图9中所示的电子装置50包括使用时钟信号工作的信号处理器51。该时钟信号由图1所示的传感器1提供。
总之，传感器1包括沿具有长度1的纵向方向延伸的导电谐振元件20。其可以通过导电致动器30发生弹性形变，使得该弹性形变包括长度变化d1。谐振元件20电连接到第一接触区域25和第二接触区域26，由此构成电路。在该电路中，谐振元件20构成具有欧姆电阻R的电阻器，R是长度1+d1的函数。传感器1还包括测量点28，该测量点电连接到用于提供作为电阻R的函数的电信号的电路。
应当注意，上述实施例说明了而并非限制本发明，并且本领域的技术人员在不脱离权利要求的范围的情况下将能够设计出很多可供选择的实施例。在权利要求中，括号中的任何参考标记都不应当认为构成对本发明的限制。动词“包括”并不排除未在权利要求中出现的其它元件或步骤。元件前的“一个”并不排除出现多个这种元件。
权利要求
1.一种机电传感器(1)，用于将电输入信号转换成电输出信号，该传感器包括衬底(10)，附着到衬底(10)的导电谐振元件(20)，谐振元件(20)沿具有长度(1)的纵向方向延伸，导电致动器(30)，能够接收关于谐振元件的、用于引起谐振元件(20)弹性形变的电致动电势差，该致动电势差是输入信号的函数，该弹性形变包括长度(1)的变化(d1)，谐振元件(20)包括具有欧姆电阻的电阻器，该欧姆电阻是长度(1)的变化(d1)的函数，输出信号是该电阻的函数。
2.如权利要求1所述的传感器(1)，其中谐振元件(20)包括沿纵向方向具有第一长度的第一部分(201)，以及沿纵向方向具有第二长度的第二部分(202)，弹性形变包括被第一弹性力(F1)抵抗的第一长度的变化，以及被第二弹性力(F2)抵抗的第二长度的变化，在谐振元件(20)的无形变部分(203)第一弹性力(F1)和第二弹性力(F2)基本相互平衡(F1+F2≈0)，谐振元件(20)附着到包含在无形变部分(203)中的支撑区域(204)中的衬底(10)上。
3.如权利要求2所述的传感器(1)，其中支撑区域(204)包括第一谐振器接触(250)和第二谐振器接触(260)，第二谐振器接触(260)通过包含在谐振元件(20)中的导电通路电连接到第一谐振器接触(250)，该导电通路包括在无形变部分(203)外的点(P)。
4.如权利要求3所述的传感器(1)，其中谐振元件(20)具有在纵向方向上的外端，所述点(P)位于该外端。
5.如权利要求3所述的传感器(1)，其中谐振元件(20)包括构成导电通路的、具有第一电导率的第一材料，以及具有小于第一电导率的第二电导率的第二材料，从第一谐振器接触(250)到不包含点(P)的第二谐振器接触(260)的每条通路都包含所述第二材料。
6.如权利要求5所述的传感器(1)，其中第二材料包括电介质材料。
7.如权利要求1所述的传感器(1)，其中谐振元件(20，20a)包含在惠斯通型电路中，该惠斯通型电路包括第一接触区域(25)和第二接触区域(26)，第一接触区域(25)通过第一连接并通过平行于第一连接设置的第二连接电连接到第二接触区域(26)，第一连接包括与第二谐振元件(20b)串联的谐振元件(20，20a)，第二连接包括与第四谐振元件(20d)串联的第三谐振元件(20c)，谐振元件(20a)和第二谐振元件(20b)通过包括测量点(28)的第一电连接器连接，且第三谐振元件(20c)和第四谐振元件(20d)通过包含参考点(29)的第二电连接器连接，输出信号包括测量点和参考点之间的电势差，第二谐振元件(20b)、第三谐振元件(20c)和第四谐振元件(20d)均基本与谐振元件(20a)相同。
8.如权利要求7所述的传感器(1)，其中谐振元件(20a)位于第一接触区域(25)和第二谐振元件(20b)之间，第三谐振元件(20c)位于第二接触区域(26)和第四谐振元件(20d)之间，且存在使第三谐振元件(2c)弹性形变的第二导电致动器(30c)。
9.如权利要求8所述的传感器(1)，其中存在用于使第二谐振元件(20b)弹性形变的第三导电致动器(30b)，以及存在用于使第四谐振元件(20d)弹性形变的第四导电致动器(30d) 。
10.如权利要求1所述的传感器(1)，其中谐振元件(20)包括第一谐振元件(20e)和第二谐振元件(20f)，第一谐振元件(20e)和第二谐振元件(20f)通过耦合元件(16)机械地耦合，致动器(30)能够引起第一谐振元件(20e)的弹性形变，第二谐振元件(20f)构成具有欧姆电阻的电阻器，该欧姆电阻是第二谐振元件(20f)的长度(1’)的变化(d1’)的函数，输出信号是第二谐振元件的电阻的函数。
11.一种电子装置(50)，包括使用时钟信号工作的信号处理器(51)，以及如权利要求1所述的、用于提供时钟信号的传感器(1)。
全文摘要
传感器(1)包括沿具有长度(1)的纵向延伸的导电谐振元件(20)。它可以被导电致动器(30)弹性形变，使得该弹性形变包括长度的变化(d1)。谐振元件(20)电连接到第一接触区域(25)以及第二接触区域(26)，由此构成电路。在该电路中，谐振元件(20)构成具有欧姆电阻(R)的电阻器，电阻(R)是长度(1+d1)的函数。传感器(1)还包括电连接到该电路的测量点(28)，用于提供作为电阻(R)的函数的电信号。
文档编号G01D1/00GK101095282SQ200380105549
公开日2007年12月26日 申请日期2003年11月26日 优先权日2002年12月10日
发明者J·T·M·范比克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司