TWI511916B - 微機電共振震盪子結構及其驅動方法 - Google Patents

微機電共振震盪子結構及其驅動方法 Download PDF

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Description

微機電共振震盪子結構及其驅動方法
一種微機電共振震盪子結構及其驅動方法，特別是指一種微機電共振震盪子結構及其等效高剛性區域驅動方法。
石英震盪器係產生時脈輸出之用，廣泛用於3C電子產業中的手機、電腦、攝影器材、電子鐘、主機板等產品。然而，傳統石英震盪器的缺點如：體積大、製造成本高及與積體電路整合不易等問題仍然是一個極待克服的難題。近來，微機電共振震盪子的發展日益蓬勃。微機電共振震盪子能與積體電路作很好的整合，相比於傳統石英震盪器，其具有體積小，製造成本低等優點。並且，微機電共振震盪子在抗衝擊及抗震能力遠優於石英震盪器，且其工作時間比一般石英震盪器更長。
前案US 6,249,073揭露一種微機械震盪器結構。其微機械震盪器結構基本包括一共振樑與一支撐結構，支撐結構可有效地隔離共振樑以形成一間隙，使共振樑可以形成震盪。其微機械共振器可在高頻率範圍得到高Q值。此外，微機械共振器的工作頻率可藉由所謂的差分信號技術或酒窩式下潛技術被擴展。
前案US 6,958,566揭露另一種電性剛性與現象相關的機械共振器裝置，其包含基板、機械共振器與一支撐結構。另一鄰近機械共振器的電極與機械共振器之間形成間隙。藉由一施加於電極與機械共振器之間的控制電壓可使因溫度或加速度等現象所造成共振頻率不穩定之情形改善。
前案雖揭露了一種利用微機電震盪子改善傳統石英震盪器缺 失的方法，但是對於相位噪聲的改善仍然是一個待研究的課題。
本發明之目的在於提供一種微機電共振震盪子結構及其驅動方法。藉由微機電共振震盪子之震盪單元內相異剛性的至少二等效區域產生迴路，可以得到不同的功率處理和相位噪聲性能，並且藉由震盪單元等效高剛性區域驅動，可以達到相較於震盪單元等效低剛性區域驅動更好之功率處理能力和更低之相位噪聲。
為達到上述目的，本發明之一態樣之一實施方式係在提供一種微機電共振震盪子結構。微機電共振震盪子結構包含一基版，一絕緣層沈積於基版上。一導電層包含一電極組及一輸入接點沉積於絕緣層上。電極組及輸入接點係由導電層經黃光製程而形成。一震盪單元，具有等效高剛性區域及等效低剛性區域，並藉由複數個錨點與輸入接點連接。複數個錨點其中至少有一錨點連接於震盪單元之高剛性區域，並以前述錨點支撐震盪單元。
本發明之另一態樣之一實施方式，係在提供一種電路驅動方法應用於前述之微機電共振震盪子結構。此時，位於震盪單元等效高剛性區域下方為驅動電極；位於震盪單元等效低剛性區域下方為感應電極。一電路迴路包含互阻放大器(TIA，TANSIMPEDANCE AMPLIFIER)、可變增益放大器(VGA，VARIABLE GAIN AMPLIFIER)、迴路緩衝單元(LOOP BUFFER)及輸出緩衝單元(OUTPUT BUFFER)與微機電共振震盪子電極組連接形成串聯迴路。 電訊號由位於震盪單元等效高剛性區域下方之驅動電極輸入，並由位於震盪單元等效低剛性區域下方之感應電極輸出。在迴路增益大於1的狀態下，共振震盪子產生震盪，並可藉由與震盪單元連接之輸入接點，輸入一外部電訊號以為震盪放大之用。由此種微機電共振震盪子震盪單元等效高剛性區域驅動的方式，可在震盪單元振動頻率為9.7 MHz的狀況下，相較於震盪單元等效低剛性區域驅動方式得到更好的功率處理能力及減少了26.53 dB的相位噪聲。
本發明之一態樣之一實施方式，另可以使震盪單元與電極組間形成一間隙。而本創作之微機電共振振盪子結構可為樑狀或碟狀結構。
本發明之一態樣之一實施方式，微機電共振振盪子結構的電極組可為一、二或三以上電極組結構。
請參照第1A圖。第1A圖為依照本發明一實施方式之微機電共振震盪子結構第一階段製程示意圖。為形成微機電共振震盪子結構100，一絕緣層111沉積於一基板110上以供電性隔絕之用。然後，一導電層112沉積於絕緣層111上，並藉由黃光製程使導電層112形成電極組113及輸入接點114。電極組113包含一電極115及另一電極116。接下來，一犧牲層120沉積於導電層112上。接著利用反應式離子蝕刻(RIE，REACTIVE ION ETCHING)的方式，蝕刻此犧牲層120形成第1C圖中錨點117位置，此時形成第1A圖之結構。
然後，請繼續參照第1B圖。第1B圖為依照本發明一實施方式之微機電共振震盪子結構第二階段製程示意圖。一結構層118沉積於犧牲層120上。結構層118藉由黃光製程形成震盪單元119之主要結構，此時形成第1B圖之結構。
最後，請接著參照第1C圖。第1C圖為依照本發明一實施方式之微機電共振震盪子結構第三階段製程示意圖。利用酸液蝕刻法去除犧牲層120而形成如第1C圖所示之微機電共振震盪子結構100。
請繼續參照第2A圖。第2A圖為微機電共振震盪子之震盪單元震盪示意圖。錨點117連接震盪單元119與輸入接點114並支撐震盪單元119使震盪單元119與電極組113間有一間隙，並形成等效電容結構。
請繼續參照第2A圖。第2B圖為微機電共振震盪子之震盪單元等效剛性區域分佈示意圖。震盪單元119等效剛性區域分布係藉由理論計算而成。其物理現象之解釋如下：開始產生震盪時，震盪單元119兩側區域由於有錨點117連接並支撐於輸入接點114，是故其震盪速度較低，因此其等效剛性較高。隨著往震盪單元119中間區域趨近，由於震盪單元119中間區域與電極組113間具有一間隙，其震盪速度較高，因此其等效剛性較低。以上述方式可發現，等效剛性在震盪單元119兩側區域較高，在震盪單元119中間區域較低。搭配理論計算可以界定震盪單元119之等效高剛性區域600a及震盪單元119之等效低剛性區域600b。
請繼續參照第3A圖。第3A圖為微機電共振震盪子結構100之震盪單元119等效高剛性區域驅動電極配置方法示意圖。電極115位於震盪單元119之低剛性區域下方，而電極116位於震盪單元119之高剛性區域下方。電訊號之走向為由電極116輸入而由電極115輸出。電訊號輸入端為驅動電極，輸出端為感應電極。因此第3A圖為震盪單元等效高剛性區域驅動方法。
請繼續參照第3B圖。第3B圖為微機電共振震盪子結構100之震盪單元119等效低剛性區域驅動電極配置方法示意圖。電極115位於震盪單元119之低剛性區域下方，而電極116位於震盪單元119之高剛性區域下方。與第3A圖不同的是，電訊號之走向為由電極115輸入而由電極116輸出。電訊號輸入端為驅動電極，輸出端為感應電極。因此第3B圖為震盪單元等效低剛性區域驅動方法。
請繼續參照第4圖。第4圖為微機電共振震盪子結構100震盪頻譜之一種量測方法示意圖。其中，微機電共振震盪子結構100放置於一真空平台200內以避免訊號干擾。此真空平台200具有與外部連接之接點。一電源供應器201透過此真空平台200連接至微機電共振震盪子結構100之輸入接點114以提供電訊號俾使微機電共振震盪子結構100之震盪單元119產生震盪放大之用。一外部網路分析儀202同時可供輸入訊號及偵測訊號之用。網路分析儀202之輸出端透過真空平台200與微機電共振震盪子結構100之一電極連接，網路分析儀202之輸入端透過真空平台200與微機電共振震盪子結構100之另一電極連接。
本發明實施方式之一實施例請參照第5圖。第5圖為震盪單元等效高剛性區域驅動與震盪單元等效低剛性區域驅動之頻譜比較圖。運用第4圖之量測方法於第3A圖及第3B圖之微機電共振震盪子結構100於電極配置方法上比較其輸出訊號，可以發現震盪單元119等效高剛性區域驅動方法之輸出頻譜500a較震盪單元119等效低剛性區域驅動方法之輸出頻譜500b更穩定。
請繼續參照第6圖。第6圖為微機電共振震盪子相位噪聲(PHASE NOISE)量測方法示意圖。一電路迴路(未編號)與微機電共振震盪子結構100串聯並放置於一真空平台400內以避免訊號干擾。電路迴路(未編號)之元件包含：一互阻放大器301、一可變增益放大器302、一迴路緩衝單元303及一輸出緩衝單元304。真空平台300具有與外部連接之接點。一電源供應器403透過此真空量測平台300連接至微機電共振震盪子結構100之輸入接點114以提供電訊號俾使微機電共振震盪子結構100之震盪單元119產生震盪放大之用。一震盪分析儀401與一頻譜分析儀402分別透過真空量測平台300之接點與電路迴路(未編號)之輸出緩衝304連接以測得輸出訊號。
本發明實施方式之另一實施例請參照第7圖。第7圖為震盪單元等效高剛性區域驅動方法與震盪單元等效低剛性區域驅動方法之相位噪聲比較圖。運用第6圖之量測方法於第3A圖及第3B圖之微機電共振震盪子結構100的電極配置方法上。比較第3A圖和第3B圖兩種驅動方法，可以得到震盪單元之等效高剛性區域之相位噪聲700a較震 盪單元等效低剛性區域之相位噪聲700b減少了26.53dB。
本發明實施方式之一實施例請參照第8圖。第8圖為微機電共振震盪子之一種結構示意圖。微機電共振震盪子結構100為樑狀結構；微機電共振震盪子結構100的電極組113為一組電極組結構。
本發明實施方式之一實施例請參照第9圖。第9圖為微機電共振震盪子之另一種結構示意圖。微機電共振震盪子結構100為樑狀結構；微機電共振震盪子結構100的電極組113為四組電極組結構。
本發明實施方式之一實施例請參照第10圖。第10圖為微機電共振震盪子之再一種結構示意圖。微機電共振震盪子100結構為碟狀結構；微機電共振震盪子100電極組113為四組電極組結構。
本發明實施方式之一實施例請參照第11圖。第11圖為微機電共振震盪子之又一種結構示意圖。微機電共振震盪子結構100為碟狀結構；微機電共振震盪子結構100的電極組113為一組電極組結構。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧微機電共振震盪子結構
110‧‧‧基板
111‧‧‧絕緣層
112‧‧‧導電層
113‧‧‧電極組
114‧‧‧輸入接點
115‧‧‧電極
116‧‧‧電極
117‧‧‧錨點
118‧‧‧結構層
119‧‧‧震盪單元
120‧‧‧犧牲層
200‧‧‧真空平台
201‧‧‧電源供應器
202‧‧‧網路分析儀
300‧‧‧真空平台
301‧‧‧互阻放大器
302‧‧‧可變增益放大器
303‧‧‧迴路緩衝
304‧‧‧輸出緩衝
400‧‧‧真空平台
401‧‧‧震盪分析儀
402‧‧‧頻譜分析儀
403‧‧‧電源供應器
500a‧‧‧震盪單元等效高剛性區域驅動方法之輸出頻譜
500b‧‧‧震盪單元等效低剛性區域驅動方法之輸出頻譜
600a‧‧‧震盪單元等效高剛性區域
600b‧‧‧震盪單元等效低剛性區域
700a‧‧‧震盪單元等效高剛性區域驅動方法之相位噪聲
700b‧‧‧震盪單元等效低剛性區域驅動方法之相位噪聲
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1A圖為依照本發明一實施方式之微機電共振震盪子結構第一階段製程示意圖。
第1B圖為依照本發明一實施方式之微機電共振震盪子結構第二階段製程示意圖。
第1C圖為依照本發明一實施方式之微機電共振震盪子結構第三階段製程示意圖。
第2A圖為微機電共振震盪子之震盪單元震盪示意圖。
第2B圖為微機電共振震盪子之震盪單元等效剛性區域分佈示意圖。
第3A圖為微機電共振震盪子之震盪單元等效高剛性區域驅動方法電極配置示意圖。
第3B圖為微機電共振震盪子之震盪單元等效低剛性區域驅動方法電極配置示意圖。
第4圖為微機電共振震盪子震盪頻譜之一種量測方法示意圖。
第5圖為震盪單元等效高剛性區域驅動與震盪單元等效低剛性區域驅動之頻譜比較圖。
第6圖為微機電共振震盪子相位噪聲(phase noise)量測方法示意圖。
第7圖為震盪單元等效高剛性區域驅動方法與震盪單元等效低剛性區域驅動方法之相位噪聲比較圖。
第8圖為微機電共振震盪子之一種結構示意圖。
第9圖為微機電共振震盪子之另一種結構示意圖。
第10圖為微機電共振震盪子之再一種結構示意圖。
第11圖為微機電共振震盪子之又一種結構示意圖。
100‧‧‧微機電共振震盪子結構
110‧‧‧基板
111‧‧‧絕緣層
113‧‧‧電極組
114‧‧‧輸入接點
115‧‧‧電極
116‧‧‧電極
117‧‧‧錨點
119‧‧‧震盪單元

Claims (12)

  1. 一種微機電共振震盪子結構，其包含：一基板；一絕緣層，沉積於該基板上；一導電層，沉積於該絕緣層上，其包含：一電極組；及一輸入接點；一震盪單元，該震盪單元具有一等效高剛性區域及一等效低剛性區域；以及複數個錨點，該些錨點中至少一錨點連接該震盪單元之該等效高剛性區域和該輸入接點，並以該錨點支撐該震盪單元於該基板上；其中該電極組為二電極或以該二電極為基礎單元於該震盪單元之該等效高剛性區域及該等效低剛性區域展開的組合；當該電極組為二電極時，該二電極其中之一為一驅動電極，另一為一感應電極；該二電極其中之一電極位於該震盪單元之該等效高剛性區域下方，另一電極位於該震盪單元之該等效低剛性區域下方。
  2. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該震盪單元與該電極組間具有一間隙。
  3. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該震盪單元材質為多晶矽(Polycrystalline Silicon)。
  4. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該電極組及該輸入接點由該導電層經黃光製程而形成。
  5. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該輸入接點與該震盪單元連接，俾使該震盪單元產生振盪放大之用。
  6. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該錨點係經由黃光製程而形成。
  7. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該二電極之佈局可為交叉式。
  8. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該二電極之佈局可為包圍式。
  9. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該二電極之佈局可為對稱式。
  10. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中該微機電共振振盪子結構可為樑狀或碟狀。
  11. 如請求項1所述之微機電共振震盪子結構，其中 該電極組可為一、二或三組以上電極組結構。
  12. 一種電路驅動方法，應用於請求項1所述之微機電共振震盪子結構，該電路驅動方法包含：由驅動電極輸入；以及由感應電極輸出並與一互阻放大器、一可變增益放大器、一迴路緩衝單元及一輸出緩衝單元連接。
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