DE19821527A1 - Schwingkreis - Google Patents
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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 (13)
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,
- - 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.
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