DE19821527A1

DE19821527A1 - Schwingkreis

Info

Publication number: DE19821527A1
Application number: DE19821527A
Authority: DE
Inventors: Armin Splett; Dieter Emmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-12-02
Also published as: US6285063B1

Abstract

Der erfindungsgemäße Schwingkreis weist zumindest einen auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats verankerten Schwingkörper aus einem Halbleitermaterial, an dem zumindest eine erste Elektrode angeordnet ist, sowie zumindest eine zweite Elektrode auf. Die erste und zweite Elektrode sind einander gegenüberliegend angeordnet. Bei einem Anlegen einer gleichspannungsüberlagerten Wechselspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode wird der Schwingkörper durch die überlagerte Wechselspannung zu einer mechanischen Schwingung angeregt. Der Schwingkreis kann insbesondere in elektronischen Schaltungen monolithisch integriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingkreis, insbesondere für eine monolithische Integration in elektronischen Schaltkrei sen.

Für den Aufbau von hochselektiven Empfangs- bzw. Sendeschal tungen, beispielsweise für den Einsatz in Funk-Kommunikati onssystemen, werden Filter hoher Güte und Oszillatoren mit geringem phasenrauschen benötigt, die wiederum Schwingkreise hoher Güte erfordern. Die zunehmende Miniaturisierung in der Elektronik bedingt, daß auch Filter und Oszillatoren in ange messener Größe, d. h. in der Größe von integrierten Schaltun gen, verfügbar sind. Nach dem Stand der Technik werden derar tige Schwingkreise hoher Güte als diskrete Elemente bei spielsweise in Form von Oberflächenwellenfilter oder Schwing quarzen verwirklicht. Eine vollständige Integrierbarkeit die ser Elemente in elektronischen Schaltungen ist aufgrund un terschiedlicher Substratmaterialien nicht ohne weiteres mög lich, wodurch diese Lösungen den Nachteil eines hohen Platz bedarfs und eines erhöhten Kostenaufwands bei der Herstellung besitzen. Elektrische Schwingkreise sind dahingegen vollstän dig integrierbar, weisen jedoch den Nachteil einer nur gerin gen Güte auf, die insbesondere für die Anwendung in Funk-Kom munikationssystemen nicht ausreichend ist.

Aus dem Stand der Technik nach H. Lobensommer "Handbuch der modernen Funktechnik", Franzis-Verlag, Poing, 1995, Seiten 80 bis 90, sind monolithische Quarzfilter und Oberflächenwellen filter bekannt. Monolithisch bedeutet bei Quarzfiltern dabei, daß die Funktion mehrerer Einzelelemente (Einzelresonatoren) auf einem Quarzsubstrat realisiert wird. Auf dem Substrat werden die Elektrodenpaare so angeordnet und dimensioniert, daß sich die Resonanz nur in begrenzten Zonen ausbilden kann. Zwischen den Elektroden bildet sich ein Koppelsteg, der den jeweiligen Kopplungsfaktor bestimmt. Außerhalb dieser Zonen nimmt die Schwingungsamplitude exponentiell ab. Die Einzel elemente oder Einzelresonatoren werden über die ausgekoppelte Schwingungsenergie miteinander akustisch verbunden. Mono lithische Quarzfilter werden für Frequenzen bis in den Be reich von ca. 100 MHz hergestellt. Oberflächenwellenfilter werden in der Weise hergestellt, daß auf einem einkristalli nen, piezoelektrischen Substrat ein Metallschicht aufgedampft und mit Fotoätztechnik die Struktur eines Interdigitalwand lers erzeugt wird. Interdigitalwandler sind kamm- bzw. fin gerartige Strukturen, die ineinander greifen und deren Finger sich dabei überlappen. Diese Strukturen können mehr als hun dert Finger aufweisen und bilden jeweils einen piezoelektri schen Wandler, der auf dem Substrat Oberflächenwellen erzeu gen und empfangen kann.

In den Veröffentlichungen von T.W. Kenny et. al. in Appl. Phys. Lett. 58, 100 bis 102 (1991) und in J. Vac. Sci. Tech nol. A 10 (4), 2114 bis 2118 (1992) sind Tunneleffekt-Be schleunigungssensoren beschrieben, bei denen auf Silizium durch Unterätzen federnd verankerte freitragende Balken oder Rechtecke angebracht sind. Mit diesen Sensoren kann eine Aus lenkung des federnden Teils infolge von Trägheitskräften bei Beschleunigungen festgestellt werden. Diese Sensoren werden durch Unterätzen an der Oberfläche eines kompakten Silizium blockes hergestellt. Aus der EP 0 619 494 ist ein Tunnelef fekt-Beschleunigungssensor bekannt, bei dem die Herstellung in Prozeßschritten der Mikromechanik, die mit der Technologie der Herstellung von integrierten Schaltungen kompatibel sind, erfolgt. Diese Herstellungsweise besitzt den Vorteil, daß eine nachgeschaltete elektronische Schaltung zusammen mit dem Sensor in dem Siliziumsubstrat integriert werden kann und da mit Genauigkeit und Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors we sentlich verbessert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingkreis anzugeben, der die genannten Nachteile der Schwingkreise nach dem Stand der Technik umgeht. Diese Aufgabe wird durch den Schwingkreis gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der Erfindung weist der Schwingkreis zumindest einen auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats verankerten Schwingkörper aus einem Halbleitermaterial auf, an dem zumin dest eine erste Elektrode angeordnet ist. Weiterhin weist der Schwingkreis zumindest eine zweite Elektrode auf, wobei die erste und zweite Elektrode dabei einander gegenüberliegend angeordnet sind. Bei einem Anlegen einer wechselspannungs überlagerten Gleichspannung zwischen der ersten und der zwei ten Elektrode wird der Schwingkörper durch die überlagerte Wechselspannung zu einer mechanischen Schwingung angeregt. Die Kopplung zwischen der mechanischen Schwingung des Schwingkörpers und der elektrischen Schwingung erfolgt dabei durch elektrostatische bzw. magnetische Kräfte. Diese erfin dungsgemäße Realisierung besitzt den Vorteil, das der Schwingkörper monolithisch auf bzw. in dem Halbleiter substrats mit mikromechanischen Methoden herausgearbeitet werden kann und somit eine vollständige Integration in elek tronische Schaltungen bei einem geringen wirtschaftlichen Aufwand ermöglicht.

Die Elektroden können gemäß Weiterbildungen der Erfindungen durch eine elektrisch leitfähige Dotierung oder durch eine Metallisierung verwirklicht werden. Durch die angelegte Gleichspannung entsteht zwischen den Elektroden ein stati sches elektrisches Feld, durch welches eine elektrostatische Kapazität hervorgerufen wird. Die der Gleichspannung überla gerte Wechselspannung bewirkt eine Änderung des elektrischen Feldes und somit der auf den Balken wirkenden elektrostati schen Kräften, wobei die Änderung der Kräfte eine Auslenkung des Schwingkörpers bewirkt. Abhängig von den geometrischen Abmessungen und des verwendeten Halbleitermaterials besitzt der Schwingkörper eine mechanische Resonanzfrequenz, auf der er bei entsprechend dimensionierter Wechselspannung schwingt. Die mechanische Resonanzfrequenz des Schwingkörpers kann ge mäß einer weiteren Weiterbildung durch eine Erwärmung vari iert werden, wobei die Erwärmung durch einen Stromdurchfluß der ersten Elektrode hervorgerufen werden kann. Das elektri sche Ersatzschaltbild des Schwingkreises entspricht im we sentlichen dem eines Schwingquarzes.

Ersten Ausgestaltungen der Erfindung zufolge ist der Schwing körper als ein biegefähig verankerter Balken, der vorzugs weise in einem Hohlraum in dem Halbleitersubstrat oder auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, oder als eine Membran, die über einem Hohlraum in dem Halbleiter substrat angeordnet ist, ausgestaltet. Insbesondere der bie gefähig verankerte Balken besitzt dabei den Vorteil einer einfachen Herstellung durch bekannte mikromechanische Her stellungsverfahren.

Gemäß weiteren Weiterbildungen der Erfindung ist die zweite Elektrode auf dem Halbleitersubstrat oder auf einem weiteren biegefähig verankerten Balken angeordnet. Die letztgenannte Ausgestaltung ermöglicht dabei vorteilhaft eine größere Effi zienz des Schwingkreises, da mit gegebenen elektrostatischen bzw. magnetischen Kräften eine größere mechanische Masse in Bewegung gesetzt wird. Zudem kann der weitere Balken in der gleichen Weise bzw. in den gleichen Arbeitsgängen wie der Balken, auf dem die erste Elektrode angeordnet ist, herge stellt werden.

In weiteren Weiterbildungen ist der Schwingkörper in einem Hohlraum angeordnet, der von einer auf dem Halbleitersubstrat zusätzlich aufgebrachten Halbleiterschicht gebildet wird. Da bei sind die erste Elektrode an dem Schwingkörper und die zweite Elektrode an dieser Halbleiterschicht einander gegen überliegend angeordnet. Diese Ausgestaltung kann einerseits die den Herstellungsprozeß für den Schwingkreis vereinfachen und bietet andererseits vorteilhaft einen sehr guten Schutz des Schwingkörpers gegenüber Umwelteinflüssen.

Einer weiteren Weiterbildung zufolge basiert das Halbleiter substrat und das Halbleitermaterial jeweils auf einem Sili zium-, Gallium-Arsenid- oder anderem Halbleitermaterial der III-V-Gruppe. Diese große Auswahl an unterschiedlichen Halb leitermaterialien, in denen der Schwingkreis verwirklicht werden kann, ermöglicht eine universelle Integration des Schwingkreises in dem jeweils vorhandenen Halbleitermaterial, wobei die geometrischen Abmessungen des Schwingkörpers auf die jeweiligen physikalischen Eigenschaften des Halbleiterma terials abgestimmt werden müssen.

Besonders vorteilhaft wird der erfindungsgemäße Schwingkreis in einem Oszillator oder Bandpaßfilter eines Sigma-Delta- Wandlers eingesetzt. Diese Einsatzgebiete erfordern eine hohe Güte des Schwingkreises, die durch den Schwingkreis in seiner erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorteilhaft erfüllt werden. Für die Anwendung in einem Sigma-Delta-Wandler kann das Band paßfilter mit den weiteren elektronischen Schaltungskomponen ten in einem gemeinsamen elektronischen Schaltkreis inte griert werden, wodurch vorteilhaft die Längen der elektri schen Verbindungen und entsprechend die Signallaufzeiten zwi schen den einzelnen Komponenten gering gehalten werden kön nen, welches insbesondere bei einem beispielhaften Einsatz in Sende- und Empfangsschaltungen von Funkstationen eines Funk- Kommunikationssystems, die mit Frequenzen im Gigahertzbereich arbeiten, von besonderer Bedeutung ist.

Anhand von Figuren werden im folgenden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schwingkreises näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingkreises mit einem Balken als Schwingkörper, in einer schrägen Draufsicht,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingkreises mit mehreren, parallel angeordneten Balken, in einer schrägen Draufsicht,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingkreises, wobei der Balken auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, in einer Sei tenansicht,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingkreises, wobei der Balken in einem Hohlraum angeordnet ist, in einer Seitenansicht,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingkreises, wobei der Schwingkörper als eine Mem brane ausgeführt ist, in einer Seitenansicht,

Fig. 6 ein elektrisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Schwingkreises und eine Übertragungsfunktion ei nes Bandpaßfilters, und

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Sigma-Delta-Wandlers.

In der Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsge mäßen Schwingkreises dargestellt. In einem Halbleitersubstrat 1, beispielsweise aus Silizium, ist durch Prozeßschritte, wie sie aus der Mikromechanik bekannt sind, ein Hohlraum ausge bildet. An einer Seitenwand dieses Hohlraum ist ein als Bal ken S ausgestalteter Schwingkörper biegefähig verankert, so daß er mit dem losen Ende Bewegungen in zumindest einer Di mension ausführen kann. Der Balken S kann aus dem Material des Halbleitersubstrats bestehen oder zur Veränderung seiner physikalischen Eigenschaften mit einer zusätzlichen Dotierung versehen sein. Zur Ausbildung einer ersten Elektrode E1 ist der Balken S elektrisch leitfähig dotiert oder mit einer Me tallisierung versehen. Die erste Elektrode E1 kann eine geo metrische Ausdehnung über die gesamte Länge des Balkens S oder über nur einen örtlich begrenzten Teil beispielsweise an dem freien Ende des Balkens S aufweisen. Die erste Elektrode E1 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel an der in Blickrich tung liegenden Seite des Balkens S angeordnet und mit einer ersten elektrischen Kontaktierung A verbunden. Der ersten Elektrode E1 gegenüberliegend ist eine zweite Elektrode E2 an der Innenseite des Hohlraums in dem Halbleitersubstrat ange ordnet, wobei die zweite Elektrode E2 ebenfalls durch Dotie rung bzw. Metallisierung realisiert und über eine Verbindung mit einer zweiten elektrischen Kontaktierung B verbunden ist.

Durch ein Anlegen einer wechselspannungsüberlagerten Gleich spannung zwischen den elektrischen Kontaktierungen A und B wird der Balken S in eine laterale Schwingung versetzt. Die elektrischen Kontaktierungen A und B sind beispielhaft zur Erläuterung der physikalisch/elektrischen Vorgänge bei der Schwingungserzeugung, die in dem Beschreibungsteil zu den Fig. 6 und Fig. 7 behandelt wird, angegeben. Sie dienen in der praktischen Realisierung des Schwingkreises in einem elektro nischen Schaltkreis beispielsweise einem Anlegen eines elek trischen Eingangssignals bzw. als Übergang zu vor- oder nach geschalteten elektronischen Komponenten, die auf dem gleichen Halbleitersubstrat verwirklicht sind.

Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Schwingkreises entspricht der Fig. 1, wobei meh rere biegefähig verankerte Balken S parallel zueinander ange ordnet sind. Eine alternative Anordnung der Balken S in der von Oberflächenwellenfiltern bekannten Form von ineinander greifenden Fingern ist jedoch ebenfalls denkbar. Jeweils zwei Balken S weisen einander gegenüberliegende Elektroden auf. Die Elektroden sind in dieser Ausführungsform über die ge samte Länge der frei stehenden Balken und einander gegenüber liegend angeordnet. Durch die Anordnung zweier Balkenpaare kann beispielsweise auch ein elektrischer Vierpol mit den elektrischen Kontaktierungen D, A, B, C verwirklicht oder durch eine Parallelschaltung mehrerer Schwingkreise die Güte vorteilhaft erhöht werden. In den nachfolgenden Ausführungs formen der Fig. 3 bis 5 sind jeweils lediglich zwei gegenüber liegende Elektroden E1 und E2 angegeben, wobei in allen Bei spielen eine Erweiterung des Schwingkreises um zusätzliche Schwingkörper bzw. Elektroden vorteilhaft möglich ist.

In der Ausführungsform der Fig. 3 ist der wiederum als Balken S ausgestaltete Schwingkörper beispielsweise aus Polysilizium und auf einem Siliziumsubstrat 1 biegefähig an einem Ende verankert. Die erste Elektrode E1 an dem Balken ist durch eine Metallisierung realisiert und an der dem Silizium substrat 1 zugewandten Seite des Balkens S angeordnet. Der ersten Elektrode E1 gegenüberliegend ist die zweite Elektrode E2 auf dem Siliziumsubstrat 1 angeordnet.

Bei der Ausführungsform der Fig. 4 befindet sich der Balken S in einem von einer Polysiliziumschicht 4 gebildeten Hohlraum. Die Elektroden E1 und E2 befinden sich an der dem Silizium substrat 1 abgewandten Seite des Balkens S bzw. an der oberen inneren Wand der Polysiliziumschicht 4. Vorteilhaft bietet die Polysiliziumschicht 4 über dem Balken S einen Schutz ge gen Umwelteinflüsse, die auf den Schwingkörper einwirken kön nen. Der Hohlraum unter der Polysiliziumschicht 4 kann evaku iert sein. Durch die jeweilige Anordnung des Balkens S und der Elektroden E1 und E2 in den Fig. 3 und Fig. 4 wird der Bal ken 2 beim Anlegen einer gleichspannungsüberlagerten Wech selspannung in eine vertikale Schwingung versetzt. Die elek trischen Kontaktierungen der Elektroden E1 bzw. E2 sind in den Fig. 3 und Fig. 4 nicht dargestellt, werden jedoch entspre chend den Fig. 1 und Fig. 2 angeordnet.

Die Herstellungsverfahren für die Ausführungsformen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 sind beispielsweise der bereits in der Beschrei bungseinleitung genannten EP 0 619 494 entnehmbar.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 zeigt einen als eine Mem brane M ausgestalteten Schwingkörper. Die Membrane M ist über einen Hohlraum in dem Halbleitersubstrat 1 angeordnet und an den Wänden des Hohlraums bzw. an der Oberfläche des Halblei tersubstrats 1 verankert. An der Oberseite der Membrane M ist durch Dotierung oder Metallisierung eine erste Elektrode E1 vorgesehen. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 befindet sich über dem Halbleitersubstrat 1 eine einen Hohl raum bildende Halbleiterschicht 4, an dessen oberer innerer Wand eine zweite Elektrode E2 angeordnet ist. Der Hohlraum ist vorteilhaft evakuiert, um der Membrane M eine freie Schwingung in vertikaler Richtung zu ermöglichen.

Anhand der Fig. 5 und Fig. 6 werden im folgenden die physika lisch/elektrischen Vorgänge in dem erfindungsgemäßen Schwing kreis und der vorteilhafte Einsatz des Schwingkreises in ei nem Sigma-Delta-Wandler erläutert, wobei von dem Schwingkreis des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ausgegangen wird.

Der als ein Balken S ausgeführte Schwingkörper in den Fig. 1 besitzt aufgrund seiner räumlichen Abmessungen (Länge, Quer schnittsfläche etc.) und den physikalischen Eigenschaften des Halbleitermaterials (Elastizitätsmodul, Dichte etc.) eine Grund- bzw. Resonanzfrequenz, die sich gemäß Hütte "Die Grundlagen der Ingenieurswissenschaften", Springer Verlag Berlin, 29. Auflage, 1989, Seiten E54, E55, herleiten läßt. Zu einer Biegeschwingung kann der Balken S durch eine wechsel seitig mit einer Erregerfrequenz angreifenden Kraft angeregt werden. Die größten Schwingungsamplituden ergeben sich dabei, wenn die Erregerfrequenz der Resonanzfrequenz des Balkens S entspricht. Bei Resonanz sind die gleichen Charakteristiken bezüglich der Impedanz zu beobachten wie bei den bekannten Schwingkreisen.

Wird an einer Seite des Balkens S eine erste Elektrode E1 und dieser in einem bestimmten Abstand gegenüberliegend eine zweite Elektrode E2 angeordnet, wie sie in der Fig. 1 bei spielhaft an der Innenseite des Hohlraums in dem Halbleiter substrat verwirklicht ist, entsteht prinzipiell ein Platten kondensator. Bei einem Anlegen einer elektrischen Gleichspan nung zwischen den beiden Elektroden E1, E2 entsteht durch das elektrische Feld eine mit Cp bezeichnete elektrostatische Ka pazität und damit auch eine elektrostatische Kraft, die auf den Balken S wirkt. Wird der angelegten Gleichspannung eine Wechselspannung überlagert, so tritt eine als Cs bezeichnete dynamische Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden E1, E2 auf, die wiederum eine dynamische Änderung der Krafteinwir kung auf den Balken S bewirkt. Wenn durch die Bewegung der elektrisch wirksamen Elektroden E1, E2 aufgrund der dynami schen Krafteinwirkung voneinander entfernt werden, verringert sich einerseits die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden E1, E2, andererseits vergrößert sich die räumliche Ausdehnung des elektrischen Feldes. Für eine beispielhaft an gegebene sinusförmige Wechselspannung und der Bedingung, daß die Amplitude der Wechselspannung viel kleiner als die Span nungshöhe der Gleichspannung ist, kann die dynamische Kapazi tät Cs näherungsweise als konstant angenommen werden. In gleicher Weise kann eine magnetische Ankopplung der mechani schen Schwingung des Balkens S an die elektrische Schwingung der angelegten Wechselspannung hergeleitet werden.

In der Fig. 6 (1) ist das elektrische Ersatzschaltbild des Schwingkreises, wie er vorangehend beschrieben wurde, darge stellt. Es entspricht im wesentlichen dem Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes. Zwischen den elektrischen Kontaktierun gen A und B sind die Elemente des Schwingkreises dargestellt. Die elektrostatische Kapazität Cp ist dabei elektrisch paral lel zu einer Serienschaltung eines dynamischen Verlustwider standes R, der dynamischen Kapazität Cs und einer dynamischen Induktivität L geschaltet. Der Verlustwiderstand R wird durch mechanische Verluste aufgrund der Schwingung des Balkens S sowie durch elektrische Verluste aufgrund der Anordnung der Elektroden E1 und E2 hervorgerufen, währenddessen die Induk tivität L die bei der Bewegung des Balkens S gespeicherte Energie repräsentiert. Anhand dieser Ersatzgrößen kann be kannterweise die Resonanzfrequenz f₀ des Schwingkreises er mittelt werden. Sie lautet für die Grundresonanz:

ω₀ ² = (L.Cs)^-1;

mit ω₀ = 2πf₀. Diese Grundresonanz entspricht bei der Voraussetzung, daß die dynamische Kapazität Cs sehr viel kleiner als die statische Kapazität Cp ist, sowohl für die Parallel- als auch für die Serienresonanz des Schwing kreises.

Die Fig. 6 (2) zeigt eine beispielhafte Übertragungsfunktion des beschriebenen Schwingkreises. Anhand dieser Übertragungs funktion läßt sich die Güte des Schwingkreises bzw. die Güte des Filters bei einem Einsatz des Schwingkreises in einem Bandpaßfilter BPF, wie er in dem Sigma-Delta-Wandler in der Fig. 7 beispielhaft angegeben ist, feststellen. Auf der ver tikalen Achse ist die Übertragungsfunktion H(f) des Bandpaß filters BPF und auf der horizontalen Achse die Frequenz f aufgetragen. Mit R ist die Bandbreite des Eingangssignals in, das an dem Eingang des Bandfilters BPF anliegt, angegeben. Bei Resonanzfrequenz f₀ unterliegt das Eingangssignal in kei nerlei Dämpfung durch das Bandpaßfilter BPF, welches durch die 0 dB-Markierung verdeutlicht wird. Die Bandbreite Δb ent spricht dem 3 dB-Abfall des Eingangssignals in und gibt Auf schluß über die Güte und Selektivität des Schwingkreises bzw. Bandpasses BPF. Bei hoher Güte des Schwingkreises nimmt die Bandbreite Δb ab und entsprechend die Selektivität zu.

Für den Einsatz des erfindungsgemäßen Schwingkreises in einem Sigma-Delta-Wandler ist eine sehr hohe Güte neben der mono lithischen Integrierbarkeit von großer Bedeutung. Sigma- Delta-Wandler sind unter anderem aus H.-J. Dressler "Interpolative Analog/Digital-Umsetzung von Bandpaßsignalen", VDI Fortschritt-Berichte, Reihe ID: Informa tik/Kommunikationstechnik Nr. 237, VDI Verlag, ISBN 3-18-143710-7, bekannt. Insbesondere auf den Seiten 64 bis 73 die ses Dokuments wird auf die Problematik der Dimensionierung des Bandpaßfilters und der an ihn gestellten Bedingungen er läutert. Zwei wesentliche Bedingung, die von dem erfindungs gemäßen Schwingkreis erfüllt werden, sind auf der Seite 66, Mitte, angegeben: Das Verhältnis von Bandbreite Δb, zu der Bandbreite R des Eingangssignals in muß kleiner als 0,25 sein und die Schleifenlaufzeiten müssen kurz sein. Die Problematik der kritischen Schleifenlaufzeiten wird durch die monolithi sche Integration des Schwingkreises beispielsweise zusammen mit dem Analog/Digital-Wandler ADC und dem Digital/Analog- Wandler vorteilhaft gelöst, da die Signallaufzeiten zwischen den einzelnen Komponenten sehr kurz sind. Die zweite Bedin gung der hohen Güte des Bandpaßfilters BPF wird durch die Ausgestaltung des Schwingkreises als mechanischer Schwingkör per erfüllt, der eine Güte in der Größenordnung eines Schwingquarzes ermöglicht.

Bei einem beispielhaften Einsatz des Bandpaßfilters BPF in einer Empfangsschaltung einer Funkstation des zukünftigen Mo bilfunksystems der dritten Generation (UMTS - Universal Mo bile Telecommunication System), daß mit einer Bandbreite von R = 5 MHz auf einer Trägerfrequenz von 2,2 GHz - die der Reso nanzfrequenz f₀ des Schwingkreises entspricht - arbeitet, er gibt sich eine geforderte Güte Q < 4f₀/R = 1760 des Bandpaß filters BPF. Eine Güte in dieser Größenordnung ist durch ei nen elektrischen Schwingkreise nicht realisierbar, kann je doch durch den erfindungsgemäßen Schwingkreis vorteilhaft realisiert werden.

Die Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild eines Sigma-Delta-Wand lers. Ein analoges Eingangssignal in mit der Bandbreite R wird einem Bandpaßfilter BPF zugeführt, das eine Filterung der Trägerfrequenz des Eingangssignals in durchführt. Das gefil terte analoge Signal wird in einem Analog/Digital-Wandler ADC mit der Abtastfrequenz fa in ein digitales Signal umgewan delt. Das digitale Signal wird einerseits einem Digitalen Filter DF zugeführt, das ein Ausgangssignal out herausfiltert und zur Weiterverarbeitung beispielsweise an den Eingang ei nes Digitalen Signalprozessors (DSP) anlegt, und andererseits in einem Digital/Analog-Wandler DAC mit der Abtastfrequenz fa abgetastet und in ein analoges Signal rückgewandelt. Das ana loge Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandler DAC wird mit dem analogen Eingangssignal in verglichen und die Differenz gebildet, wodurch die Schleife geschlossen wird.

Claims

1. Schwingkreis, der

- zumindest einen auf einer Oberfläche eines Halbleiter substrats (1) verankerten Schwingkörper (S, M) aus einem Halbleitermaterial, an dem zumindest eine erste Elektrode (E1) angeordnet ist, und
- zumindest eine zweite Elektrode (E2), wobei die erste (E1) und zweite Elektrode (E2) einander gegenüberliegend angeordnet sind,

aufweist, und bei dem

- bei Anlegen einer wechselspannungsüberlagerten Gleich spannung zwischen der ersten (E1) und der zweiten Elek trode (E2) durch die Wechselspannung eine mechanische Schwingung des Schwingkörpers (S, M) angeregt wird.

2. Schwingkreis nach Anspruch 1, bei dem der Schwingkörper (S, M) als ein biegefähig verankerter Bal ken (S) ausgestaltet ist.

3. Schwingkreis nach Anspruch 2, bei dem der Balken (S) in einem Hohlraum in dem Halbleitersubstrat (1) oder auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ange ordnet ist.

4. Schwingkreis nach Anspruch 1, bei dem der Schwingkörper (S, M) als eine Membrane (M) ausgestaltet ist, die über einem Hohlraum in dem Halbleitersubstrat (1) angeordnet ist.

5. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die zweite Elektrode (E2) auf dem Halbleitersubstrat (1) an geordnet ist.

6. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die zweite Elektrode (E2) auf einem weiteren biegefähig ver ankerten Balken (S) angeordnet ist.

7. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schwingkörper (S, M) in einem Hohlraum angeordnet ist, der von einer auf dem Halbleitersubstrat (1) zusätzlich auf gebrachten Halbleiterschicht (4) gebildet wird, und die zweite Elektrode (E2) an dieser Halbleiterschicht (4) ange ordnet ist.

8. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrode (E1) und/oder die zweite Elektrode (E2) durch eine elektrisch leitfähige Dotierung oder durch eine Metallisierung des Halbleitermaterials verwirklicht ist.

9. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbleitersubstrat und das Halbleitermaterial jeweils auf einem Silizium-, Gallium-Arsenid- oder anderem Halbleiterma terial der III-V-Gruppe basiert.

10. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine mechanische Resonanzfrequenz des Schwingkörpers (S, M) durch eine Erwärmung variiert wird, wobei die Erwärmung durch einen Stromdurchfluß durch die erste Elektrode (E1) hervorge rufen werden kann.

11. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einer elektronischen Schaltung monolithisch integriert ist.

12. Schwingkreis nach Anspruch 11, wobei die elektronische Schaltung als ein Oszillator oder Bandpaß filter (BPF) eines Sigma-Delta-Wandlers ausgestaltet ist.

13. Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einer Funkstation eines Funk-Kommunikationssystems eingesetzt wird.