DE60012217T2

DE60012217T2 - Zeitbezug mit einem integrierten micromechanischen ringresonator

Info

Publication number: DE60012217T2
Application number: DE60012217T
Authority: DE
Inventors: Metin Giousouf; Heinz KÜCK; Rainer Platz
Original assignee: ETA SA Manufacture Horlogere Suisse
Current assignee: ETA SA Manufacture Horlogere Suisse
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: IL149397A0; JP2007010675A; CN1387696A; JP2007024901A; RU2002114350A; KR100776474B1; US6859113B2; JP4745907B2; AU7897900A; EP1313216A3; NO20022045L; JP4814715B2; EP1313216A2; HK1050433A1; AU771159B2; CA2389980A1; EP1232563B1; EP1313216B1; RU2249299C2; CN1549443A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zeitbasis, d. h. auf eine Vorrichtung, die einen Resonator und eine integrierte elektronische Schaltung, die den Resonator zu einer Oszillation anregt und in Reaktion auf die Oszillation ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, umfasst.
Zeitbasen oder Frequenznormale sind in vielen verschiedenen elektronischen Vorrichtungen erforderlich, die von Armbanduhren oder anderen Zeitmessgeräten bis zu komplexen Telekommunikationsvorrichtungen reichen. Solche Zeitbasen sind typischerweise durch einen Oszillator, der einen Quarzresonator enthält, und durch eine elektronische Schaltung, die den Resonator zu einer Oszillation anregt, gebildet. Eine zusätzliche Teilungskette kann verwendet werden, um die Frequenz des durch den Oszillator erzeugten Signals zu teilen, um eine niedrigere Frequenz zu erhalten. Andere Teile der Schaltung können dazu dienen, die Frequenz einzustellen, beispielsweise durch Einstellen des Teilungsverhältnisses der Teilungskette. Die Komponenten der elektronischen Schaltung sind vorteilhaft auf einem einzigen Halbleitersubstrat in CMOS-Technologie integriert. Andere Funktionen, die nicht direkt mit der Frequenzverarbeitung in Beziehung stehen, können auf demselben Substrat integriert sein.
Vorteile der Quarzresonatoren sind ihr hoher Gütefaktor Q, der zu einer guten Frequenzstabilität und zu einem niedrigen Leistungsverbrauch führt, sowie ihre gute Temperaturstabilität. Ein Nachteil typischer Zeitbasen, die Quarzresonatoren verwenden, besteht jedoch in der Tatsache, dass zwei Komponenten, d. h. der Quarzresonator und die integrierte elektronische Schaltung, erforderlich sind, um eine hochgenaue Frequenz zu schaffen. Ein diskreter Quarzresonator erfordert einen Kartenraum, der in vielen Fällen knapp ist. Beispielsweise erfordert ein Standard-Quarzresonator für Armbanduhr-Anwendungen einen Raum in der Größenordnung von 2 × 2 × 6 mm³. Darüber hinaus entstehen durch die Zusammenfügung und die Verbindung der zwei Komponenten zusätzliche Kosten. Noch immer sind der Raum und die Montagekosten Hauptprobleme, insbesondere in dem wachsenden Gebiet tragbarer elektronischer Vorrichtungen.
Es ist somit eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für die oben erwähnten Probleme zu schaffen, indem eine Zeitbasis geschaffen wird, die einen integrierten Resonator enthält.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zeitbasis zu schaffen, die vollständig auf einem einzigen Substrat integriert sein kann, die für die Massenproduktion geeignet ist und die mit der CMOS-Technologie verträglich ist.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, eine Zeitbasis zu schaffen, die einen Resonator mit einem verbesserten Gütefaktor Q und dadurch mit einer größeren Frequenzstabilität und einem niedrigen Leistungsverbrauch enthält.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Zeitbasis zu schaffen, die kostengünstig ist und nur eine sehr kleine Oberfläche auf einem Halbleiterchip erfordert.
Demgemäß wird eine Zeitbasis geschaffen, die einen Resonator und eine integrierte elektronische Schaltung, die den Resonator zu einer Oszillation anregt und in Reaktion auf die Oszillation ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein integrierter mikromechanischer Ringresonator ist, der über einem Substrat gehalten wird und so beschaffen ist, dass er in einer ersten Oszillationsart um eine Drehachse oszilliert, die zu dem Substrat im Wesentlichen senkrecht ist, wobei der Ringresonator umfasst:

– eine Mittelstütze, die sich von dem Substrat längs der Drehachse erstreckt;
– eine freistehende Oszillationsstruktur, die mit der Mittelstütze verbunden ist und enthält:
– einen Außenring, der zu der Drehachse koaxial ist; und
– mehrere Federelemente, die symmetrisch um die Mittelstütze angeordnet sind und den Außenring mit der Mittelstütze verbinden;
– wenigstens ein Paar diametral entgegengesetzter Elektrodenstrukturen, die um den Außenring angeordnet und mit der integrierten elektronischen Schaltung verbunden sind, und
– wobei die Federelemente eine gekrümmte Form haben und im Wesentlichen senkrecht zu der Mittelstütze verbunden sind.

Ein Vorteil der Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass der mikromechanische Ringresonator einen hohen Gütefaktor Q zeigt. Es sind Gütefaktoren in der Größenordnung von 2 × 10⁵ gemessen worden. Zum Vergleich zeigen Abstimmgabel-Quarzresonatoren nach der Lasertrimmung der Gabelzinken gewöhnlich Werte im Bereich von 5 × 10⁴ bis 1 × 10⁵. Unterschiedliche Entwurfsmerkmale, die den hohen Gütefaktor Q begünstigen, bilden den Gegenstand abhängiger Ansprüche und werden im Folgenden im Einzelnen beschrieben.
Weiterhin ist die auf dem Substrat erforderliche Oberfläche für die Bildung des Ringresonators für eine gegebene Resonanzfrequenz im Vergleich zu anderen Resonatoren klein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die elektronische Schaltung vorteihaft auf dem Substrat zusammen mit dem mikromechanischen Ringresonator integriert, was zu einer kostengünstigen Zeitbasis führt. Geringere Kosten werden auch durch die Unterbringung des Resonators auf Wafer-Niveau unter Verwendung einer Wafer-Bonding-Technologie erhalten.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass Ringresonatoren mit ähnlichen Merkmalen für Erfassungsvorrichtungen bekannt sind, etwa Winkelgeschwindigkeitssensoren, Beschleunigungsmesser oder Gyroskope. Beispielsweise offenbaren sowohl das US-Patent Nr. 5.450.751 an Putty u. a. als auch das US-Patent Nr. 5.547.093 an Sparks einen mikromechanischen Ringresonator für ein Vibrationsgyroskop, das einen plattierten Metallring und ein Federsystem, die über einem Siliciumsubstrat unterstützt sind, umfasst. Das US-Patent Nr. 5.872.313 an Zarabadi u. a. offenbart eine Variante des obigen Sensors, die so konfiguriert ist, dass er gegenüber einer Temperaturschwankung eine minimale Empfindlichkeit zeigt. Das US-Patent Nr. 5.025.346 offenbart einen Ringresonator für die Verwendung als Mikrosensor in einem Gyroskop oder in einem Winkelgeschwindigkeitssensor.
Weder gibt eines der oben genannten Dokumente die Verwendung eines solchen Typs eines Ringresonators in einer Oszillatorschaltung an, damit er als ein Frequenznormal oder als Zeitbasis wirkt, noch schlägt es die Verwendung eines solchen Typs vor. Darüber hinaus sind zahlreiche Entwurfsmerkmale (z. B. die Form und die Anzahl von Federelementen) der in diesen Dokumenten offenbarten Ringresonatoren von der Art, dass sie für Zeitmessungsanwendungen, wo die Frequenzstabilität und der geringe Leistungsverbrauch wesentlich sind, nicht geeignet wären. Beispielsweise zeigen die Resonanzstrukturen, die in dem US-Patent Nr. 5.025.346 offenbart sind, einen Gütefaktor im Bereich von 20 bis 140, der zu gering ist, als dass er in einer hochgenauen Zeitbasis in Zeitmessungsanwendungen verwendet werden könnte, da Quarzresonatoren, die in Zeitmessungsanwendungen verwendet werden, Gütefaktoren in der Größenordnung von 1 × 10⁴ bis 1 × 10⁵ zeigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Entwurfsmerk male vorgeschlagen, die zu einem hohen Gütefaktor Q, einer hohen Stabilität der Oszillationsfrequenz gegenüber Schwankungen der Amplitude der Erregungsspannung und zu einer Toleranz gegenüber Ferfigungsprozessschwankungen führen. Tatsächlich ist eines der Hauptziele für eine Anwendung als Oszillator ein hoher Gütefaktor Q. Ein hoher Gütefaktor Q hat eine stabile Oszillation mit geringem Phasenrauschen und geringem Leistungsverbrauch zur Folge, wie dies für Zeitmessungsanwendungen gefordert wird.
Gemäß anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Mechanismen vorgeschlagen, um die Wirkung der Temperatur auf die Resonanzfrequenz des Ringresonators im Wesentlichen zu kompensieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Temperaturmessschaltung auf dem Substrat integriert sein, um die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des Signals, das durch die Zeitbasis erzeugt wird, zu kompensieren. Eine solche Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Resonators kann einfach bewirkt werden, da der Ringresonator der vorliegenden Erfindung den Vorteil hat, dass er eine im Wesentlichen lineare Temperaturcharakteristik zeigt.
Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein zweiter mikromechanischer Ringresonator auf dem Substrat gebildet sein, um eine Temperaturkompensation zu ermöglichen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Temperaturkompensation auch durch die Verwendung eines einzigen mikromechanischen Ringresonators erzielt, der gleichzeitig in zwei Oszillationsarten mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen betrieben wird.
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung nicht beschränkender Beispiele und Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, worin:
1 eine Draufsicht ist, die schematisch eine erste Ausführungsform einer Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die einen mikromechanischen Ringresonator und eine integrierte elektronische Schaltung umfasst;
2 eine Detailansicht der Mittelstütze des mikromechanischen Ringresonators und seiner Verbindungen mit den Federelementen ist;
3 eine Detailansicht eines Abschnitts des Außenrings mit seinen Verbindungen mit den Federelementen ist;
4 eine Querschnittsansicht des mikromechanischen Ringresonators von 1 längs der Linie A-A' ist;
5 ein idealisiertes gerades Federelement mit einem Abschnitt des Außenrings zeigt;
6 eine Draufsicht zeigt, die schematisch eine zweite Ausführungsform der Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7a bis 7c genaue Draufsichten von drei unterschiedlichen Entwürfen zeigen, die verhindern sollen, dass der Ringresonator an den Elektrodenstrukturen anhaftet;
8 eine Draufsicht zeigt, die eine Verbesserung der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform veranschaulicht;
9 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform von 8 längs der Linie A-A' ist;
10a, 10b zwei Draufsichten sind, die zwei Varianten eines Mechanismus zum Ändern des Massenträgheitsmoments des Ringresonators als Funktion der Temperatur veranschaulichen, um die Wirkung der Temperatur auf die Resonanzfrequenz des Ringresonators im Wesentlichen zu kompensieren;
11a und 11b eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht sind, die eine zweite Oszillationsart veranschaulichen, in der der Resonator eine Neigungsoszillation ausführt; und
12a und 12b eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht sind, die eine weitere zweite Oszillationsbetriebsart veranschaulichen, in der der Resonator eine vertikale Oszillation senkrecht zu der Substratebene ausführt.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist eine integrierte Zeitbasis gezeigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist und einen Resonator 4 sowie eine integrierte elektronische Schaltung 3, die den Resonator zu einer Oszillation anregt und in Reaktion auf diese Oszillation ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, umfasst. 4 zeigt eine Querschnittsansicht des Ringresonators 4 längs der Linie A-A', die in 1 gezeigt ist.
Die integrierte elektronische Schaltung 3 ist nicht im Einzelnen gezeigt, da diese Schaltung durch den Fachmann einfach entworfen werden kann. Vorzugsweise sind sowohl die integrierte elektronische Schaltung 3 als auch der Resonator 4 auf demselben Substrat 2 verwirklicht und integriert, wie in 1 gezeigt ist. Ein bevorzugter Substratwerkstoff ist Silicium, andere, ähnliche Werkstoffe, von denen der Fachmann im Gebiet weiß, dass sie gleichermaßen geeignet sind, um die Zeitbasis der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen, können jedoch verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Resonator 4 in Form eines monolithischen, mikromechanischen Resonanzrings verwirklicht, der im Folgenden als mikromechanischer Ringresonator bezeichnet wird und im Wesentlichen über dem Substrat 2 unterstützt und so beschaffen ist, dass er um eine Drehachse O oszilliert, die zu dem Substrat 2 im Wesentlichen senkrecht ist. Der Ringresonator 4 umfasst im Wesentlichen eine Mittelstütze 5, die sich vom Substrat 2 längs der Drehachse O erstreckt, und eine freistehende Oszillationsstruktur, die allgemein mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet und mit der Mittelstütze 5 verbunden ist.
Die freistehende Oszillationsstruktur 6 enthält einen Außenring 60, der zu der Drehachse O koaxial ist, und mehrere Federelemente 62, die symmetrisch um die Mittelstütze 5 angeordnet sind und den Außenring 60 mit der Mittelstütze 5 verbinden. Die Federelemente 62 sind im Wesentlichen als gekrümmte, stabförmige Federelemente ausgebildet. Es ist deutlich, dass die Mittelstütze 5 die einzige mechanische Verbindung des Ringresonators 4 mit dem Substrat 2 bildet und dass die Oszillation des Resonators in einer Ebene erfolgt, die zu der Oberfläche des Substrats 2 im Wesentlichen parallel ist.
Der Ringresonator 4 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ferner ein Paar diametral entgegengesetzter Elektrodenstrukturen, die den Außenring 60 umgeben, wie in 1 mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist. Gemäß dieser ersten Ausführungsform sind am Außenring 60 der freistehenden Oszillationsstruktur 6 kammförmige Elemente 8 vorgesehen. Diese kammförmigen Elemente 8 bilden einen Teil der Elektrodenstrukturen des Rings, wobei jedes von ihnen ein Basiselement 80 aufweist, das sich vom Außenring 60 radial erstreckt, und ein erstes und ein zweites seitliches Element aufweist, die mit den Bezugszeichen 82 bzw. 84 bezeichnet sind und die sich im Wesentlichen senkrecht von beiden Seiten des Basiselements 80 erstrecken.
Die Elektrodenstrukturen 9 umfassen eine erste und eine zweite kammförmige Elektrodenstruktur 91 bzw. 93, die den Außenring 60 in der Weise umgeben, dass sie mit den kammförmigen Elementen 8 der freistehenden Oszillationsstrukturen kämmen. Genauer enthält gemäß dieser Ausführungsform die erste kammförmige Elektrodenstruktur 81 erste Elektroden 92 und kämmt mit dem kammförmigen Element 8, so dass die ersten Elektroden 92 zu den ersten seitlichen Elementen 82 benachbart sind. Ebenso enthält die zweite kammförmige Elektrodenstruktur 93 (die gegenüber der ersten kammförmigen Elektrodenstruktur 91 angeordnet ist) zweite Elektroden 94 und kämmt mit dem kammförmigen Element 8, so dass die zweiten Elektroden 94 zu den zweiten seitlichen Elementen 84 benachbart sind. Wie in 1 gezeigt ist, sind die seitlichen Elemente 82, 84 und die Elektroden 92, 94 der ersten bzw. der zweiten Elektrodenstrukturen 91, 93 vorzugsweise so entworfen, dass sie die Form eines Kreisbogens haben, der zu dem Außenring 60 konzentrisch ist.
In dieser Ausführungsform dienen die ersten kammförmigen Elektrodenstrukturen 91 dazu, den Ringresonator 4 elektrostatisch zu einer Oszillation anzuregen, während die zweiten kammförmigen Elektrodenstrukturen 93, die auf der anderen Seite der Basiselemente 80 angeordnet sind, dazu dienen, die Oszillation des Resonators kapazitiv zu erfassen. Die ersten Elektrodenstrukturen 91, die den Resonator 4 umgeben, sind über einen ersten Leiter 11, der auf dem Substrat 2 ausgebildet ist, miteinander verbunden, ebenso sind die zweiten Elektrodenstrukturen 93 über einen zweiten Leiter 12, der auf dem Substrat 2 ausgebildet ist, miteinander verbunden. Diese Leiter 11, 12 sowie ein dritter Leiter 13, der einen elektrischen Kontakt mit dem Ring über die Mittelstütze 5 schafft, sind mit geeigneten Anschlüssen der elektronischen Schaltung 3 verbunden.
4 zeigt eine Querschnittsansicht des Ringresonators 4 längs der Linie A-A' in 1. Die Dicke und die anderen Abmessungen sind nicht maßstabsgerecht. Es sind das Substrat 2, die Mittelstütze 5 längs der Drehachse A des Ringresonators, die freistehende Oszillationsstruktur 6, die den Außenring und die Federelemente 62 enthält, die seitlichen Elemente 82 der kammförmigen Elemente 8, die Elektroden 92 der ersten kammförmigen Elektrodenstrukturen 91 und der erste und der zweite Verbinder 11, 12, die die Elektrodenstrukturen 91 bzw. 93 verbinden, die den äußeren Ring 60 umgeben, gezeigt. 4 zeigt ferner eine erste Isolierschicht 20 wie etwa eine Siliciumoxidschicht, die über der Oberfläche des Substrats 2 und unter dem Ringresonator 4 ausgebildet ist und in der der erste und der zweite Leiter 11 bzw. 12 ausgebildet sind. Eine zweite Isolierschicht 21 wie etwa eine weitere Oxidschicht oder eine Siliciumnitridschicht ist über der ersten Schicht 20 unter dem Ringresonator ausgebildet.
Die Resonanzringstruktur wird vorzugsweise durch Siliciumoberflächen-Mikrobearbeitungstechniken, die dem Fachmann im Gebiet vertraut sind und da her hier nicht beschrieben werden, gefertigt. Eine solche Technik macht Gebrauch von einer Polysiliciumschicht, die auf der Oberseite einer sogenannten "Opferschicht" abgelagert ist, um die freistehenden Strukturen des Resonators zu bilden. Eine weitere Technik verwendet als Opferschicht eine vergrabene Oxidschicht, etwa in einem Silicium-auf-Isolator-Wafer (SOI-Wafer), und hat eine freistehende Struktur, die aus monokristallinem Silicium hergestellt ist, zur Folge. Andere Werkstoffe und Bearbeitungstechniken können jedoch ebenso verwendet werden, um den mikromechanischen Ringresonator gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen.
Eines der Hauptziele für eine Anwendung als Zeitbasis oder Frequenznormale ist ein hoher Gütefaktor Q des Resonators. Ein hoher Gütefaktor Q hat eine stabile Oszillation bei geringem Phasenrauschen und einen geringen Leistungsverbrauch zur Folge, wie dies für Zeitmessungsanwendungen gefordert wird. Der Gütefaktor Q des mikromechanischen Ringresonators gemäß der vorliegenden Erfindung ist aufgrund zahlreicher vorteilhafter Entwurfsmerkmale, die im Folgenden erläutert werden, sehr hoch. Wie bereits oben erwähnt worden ist, sind Gütefaktoren in der Größenordnung von 2 × 105 an diesen Strukturen gemessen worden. Im Vergleich zeigen Abstimmgabel-Quarzresonatoren nach einer Lasertrimmung der Gabelzinken gewöhnlich Werte im Bereich von 5 × 104 bis 1 × 105.
Die Form der Federelemente 62, die den Außenring 60 mit der Mittelstütze 5 verbinden, ist optimiert, um einen hohen Gütefaktor Q zu erhalten. Im Gegensatz zu den Bedingungen, die vorliegen, wenn geradlinige Federelemente verwendet werden, sind die Spannungen längs der Biegelinie im vorliegenden Fall längs des Federelements homogen verteilt. Die gekrümmte Form ist von der Art, dass Energieverluste pro Oszillationsperiode minimal gehalten werden.
Weiterhin sind Verbindungen 63 der Federelemente 62 mit der Mittelstütze 5 im Wesentlichen senkrecht, wie in 2 gezeigt ist. Vorzugsweise sind an den Verbindungen 63 runde Formen oder Kehlen 63a vorgesehen. Diese Kehlen 63a verhindern Nutspannungen während der Oszillation, wodurch ein hoher Gütefaktor Q begünstigt wird, da in der Mittelstütze 5 während der Oszillation im Wesentlichen keine Energie abgeführt wird. Ferner bleibt die Mittelstütze 5 im Wesentlichen spannungsfrei, was erneut einen hohen Gütefaktor Q begünstigt. 3 zeigt die Verbindungen 64 der Federelemente 62 mit dem Außenring 60. Auch hier stellen im Wesentlichen senkrechte Verbindungen 64 und Kehlen 64a bevorzugte Entwürfe dar.
Die Verwendung mehrerer Federelemente 62 statt der minimalen Anzahl von drei, die für eine wohldefinierte Aufhängung erforderlich ist, erhöht den Gütefaktor Q. Aufgrund der Tatsache, dass geringe geometrische Schwankungen (z. B. als Folge räumlicher Schwankungen bei der Bearbeitung) sowie Materialinhomogenitäten über die mehreren Federelemente gemittelt werden, nimmt der Gütefaktor Q mit der Anzahl der Federelemente zu. Die obere Grenze ist durch geometrische Beschränkungen aufgrund der Entwurfsregeln des Mikrostrukturierungsprozesses gegeben. Die Anzahl von Federelementen liegt daher im Bereich von vier bis fünfzig und vorzugsweise in der Größenordnung von zwanzig.
Ein weiteres Element, das einen hohen Gütefaktor Q des Ringresonators begünstigt, ist die perfekte roationssymmetrische Struktur, bei der der Schwerpunkt der gesamten Struktur bewegungslos bleibt. Nichtlineare Effekte, die in den meisten anderen Resonatorentwürfen vorhanden sind, werden dadurch in hohem Maß beseitigt.
Die Resonanzfrequenz des Ringresonators kann über einen weiten Bereich durch Ändern der geometrischen Abmessungen der Vorrichtung eingestellt werden. Der Ringresonator kann als Mehrzahl von Federelementen angesehen werden, die mit einem Segment des Außenrings verbunden sind. In einer Approximation nullter Ordnung und um einen abgeschlossenen algebraischen Ausdruck für die Resonanzfrequenz zu erhalten, kann der Fall eines geradlinigen Federelements 22 mit einem Segment 27 des Außenrings 6 untersucht werden, wie er in 5 gezeigt ist. Die Resonanzfrequenz f_r dieser Struktur lautet:
wobei J = d · w³/12 das Oberflächenträgheitsmoment der Struktur ist, E der Elastizitätsmodul ist, d, w und l die Dicke, die Breite bzw. die Länge des geradlinigen Federelements 22 sind und m_r, m_s die Massen des Ringsegments 27 bzw. des Federelements 22 sind. Aus der obigen Formel ist einfach ersichtlich, dass die Resonanzfrequenz durch Ändern der Breite und/oder der Länge der Federelemente oder durch Ändern der Masse des Außenrings (einschließlich der Masse der kammförmigen Elemente 8) wiederum über seine geometrischen Abmessungen beeinflusst werden kann. Die Skalierung der gesamten Struktur erweitert den verfügbaren Frequenzbereich noch weiter.
Für die Massenproduktion solcher Ringresonatoren ist es wichtig, die Resonanzfrequenz von einem Chip zum nächsten innerhalb enger Toleranzen zu halten. Die Toleranzen der Resonanzfrequenz aufgrund geringer Schwankungen der Prozessparameter können durch sorgfältiges Dimensionieren des Rings und der Feder stark verringert werden. Dies kann erneut unter Verwendung des Beispiels von 5 gezeigt werden. Die Resonanzfrequenz wird niedriger sein als die geplante Frequenz, falls die Breite der Federelemente 22, die durch das Bezugszeichen 26 bezeichnet ist, nach der Bearbeitung beispielsweise aufgrund einer Überätzung kleiner als eine gewünschte Breite 25 ist. Wenn jedoch berücksichtigt wird, dass gleichzeitig die Masse des Rings 60 (sowie die Masse der Basiselemente 80 und der seitlichen Elemente 82 und 84) aufgrund eben dieser Überätzung gesenkt wird, wird die Abnahme der Resonanzfrequenz durch die Verringerung der Massen kompensiert. Öffnungen im Ring und in den Stäben (in den Figuren nicht gezeigt), die für die Bearbeitung der Struktur notwendig sein könnten, begünstigen diese Wirkung.
Die Oberfläche, die durch den mikromechanischen Ringresonator gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, ist in Bezug auf die erhaltene Resonanzfrequenz sehr klein. Beispielsweise erfordert ein Ringresonator gemäß der vorliegenden Erfindung, der für eine sehr niedrige Frequenz von 32 kHz entworfen worden ist, eine Fläche, die gut unterhalb von 1 mm² liegt. Herkömmliche Strukturen erfordern verhältnismäßig große Strukturen, um eine solche niedrige Frequenz zu erhalten. Für einen gegebenen geometrischen Entwurf stehen die Abmessungen und die Frequenz in einer entgegengesetzten Beziehung, d. h., je größer die geometrischen Abmessungen sind, desto niedriger ist die Frequenz. Zum Vergleich beschreibt EP 0 795 953 einen Siliciumresonator, der eine Oberfläche von etwa 1,9 mm² für eine höhere Frequenz von 1 MHz erfordert. Es ist offensichtlich, dass die Substratoberfläche, die von dem Resonator gefordert wird, mit den Kosten der integrierten Zeitbasis in einer direkten Beziehung steht.
Die Resonanzfrequenz des Ringresonators ist innerhalb des Temperaturbereichs von 0 bis 60 °C in einer guten Näherung eine lineare Funktion der Temperatur. Bei einer Resonanzfrequenz von 45 kHz ist beobachtet worden, dass der Wärmekoeffizient der Resonanzfrequenz in der Größenordnung von –25 ppm/°C liegt: Es ist somit wünschenswert, in das gleiche Substrat 2 eine Temperaturmessschaltung einzubauen, die ein Ausgangssignal besitzt, das verwendet werden kann, um die Frequenzschwankung durch geeignetes Einstellen der Frequenz des von der Zeitbasis erzeugten Signals zu kompensieren.
Hierzu kann die Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eine integrierte Temperaturmessschaltung (nicht gezeigt) enthalten. Ein Beispiel einer solchen Temperaturmessschaltung ist in dem Artikel "Smart Temperature Sensor in CMOS Technology" von P. Krumenacher und H. Oguey in "Sensors and Actuators", A21-A23 (1990), Seiten 636 bis 638, beschrieben: Hier wird die Temperaturkompensation durch Einwirkung auf das Teilungsverhältnis der Teilungskette beispielsweise unter Verwendung einer dem Fachmann im Gebiet wohl bekannten Sperrtechnik erzielt.
Alternativ können auf demselben Chip zwei Ringresonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen integriert sein, wobei eine solche Anordnung eine genaue Bestimmung der Chiptemperatur durch Messen der Frequenzdifferenz der beiden Resonatoren ermöglicht (beide Ringresonatoren besitzen den gleichen Temperaturkoeffizienten, da sie aus demselben Material hergestellt sind).
Der Vorteil der Verwendung integrierter Zeitbasen gemäß der vorliegenden Erfindung ist zweifach: Erstens ist die Temperaturabhängigkeit des Ringresonators linear, was die für den Ausgleich der Temperatur erforderliche elektronische Signalverarbeitung erleichtert. Zweitens und wichtiger ermöglichen die geringe Größe und die monolithische Integration des Ringresonators, dass bei einer lediglich geringen Zunahme der Chipgröße und ohne weitere externe Anschlüsse ein zweiter Resonator vorgesehen wird.
Alternativ ist es gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung möglich, einen einzigen Ringresonator zu verwenden, der gleichzeitig in zwei Oszillationsbetriebsarten arbeitet. Eine erste dieser Betriebsarten ist die oben beschriebene Drehbetriebsart. Eine zweite Oszillationsbetriebsart könnte eine Neigungsoszillationsbetriebsart sein, bei der die freistehende Struktur 6 eine Neigungsoszillation gegen die Substratebene ausführt. Diese Neigungsoszillationsbetriebsart kann elektrostatisch erregt werden und kapazitiv unter Verwendung weiterer Elektroden auf dem Substrat unter der Ringfläche erfasst werden. Die beiden Betriebsarten sind so gewählt, dass sie unterschiedliche Frequenzen haben, so dass die Temperaturkompensation durch Messen der Frequenzdifferenz erzielt werden kann. Eine schematische Darstellung der oben erwähnten Neigungsbetriebsart ist in den 11a und 11b gezeigt. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, sind zwei Gruppen von Elektroden 100 und 120 (in diesem Fall vier), die im Wesentlichen die Form von Kreisbögen haben, auf dem Substrat unter dem Ring 60 angeordnet, so dass die erste Gruppe von Elektroden die Struktur 6 zu einer Neigung soszillation anregt und die zweite Gruppe von Elektroden 120 diese Neigungsoszillation erfasst. Die Gruppe von Erregungselektroden 100 und die Gruppe von Erfassungselektroden 120 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Struktur 6 in Bezug auf die Mittelstütze 5 (auf der linken bzw. auf der rechten Seite in 11a) angeordnet.
Eine zweite Oszillationsbetriebsart kann eine vertikale Oszillationsbetriebsart sein, bei der die freistehende Struktur 6 eine vertikale Oszillation senkrecht zu der Substratebene ausführt, d. h., die freistehende Struktur 6 oszilliert in einer Richtung parallel zur Drehachse O. Eine schematische Darstellung der oben genannten senkrechten Betriebsart ist in den 12a und 12b gezeigt. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, sind zwei Gruppen von Elektroden 130 und 150 auf dem Substrat unter dem Ring 60 angeordnet, so dass die erste Gruppe von Elektroden 130 die Strukturen 6 zu einer Oszillation senkrecht zu der Substratebene anregt und die zweite Gruppe von Elektroden 150 diese Oszillation erfasst. Im Gegensatz zu der Neigungsbetriebsart sind die Gruppen der Erregungs- und Erfassungselektroden 130, 150 symmetrisch um die Mittelstütze 5 angeordnet, d. h., die Gruppen von Elektroden umfassen jeweils diametral gegenüberliegende Elektroden.
Wie bereits oben erwähnt wurde, dienen die kammförmigen Elektrodenstrukturen 91, die in der Ausführungsform von 1 gezeigt sind, dazu, den Ringresonator elektrostatisch zu einer Oszillation anzuregen, während die gegenüberliegenden kammförmigen Elektrodenstrukturen 93 dazu dienen, diese mechanische Oszillation kapazitiv zu erfassen. An die Elektrodenstrukturen 91 wird ein Wechselspannungssignal angelegt, das elektrostatische Kräfte auf den Ring und dessen Oszillation zur Folge hat, die ihrerseits ein Wechselsignal an der gegenüberliegenden Gruppe von Elektrodenstrukturen 93 induzieren, wenn der Resonator arbeitet. Selbstverständlich sind die Elektrodenstrukturen 91 und 93 untereinander austauschbar.
Da zwischen der an die Elektroden angelegten Spannung und der resultierenden Kraft auf den Ring eine quadratische Beziehung besteht, ist es wünschenswert, zu der Wechselspannung eine konstante Gleichspannung hinzuzufügen, um eine im Wesentliche lineare Kraft/Spannungs-Beziehung zu erhalten. In der schematischen Darstellung von 1 sind drei Signalleitungen oder Leiter 11 bis 13 gezeigt, die mit den Elektrodenstrukturen 91, den Elektrodenstrukturen 93 bzw. der Mittelstütze 5 verbunden sind. Diese Leitungen dienen dazu, den Ringresonator zu einer Oszillation anzuregen und diese Oszillation über die entspre chenden Elektrodenstrukturen zu erfassen.
Gemäß einer ersten Variante kann der Leiter 13 dazu verwendet werden, die Gleichspannungskomponente an den Ringresonator über die Mittelstütze 5 anzulegen, während die Wechselspannungskomponente an die Elektrodenstrukturen 91 über den Leiter 11 angelegt wird, wobei der Leiter 12 dazu verwendet wird, das resultierende Signal zu erfassen. Gemäß einer zweiten Variante können die Erregungswechselspannung und die Gleichspannungskomponente an den Elektrodenstrukturen 91 über den Leiter 11 überlagert werden, während der Ringresonator über den Leiter 13 an ein festes Potential, etwa die Masse, gebunden ist. In diesem Fall wird der Leiter 12 dazu verwendet, das Signal zu erfassen. Es ist klar, dass die Elektrodenstrukturen 91 und 93 untereinander austauschbar sind und dass die Elektrodenstrukturen 93 abwechselnd für die Erregung verwendet werden können, während die Elektrodenstrukturen 91 für die Erfassung verwendet werden.
Alternativ kann die Erfassung durch Erfassen einer Änderung der Impedanz bei Resonanz erfasst werden. Wie in 6 gezeigt ist, erfordert eine solche Lösung nur zwei Leiter 11 und 13 sowie eine Elektrodenstruktur 9*, die eine einzige Gruppe aus kammförmigen Elektrodenstrukturen 91 umfasst, die mit dem Leiter 11 verbunden sind (die kammförmigen Elemente 8* sind entsprechend modifiziert und umfassen nur erste seitliche Elemente 82). Gemäß einer ersten Variante wird die Erregungswechselspannung über den Leiter 11 an die einzige Gruppe von Elektrodenstrukturen 91 angelegt, während die Gleichspannungskomponente an den Ring über den Leiter 13 angelegt wird. Gemäß einer weiteren Variante kann die Summe aus der Erregungswechselspannung und der Erregungsgleichspannung an die Elektrodenstrukturen 91 über den Leiter 11 angelegt werden, wobei der Ring in diesem Fall über den Leiter 13 an ein festes Potential wie etwa die Masse gebunden ist.
Die Zweileiter-Option schafft zwei Vorteile, nämlich (i) eine Verringerung des Durchmessers der gesamten Oberfläche, da ein zweiter Leiter und eine zweite Gruppe von Elektrodenstrukturen, die den Ring umgeben, nicht mehr erforderlich sind, und (ii) die Möglichkeit der Schaffung einer größeren Anzahl von kammförmigen Elektrodenstrukturen 91 längs des Umfangs des Außenrings 60, was ein verbessertes Signal zur Folge hat.
Die unterschiedlichen Betriebsarten des Ringresonators sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Es ist deutlich, dass in jeder der oben genann ten Varianten die an die Erregungselektroden und an den Ring angelegten Signale, d. h. die Erregungswechselspannung und die Gleichspannungskomponente, vollkommen untereinander austauschbar sind.
Die Tatsache, dass die seitlichen Elemente 82 und 84 und die Elektroden 92, 94 eine gekrümmte Form haben und zu dem äußeren Ring 60 konzentrisch sind, verringert Nichtlinearitäten in der elektromechanischen Kopplung, was einerseits einen hohen Gütefaktor Q und andererseits eine Resonanzfrequenz des Ringresonators, die von der Amplitude der Wechselspannung und der Erregungsgleichspannung im Wesentlichen unabhängig ist, zur Folge hat. Ferner kann der mikromechanische Ringresonator gemäß der vorliegenden Erfindung mit niedrigen Spannungen von etwa 1,5 V angeregt werden, was ein Hauptvorteil für tragbare elektronische Anwendungen ist.
Weiterhin ist der Leistungsverbrauch des Ringresonators aufgrund der elektrostatischen Anregung und der kapazitiven Erfassung sowie aufgrund des hohen Gütefaktors Q, der durch den Entwurf bestimmt ist, zehn- bis hundertmal niedriger als jener eines Quarzes, was für tragbare elektronische Anwendungen besonders interessant ist.
Die 7a bis 7c zeigen drei verschiedene vorteilhafte Entwurfsmerkmale, die ein Anhaften des Ringresonators im Fall eines Stoßes verhindern sollen. Gemäß einer ersten Variante, die in 7a gezeigt ist, sind an äußeren Enden 80a der Basiselemente 80 Anschlagstrukturen 28 vorgesehen, die auf dem Substrat 2 angeordnet sind. Diese Anschlagstrukturen 28 sind so entworfen, dass sie die Winkelbewegung der Ringstruktur 6 begrenzen und daher ein Anhaften der freistehenden Oszillationsstruktur 6 an den Elektrodenstrukturen 9 verhindern, wenn übermäßige Winkelbewegungen beispielsweise aufgrund mechanischer Stöße erfolgen.
Alternativ können, wie in 7b gezeigt ist, die Enden 82a, 84a der seitlichen Elemente 82, 84 und/oder die Enden 92a, 94a der Elektroden 92, 94 so entworfen sein, dass sie eine spitzige Form oder wenigstens eine geeignet kleine Oberfläche besitzen, um ein Anhaften zu verhindern.
Schließlich kann in der in 7c gezeigten Variante eines, 82*, 84*, der seitlichen Elemente 82, 84 größer als die anderen ausgebildet sein, wodurch die Adhäsionskräfte verringert werden, wenn die kammförmigen Elemente 8 und die kammförmigen Elektrodenstrukturen 91, 93 in einen gegenseitigen mechanischen Kontakt gelangen. Offensichtlich wird die gleiche Wirkung erhalten, wenn eine der Elektroden 92 und 94 länger als die anderen ist.
Die 8 und 9 zeigen eine Verbesserung des mikromechanischen Ringresonators 4 gemäß der vorliegenden Erfindung, der in 1 veranschaulicht ist. 9 zeigt eine Querschnittsansicht von 8 längs der Linie A-A'. Auf (oder unter) der Oberfläche des Substrats 2 wenigstens unter einem Teil der freistehenden Oszillationsstruktur 6, d. h. der Federelemente 62, des äußeren Rings 60 sowie der kammförmigen Elemente 8, ist ein leitendes Muster 31 vorgesehen, dessen Form im Wesentlichen eine Projektion der freistehenden Oszillationsstruktur 6 auf die Oberfläche des Substrats 2 ist. Wenn dieses leitende Muster 31 auf das gleiche Potential wie die freistehende Oszillationsstruktur 6 gelegt wird, wer den Kräfte senkrecht zu dem Substrat 2 zwischen dem Ringresonator 4 und der Oberfläche des Substrats 2 unterdrückt, was zu einer Resonanzfrequenz führt, die von der Gleichspannungskomponente unabhängig ist.
Die 10a und 10b zeigen weitere Verbesserungen des mikromechanischen Ringresonators 4 gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz auf einen Wert in der Nähe von null ermöglichen. Zwei Hauptfaktoren bestimmen die Temperaturcharakteristik des Ringresonators. Erstens nimmt der Young-Modul D des für die Herstellung der Vibrationsstruktur verwendeten Werkstoffs mit zunehmender Temperatur ab, was eine reduzierte Steifigkeit der Federelemente 62 und daher eine niedrigere Resonanzfrequenz zur Folge hat. Zweitens nimmt der Durchmesser des Rings aufgrund der Wärmeausdehnung mit zunehmender Temperatur zu, was ein erhöhtes Massenträgheitsmoment der Struktur zur Folge hat, was seinerseits die Resonanzfrequenz ebenfalls reduziert.
Es können unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Werkstoffe verwendet werden, um einen Kompensationsmechanismus 65 einzuführen, wie in 10a oder 10b skizziert ist. Wie in den 10a und 10b gezeigt ist, sind an dem Außenring 60 mehrere Wärmekompensationselemente 65 (wovon in den Figuren nur eines gezeigt ist) befestigt. Diese Wärmekompensationselemente 65 sind so entworfen, dass sie das Massenträgheitsmoment der freistehenden Oszillationsstruktur 6 in Abhängigkeit von der Temperatur verändern, um die Wirkung der Temperatur auf die Resonanzfrequenz des Resonators 4 im Wesentlichen zu kompensieren. Hierzu enthalten die Elemente 65 ein Gewichtselement 66, das mit dem Außenring 60 mittels eines Verbindungselements 67 verbunden ist, das eine erste Schicht 68 und eine zweite Schicht 69 enthält, die aus einem ersten bzw. aus einem zweiten Werkstoff, die unterschiedliche Wärmekoeffizienten besitzen, hergestellt sind. Die Werkstoffe sind so gewählt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient α_th1 der ersten Schicht 68 kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient α_th2 der zweiten Schicht 69 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Werkstoff Silicium, während der zweite Werkstoff ein Metall, vorzugsweise Aluminium, ist.
Der Entwurf des Mechanismus 65 gemäß 10 ist derart, dass sich das Verbindungselement 67 bei steigender Temperatur aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der ersten und der zweiten Schicht 68, 69 gerade richtet. Als Folge bewegen sich die Gewichtselemente 66 zur Mitte des Rings, d. h. näher zur Drehachse O der Oszillationsstruktur 6, wodurch das Massenträgheitsmoment des Ringresonators verringert wird, was eine Zunahme der Resonanzfrequenz zur Folge hat, die der Wirkung des Young-Moduls und der Wärmeausdehnung des Rings auf die Resonanzfrequenz entgegenwirkt. Solche Wärmekompensationsmechanismen können alternativ an der Außenseite des Rings 60, wie in 10b gezeigt ist, oder an irgendeinem anderen Teil der freistehenden Oszillationsstruktur 6 befestigt sein, um das Massenträgheitsmoment in Abhängigkeit von der Temperatur zu ändern. Der Entwurf und die Fertigung der Elemente 65 müssen so erfolgen, dass sich die Gewichtselemente 66 zur Drehachse O des Ringresonators bewegen, wenn die Temperatur zunimmt.
Nachdem nun die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist klar, dass diese Ausführungsformen keine Beschränkungen der Erfindung bilden sollen. Tatsächlich können dem Fachmann im Gebiet viele Abwandlungen und/oder Anpassungen deutlich werden, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Zeitbasis, die einen Resonator (4) und eine integrierte elektronische Schaltung (3), die den Resonator (4) zu einer Oszillation anregt und in Reaktion auf die Oszillation ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, umfasst, wobei der Resonator ein integrierter mikromechanischer Ringresonator (4) ist, der über einem Substrat (2) gehalten wird und so beschaffen ist, dass er in einer ersten Oszillationsart um eine Drehachse (O) oszilliert, die zu dem Substrat (2) im Wesentlichen senkrecht ist, wobei der Ringresonator (4) umfasst: – eine Mittelstütze (5), die sich von dem Substrat (2) längs der Drehachse (O) erstreckt; – eine freistehende Oszillationsstruktur (6), die mit der Mittelstütze (5) verbunden ist und enthält: – einen Außenring (60), der zu der Drehachse (O) koaxial ist; und – mehrere Federelemente (62), die symmetrisch um die Mittelstütze (5) angeordnet sind und den Außenring (60) mit der Mittelstütze (5) verbinden; und – wenigstens ein Paar diametral entgegengesetzter Elektrodenstrukturen (9; 9*), die um den Außenring (60) angeordnet und mit der integrierten elektronischen Schaltung (3) verbunden sind, wobei die Zeitbasis dadurch gekennzeichnet ist, dass die Federelemente (62) eine gekrümmte Form haben und durch erste Verbindungen (63) im Wesentlichen senkrecht mit der Mittelstütze (5) verbunden sind, wobei jedes der Federelemente (62) in der Verlängerung einer durch die Drehachse (O) verlaufenden radialen Linie von der Mittelstütze (5) absteht.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (3) zusammen mit dem mikromechanischen Ringresonator (4) auf dem Substrat integriert ist.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (62) durch zweite Verbindungen (64) im Wesentlichen senkrecht mit dem Außenring (60) verbunden sind.
Zeitbasis nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (63, 64) mit runden Kehlen (63a, 64a) versehen sind.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Federelementen (62) im Bereich von vier bis fünfzig und vorzugsweise in der Größenordnung von zwanzig liegt.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freistehende Oszillationsstruktur (6) ferner wenigstens ein Paar diametral entgegengesetzter kammförmiger Elemente (8) umfasst, die um den Außenring (60) angeordnet sind und enthalten: – ein Basiselement (80), das sich von dem Außenring (60) radial erstreckt; – wenigstens ein erstes seitliches Element (82), das sich von einer Seite des Basiselements (80) im Wesentlichen senkrecht erstreckt; und – wenigstens ein zweites seitliches Element (84), das sich von einer zweiten Seite des Basiselements (80) gegenüber der ersten Seite im Wesentlichen senkrecht erstreckt; und dass jede der Elektrodenstrukturen (9) umfasst: – eine erste kammförmige Elektrodenstruktur (91), die mit dem kammförmigen Element (8) kämmt und erste Elektroden (92) in der Nähe der ersten seitlichen Elemente (82) umfasst; und – eine zweite kammförmige Elektrodenstruktur (93), die mit dem kammförmigen Element (8) kämmt und zweite Elektroden (94) in der Nähe der zweiten seitlichen Elemente (84) umfasst.
Zeitbasis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass: – die ersten kammförmigen Elektrodenstrukturen (91) dazu verwendet werden, den Ringresonator (4) zu Oszillationen anzuregen; – die freistehende Oszillationsstruktur (6) über die Mittelstütze (5) auf einem festen Potential gehalten wird; und – die zweiten kammförmigen Elektrodenstrukturen (93) dazu verwendet werden, ein Signal, das sich aus der Oszillation des Ringresonators (4) ergibt, zu erfassen, wobei zu der ersten kammförmigen Elektrodenstruktur (91) und/oder zu der freistehenden Oszillationsstruktur (6) eine konstante Gleichspannungskomponente addiert wird.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freistehende Oszillationsstruktur (6) ferner wenigstens ein Paar diametral entgegengesetzter kammförmiger Elemente (8*) umfasst, die um den Außenring (60) angeordnet sind und enthalten: – ein Basiselement (80), das sich von dem Außenring (60) radial erstreckt; und – wenigstens ein erstes seitliches Element (82), das sich von einer ersten Seite des Basiselements (80) im Wesentlichen senkrecht erstreckt; und dass jede der Elektrodenstrukturen (9*) umfasst: – eine kammförmige Elektrodenstruktur (91), die mit dem kammförmigen Element (8) kämmt und erste Elektroden (92) in der Nähe der ersten seitlichen Elemente (82) umfasst.
Zeitbasis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass: – die kammförmigen Elektrodenstrukturen (91) dazu verwendet werden, den Ringresonator (4) zu Oszillationen anzuregen; und – die freistehende Oszillationsstruktur (6) über die Mittelstütze (5) auf einem festen Potential gehalten wird, zu den kammförmigen Elektrodenstrukturen (91) und/oder zu der freistehenden Oszillationsstruktur (6) eine konstante Gleichspannungskomponente addiert wird und die Erfassung durch Erfassen einer Impedanzänderung im Resonanzzustand erfolgt.
Zeitbasis nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Elemente (82, 84) und die Elektroden (92, 94) die Form eines Bogens eines Kreises, der zu dem Außenring (60) konzentrisch ist, haben.
Zeitbasis nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Substrat (2) in der Nähe eines äußeren Endes (80a) wenigstens eines Basiselements (80) eine Anschlagstruktur (28) vorgesehen ist, um Winkel- und/oder Neigungsbewegungen zu begrenzen und um ein Festsitzen der freistehenden Oszillationsstruktur (6) bei einem Stoß zu verhindern.
Zeitbasis nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Enden (82a, 84a) der seitlichen Elemente (82, 84) und/oder Enden (92a, 94a) der Elektroden (92, 93) zugespitzt sind oder eine geeignete kleine Oberfläche besitzen, um ein Festsitzen der freistehenden Oszillationsstruktur (6) bei einem Stoß zu verhindern.
Zeitbasis nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der seitlichen Elemente (82, 84) und/oder eine der Elektroden (92, 94) länger als die anderen sind, um ein Festsitzen der freistehenden Oszillationsstruktur (6) bei einem Stoß zu verhindern.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche des Substrats (2) wenigstens unter einem Teil der freistehenden Oszillationsstruktur (6) ein leitendes Muster (31), das im Wesentlichen die Form der freistehenden Oszillationsstruktur (6) hat, vorgesehen ist, wobei die freistehende Oszillationsstruktur (6) und das leitende Muster auf dasselbe Potential gesetzt sind.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freistehende Oszillationsstruktur (6) ferner wenigstens ein erstes Paar diametral entgegengesetzter Wärmeausgleichselemente (65) umfasst, die um den Außenring (60) angeordnet sind, wobei die Wärmeausgleichselemente (65) so beschaffen sind, dass sie ein Massenträgheitsmoment der freistehenden Oszillationsstruktur (6) in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, um so die Wirkung der Temperatur auf die Resonanzfrequenz des Ringresonators (4) auszugleichen.
Zeitbasis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Wärmeausgleichselemente (65) ein Gewichtselement (66) umfasst, das mit dem Außenring (60) über ein Verbindungselement (67) verbunden ist und eine erste und ein zweite Lage (68, 69) aufweist, die aus einem ersten bzw. aus einem zweiten Werkstoff, die unterschiedliche Wärmekoeffizienten besitzen, hergestellt sind, wobei das Verbindungselement (67) das Gewichtselement (66) allmählich näher an die Drehachse (O) heranbringen kann, wenn die Temperatur ansteigt, wodurch das Massenträgheitsmoment der freistehenden Oszillationsstruktur (6) verringert wird.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine integrierte Temperaturmessschaltung umfasst, die die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des von der Zeitbasis erzeugten Signals ausgleichen soll.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen zweiten mikromechanischen Ringresonator umfasst, der über dem Substrat (2) gehalten wird und bei einer Resonanzfrequenz oszillieren kann, die von der Resonanzfrequenz des anderen Resonators verschieden ist, wobei eine Frequenzdifferenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen dazu verwendet wird, die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des von der Zeitbasis erzeugten Signals auszugleichen.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (100, 120; 130, 150) unter der freistehenden Oszillationsstruktur (6) in der Weise positioniert sind, dass sie eine zweite Oszillationsart anregen und erfassen, die eine Resonanzfrequenz besitzt, die von der Resonanzfrequenz der ersten Oszillationsart verschieden ist, wobei eine Frequenzdifferenz zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Oszillationsarten dazu verwendet wird, die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des von der Zeitbasis erzeugten Signals auszugleichen.
Zeitbasis nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oszillationsart eine Neigungsoszillationsart ist.
Zeitbasis nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oszillationsart eine zu der Drehachse (O) parallele vertikale Oszillationsart ist.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und der Ringresonator (4) aus einem Siliciumwerkstoff hergestellt sind.
Integrierter mikromechanischer Ringresonator (4) für eine Zeitbasis, der über einem Substrat (2) gehalten wird und so beschaffen ist, dass er um eine Drehachse (O), die zu dem Substrat (2) im Wesentlichen senkrecht ist, oszilliert, wobei der Ringresonator (4) umfasst: – eine Mittelstütze (5), die sich von dem Substrat (2) längs der Drehachse (O) erstreckt; – eine freistehende Oszillationsstruktur (6), die mit der Mittelstütze (5) verbunden ist und enthält: – einen Außenring (60), der zu der Drehachse (O) koaxial ist; und – mehrere Federelemente (62), die um die Mittelstütze (5) symmetrisch angeordnet sind und den Außenring (60) mit der Mittelstütze (5) verbinden; und – wenigstens ein Paar diametral entgegengesetzter Elektrodenstrukturen (9; 9*), die um den Außenring (60) angeordnet sind und einer Verbindung mit einer integrierten elektronischen Schaltung (3) dienen, wobei der Ringresonator dadurch gekennzeichnet ist, dass die Federelemente (62) eine gekrümmte Form haben und mit der Mittelstütze (6) durch erste Übergänge (63) im Wesentlichen senkrecht verbunden sind, wobei jedes der Federelemente (62) von der Mittelstütze (5) in der Verlängerung einer durch die Drehachse (O) verlaufenden radialen Linie absteht.
Ringresonator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (62) mit dem Außenring (60) über zweite Verbindungen (64) im Wesentlichen senkrecht verbunden sind.
Ringresonator nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (63, 64) mit runden Kehlen (63a, 64a) versehen sind.
Ringresonator nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Federelemente (62) im Bereich von vier bis fünfzig und vorzugsweise in der Größenordnung von zwanzig liegt.