本发明提供了一种包括振荡器的频率选择设备,包括:谐振器质量块(m),通过弹簧装置(60,62)连接至基板;以及压阻元件(62),用于控制谐振器质量块的振荡,所述压阻元件(62)包括连接至谐振器质量块(m)的压阻元件。将电流驱动通过压阻元件(62)以控制谐振器质量块的振荡。提供输入以将信号耦合至谐振器质量块,其中将根据所述信号来选择期望频率范围;使用检测器来检测被振荡器放大的信号。
1.一种频率选择设备,包括:谐振器质量块(m),通过弹簧(60,62)装置连接至基板;反馈压阻元件(62),用于控制谐振器质量块的运动对于与谐振器质量块耦合的输入信号的响应,并且被布置为使得反馈压阻元件中的应变响应于谐振器质量块(m)的移动而变化,反馈压阻元件中的应变变化引起电阻的变化;以及驱动电流的装置,用于驱动电流通过反馈压阻元件(62),以控制谐振器质量块的运动对于从输入信号产生的力的响应,其中该电流被调整至一驱动谐振器质量块所需的最小电流值以下的10%及0.1%之间;输入(93),用于将输入信号耦合至设备以便影响谐振器质量块的运动,其中将根据所述输入信号来选择期望频率范围;检测器,用于通过测量反馈压阻元件两端的电压变化或经过反馈压阻元件的电流变化以检测电阻的变化,来检测被谐振器放大并滤波的输出信号;以及天线,其中所述输入耦接至所述天线以接收输入信号,而所述输入信号为幅度调制(AM)或频率调制(FM),以及所述输入信号被输出时必须被解调。
2.根据权利要求1所述的设备,其中,用于驱动电流的装置包括:用于向反馈压阻元件(62)供应电流或电压的电流源或电压源。
3.根据权利要求2所述的设备,其中,谐振器质量块(m)通过至少两个支路连接至基板,所述至少两个支路一起形成弹簧装置,其中,第一支路包括反馈压阻元件,第二支路包括由电流源或电压源供应的电流的电流返回路径。
4.根据权利要求3所述的设备,其中,以第一掺杂水平对第一支路掺杂,以及以第二更高掺杂水平对第二支路掺杂。
5.根据权利要求3所述的设备,其中,第一支路的横截面比第二支路的横截面小。
6.根据前述任一项权利要求所述的设备,其中,谐振器质量块(m)和反馈压阻元件包括单个本体。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备,其中,输入包括在谐振器质量块上产生力的电极(93),所述力依赖于输入信号。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的设备,其中,用于将电流驱动通过反馈压阻元件(62)的装置产生具有叠加ac分量的dc电流。
9.根据权利要求8所述的设备,其中,dc电流电平被选择在与谐振器质量块的持续振荡相对应的电流以下,并且期望的频率范围包括谐振器质量块的谐振频率。
10.根据权利要求1至5和9中任一项所述的设备,其中,谐振器质量块(m)和弹簧装置包括单个本体。
11.根据权利要求1至5和9中任一项所述的设备,其中,谐振器质量块(m)包括硅本体。
12.一种无线电接收机电路,包括如前述任一项权利要求所述的频率选择设备。
13.一种无线电接收机,包括多个如权利要求12所述的无线电接收机电路,每个无线电接收机电路是针对不同的期望频率范围而设计的。
14.一种根据输入信号来选择和放大期望频率范围的方法,包括:驱动电流通过反馈压阻元件(62);使用反馈压阻元件(62)来控制谐振器质量块(m)的运动,反馈压阻元件(62)被布置为使得反馈压阻元件(62)的应变响应于谐振器质量块的运动而变化,并且反馈压阻元件中的应变变化引起电阻的变化;将输入信号耦合至设备以便影响谐振器质量块的运动,其中将根据所述输入信号来选择期望频率范围;以及通过测量反馈压阻元件(62)两端的电压变化或经过反馈压阻元件(62)的电流变化以检测电阻的变化,来检测被设备放大并滤波的信号,其中所述输入信号被天线接收,以及其中所述输入信号为幅度调制(AM)或频率调制(FM),以及所述输入信号被输出时必须被解调;其中该电流被调整至一驱动谐振器质量块所需的最小电流值以下的10%及0.1%之间。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,所述检测包括:测量反馈压阻元件两端的电压或经过反馈压阻元件的电流。技术领域
本发明涉及频率选择设备,例如,无线电接收机电路。具体地,本发明涉及使用MEMS谐振器结构的无线电电路。
背景技术
无线电电路使用频率选择电路和放大设备。已提出在频率选择和放大电路中使用MEMS振荡器。许多研究组正在集中研究基于MEMS谐振器的振荡器,最近已发布了一些初级产品。MEMS谐振器设备提供高Q因子、小尺寸、高集成度并且可能提供低成本。期望这些设备取代高精度振荡器中大体积的石英晶体。这种振荡器广泛用于计时和频率基准应用中,如,移动电话中的RF模块、包含蓝牙模块的设备以及其他数字和通信设备。由于振荡频率可以依赖于质量、温度、加速度和磁场,所以振荡器还可以用作非常灵敏的传感器。振荡器还可以用作致动器,例如用作振动反射镜以使激光束偏转或抽吸气体或液体。图1中示意性地示出了传统的基于MEMS的振荡器。传统的基于MEMS的振荡器基本上由MEMS谐振器10和外部放大器电路12构成。MEMS谐振器10由可以被激励成机械谐振振动的硅弹性体(mass-spring)系统和用于感测该振动并且将该振动转换成电信号的装置构成。将电信号馈送至放大器电路12。该电路基本上由增益放大器14和移相器16构成。将放大器的输出反馈至谐振器的致动侧。如果总回路增益大于1并且回路相移是0,则可以在回路内维持振荡。存在多种感测信号以及致动谐振器的多种方式。在大多数MEMS谐振器中,通过静电致动来执行激励,并且以电容或压阻方法来执行感测。在一些情况下,可以通过压电或热膨胀来执行致动。基于MEMS谐振器和外部电路的传统振荡器具有许多问题。最显著地,设备必须由两个分开的部件构成:MEMS谐振器设备和(基于晶体管的)放大器电路。这两个部件通常设置在分开的管芯上或最终可以集成在单个Si管芯上,但是针对这两个部件的技术和工艺实质上不同。除非可以将放大器电路与谐振器电路放在与谐振器相同的区域上,否则组合的设备将比单独的谐振器大。因此还存在其他问题,如,放大器和其他电路块(例如,移相器、缓冲器、用于为谐振器产生DC偏置电压的电荷泵)需要很大的功率。这些附加电路使得由于接合线而导致存在寄生电容,并且接合焊盘导致额外的不期望相移和/或回路损耗。大多数MEMS谐振器使用静电致动。致动效率可以由机电耦合效率η来指示: η = ϵ 0 AV dc g 2 ]]>其中,A是电极面积,V_dc是(除了AC电压以外)需要施加在电极上以产生致动力的DC偏置电压,g是电极之间换能间隙的宽度。从该公式中清楚的是,必须使电极面积最大化并且使间隙尺寸最小化以确保良好的耦合效率。由于A由MEMS结构的厚度和电极的长度来确定,所以上述需求意味着需要具有非常高的长宽比的换能间隙。用于实现这种高长宽比间隙(或沟槽)的技术是整个工艺中最难的步骤之一。使用静电致动的另一缺点是静电致动引起固有非线性信号,这是因为静电力不仅依赖于电压而且还依赖于位移。偏置电压也必须相对较高,在5V到几十V的量级上,这需要芯片上的电荷泵级。
发明内容
本发明具体涉及诸如无线电电路之类的频率选择电路内的MEMS振荡器结构的使用,并解决以上通常与MEMS振荡器有关的问题,例如以便使得可以实现微无线电。根据本发明,提供了一种频率选择设备,包括:谐振器质量块,通过弹簧装置连接至基板;反馈压阻元件,用于控制谐振器质量块的运动对于与谐振器质量块耦合的输入信号的响应,并且被布置为使得压阻元件中的应变响应于谐振器质量块的移动而变化,压阻元件中的应变变化引起电阻的变化;以及驱动电流的装置,用于驱动电流通过压阻元件,以控制谐振器质量块的运动对于从输入信号产生的力的响应;输入,用于将输入信号耦合至设备以便影响谐振器质量块的运动,其中将根据所述输入信号来选择期望的频率范围;以及检测器,用于通过测量压阻元件两端的电压变化或经过压阻元件的电流变化以检测电阻的变化,来检测被谐振器放大并滤波的输出信号。本发明提供了一种使用振荡器结构的频率选择电路,在所述振荡器结构中,在单个谐振器设备内部组合两个主要部件(谐振器和用于使振荡器回路闭合的电路),所述单个谐振器设备可以是MEMS设备。该设备由诸如传统谐振器之类的弹性体系统以及除此之外的一个或多个反馈压阻元件构成,所述一个或多个反馈压阻元件也可以制造在MEMS结构中。整个频率选择设备可以由同种成分的材料制成。压阻元件利用压阻信号来感测由于(振动形式的)运动而产生的应变,压阻信号是由于压阻效应而引起的电流或电压的变化,压阻元件使用热膨胀效应(源自于电能耗散的变化引起的温度变化)将该压阻信号转换成压阻元件自身内的机械应力,以便正反馈到机械振动中。以这种方式,振荡回路可以在相同谐振器结构内闭合,而无须使用任何外部电路并且也不用晶体管。此外,使用热膨胀效应致动使得不需要在致动电极与谐振器质量块之间制造难以制造的换能器间隙。压阻元件可以连接在谐振器质量块与基板之间,或连接在多个谐振器质量块之间,只要谐振器质量块的振荡模式引起应变的变化,所述应变的变化进而可以用于提供反馈控制。振荡器结构通过以下方式来工作:将谐振器质量块的机械运动转换成压阻元件中的应变变化。这导致压阻元件的电阻的变化。随着电流流经压阻元件,电阻的这种变化引起耗散的电能(P=I²R)的变化,耗散的电能的变化引起温度的变化。温度的变化产生热膨胀力,热膨胀力提供了机械反馈功能,从而提供对谐振器质量块的振动的控制。因此,压阻元件适于将谐振器质量块移动转换成加热,以及将加热转换成热膨胀,从而提供机械反馈功能。应注意,由于几乎在每种材料中都存在压阻加热效应和热膨胀效应,所以不需要特殊的结构或材料,实质上通过适当选择组件的几何结构来实现这种结构。通过提供输入以将输入信号耦合至设备,设备起到针对窄频带的再生式(放大)检测器的作用,所述窄频带依赖于振荡器结构的谐振频率。这使得可以形成低成本且小型的检测器/调谐器。再生式电路(或自再生式电路)允许利用相同的有源组件将电信号放大许多次并且还允许利用相同的滤波器将电信号滤波许多次。在这种情况下,有源组件是利用压阻效应的放大器,滤波器是高Q机械谐振器。对正反馈的这种使用极大地提高了简单接收机的选择性和灵敏度。正反馈将输入信号增强到非常高的水平,这对于再生式电路领域的技术人员来说是众所周知的。可以提供一种用于向压阻元件供应电流的电流源(恒定电流操作,其中使电流保持实质上恒定)或一种用于供应电压的电压源(恒定电压操作,其中使电压保持实质上恒定)。电流源具有两个功能:加热压阻反馈元件,以及用于检测元件的电阻变化。加热功率与通过梁的电流和梁两端的电压的乘积成比例。DC电流和高频AC电流都可以用来加热元件,因为如果频率与元件的热时间常数相比足够高,则该元件的温度将仅依赖于AC电流的均方根(rms)值。需要对压阻反馈元件进行加热,使得元件的电阻变化引起元件的热膨胀的变化。为了检测元件的电阻变化,DC电流将引起与电阻变化成比例的输出电压。AC电流与压阻变化信号混频,从而可以用于对信号的频率解调,如在PCT专利申请PCT/IB2009/052614中描述的。谐振器质量块可以通过至少两个支路连接至基板,所述至少两个支路一起形成弹簧装置,其中,第一支路包括压阻元件,第二支路包括针对压阻元件的电流返回路径。以这种方式,可以通过相同结构来实现弹簧装置和反馈压阻元件。在一个实施例中,以第一掺杂水平对第一压阻元件支路掺杂,以更高的第二掺杂水平对第二支路掺杂。两个支路实质上是相同材料(例如,硅)的,但是不同的掺杂水平提供了单个反馈压阻元件的实现方式。在另一结构中,第一压阻元件支路的横截面比第二支路的横截面小。这再次限定了不同的压阻特性。谐振器质量块和压阻元件包括单个本体。类似地,谐振器质量块和弹簧装置可以包括单个本体。该本体可以是使得可以使用标准MEMS制造技术的硅本体。优选地,输入包括电极,电极静电耦合至谐振器质量块,使得输入电压在谐振器质量块上产生静电力。备选地,输入还可以通过压电、电热机械(热膨胀)力、洛伦兹力、静磁力或其他电磁力耦合至谐振器质量块。用于驱动电流通过压阻元件的装置例如可以产生DC驱动电流,然而也可能是固定频率的正弦驱动AC电流,如果该频率远远高于振荡器结构的振荡频率的话。如果AC频率足够高以至于可以防止持续振荡的开始,则驱动电流也可以是具有叠加的低频AC信号的DC电流,在这种实现中,由于绝对电流电平可以在I_OSC以上,所以电路工作在超级再生模式而不是工作在再生模式下,并且提供甚至更高的增益和选择性。将均方根电流电平选择在驱动谐振器质量块的振荡所需的最小电流I_OSC以下。可以调整DC驱动电流电平I_DC,以调整电路的放大率和频率选择性。可以在Q=Q_int和Q=无穷大的滤波器之间调节电路的选择性,其中Q_int是谐振器质量块的本征Q值。通过以下等式给出确定滤波器的选择性的有效Q_eff: 1 / Q eff = 1 / Q int ( 1 - I DC 2 / I osc 2 ) ]]>输出信号将近似与ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="669"/>或比例。因此,对于大的增益和选择性,希望具有0.9I_oscDCosc。另一方面,必需仔细防止持续振荡并且防止过高的Q(如果滤波器选择性过高,则滤波器带宽可能变得比信道带宽小,使得不能接收整个信道)。通过检测谐振器质量块的持续振荡,可能期望实现一种减小或最优化I_DC的检测反馈电路。优选地,期望频率的范围包括谐振器质量的谐振频率的至少之一。频率选择设备可以用在无线电接收机电路中。无线电接收机可以包括多个本发明的无线电接收机电路,每个无线电接收机电路是针对不同的期望频率范围而设计的。可以实现的小型化意味着全带宽无线电接收机可以由多个(或上百个量级)独立的接收机组成,这些独立的接收机可以具有固定的驱动条件。仅需要驱动具有期望/所需的期望频率范围的独立接收机。本发明还提供了一种根据输入信号来选择和放大期望频率范围的方法,包括:驱动电流通过压阻元件;使用压阻元件来控制谐振器质量块的运动,压阻元件被布置为使得压阻元件中的应变响应于谐振器质量块的运动而变化,压阻元件中的应变变化引起电阻的变化;将输入信号耦合至设备以便影响谐振器质量块的运动,其中将根据所述输入信号来选择期望的频率范围;以及通过测量压阻元件两端的电压变化或经过压阻元件的电流变化以检测电阻的变化,来检测被设备放大并滤波的信号。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明,其中:图1以示意性形式示出了已知的MEMS振荡器结构;图2用于解释支持可以用在本发明电路中的振荡器设备的一般原理;图3用于更详细地解释支持振荡器操作的物理过程;图4是示出了回路增益的图;图5是示出了温度和应变如何随时间变化的图;图6示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第一示例;图7示出了耦合在一起的图6所示类型的两个振荡器;图8示出了图7的振荡器的实验结果;图9示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第二示例;图10示出了基于图9振荡器的本发明的频率选择电路;图11a和11b示出了图10的电路针对不同驱动电流的实验频率响应和频率选择性;图12a至12c示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第三示例;图13示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第四示例;图14示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第五示例;图15示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第六示例;图16示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第六示例;图17示出了可以用在本发明电路中的振荡器的第七示例;图18示出了可以用在本发明电路中的振荡器设备的示意电路图和详细电路图;以及图19示出了本发明电路的详细电路图。
具体实施方式
本发明提供了一种可以起到再生式检测器作用的频率选择电路。所述频率选择电路将MEMS振荡器的结构(尽管没有被驱动为按照传统方式振荡)与耦合信号的致动电极相结合,根据所述信号来选择/放大期望的频率范围。所述电路基于振荡器结构,在所述振荡器结构中,谐振器质量块的振动由压阻元件来控制。在解释本发明之前首先将描述这种振荡器设备工作的方式。尽管在本发明中使用所述振荡器设备,然而所述设备的控制避免振荡。在本发明电路中使用的振荡器设备中,耦合了三种物理现象:热、电(例如,压阻)和机械。图2是在本发明电路中使用的振荡器设备的简化示意图。设备由弹性体系统(m表示有效质量,k表示有效弹簧刚度)和一个或多个反馈压阻元件20构成。这些元件起到感测和致动元件的作用,因为这些元件提供了对振荡的控制,并且还可以提供从设备输出的电振荡信号。压电元件20将质量块连接至设备的固定框,即,基板。实际上,感测致动元件和质量块可以是弹簧自身或是弹簧的一部分。在图2和以下详细解释中,为了简明起见仅示出和讨论一个压阻元件20。压阻元件20由压阻材料(例如p或n掺杂硅)制成。在这种情况下,压阻元件优选地与弹性体系统以相同材料和相同工艺制成,但这不是必须的。在操作期间,通过压阻元件20来发送DC电流I。图2中未示出电流的返回路径,但是以下给出了示例。将设备设计为使得在质量块的振动期间,压阻元件实质上被压缩或伸展。如下解释设备的工作原理。弹性体系统可以在其自然角频率下谐振: ω 0 = k m - - - ( 1 ) ]]>其中,质量因子是Q,质量因子Q的逆(1/Q)确定了由于衰减而导致的每周期的部分能量损耗。为了维持振荡,该损耗必须由振荡回路来补偿。在本发明的设备中,利用压阻元件来实现补偿。假定将恒定电压V施加到压阻元件从而引起流经元件的电流,并且所述元件具有正量规因子K的压阻特性。在第一个四分之一振荡周期期间,假定质量块向固定框(基板)移动,这压缩压阻元件。这意味着元件经历负应变ε:ε=x/lxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(2)其中l是压阻元件的长度,x是压阻元件移动端的位移(x<0),从而也是质量块的位移(质量块被看作是固体结构)。由于压阻效应,元件的电阻根据以下等式而减小:R=R_dc(1+Kε)xa0xa0(3)其中,R_dc是零应变下元件的电阻。因为焦耳加热功率是 P Joule = V 2 / R = V 2 R dc ( 1 + Kϵ ) ≈ V 2 R dc ( 1 - Kϵ ) = P dc ( 1 - Kϵ ) - - - ( 4 ) ]]>在上述公式中,因为Kε<<1,所以可以执行近似。在恒定电压V和正数K下,P_joule随着元件被压缩而增大(ε<0)。因此,与零应变下元件的前一温度相比元件的温度升高。由于有限热容和热导而导致的不可避免的热延迟,温度的变化比应变的变化略微滞后。温度T的变化直接引起因热膨胀效应而导致的元件中的应力σ:σ=EαTxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(5)其中,E是杨氏模量,α是压阻元件的热膨胀系数。该应力导致这样的力:F=σA=EαTAxa0xa0xa0xa0(6)其中,A是压阻元件的横截面。该力沿着元件的伸展方向往回推送质量块,这帮助质量块在第二和第三个四分之一振动周期往回移动。注意,在该模型中,假定在温度和力之间没有延迟。对于第三和第四个四分之一周期沿反方向发生类似的机制,这帮助质量块在到达最远位置之后往回移动。以这种方式,可以正反馈弹性体系统的振动并且可以维持振荡。为了满足振荡条件,在位移和力之间,即,在元件的应变和温度之间必须有一定的相位滞后ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="32"/>。在理想振荡器中,该相位滞后是90°,然而如随后将示出的,这不是必须的或实际可靠的。图3示出了在设备内发生的振荡回路的物理过程的概图。谐振器质量块的移动被示为效应30。效应30引起压阻元件的应变,如31所示。在32处所示的压阻效应导致响应于功率输入34(电流源)随加热而耗散的能量损耗33。这引起具有时间滞后的温度变化,如效应35所示。导致热膨胀(效应36),从而热膨胀提供机械反馈功能以影响30处谐振器质量块的振动。由于所得到的衰减,存在能量损耗37。因此,设备通过以下方式来工作:使用压阻效应感测来自弹性体系统的机械振动的应变,使用热膨胀效应将该应变直接转换成应力。应力起到反馈至机械振动的致动力的作用。因此在MEMS设备自身内振荡回路是闭合的,因此不需要使用外部放大器电路。为了进一步理解原理并找出最优振荡条件,以下展示了精心设计的模型。起始点是设备的公共运动方程: m x · · + γ x · + kx = F - - - ( 7 ) ]]>其中,γ是衰减因子: γ = ω 0 m Q - - - ( 8 ) ]]>F是作用在质量块上的力,在这种情况下是热膨胀力。组合(2)、(6)和(8)得到: m ϵ · · + γ ϵ · + kϵ = AEα l T - - - ( 9 ) ]]>另一方面,在压阻元件中耗散的焦耳功率P按照以下方程与温度升高有关: G T · + GT = P - - - ( 10 ) ]]>其中,C是压阻元件的热容,G是压阻元件的热导。为了求解两个成对的差分方程(9)和(10),可以假定解是以下形式的:T=T_dc+T₀e^jωtxa0xa0xa0xa0xa0xa0(11)ε=ε_dc+ε₀e^jωt通过组合(9)、(10)和(11),可以得到回路增益G_loop: G loop = - α AEKP dc kl 1 ( jωC + G ) ( 1 - ω 2 ω 0 2 + j ω Q ω 0 ) - - - ( 12 ) ]]>为了维持振荡,必须满足以下两个条件:Imxa0G_loop=0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(13)Rexa0G_loop≥1最终得到 ω = ω 0 1 + G Q ω 0 C - - - ( 14 ) ]]>以及 Re 1 G loop = kl α AEKP dc G Q ( Ψ + 1 Ψ + 1 Q ) - - - ( 15 ) ]]>其中ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="186"/>是无量纲参数。图4示出了对应Ψ(Psi)而绘制的实际回路增益(归一化为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="228"/>),图4示出了当Ψ=1时回路增益最大,或: G ω 0 C = 1 - - - ( 16 ) ]]>在该Ψ值处,达到最佳振荡条件。最大回路增益是: ReG loop = α AEKP dc 2 kl Q G - - - ( 17 ) ]]>在这种条件下,温度变化滞后于应变变化的相位是ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="216"/>图5用于定性地解释压阻元件处应变与温度之间的相移。曲线50是温度随时间的变化,曲线52是应变随时间的变化。通过选择与预期谐振频率有关的G和C的适当集合来达到条件Ψ=1。此外,可以通过调节压阻元件的尺寸来调节G和C。如果压阻元件是矩形形状的,则元件的热容和热导可以近似为: G = 4 κ A l ]]>C=c_sρAlxa0xa0xa0xa0(18)其中,κ是比热导,ρ是质量密度,c_s是材料的比热容。条件Ψ=1现在可以重写成: ω 0 l 2 = 4 κ c s ρ - - - ( 19 ) ]]>等式(19)右侧由材料特性来确定,因此可以看作是实质上固定的。为了满足(19),对于给定的频率仅必须调节压阻元件的长度。在上述分析中,假定在压阻元件上施加恒定电压V。如等式(15)所建议的,为了使设备振荡(即,回路增益应当是正的),量规因子K应当是正的。备选地,如果将恒定电流I而不是恒定电压施加在压阻元件上,则得到:P_Joule=I²R=I²R_dc(1+Kε)=P_dc(1+Kε)xa0xa0xa0xa0(20)为了使回路增益是正的,量规因子K必须是负的。通过选择正确的掺杂类型可以容易地设置硅的压阻量规因子的符号:当硅是p掺杂时,压阻量规因子的符号是正的,当硅是p掺杂时,压阻量规因子的符号是负的。K的幅度依赖于多种因素,如,晶体取向、掺杂浓度和温度。由于在致动方法中的直接热机械耦合并且没有外部放大器电路,所以所提出的热机电振荡器可以以低功率工作。根据(17)、(18)和(19),可以确定针对最优振荡条件的最低功耗: P dc ≥ 4 c s ρκ αK A ω 0 Q - - - ( 21 ) ]]>(21)的第一部分仅依赖于材料特性和温度;第二部分与设计有关。例如,由硅制成的、谐振频率为1MHz、压阻元件的横截面积为1.5×2μm²并且Q是50,000的振荡器原则上以13μW的最小DC功率工作。对于弹簧结构、压阻元件和谐振器质量块存在许多不同的可能配置。现在将概述多种可能结构,尽管将理解以下示例并不是排他性的。图6示出了第一实施例,第一实施例包括谐振器质量块m以及经由两个锚点54将质量块连接至固定基板的两个梁60、62。除了两个锚以外整个结构都是独立式的。在图6中,仅示出了设备的顶视图(2D)。应理解,该结构实际上可以延伸到三维并且2D布局的平面在基板的平面中。该结构由硅制成。例如,使用针对MEMS谐振器的标准工艺,可以在绝缘体上硅结构(SOI)上制造该结构。在该结构的制造期间,对一个梁62进行低掺杂,使得压阻量规因子最大化。对另一个梁60和质量m的其他部分(或至少在梁的两个上端之间连接处的区域)进行高掺杂,以实现短路连接。当DC电流I从一个锚流向另一个锚时,电路径可以由串联的两个电阻器来表示:电阻器62具有相对高的电阻和大的压阻效应(由于低掺杂),以及电阻器60具有非常低的电阻(由于高掺杂)并且可以被看作是短路的。在高掺杂的梁62处,压阻效应非常小并且可以被忽略。在该结构中,两个梁都对弹簧刚度作出贡献,并且只有右侧的(具有压阻效应的)梁起到压阻元件的作用。对于该结构,摆动模式是感兴趣的振动模式(质量块在图的平面中向侧面摆动)。选择梁和质量块的尺寸,使得满足根据上述分析的振荡条件。当质量块在摆动模式下振动时,两个梁交替地被压缩和伸展。根据上述原理,该振动模式被放大并最终实现稳定的振荡状态。为了使锚损耗最小化从而使Q因子最大化,如图7所示,可以以对称配置背对背地布置两个相同的振荡器。图7示出了通过两个梁耦合在一起的两个谐振器质量块70、72,每个梁的中点耦合至基板从而限定锚点。这种背对背连接谐振器质量块的方法可以应用于以下描述的所有示例,但是为了简明起见,其他示例示出了最简单的可能配置。已在实际MEMS结构中测试了图7的设备。图8示出了图7的设备的经验谱。在分析中所使用的结构是使用标准MEMS谐振器工艺制造的硅结构。在测量期间,向设备提供3mA的DC电流。设备示出了与质量块的平面内摆动模式相对应的在2.65MHz处的谐振峰。图9示出了与第一实施例相类似的第二实施例。同样,设备由质量块和两个梁90、92构成。然而,对于两个梁和质量块m(或至少与两个梁的连接处接近的区域)来说,掺杂水平相同。一个梁92被制造得显著大于另一个梁。较宽的梁起到短路连接作用,较窄的梁90起到压阻元件的作用。由于与较窄的梁相比,较宽的梁具有非常小的电阻,所以可以忽略较宽的梁的压阻效应。质量块的位置可以相对于梁不对称。以上概述的谐振器设计可以提供非常小并且可以以非常简单的方式制造的谐振器,而无需晶体管维持振荡。本发明使用这种振荡器设计,并且提供了额外致动电极的添加。该额外致动电极使得振荡器可以用作无线电或其他窄带检测系统中的再生式检测器(或用作超级再生式检测器),而不使用传统的晶体管或真空管放大器。图10基于图9的振荡器设计示出了本发明的基本示意。致动或输入电极93耦合至天线94或要感测的其他信号源。优选地,输入包括静电耦合至谐振器质量块的电极,使得输入电压在谐振器质量块上产生静电力。备选地,还可以通过压电、电热机械(热膨胀)力、洛伦兹力、静磁力或其他电磁力将输入耦合至谐振器质量块。如果使用静电力将输入电极耦合至谐振器质量块,则应当在输入电极与谐振器质量块之间制造小的静电气体或真空间隙。质量块与输入电极之间的该间隙距离典型地应当在50nm和3000nm之间。间隙间隔可以是平行板电容器,但是也可以是静电梳驱动致动器。间隙两端的DC偏置电压需要确保力的频率等于输入信号的频率。压阻元件90连接至dc电流源95(作为致动器)和具有阻抗Z_out的AC电压或电流检测器96(作为传感器),而梁92接地。致动力与来自天线(或其他输入传感器)的电信号v_ac(t)成比例。如果将电流I_dc调节到刚好在机械振荡器的振荡条件以下(在I_OSC以下的10%和0.1%之间),则与振荡器的振荡频率非常接近的频带内的信号将使用再生式放大原理被强烈放大,并由检测器96检测。检测器包括与电容器串联的AC电压或电流计。电容器防止DC电流进入检测器。理想地,检测器测量压阻元件90两端的AC电压或通过压阻元件90的AC电流或90和92两端的AC电压之和。除了检测滤波且放大后的输入信号以外,检测器在解调信号时也是有利的。输入信号可以是幅度调制(AM)或频率调制(FM)的,并且需要在输出处解调输入信号。为了实现这一点,可以利用频率选择设备中提供的混频功能。在PCT/IB2009/052614中找到关于这些问题的论述。具体地,可以使用压阻效应和静电致动来混频两个信号。以上参考还描述了可以如何使用该混频功能来创建诸如I-Q解调器和超外差接收机之类的接收电路。由于频率选择设备还可以使用压阻或静电元件来混频信号,所以可以通过将一个或多个电路元件替换成本发明的频率选择设备来提高电路的灵敏度和放大率。还可以通过斜率解调来执行FM频率解调。图11示出了设备的功能性。图11a示出了不同DC电流电平下图10的杠杆型设备的谱分析器测量(谐振频率随着电流的增大而减小)。垂直轴是以dBm/Hz为单位的输出功率,水平轴是以Hz为单位的频率。图11a示出了作为再生式检测器的设备的操作。输入是未匹配的具有100dBm/Hz白噪声的天线信号。示出了由于臂的温度变化而引起的谐振频率的频率调节。再生式检测器实现了大约30dB的放大。为了仿真实际信号的测量,在静电致动电极上施加恒定的白噪声信号v_ac(t)。当通过谐振器的电流I_dc从0.1mA增大到2.8mA时,输出信号幅度强烈增大多于50dB。同时,设备变得更具有频率选择性。检测频率在较高电流处略微偏移,这主要是由于影响杨氏模量从而影响设备谐振频率的温度变化而引起的。图11b示出了作为平方DC电流I²函数的设备的带宽或频率选择性的测量(1/Q与带宽成比例)。该测量清楚地示出了设备在较高电流处变得更具有频率选择性。从而Q因子在较大DC电流处增大并在I_dc=1.6mA处达到∞。刚好在I_OSC以下,Q>500,000。同样,测量是对如图10所示的设备执行的。线98示出了设备中振荡开始时的电流电平。图10的设备可以用作超级再生式频率选择电路。为此目的,必须向DC电流添加小的AC电流(I_tot=I_dc+I_ac),其中幅度I_ac<0.3I_dc。调节DC和AC电流,使得总体设备有时具有负电阻,但平均具有正电阻。例如,从E.H.Armstrong的文献“Somexa0recentxa0developmentsxa0ofxa0regenerativexa0circuits′′,Proc.IRExa0vol.10.noxa08.ppxa0244-269(1922)中可以理解这一点。为了满足该条件,要求I_tot,max>I_osc,但是I_dcosc。此外,电流的AC分量的频率应当足够高以防止设备进入持续的振荡。另一方面,AC电流的频率应当较低以具有大的放大。超级再生式检测原理能够比再生式检测产生甚至更高的增益。外部振荡器可以产生低频AC电流。在本发明的一个实现方式中,该外部振荡器是如上所述的其他MEMS振荡器并且形成频率选择电路的基础。可以通过提供通过串联的外部振荡器和超级再生式检测器两者的DC电流,或者通过在并联的外部振荡器和超级再生式检测器两者两端施加相同的DC电压源,来为外部振荡器和超级再生式检测器供电。设备的非线性可以用作上述混频器。如果设备在振荡或接近振荡,则可以将设备的自由振荡与致动信号混频,从而下混频到基带频率。可以通过调整V_dc和I_dc的值来实现检测频率的调节,V_dc和I_dc的值将导致如图11a所示的频移。V_dc影响所述结构的有效弹簧常数,I_dc经由杨氏模量的温度相依性以及通过其对弹簧常数的影响来影响谐振频率(如以下进一步分析中所示的)。然而,以这种方式仅可以实现小的频移。还可以通过调整热系统来调节频率(例如通过改变间隙压力,接地的热电阻将减小)。这通过以下进一步分析也会变得清楚。还可以通过调整Z_out的值来使频率和幅度偏移。代替将无线电电路调节到期望的频率范围,相反,电路也可以较小以至于可以并联布置许多电路。每个电路专用于特定频带。可以通过接通DC电流来接通或断开期望的频带。由于可以将设备制造得非常小,所以在1平方毫米的硅上放置多于1000个电路变得可行。以上讨论集中在静电致动上。还可以使用诸如热、磁或压电致动之类的其他MEMS致动原理来实现致动。具有阻抗Z_out的检测系统可以是附加放大器的输入阻抗。然而,原则上所述电路可以直接连接至扬声器以收听期望的信号频带/信道。如果需要,则可以在连接至扬声器之前使用整流器进行整流。在要求具有高增益/灵敏度的高频率选择性的滤波器或频率选择性(Q因子)可调的滤波器的应用中,本发明尤为有用。如果并联布置这些谐振器中的许多谐振器,每个谐振器具有略微不同的谐振频率(例如,f=f0+n*df,其中n=0-100),则通过调节经过每个元件的DC电流,滤波器特性变为可调的。备选地,每个谐振器的输出连接至单独的输出(信道)。可以简单地选择期望的无线电信道。如果无线电信号的较强并且频率足够接近,则可以将振荡器“锁定”到无线电信号。这样,可以使用单个发射机来使时钟同步。可以使用本发明的可能应用是FM或AM无线电、蓝牙接收机、GPS接收机、无线传感器网络。本发明提供了一种简单的低成本且小的无线电电路。该无线电电路可以尤为窄带(有效Q_eff>1,000,000)且高增益。该无线电电路还具有低功率操作的潜力。因此,该无线电电路具有非常吸引人的应用可能性,尤其在低成本无线电市场中。本发明可以应用于许多不同的振荡器设计。在对于本发明电路功能的数学分析之后,将首先描述振荡器设计的一些另外实施例。图12a所示的振荡器的第三实施例是先前实施例的进一步扩展。代替具有单个压阻元件,相反,在中间梁104的两侧布置两个压阻元件100、102。可以以相同的水平来掺杂整个结构,例如以便产生负量规因子。DC电流从一个压阻元件流向另一个压阻元件(恒定电压或恒定电流)。中间梁不应吸取任何电流,并且仅用于感测压阻元件之间的点处的电压变化。因此,中间梁起到电压输出抽头的作用。两个压阻元件以电学方式串联。在振动期间(在摆动模式下),两个压阻元件交替地被压缩和伸展,从而根据原理这两个压阻元件可以交替地推送和拉回质量块,例如以便维持振荡。由于压阻元件的电阻以反相位变化,所以压阻元件的总电阻实质上恒定,从而在元件中产生恒定电流,而与是否从外部施加恒定电压或恒定电流无关。可以将读出电路看作是半惠斯通电桥,其中中间梁处的电压随振动而变化并且可以用作输出信号。图12b示出了第三实施例的另一扩展。现在中间梁104被定位在质量块顶侧中间位置。在以对称结构背对背放置两个相同结构的情况下这种布置更优选。在这种情况下,如果将梁定位在两个压阻元件100和102之间,则很难将该梁连接至外部。优选地中间梁104是细且长的梁,以便使通过锚(所述锚将梁连接至基板)的能量损耗最小化,从而使Q因子最大化。图12c示出了第三实施例的另一扩展。第三实施例中的中间梁104现在被替换成两个小梁104a、104b,这两个小梁104a、104b对称地附着到压阻元件靠近质量块的端部。这两个梁还被锚定到基板并且电连接至设备的输出端口。这些梁也是细且长的,以便使能量损耗最小化从而使Q因子最大化。此外,由于压阻元件处梁的附着点靠近所述结构的旋转点,所以通过这些梁的能量损耗被进一步减小。图13的第四实施例具有谐振器质量块m和附着到质量块两个相反侧的两个梁。在感兴趣的振动模式下,质量块向侧面平移,沿梁的纵向方向上交替地压缩和伸展梁。一个梁110被低掺杂并用作压阻元件,另一个梁112和质量块被高掺杂以实现压阻元件与其他锚之间的短路连接。为了致动振荡器并输出信号以进行检测,允许DC电流从一个锚流向另一个锚。在这种情况下,弹簧刚度是沿纵向方向上两个梁的刚度之和。基于电压检测,读出方法与图6的示例的相同。图14的实施例具有谐振器质量块m,在质量块的三个不同侧连接三个梁。感兴趣的振动模式是摆动模式,旋转点在中间梁120附近的某处。与该振动模式相关联的刚度是由所有三个梁贡献的。以相同的水平来掺杂整个结构。质量块左侧和右侧的梁122、124用作压电元件,并且中间梁用于拾取输出信号。从一个压阻元件向另一压阻元件发送恒定电流I。当质量块振动时,交替地压缩和伸展两个压阻元件。这意味着使用推拉方式来致动质量块。在中间梁处存在电压变化,该电压变化可以用作对检测器的输出信号。图15的实施例中的设备具有通过压阻元件134彼此连接的两个弹性体结构130、132。每个结构在(图中的较低侧)具有另一个梁136,梁136将质量块连接至基板。在感兴趣的模式下,两个质量块以反相位摆动,压阻元件的中间点不动。为了确保激励正确的模式,可以如所示的来锚定压阻的中间点,但是中间点应该保持电隔离。将压阻梁低掺杂(以具有压阻效应),将其余部分低掺杂(以实现短路)。在操作期间,通过压阻元件和质量块本体从一个梁向另一个梁发送DC电流。压阻元件收缩和伸展,从而将两个质量块驱动到反相摆动模式。可以根据电压变化(当使用恒定电流时)或电流变化(当使用恒定电压时)来得到输出信号。图16所示的设计类似于悬臂谐振器结构,但是沿着梁的中间具有裂缝160,裂缝160将梁分成两个支路162、164。在梁的尖端(自由端),两个支路仍然相连。DC电流可以从梁的一个支路流向另一个支路。在这种情况下,振动模式是纵向体声波(BAW)模式,在该模式下将质量块和弹簧合并在相同结构内部。压阻元件是所述结构的支路,可以在BAW模式下自身谐振。所述结构的BAW模式谐振频率由以下等式给出: ω 0 = π 2 L E ρ - - - ( 21 ) ]]>其中,L是结构的长度。将等式(21)和等式(19)相组合,给出Si的特征谐振频率ω_th, ω th = π 2 16 c s E κ - - - ( 22 ) ]]>假定对于(100)方向E=130GPa,κ=100Wm^-1K^-1(在RT处),c_s=850Jkg^-1K^-1(在RT处),ρ=2330kg/m³,结果是f_th=ω_th/2π=89GHz和特征长度L=21nm。在以上所有实施例中,压阻元件主要工作在纵向模式下,即,压阻元件被纵向压缩和伸展。在图17的实施例中,如果可以特殊地设计元件的掺杂方案,则弯曲的压阻元件也可以起作用。可以认为梁具有形变,所述形变具有曲率半径为R的显著弯曲分量。在这种情况下,梁的中线将具有零应变。外半径将具有拉伸应变,内半径将具有压缩应变。梁的边缘与图6中分开的梁相类似。为了使用边缘来形成压阻元件,对用作压阻元件的梁的边缘170进行掺杂,而不对梁的中间部分进行掺杂,以将边缘电学分开。所述设备工作在推拉模式下,意味着梁的边缘被交替地压缩和伸展。这使得梁在两侧交替地弯曲。本发明使用简化的振荡器结构。可以在单个MEMS结构内实现完整的振荡器,而不必使用任何外部电路。不需要换能间隙和高DC电压。仅需要小电流来致动设备并提供输出信号。所述设备与硅工艺技术兼容。因此,由于设备可以具有仅由具有压阻特性的均匀材料(例如,硅)制成的结构,所以设备制造可以非常简单。可以由与硅工艺技术兼容的设计来控制谐振频率,并且可以以高Q因子实现元件的高线性度(不需要晶体管)。现在将给出频率选择电路的操作的数学分析和介质,具体地分析和解释再生式检测功能。图18示出了图9的MEMS振荡器的等效电路。图18(a)示意性地示出了电路的连接。将DC电流I_DC驱动通过MEMS设备20,而将可以被电容耦合并且具有内部阻抗Z_out的测量设备连接至MEMS晶体的端子。MEMS振荡器用作时间相关电阻器。MEMS振荡器由图20(b)的机械范畴部分中示出的质量块、衰减器和弹簧构成。弹簧还起到换能器元件的作用,其中将DC电流驱动通过所述换能器元件。在图18(b)中示出了表示换能器元件中的压阻效应、热加热和热膨胀效应的等效电路。图18(b)将电路分为机械范畴、电范畴和热范畴,依次对其进行讨论。机械范畴在机械范畴中,管理设备谐振模式的差分方程可以由质量块m、衰减器b、弹簧k系统来描述,或者由等效电感器L_m、电阻器R_m和电容器C_m来描述,并且由方程(23)来指示。 m x · · + b x · + kx = F thermal = αkT ]]> L m q · · m + R m q · m + q m C m = α kv Ct - - - ( 23 ) ]]>电路中的电荷q_m表示位置x,电流i_m、速度和电压v_m表示元件上的力。换能器元件中的热膨胀效应由具有输出电压V_te的电压控制电压源来表式,所述电压控制电压源产生与温度T=V_Ct成比例的热膨胀力。电压控制电压源对热膨胀效应的表示忽略了热弹性效应。这是良好的近似,因为在机械衰减电阻器R_m的值中考虑机械系统的热弹性衰减,所以热范畴中的热弹性功率远远小于通过热电阻器R_t泄漏出的功率。电范畴压阻效应将弹簧x的伸展转换成电阻的相对变化,所以r_ac/R_dc=K_prx=K_prq_m=K_prC_mv_Cm。因为有电流I_dc通过电阻器,所以该效应可以由电压控制电压源来表式,其中输出电压是:v_pr=I_dcR_ac=I_dcR_dcK_prC_mv_Cm。该压阻电压产生依赖于检测器阻抗Z_out的AC电流i_ac,并且在该电阻器两端产生输出电压v_ac。换能器元件上的电压和电流导致电阻加热功率P_dc+p_ac=(V_dc+v_ac)(I_dc-i_ac),由于i_ac=(v_pr-v_ac)/R_dc并且V_dc=I_dcR_dc,产生热加热功率p_ac=I_dc(2v_ac-v_pr),在图18(b)中由具有运算换能放大器的变换器来表示。热范畴 C t dT dt + T R t = p ac ]]> C t dv Ct dt + v Ct R t = i t - - - ( 24 ) ]]>热电容C_t可以由电容器和电阻器R_t的热电阻来表式。从方程(24)可以看出,热电容器V_Ct两端的电压表示AC温度T。热功率由电流i_t=p_ac来表示。热膨胀效应使反馈回路闭合。可以在机械范畴将图18(b)中的电路简化成单个差分方程,其中机械谐振器由来自热膨胀的反馈来驱动。如果运动由x=x₀Re(e^iωt)来近似,这产生: m x · · + b x · + kx = F thermal = β ( 1 - iω R t C t ) x ]]> β = αk R t I dc 2 R dc K pr 1 + ( ω R t C t ) 2 ( 2 Z out R dc + Z out - 1 ) - - - ( 25 ) ]]> - m ω 2 + iω ( b + β R t C t ) + ( k - β ) = - m ω 2 + iω b * + k * = 0 ]]>这表明,管理具有反馈的线性系统的差分方程与衰减谐波振荡器的差分方程相类似。经由电和热范畴的反馈修改有效衰减常数和弹簧常数,所述有效衰减常数和弹簧常数变为b^*=b+βR_tC_t以及k^*=k-β。系数β也可以是负的,这是因为压阻常数K_pr是负的,或因为输出阻抗Z_out小于R_dc。这将减小有效衰减常数b^*。可以通过增大I_dc来增大β为负的量。在I_dc的临界值处,b^*将变成负的并且设备将开始振荡,这是因为谐振器的正本征衰减b被反馈回路的负衰减补偿。对于振荡而言,需要由热电容器和热电阻器在热范畴中产生的相移,因为振荡器的振荡条件需要90度相移以及足够的回路增益。图19是示出了图10的本发明电路的操作的电路图。电路图向图18(b)添加了天线202和附加致动电极204。由于图19的电路具有正反馈,所以输入信号被再生式检测电路强烈地放大,尤其是在I_dc接近振荡条件的情况下。可以通过调整输出阻抗Z_out来调节电路的效率。可以对振荡器设计进行各种修改。例如,具有压阻效应的所有材料都可用被用来形成振荡器反馈元件。压阻效应存在于许多金属、金属合金以及半导体中。在半导体中的压阻效应远远大于在金属和金属合金中的压阻效应(尽管金属用在应变仪中)。金属和金属合金的示例是:铂、镍、康铜(铜镍合金)、镍铬V(镍铬合金)、铂合金(通常是钨)、等弹性合金(镍铁合金)、或镍铬系精密级电阻材料型合金线(镍铬合金)。尽管设备被描述为由硅制成,然而可以使用其他半导体。合适半导体的示例是:Si、Ge、SiGe、SiC、III-V型半导体(如,GaAs、InSb、InAs)。在以上所有示例中,优选地致动电极靠近具有最大幅度的谐振器的一侧。反馈压阻元件可以由具有大压阻系数的硅纳米线或碳纳米管制成,而不是由体材料硅制成。检测器可以连接至天线,使得可以无线传输检测器的读数。各种其他修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。