DE60037132T2

DE60037132T2 - Zeitbezug mit einem integrierten mikromechanischen Stimmgabelresonator

Info

Publication number: DE60037132T2
Application number: DE60037132T
Authority: DE
Inventors: Metin Giousouf; Heinz KÜCK; Rainer Platz
Original assignee: ETA Manufacture Horlogere Suisse SA
Current assignee: ETA Manufacture Horlogere Suisse SA
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2004515992A; KR20030067703A; JP4099393B2; AU2002212035A1; KR100896880B1; CN1481612A; EP1217735A1; RU2003122360A; WO2002051004A1; RU2271603C2; CN1292535C; EP1217735B1; DE60037132D1; HK1062963A1; US6831531B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zeitbasis, d. h. eine Vorrichtung, die einen Resonator und eine integrierte elektronische Schaltung zum Anregen des Resonators zu einer Oszillation und zum Erzeugen in Reaktion auf diese Oszillation eines Signals mit einer bestimmten Frequenz umfasst.
Zeitbasen oder Frequenzstandards sind in einer großen Vielfalt elektronischer Vorrichtungen erforderlich, die von Armbanduhren und anderen Uhren bis zu komplexen Telekommunikationsvorrichtungen reichen. Derartige Zeitbasen werden typischerweise durch einen Oszillator gebildet, der einen Quarzresonator und eine elektronische Schaltung zum Anregen des Resonators zu einer Oszillation umfasst. Es kann eine zusätzliche Teilerkette 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, z. B. durch das Einstellen des Teilungsverhältnisses der Teilerkette. Die Komponenten der elektronischen Schaltung sind vorteilhaft in CMOS-Technologie auf ein einziges Halbleitersubstrat integriert. Andere Funktionen, die mit der Frequenzverarbeitung nicht direkt in Beziehung stehen, können auf demselben Substrat integriert sein.
Die Vorteile der Quarzresonatoren sind ihr hoher Gütefaktor Q, der sowohl zu einer guten Frequenzstabilität und einer niedrigen Leistungsaufnahme als auch zu ihrer guten Temperaturstabilität führt. Ein Nachteil typischer Zeitbasen unter Verwendung von Quarzresonatoren liegt jedoch in der Tatsache, dass zwei Komponenten, nämlich der Quarzresonator und die integrierte elektronische Schaltung, erforderlich sind, um eine hochgenaue Frequenz bereitzustellen. Ein diskreter Quarzresonator erfordert Platinenplatz, der in vielen Fällen knapp ist. Ein Standard-Quarzresonator für Armbanduhr-Anwendungen erfordert z. B. Platz in der Größenordnung von 2 × 2 × 6 mm³. Außerdem werden durch den Zusammenbau und die Verbindung der zwei Komponenten zusätzliche Kosten verursacht. Der Platz und die Kosten des Zusammenbaus sind aber zugleich Hauptprobleme, insbesondere im wachsenden Feld der tragbaren elektronischen Vorrichtungen.
Es ist folglich eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für die obenerwähnten Probleme durch das Schaffen einer Zeitbasis, die einen integrierten Resonator umfasst, zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zeitbasis zu schaffen, die auf einem einzigen Substrat völlig integriert sein kann, die für die Massenproduktion geeignet ist und die mit der CMOS-Technologie kompatibel ist.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zeitbasis zu schaffen, die einen Resonator umfasst, der einen verbesserten Gütefaktor Q besitzt, und die dadurch eine größere Frequenzstabilität und eine niedrigere Leistungsaufnahme besitzt.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Zeitbasis schaffen, die billig ist und nur einen sehr kleinen Oberflächeninhalt auf einem Halbleiterchip erfordert.
Diese Aufgaben werden durch eine Zeitbasis gelöst, wie sie im Anspruch 1 dargelegt ist.
Demgemäß wird eine Zeitbasis geschaffen, die einen Resonator und eine integrierte elektronische Schaltung zum Anregen des Resonators zu einer Oszillation und zum Erzeugen in Reaktion auf die Oszillation eines Signals mit einer bestimmten Frequenz umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein integrierter mikromechanischer Stimmgabel-Resonator ist, der über einem Substrat unterstützt ist und gemäß einer ersten Oszillationsbetriebsart in einer zu dem Substrat im Wesentlichen parallelen Ebene oszillieren kann, wobei der Stimmgabel-Resonator ein Basiselement, das sich im Wesentlichen senkrecht von dem Substrat erstreckt, eine freistehende Oszillationsstruktur, die mit dem Basiselement verbunden ist und wenigstens ein erstes Paar von im Wesentlichen parallelen Gabelzinken, die in der Ebene angeordnet sind, enthält, und eine Elektrodenstruktur, die benachbart zu den Gabelzinken angeordnet und mit der integrierten elektronischen Schaltung verbunden ist, umfasst.
Ein Vorteil der Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass der mikromechanische Stimmgabel-Resonator einen hohen Gütefaktor Q aufweist. Es sind Gütefaktoren, die so hoch wie 50.000 sind, gemessen worden, was die gleiche Größenordnung wie die jener Gütefaktoren ist, die unter Verwendung herkömmlicher Quarzresonatoren erhalten werden.
Der Gütefaktor Q ist durch die Luftreibung und durch innere Verluste im Material des schwingenden Resonators bestimmt. Die Luftreibung kann vernachlässigt werden, falls der Resonator unter Vakuumbedingungen betrieben wird. Die inneren Verluste hängen sowohl vom Material als auch von der Konstruktion des Resonators ab. Es ist bekannt, dass aus kristallinen Materialien wie Quarz oder Silizium hergestellte Resonatoren zur Oszillation mit hohem Q fähig sind. Außerdem beeinflusst die Klemmung, d. h. die mechanische Unterstützung des Resonatorabschnitts, stark das dynamische Verhalten. Gemäß der vorliegenden Erfin dung ist der Stimmgabel-Resonator in einer derartigen Weise konstruiert und wird in einer derartigen Weise angeregt, dass der Schwerpunkt der ganzen Struktur während der Oszillation bewegungslos bleibt und dass die Biegemomente der Gabelzinken in einem relativ kleinen Bereich des Basiselements kompensiert werden können.
Andere Konstruktionsmerkmale, die den hohen Gütefaktor Q fördern, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
Außerdem ist für eine gegebene Resonanzfrequenz der auf dem Substrat zum Bilden des Stimmgabel-Resonators erforderliche Oberflächeninhalt im Vergleich zu anderen Resonatoren klein. Ein Stimmgabel-Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung, der für eine Frequenz von 32 kHz konstruiert ist, erfordert z. B. einen Chip-Flächeninhalt von etwa 0,2 mm², der kleiner als der durch den Silizium-Ringresonator erforderliche Chip-Flächeninhalt ist, der in der anhängigen internationalen Anmeldung Nr. PCT/CH 00/00583 , eingereicht am 1. November 2000 durch denselben Anmelder, beschrieben ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die elektronische Schaltung vorteilhaft zusammen mit dem mikromechanischen Stimmgabel-Resonator auf dem Substrat integriert, was dadurch zu einer billigen Zeitbasis führt. Ein niedriger Preis wird außerdem durch die Vakuumdichtung des Resonators auf der Wafer-Ebene in einem Chargenprozess unter Verwendung der Wafer-Bonding-Technologie erhalten.
Stimmgabel-Strukturen sind als Resonanzstrukturen für verschiedene Typen der Sensoranwendungen, wie z. B. Beschleunigungs-, Rotations- oder Dehnungssensoren, vorgeschlagen worden. Diese Sensorstrukturen sind jedoch nicht entsprechend den gleichen Richtlinien wie in der vorliegenden Erfindung optimiert, wo ein hoher Gütefaktor ein primäres Ziel ist, um eine im hohen Grade präzise Zeitbasis zu erhalten.
US-Patent Nr. 5.747.691 an Yoshino u. a. beschreibt z. B. ein aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat hergestelltes stimmgabelförmiges Schwingelement. Die Zinken der Stimmgabel besitzen dünne und dicke Bereiche, um ein Biegen des Arms in einer Richtung senkrecht zur Oszillation zu erlauben, wenn eine externe Kraft ausgeübt wird. Das Resonanzelement ist in Bezug auf die Sensoranwendung optimiert worden.
GB-Patent Nr. 2.300.047 an Fitzpatrick u. a. beschreibt eine Baugruppe aus Stimmgabel-Sensoren, um eine dreidimensionale Bewegungserfassung zu schaffen.
Noch weitere Dokumente, z. B. WO 91/03716 an Jensen u. a., GB 2.162.314 an Greenwood u. a., US 4.912.990 an Norling u. a. oder der Aufsatz von Beeby u. a. im Journal of Microelectromechanical Systems, Bd. 9, Nr. 1 (2000), S. 104 ff., beschreiben mikrobearbeitete Silicium-Resonanzdehnungsmessgeräte in der Form einer doppelseitigen Stimmgabel.
Keines der oben zitierten Dokumente gibt jedoch die Verwendung eines derartigen Typs des Stimmgabel-Resonators in einer Oszillatorschaltung an oder schlägt diese Verwendung vor, damit er als ein Frequenzstandard oder eine Zeitbasis wirkt. Außerdem machen eine Anzahl von Konstruktionsmerkmalen der in diesen Dokumenten offenbarten Stimmgabel-Resonatoren diese für zeitmesstechnische Anwendungen weniger geeignet, wo eine Frequenzstabilität und eine niedrigere Leistungsaufnahme wesentlich sind.
Durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung sind früher anisotrop geätzte oszillierende Stimmgabel-Strukturen beschrieben worden. Das anisotrope Ätzen der Struktur liefert jedoch unvermeintlich eine ungleiche Länge der Gabelzinken, was wiederum zu einem niedrigen Gütefaktor für einen derartigen Stimmgabel-Resonator führt. Das Herstellungsverfahren und die Nachteile derartiger anisotrop geätzter Stimmgabel-Resonatoren sind in dem Aufsatz von M. Giousouf u. a., veröffentlicht in Proc. of Eurosensors XII, Bd. 1 (1998), S. 381–384, oder in dem Aufsatz von M. Giousouf u. a., veröffentlicht in Sensors and Actuators 76 (1999), S. 416–424, beide mit dem Titel "Structuring of Convex Corners using a Reoxidation Process-Application to a Tuning Fork Resonator made from (110)-Silicon" ausführlicher erörtert. Die Fachleute auf dem Gebiet werden leicht verstehen, dass dieser Typ von Resonanzstrukturen besonders ungeeignet ist, um eine hochgenaue Zeitbasis zu bilden. Q-Faktoren von etwa 1000 sind an derartigen Strukturen im Vakuum gemessen worden, was für eine Anwendung als ein Frequenzstandard bei weitem zu niedrig ist.
Die Stimmgabel-Resonatoren gemäß der vorliegenden Erfindung sind optimiert, um eine Oszillation mit einem hohen Gütefaktor Q zu liefern, sind für eine niedrigere Leistungsaufnahme optimiert und sind optimiert, damit sie einen sehr kleinen Oberflächeninhalt auf dem Chip erfordern. Der Resonator kann mit Spannungen angeregt werden, die so niedrig wie 1 V sind, was die Verwendung von Batterien als Energiequelle in tragbaren elektronischen Vorrichtungen möglich macht. Außerdem werden Konstruktionsmerkmale vorgestellt, die die Massenproduktion derartiger Resonatoren auf Grund einer vergrößerten Toleranz in Bezug auf technologische Prozessvariationen erleichtern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Temperaturmessschaltung auf dem Substrat integriert sein, um die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des durch die Zeitbasis erzeugten Signals zu kompensieren. Eine derartige Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Resonators kann leicht ausgeführt werden, weil der Stimmgabel-Resonator der vorliegenden Erfindung den Vorteil besitzt, dass er eine im Wesentlichen lineare Temperaturkennlinie aufweist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein zweiter mikromechanischer Stimmgabel-Resonator auf demselben Substrat ausgebildet sein, um die Temperaturkompensation zu erlauben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Temperaturkompensation außerdem unter Verwendung eines einzigen mikromechanischen Stimmgabel-Resonators ausgeführt, der gleichzeitig mit zwei Oszillationsbetriebsarten betrieben wird, die verschiedene Resonanzfrequenzen besitzen.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung nicht einschränkender Beispiele und Ausführungsformen offensichtlich, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird, worin:
1 eine Draufsicht ist, die schematisch eine Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die einen mikromechanischen Stimmgabel-Resonator und eine integrierte elektronische Schaltung umfasst;
2 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Zeitbasis nach 1 ist, die einen mikromechanischen Stimmgabel-Resonator umfasst, der mittels Silizium-Oberflächenmikrobearbeitungstechniken verwirklicht ist;
2a und 2b zwei längs der Linien A-A' bzw. B-B' genommene Querschnittsansichten der Ausführungsform nach 2 sind;
3 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Zeitbasis nach 1 ist, die einen mikromechanischen Stimmgabel-Resonator umfasst, der unter Verwendung eines Substrats mit einer vergrabenen Oxidschicht, wie z. B. eines Silizium-auf-Isolator-Substrats (SOI-Substrats), hergestellt ist;
3a und 3b zwei längs der Linien A-A' bzw. B-B' genommene Querschnittsansichten der Ausführungsform nach 3 sind;
4 eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform der Zeitbasis nach 1 ist, die einen mikromechanischen Stimmgabel-Resonator umfasst, der unter Verwendung eines Substrats mit einer vergrabenen Oxidschicht und durch das Ätzen der Rückseite des Substrats, um die Gabelzinken zu lösen, hergestellt ist;
4a und 4b zwei längs der Linien A-A' bzw. B-B' genommene Querschnittsansichten der Ausführungsform nach 4 sind;
5a und 5b eine erste bzw. eine zweite Oszillationsbetriebsart in der gleichen Ebene zeigen, wo die Gabelzinken in einer asymmetrischen oder "phasengleichen" Weise bzw. in einer symmetrischen oder "gegenphasigen" Weise oszillieren;
6a und 6b zwei teilweise Draufsichten sind, die Beispiele der Konstruktionen der kammförmigen Elektrodenstrukturen veranschaulichen;
7 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der an die Elektroden angelegten Spannung und der resultierenden elektrostatischen Kraft auf die Gabelzinken veranschaulicht;
8a bis 8c teilweise Draufsichten der drei verschiedenen Konstruktionen zeigen, die das Anhaften der Stimmgabelzinken an den Elektrodenstrukturen verhindern sollen;
9 eine Draufsicht zeigt, die eine Verbesserung der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform veranschaulicht;
9a eine längs der Linie A-A' genommene Querschnittsansicht der Ausführungsform nach 9 ist;
10 einen Teil der Gabelzinken des Resonators mit Öffnungen darin zeigt;
11 zwei Stimmgabel-Resonatoren zeigt, die dasselbe Basiselement gemeinsam benutzen und so konstruiert sind, dass sie zwei verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen;
12 eine Draufsicht ist, die eine zweite Oszillationsbetriebsart veranschaulicht, in der die Gabelzinken eine vertikale Oszillation in entgegengesetzten Richtungen senkrecht zur Substratebene ausführen; und
12a und 12b zwei längs der Linien A-A' bzw. B-B' genommene Querschnittsansichten der Veranschaulichung nach 12 sind.
Die Abmessungen in der Zeichnung sind nicht maßstabsgetreu.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist eine integrierte Zeitbasis gezeigt, die im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 1 angegeben ist und die einen Resonator 4 und eine integrierte elektronische Schaltung 3 zum Anregen des Resonators zu einer Oszillation und zum Erzeugen in Reaktion auf diese Oszillation eines Signals mit einer bestimmten Frequenz umfasst. Die integrierte elektronische Schaltung 3 ist nicht ausführlich zeigt, weil diese Schaltung durch die Fachleute auf dem Gebiet leicht konstruiert werden kann. Vorzugsweise sind sowohl die integrierte elektronische Schaltung 3 als auch der Resonator 4 auf demselben Substrat verwirklicht und integriert, was im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 2 angegeben ist, wie in 1 veranschaulicht ist. Ein bevorzugtes Substratmaterial ist Silizium, es können jedoch andere ähnliche Materialien, die den Fachleuten auf dem Gebiet als zum Verwirklichen der Zeitbasis der vorliegenden Erfindung gleichermaßen geeignet bekannt sind, verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Resonator 4 in der Form eines monolithischen mikromechanischen Stimmgabel-Resonators verwirklicht. Der Resonator 4 ist über dem Substrat 2 unterstützt und kann in einer Ebene parallel zum Substrat 2 oszillieren. Der Stimmgabel-Resonator 4 umfasst im Wesentlichen ein Basiselement 5, das sich senkrecht vom Substrat 2 erstreckt, und eine freistehende Oszillationsstruktur, die global durch das Bezugszeichen 6 angegeben ist und die mit dem Basiselement 5 verbunden ist und ein Paar von im Wesentlichen parallelen Gabelzinken 7, 8 enthält, die parallel zum Substrat 2 angeordnet sind. Es ist lohnend, anzugeben, dass die einzige mechanische Verbindung zwischen dem Stimmgabel-Resonator 4 und dem Substrat 2 das Stimmgabel-Basiselement 5 ist, was zu den freistehenden beweglichen Zinken 7, 8 führt.
Der Stimmgabel-Resonator 4 umfasst ferner eine Elektrodenstruktur 9, um den Resonator 4 zu einer Oszillation anzuregen und um diese Oszillation zu erfassen, wie im Folgenden ausführlicher erklärt wird.
Gemäß der Erfindung sind die kammförmigen Strukturen 71, 81 auf den Gabelzinken 7 bzw. 8 vorgesehen. Diese kammförmigen Strukturen 71, 81 bilden einen Teil der Elektrodenstruktur 9 des Stimmgabel-Resonators, wobei jede erste Elektrodenelemente 72, 82 enthält, die sich im Wesentlichen senkrecht von einer Seite jedes Gabelzinkens 7, 8 erstrecken. In der Veranschaulichung nach 1 sind diese Elektrodenelemente 72, 82 auf der Außenseite der Gabelzinken 7, 8 vorgesehen, d. h. weg von dem zwischen den Gabelzinken vorhandenen Spalt.
Alternativ können die kammförmigen Strukturen auf der Innenseite der Gabelzinken 7, 8 vorgesehen sein. Diese Option erfordert einen breiteren Spalt zwischen den Gabelzinken, um eine oder zwei Elektroden dazwischen aufzunehmen (eine neben jeder der Gabelzinken 7 und 8). Ein breiterer Spalt verringert jedoch die Kopplung zwischen den Zinken und verringert den Gütefaktor Q einer erwünschten gegenphasigen Oszillation (5b).
Die Elektrodenstruktur 9 umfasst in dem Beispiel nach 1 ferner erste und zweite kammförmige Elektrodenstrukturen, die durch die Bezugszeichen 91 bzw. 92 angegeben sind und die auf dem Substrat 2 neben den Gabelzinken 7, 8 angeordnet sind, damit sie sich mit den kammförmigen Strukturen 71, 81 in Eingriff befinden. Insbesondere enthält die erste kammförmige Elektrodenstruktur 91 zweite Elektrodenelemente 93 und befindet sich mit der kammförmigen Struktur 71 in Eingriff, so dass die ersten Elektrodenelemente 72 den zweiten Elektrodenelementen 93 benachbart sind, während die zweite kammförmige Elektrodenstruktur 92 zweite Elektrodenelemente 94 enthält und sich mit der kammförmigen Struktur 81 in Eingriff befindet, so dass die ersten Elektrodenelemente 82 den zweiten Elektrodenelementen 94 benachbart sind.
Die Verwendung der sich in Eingriff befindlichen kammförmigen Strukturen ist besonders vorteilhaft, weil eine hohe Phasenverschiebung bei niedriger Leistungsaufnahme erhalten werden kann. Außerdem ist die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von den angelegten Spannungen stark verringert, wenn derartige kammförmige Strukturen verwendet werden.
Gemäß einer ersten Variante dient die kammförmige Elektrodenstruktur 91 dazu, den Stimmgabel-Resonator 4 elektrostatisch zu einer Oszillation anzuregen, während die zweite kammförmige Elektrodenstruktur 92, die auf der entgegengesetzten Seite des Stimmgabel-Resonators 4 angeordnet ist, dazu dient, die Oszillation des Resonators kapazitiv zu erfassen. Demgemäß dienen die Leiter 11, 12, 13 dazu, die erste kammförmige Elektrodenstruktur 91, die zweite kammförmige Elektrodenstruktur 92 bzw. die Stimmgabel 4 über ihr Basiselement 5 mit der integrierten elektronischen Schaltung 3 zu verbinden, die eine (nicht gezeigte) Oszillatorschaltung umfasst, die die Stimmgabel zu einer Resonanz anregt. Das resultierende im hohen Grade stabile Frequenzsignal kann durch die integrierte Schaltung 3 weiter verarbeitet werden, z. B. durch das Teilen der Frequenz des resultierenden Signals in einem Frequenzteiler, um ein Signal mit niedrigerer Frequenz zu erhalten.
Es sollte betont werden, dass ungeachtet der Tatsache, dass nur eine Elektrodenstruktur, nämlich die Elektrodenstruktur 91, als Anregungselektrode verwendet wird, beide Gabelzinken zu einer Oszillation angeregt werden, da die in einer Gabelzinke hervorgerufene Oszillation über das Basiselement 5 zur anderen Gabelzinke übertragen wird.
Es wird außerdem angegeben, dass der Resonator im Wesentlichen zwei fundamentale Oszillationsbetriebsarten in der gleichen Ebene aufweist. Eine Erste dieser Oszillationsbetriebsarten besteht in einer asymmetrischen Oszillation der zwei Gabelzinken, bei der beide Zinken in der gleichen Richtung oszillieren. Die zweite Oszillationsbetriebsart besteht in einer symmetrischen Oszillation der Gabelzinken, bei der beiden Zinken in entgegengesetzten Richtungen oszillieren. Diese zwei Oszillationsbetriebsarten in der gleichen Ebene sind in den 5a und 5b schematisch veranschaulicht, wo die Amplitude der Oszillation zum Zweck der Erklärung übertrieben dargestellt ist. Es ist klar, dass die zweite Oszillationsbetriebsart, die als eine "gegenphasige" Oszillationsbetriebsart beschrieben werden kann, gegenüber der Ersten zu bevorzugen ist, weil gemäß dieser zweiten Oszillationsbetriebsart der Schwerpunkt der Resonanzstruktur im Wesentlichen bewegungslos bleibt. Im Gegensatz zur zweiten Oszillationsbetriebsart führt die asymmetrische Oszillation zu einer höheren Energiedissipation und deshalb zu einer höheren Dämpfung der Oszillation.
Gemäß einer weiteren Variante sind die ersten und zweiten kammförmigen Elektrodenstrukturen 91 und 92 miteinander verbunden und werden beide als Anregungselektroden verwendet. Dadurch wird eine gegenphasige Oszillation der Gabelzinken 7, 8, wie in 5b veranschaulicht ist, vorzugsweise angeregt. In diesem Fall wird das Erfassen der Oszillation des Resonators vorteilhaft durch das Messen der Impedanz und das Detektieren der Impedanzverschiebung bei der Resonanz ausgeführt.
Die Resonatorstruktur kann durch eine große Vielfalt verschiedener technologischer Prozesse erhalten werden. Es können sowohl die Silizium-Oberflächenmikrobearbeitung als auch Kombinationen der Oberflächen- mit der Volumenmikrobearbeitung verwendet werden. Die 2, 3 und 4 zeigen drei nicht einschränkende Beispiele von Resonanzstrukturen, die entsprechend dreier verschiedener Mikrobearbeitungstechniken erhalten worden sind. Andere Techniken, die den Fachleuten auf dem Gebiet als zur Verwirklichung des Stimmgabel-Resonators der vorliegenden Erfindung gleichermaßen geeignet bekannt sind, können verwendet werden. Die 2a, 3a, 4a und 2b, 3b, 4b sind Querschnittansichten der Resonatoren nach den 2, 3 und 4, die längs der Linien A-A' bzw. B-B' genommen sind.
2 zeigt schematisch einen Stimmgabel-Resonator 4, der mittels einer Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnik oben auf einem geeigneten Substrat 2 hergestellt worden ist, wobei dieses Substrat vorzugsweise ein Silizium-Wafer ist. Entsprechend dieser ersten Technik wird eine Polysiliziumschicht oben auf einer sogenannten Opferschicht, wie z. B. einem Siliziumoxid, abgeschieden. Nach der Strukturierung dieser Polysiliziumschicht wird die Opferschicht teilweise entfernt, um die Gabelzinken zu lösen und um die Struktur des Resonators auszubilden.
Unter spezifischerer Bezugnahme auf das in den 2, 2a und 2b veranschaulichte Beispiel wird z. B. eine erste isolierende Oxidschicht 20 auf dem Halbleitersubstrat 2 abgeschieden. Eine erste Schicht eines leitenden Materials 30, wie z. B. Polysilizium, kann oben auf der ersten Oxidschicht 20 abgeschieden werden. Nach der Strukturierung bildet diese Schicht 30 die Leiter 11, 12 und 13 zu der ersten Elektrodenstruktur 91, der zweiten Elektrodenstruktur 92 bzw. dem Basiselement 5, wie in den Figuren gezeigt ist. Alternativ können die Leiter 11, 12 und 13 dotierte oder metallisierte Zonen in oder auf dem Substrat sein. Dann wird eine weitere Oxidschicht 22 oben auf der ersten Oxidschicht 20 und der strukturierten Schicht 30 abgeschieden. Diese zweite Oxidschicht 22 wird selektiv geätzt, um Öffnungen in der zweiten Oxidschicht 22 zu schaffen, die einen elektrischen Kontakt mit der darunterliegenden Schicht des leitenden Materials 30 erlauben. Dann wird eine zweite Schicht des leitenden Materials 32, wie z. B. Polysilizium, sowohl oben auf der zweiten (Opfer-)Oxidschicht 22 als auch in den in der Oxidschicht 22 geätzten Verbindungsöffnungen abgeschieden.
Schließlich wird die zweite Schicht des leitenden Materials 32 mit einem Muster versehen und geätzt, um sowohl die Struktur des Resonators 4, d. h. das Basiselement 5 und die Gabelzinken 7, 8, als auch die Elektrodenstrukturen 91 und 92 zu bilden. Nach der Strukturierung der Schicht 32 wird die Opferschicht 22 teilweise entfernt, um die Gabelzinken 7, 8 zu lösen. Es ist klar, dass die Schicht 22 außerdem wenigstens teilweise unter dem Basiselement 5 und den Elektrodenstrukturen 91, 91 entfernt wird, wie in den 2a und 2b veranschaulicht ist. Das Basiselement 5 und die Elektrodenstrukturen 91, 92 sind jedoch immer noch durch die nicht geätzten Abschnitte 22a der Oxidschicht 22 und des leitenden Materials 32a, das den Resonator 4 und die Elektrodenstrukturen 91, 92 mit den darunterliegenden Leitern 11, 12, 13 verbindet, unterstützt.
3 zeigt schematisch einen Stimmgabel-Resonator 4, der mittels einer ein wenig verschiedenen Technik hergestellt worden ist, die von einer vergrabenen Oxidschicht in z. B. einem sogenannten Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat) Gebrauch macht. Nach der Strukturierung der obersten Siliziumschicht wird die Oxidschicht teilweise entfernt, um die Gabelzinken zu lösen.
Spezieller in den 3, 3a und 3b ist die oberste Siliziumschicht, die durch das Bezugszeichen 35 angegeben ist, so strukturiert, um den Resonator 4 und die Elektrodenstrukturen 91 und 92 zu bilden. Optional können außerdem die Leiter 11, 12 und 13 in der Schicht 35 ausgebildet sein. Nach der Strukturierung der obersten Siliziumschicht 35 wird die darunterliegende Isolierschicht 25, die nach dem Ätzen der Siliziumschicht 35 freigelegt worden ist, geätzt, um die Gabelzinken 7, 8 zu lösen. Wie in den Figuren schematisch veranschaulicht ist, müssen das Basiselement 5 und die Elektrodenstrukturen 91, 92 (ebenso wie die Leiter 11, 12, 13) so konstruiert sein, dass sie einen größeren Oberflächeninhalt als die Gabelzinken 7, 8 aufweisen, so dass Abschnitte der Isolierschicht 25 nach dem Ätzprozess verbleiben und immer noch die darüberliegende Siliziumschicht 35 unterstützen, wie in den Querschnittansichten der 3a und 3b gezeigt ist.
4 zeigt schematisch einen Stimmgabel-Resonator, der mit einer dritten Technik hergestellt worden ist, die ebenfalls von einer vergrabenen Oxidschicht in z. B. einem SOI-Substrat Gebrauch macht. Hier wird nach der Strukturierung der obersten Siliziumschicht die Rückseite des Substrats geätzt, um ein Fenster zu öffnen, das das Lösen der Gabelzinken erlaubt.
Spezieller in den 4, 4a und 4b wird die oberste Siliziumschicht 35 strukturiert, um den Resonator 4 und die Elektrodenstrukturen 91, 92 auszubilden. Dieser Schritt ist jenem ähnlich, der entsprechend der in 3 veranschaulichten zweiten Technik verwirklicht ist. Danach wird jedoch ein Fenster 27 in der Rückseite des Substrats 2 unter Verwendung eines chemischen Ätzmittels, wie z. B. KOH oder TMAH, geätzt. Dann wird in der Isolierschicht 25 eine Öffnung 26 geätzt, wobei dadurch die Gabelzinken 7 und 8 gelöst werden. Dies besitzt den Vorteil, dass die Gabelzinken nicht am Substrat anhaften können (was die Herstellung längerer Zinken für niedrigere Frequenzen erlaubt), besitzt aber den Nachteil, eine Abdichtung des Hohlraums des Resonators auf beiden Seiten (Oberseite und Unterseite) des Substrats zu erfordern, um den Resonator unter Vakuumbedingungen zu betreiben.
Die Vakuumabdichtung der Resonanzstruktur auf der Chipebene kann durch Chargen-Verarbeitungstechniken, wie z. B. anodisches Bonden oder Silizium-Silizium-Bonden, ausgeführt werden, die den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt sind.
In allen oben beschriebenen Herstellungstechniken ist klar, dass zusätzliche Schritte vorgesehen sein können, um andere leitende oder nichtleitende Schichten auszubilden. Außerdem ist in Bezug auf die Resonanzstrukturen nach den 3 und 4 klar, dass die Leiter 11, 12, 13 in der Siliziumschicht 35 durch zusätzliche leitende Schichten, die mit den entsprechenden Teilen der Struktur verbunden sind, oder durch direkt an diese Teile gebondete Drähte ersetzt sein können.
Wie bereits erwähnt worden ist, sind die Zinken des Resonators vorzugsweise mit kammförmigen Strukturen versehen, die sich mit den kammförmigen Strukturen der Elektroden in Eingriff befinden. 6a zeigt eine ausführliche Teilansicht des freien Endes 7a der Gabelzinke 7 eines Resonators gemäß einer ersten Konstruktionsvariante. Hier besitzen die ersten und zweiten Elektrodenelemente 72, 93 der ersten Gabelzinke 7 bzw. der Elektrodenstruktur 91 (ebenso wie die Elektrodenelemente 82, 94, die in 6a nicht veranschaulicht sind) eine Form eines Kreisbogens. Deren Radius ist so gewählt, dass er der Bewegung eines festen Punkts auf der Biegelinie der Gabelzinke während einer ganzen Oszillationsperiode folgt, und ist deshalb eine Funktion ihrer Position auf der Gabelzinke 7 (bzw. 8) oder auf der Elektrodenstruktur 91 (bzw. 92).
6b zeigt eine ausführliche Teilansicht einer weiteren Konstruktionsvariante der kammförmigen Strukturen, bei der sich der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen längs der Länge der Gabelzinke ändert. Insbesondere ist der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen am freien Ende der Gabelzinken verkürzt. Ein kleinerer Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen führt zu einer örtlichen Zunahme der kapazitiven Kopplung und daher zu einer größeren elektrostatischen Kraft auf den entsprechenden Teil der Zinke. Indem die kammförmige Struktur in einer derartigen Weise konstruiert wird, kann die bevorzugte fundamentale symmetrische Oszillationsbetriebsart in der gleichen Ebene, die in 5b veranschaulicht ist, gefördert werden und die Oszillation der Stimmgabel bei der ersten Harmonischen vermieden werden. In einer weiteren (nicht gezeigten) Variante kann sich die Länge der Elektrodenelemente längs der Länge der Gabelzinke ändern, um die gewünschte Oszillationsbetriebsart anzuregen. Wie bereits erwähnt worden ist, dient gemäß einer ersten Variante des Betriebs die in der Ausführungsform nach 1 gezeigte kammförmige Elektrodenstruktur 91 dazu, den Stimmgabel-Resonator elektrostatisch zu einer Oszillation anzuregen, während die entgegengesetzte kammförmige Elektrodenstruktur 92 dazu dient, diese mechanische Oszillation kapazitiv zu erfassen. An die Elektrodenstruktur 91 ist ein Wechselspannungssignal angelegt, was zu elektrostatischen Kräften auf die erste Gabelzinke 7 und deren Oszillation führt, wobei diese Oszillation zur anderen Zinke 8 übertragen wird. Diese Oszillation der zweiten Gabelzinke 8 induziert wiederum ein alternierendes Signal im entgegengesetzten Satz der Elektrodenstruktur 92, wenn der Resonator arbeitet. Es ist selbstverständlich, dass die Elektrodenstrukturen 91 und 92 völlig austauschbar sind.
Entsprechend dem elektrostatischen Anregungsprinzip, das verwendet wird, um den Resonator zu einer Oszillation anzuregen, gibt es eine parabolische Beziehung zwischen der an die Elektroden angelegten Spannung und der resultierenden Kraft auf die Stimmgabelzinken. Es ist folglich erwünscht, eine konstante Gleichspannung zur Wechselspannung hinzuzufügen, um eine im Wesentlichen lineare Kraft-Spannungs-Beziehung zu erhalten. 7 zeigt schematisch diese parabolische Beziehung und die Linearisierung der Kraft-Spannungs-Beziehung durch die Hinzufügung einer konstanten Gleichspannung Udc zur Wechselspannung Uac, wobei die Amplitude von Uac viel kleiner als Udc ist.
In der schematischen Darstellung nach 1 sind drei Signalleitungen oder -leiter 11 bis 13 gezeigt, die mit der ersten Elektrodenstruktur 91, der zweiten Elektrodenstruktur 92 bzw. dem Basiselement 5 der Stimmgabel verbunden sind.
Gemäß einer ersten Variante kann der Leiter 13 verwendet werden, um über das Basiselement 5 eine Gleichspannungskomponente an den Stimmgabel-Resonator anzulegen, während die Wechselspannungskomponente über den Leiter 11 an die erste Elektrodenstruktur 91 angelegt wird, wobei der Leiter 12 verwendet wird, um das in der zweiten Elektrodenstruktur 92 induzierte resultierende Signal zu erfassen. Gemäß einer zweiten Variante können die Anregungs-Wechselspannung und die Gleichspannungskomponente über den Leiter 11 an den ersten Elektrodenstrukturen 91 überlagert werden, während der Stimmgabel-Resonator über den Leiter 13 auf einem festen Potential, wie z. B. Masse, gehal ten wird. Der Leiter 12 wird in diesem Fall verwendet, um das Signal zu erfassen. Es ist abermals klar, dass die Elektrodenstrukturen 91 und 92 austauschbar sind und dass die zweite Elektrodenstruktur 92 alternativ verwendet werden kann, um den Resonator zu einer Oszillation anzuregen, während die erste Elektrodenstruktur 91 für die Erfassung verwendet wird.
Alternativ kann die Elektrodenstruktur 9 nur für die Anregung verwendet werden, während die Erfassung ausgeführt werden kann, indem eine Impedanzänderung bei der Resonanz erfasst wird. Die Elektrodenstrukturen 91 und 92 können z. B. miteinander verbunden sein, oder es kann sogar nur eine Elektrodenstruktur verwendet werden, um den Resonator zu einer Oszillation anzuregen. Gemäß einer ersten Variante ist die Anregungs-Wechselspannung an den Satz der Elektrodenstrukturen angelegt, während die Gleichspannungskomponente an die Stimmgabel angelegt ist. Gemäß einer weiteren Variante kann die Summe der Wechsel- und Gleich-Anregungsspannungen an den Satz der Elektrodenstrukturen angelegt sein, wobei in diesem Fall die Stimmgabel auf einem festen Potential, wie z. B. Masse, gehalten wird.
Es ist für die Fachleute auf dem Gebiet klar, dass viele andere Elektrodenanordnungen verwendet werden können, um den Resonator zu einer Oszillation anzuregen und schließlich die resultierende Bewegung zu erfassen. Die in 1 gezeigte Anordnung ist deshalb nicht als eine Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu betrachten. Der Spalt zwischen den Gabelzinken kann z. B. vergrößert werden, um dazwischen eine Elektrodenstruktur aufzunehmen, die entweder als eine Anregungs-Elektrodenstruktur oder als eine Erfassungs-Elektrodenstruktur verwendet werden kann.
Die 8a bis 8c zeigen drei verschiedene vorteilhafte Konstruktionsmerkmale, die verhindern sollen, dass die Gabelzinken des Resonators im Fall eines Stoßes an den Elektroden anhaften. Entsprechend einer in 8a gezeigten ersten Variante kann wenigstens eines 72* der Elektrodenelemente 72 (dasselbe gilt für die Elektrodenelemente 82) länger als die anderen gemacht werden, wobei dadurch die Adhäsionskräfte verringert werden, wenn die kammförmige Struktur 71 und die kammförmige Elektrodenstruktur 91 (oder 81 und 93) in mechanischen Kontakt miteinander gelangen. Offensichtlich kann die gleiche Wirkung erhalten werden, wenn eines der Elektrodenelemente 93 (oder 94 in Bezug auf die zweite Gabelzinke) länger als die anderen ist.
Alternativ können, wie in 8b gezeigt ist, die Endbereiche 72a der Elektrodenelemente 72 und/oder die Endbereiche 93a der Elektrodenelemente 93 so konstruiert sein, dass sie eine zugespitzte Form oder wenigstens einen geeigneten kleinen Oberflächeninhalt aufweisen, um das Anhaften der Gabelzinken zu verhindern. Offensichtlich gilt das Gleiche für die zweite Gabelzinke 8 und die zweite Elektrodenstruktur 92.
Schließlich kann, wie in der Variante nach 8c gezeigt ist, eine auf dem Substrat 2 angeordnete Anschlagstruktur 28 am freien Ende 7a der Gabelzinke 7 vorgesehen sein, dieses freie Ende 7a ist mit einer Erweiterung 78 versehen, die mit der Anschlagstruktur 28 zusammenwirkt. Diese Anschlagstruktur 28 ist so konstruiert, dass sie die Winkelbewegung der Gabelzinke 7 begrenzt und deshalb ihr Anhaften an der Elektrodenstruktur 91 verhindert, wenn übermäßige Winkelbewegungen stattfinden, z. B. auf Grund mechanischer Stöße. Abermals gilt offensichtlich das Gleiche für die zweite Gabelzinke 8.
Alle oben erwähnten Merkmale können in einer geeigneten Weise kombiniert werden, um einen effizienten Antihaftmechanismus zu erhalten
Die 9 und 9a zeigen eine Verbesserung des mikromechanischen Stimmgabel-Resonators 4, der in den 2, 2a und 2b veranschaulicht ist. 9a zeigt eine längs der Linie A-A' genommene Querschnittsansicht nach 9. Ein leitendes Muster 31 ist auf (oder unter) der Oberfläche des Substrats 2 (in diesem Fall oben auf der ersten Oxidschicht 20) unter wenigstens einem Teil der freistehenden Oszillationsstruktur 6, d. h. den Gabelzinken 7 und 8, vorgesehen, wobei die Form dieses leitenden Musters 31 im Wesentlichen eine Projektion der freistehenden Oszillationsstruktur 6 auf die Oberfläche des Substrats 2 ist. Dieses leitende Muster 31 kann gleichzeitig mit den Leitern 11, 12, 13 aus der ersten Schicht des leitenden Materials 30 ausgebildet werden. Außerdem kann sich das leitende Muster 31 im direkten elektrischen Kontakt mit dem Leiter 13 befinden, der mit dem Basiselement 5 verbunden ist, wobei dadurch das leitende Muster 31 und die freistehende Oszillationsstruktur 6 auf das gleiche Potential gesetzt sind. Alternativ kann das leitende Muster 31 in einem zusätzlichen Schritt z. B. aus einem Metall ausgebildet werden.
Das Verbinden des leitenden Musters 31 mit demselben Potential wie die freistehende Oszillationsstruktur 6 unterdrückt Kräfte senkrecht zum Substrat 2 zwischen dem Stimmgabel-Resonator 4 und der Oberfläche des Substrats 2, was zu einer Resonanzfrequenz führt, die von den angelegten Spannungen unabhän gig ist. Ein derartiges leitendes Muster 31 verhindert außerdem, dass die Zinken 7, 8 am Substrat anhaften. Es wird leicht eingesehen, dass ein ähnliches leitendes Muster außerdem zu den unter Verwendung anderer Techniken hergestellten Resonatoren hinzugefügt werden kann, wie z. B. zu dem in den 3, 3a und 3b oder zu dem in den 4, 4a und 4b veranschaulichten Resonator.
Die Resonanzfrequenz des Stimmgabel-Resonators kann über einen weiten Bereich eingestellt werden, indem die geometrischen Abmessungen der Vorrichtung geändert werden, nämlich die Länge und die Breite der Gabelzinken, wie aus dem folgenden sogenannten "Karolus"-Ausdruck der Resonanzfrequenz einer aus einem Material mit dem Elastizitätsmodul E und der Dichte ρ hergestellten Stimmgabel mit Zinken mit der Länge l und der Breite w entnommen werden kann:
wobei c eine von der genauen Form und der Betriebsart der Stimmgabel abhängige Konstante ist.
Es ist für die Massenproduktion derartiger Stimmgabel-Resonatoren wichtig, die Resonanzfrequenz von einem Chip zum anderen innerhalb kleiner Toleranzen zu halten. Die Resonanzfrequenz der Stimmgabel-Resonatoren hängt nicht von der Dicke der Stimmgabel ab, wie aus dem obigen Ausdruck leicht ersichtlich ist. Deshalb hängt die Resonanzfrequenz z. B. von unter Verwendung einer Polysilizium-Oberflächenmikrobearbeitungstechnologie hergestellten Stimmgabeln nicht von der Dicke der abgeschiedenen Polysiliziumschicht ab, was zu einer stark verbesserten Robustheit des Prozesses führt.
Die Toleranzen der Resonanzfrequenz, die auf leichte Variationen der Prozessparameter zurückzuführen sind, können im hohen Maße verringert werden, indem die Stimmgabel sorgfältig dimensioniert wird. Insbesondere können, wie in 10 schematisch veranschaulicht ist, Öffnungen 65 in den Gabelzinken 7, 8 vorgesehen sein, um die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von den Prozessparametern zu verringern. In der Tat ist die Resonanzfrequenz der Stimmgabel niedriger als die geplante Frequenz, falls die Breite der Zinken 7, 8 nach der Verarbeitung, z. B. auf Grund einer Überätzung, schmaler als eine gewünschte Breite ist. Gleichzeitig sind jedoch die in den Gabelzinken 7, 8 vorgesehenen Öffnungen 65 größer, wobei dadurch die Masse der Gabelzinken 7, 8 verringert wird und die Abnahme der Resonanzfrequenz kompensiert wird (es sollte betont wer den, dass der obige Ausdruck der Resonanzfrequenz nicht für eine Stimmgabel gilt, die mit Öffnungen versehen ist, wie sie z. B. in 10 veranschaulicht ist). Die Elektrodenelemente 72, 82 der kammförmigen Strukturen 71, 81 besitzen, wenn eine Überätzung auftritt, die gleiche Wirkung auf die Resonanzfrequenz der Stimmgabel wie die Öffnungen 65.
Vorzugsweise sind die Öffnungen 65 nahe am freien Ende 7a, 8a der Zinken 7, 8 vorgesehen, damit sie einen stärkeren Einfluss auf die Resonanzfrequenz besitzen, ohne den Gütefaktor des Stimmgabel-Resonators zu beeinflussen.
Der durch den mikromechanischen Stimmgabel-Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung benötigte Oberflächeinhalt ist in Bezug auf die erhaltene Resonanzfrequenz sehr klein. Ein Stimmgabel-Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung, der für eine ziemlich niedrige Frequenz von 32 kHz konstruiert ist, erfordert z. B. eine Oberfläche von etwa 0,2 mm². Herkömmliche Strukturen erfordern einen relativ großen Oberflächeinhalt, um eine derartige niedrige Frequenz zu erhalten. Für eine gegebene geometrische Anordnung stehen die Abmessungen und die Frequenz in einer reziproken Beziehung, d. h., je größer die geometrischen Abmessungen sind, desto niedriger ist die Frequenz.
Die Resonanzfrequenz des Stimmgabel-Resonators ist im Temperaturbereich von 0 bis 60°C in guter Approximation eine lineare Funktion der Temperatur. Bei einer Resonanzfrequenz von 65 kHz ist beobachtet worden, dass der Wärmekoeffizient der Resonanzfrequenz in der Größenordnung von –30 ppm/°C liegt. Es ist folglich erwünscht, in dasselbe Substrat eine Temperaturmessschaltung zu integrieren, die ein Ausgangssignal besitzt, das verwendet werden kann, um die Frequenzvariation zu kompensieren, indem die Frequenz des durch die Zeitbasis erzeugten Signals angemessen eingestellt wird.
Diesbezüglich kann die Zeitbasis gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eine (nicht gezeigte) integrierte Temperaturmessschaltung enthalten. Ein Beispiel einer derartigen Temperaturmessschaltung ist in dem Aufsatz "Smart Temperatur 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 ausgeführt, indem auf das Teilungsverhältnis der Teilerkette eingewirkt wird, z. B. unter Verwendung einer Inhibitionstechnik, die den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt ist.
Alternativ können zwei Stimmgabel-Resonatoren mit verschiedenen Resonanzfrequenzen auf demselben Chip integriert sein, eine derartige Anordnung erlaubt, dass die Chiptemperatur präzise bestimmt wird, indem die Frequenzdifferenz der zwei Resonatoren gemessen wird (beide Stimmgabel-Resonatoren besitzen den gleichen Temperaturkoeffizienten, weil sie aus dem gleichen Material hergestellt sind). Vorteilhaft können, wie in 11 gezeigt ist, die zwei Stimmgabel-Resonatoren 4 und 4*, die verschiedene Resonanzfrequenzen besitzen, dasselbe Basiselement 5 gemeinsam benutzen, um den erforderlichen Oberflächeinhalt auf dem Chip zu verringern.
Der Vorteil der Verwendung integrierter Zeitbasen gemäß der vorliegenden Erfindung ist zweifach: Erstens ist die Temperaturabhängigkeit des Stimmgabel-Resonators linear, was die elektronische Signalbehandlung erleichtert, die notwendig ist, um die Temperatur zu kompensieren. Zweitens und wichtiger erlaubt die kleine Größe und die monolithische Integration des Stimmgabel-Resonators, dass ein zweiter Resonator bei nur einer leichten Zunahme der Chipgröße und ohne weitere externe Verbindungen vorgesehen ist.
Alternativ ist es gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung möglich, einen einzelnen Stimmgabel-Resonator zu verwenden, der gleichzeitig mit zwei Oszillationsbetriebsarten arbeitet. Eine Erste dieser Betriebsarten ist die oben beschriebene Oszillationsbetriebsart in der gleichen Ebene (5b). Eine zweite Oszillationsbetriebsart kann eine vertikale Oszillationsbetriebsart sein, in der die Gabelzinken 7, 8 eine im Wesentlichen vertikale Oszillation senkrecht zur Substratebene ausführen. Diese vertikale Oszillationsbetriebsart kann elektrostatisch angeregt und kapazitiv unter Verwendung weiterer Elektroden auf dem Substrat unter den Stimmgabelzinken erfasst werden. Die zwei Betriebsarten sind so ausgewählt, dass sie verschiedene Frequenzen besitzen, so dass die Temperaturkompensation durch das Messen der Frequenzdifferenz ausgeführt werden kann, die mit der Temperatur in einer direkten Beziehung steht. Verschiedene Resonanzfrequenzen für die vertikale Oszillationsbetriebsart und die Oszillationsbetriebsart in der gleichen Ebene können erhalten werden, indem ein rechteckiger Querschnitt der Gabelzinken gewählt wird.
Vorzugsweise sollte die vertikale Oszillationsbetriebsart in einer asymmetrischen vertikalen Oszillation der Gabelzinken bestehen, bei der die Zinken in entgegengesetzten Richtungen oszillieren. In der Tat kompensieren sich im Fall einer asymmetrischen vertikalen Oszillation die durch beide Gabelzinken auf die Basis 5 während der Oszillation ausgeübten Kräfte gegenseitig, wohingegen sie sich in dem Fall, in dem die Gabelzinken vertikal in der gleichen Richtung oszillieren, addieren, was zu einer vergrößerten Verlustleistung und deshalb zu einem verringerten Gütefaktor führt. Die vertikale Oszillationsbetriebsart kann jedoch außerdem in einer symmetrischen vertikalen Oszillation der Gabelzinken bestehen.
Die 12, 12a und 12b sind schematische Veranschaulichungen einer Elektrodenanordnung, die die vertikale Oszillation der Gabelzinken in entgegengesetzten Richtungen erlaubt. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, sind zwei Sätze von Elektroden 100 und 120 auf der Oberfläche oder im Oberflächenbereich unter den Gabelzinken 7, 8 angeordnet. Der erste Satz von Elektroden 100 regt die Gabelzinken 7, 8 in eine vertikale Oszillation an, während der zweite Satz von Elektroden 120 diese vertikale Oszillation erfasst. Der Satz der Anregungselektroden 100 ist unter dem freien Endabschnitt der Gabelzinken 7, 8 angeordnet, wohingegen der Satz der Erfassungselektroden 120 unter den Gabelzinken 7, 8 zwischen dem Basiselement 5 und dem Satz der Anregungselektroden 100 angeordnet ist. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die Elektroden 100 und 120 völlig austauschbar sind.
Um die Gabelzinken zu einer Oszillation anzuregen, so dass die Gabelzinken in entgegengesetzten Richtungen oszillieren, wie in den Figuren veranschaulicht ist, ist es spezieller bevorzugt, den Satz der Ansteuerelektroden 100 in zwei Elektroden zu unterteilen, die unter jeder der Gabelzinken 7, 8 wie gezeigt angeordnet sind, wobei die zwei Elektroden mit Signalen mit entgegengesetzten Phasen versorgt werden. Offensichtlich ist der Satz der Erfassungselektroden 120 ähnlich in zwei Elektroden zu unterteilen, die die Signale mit entgegengesetzten Phasen bereitstellen.
Nachdem die Erfindung bezüglich bestimmter spezifischer Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass diese Ausführungsformen nicht als Einschränkungen der Erfindung beabsichtigt sind. In der Tat können für die Fachleute auf dem Gebiet verschiedene Modifikationen und/oder Abwandlungen offensichtlich werden, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Zeitbasis, die einen Resonator (4) und eine integrierte elektronische Schaltung (3) zum Anregen des Resonators (4) zu einer Oszillation und zum Erzeugen in Reaktion auf die Oszillation eines Signals mit einer bestimmten Frequenz, wobei der Resonator ein integrierter mikromechanischer Stimmgabel-Resonator (4) ist, der über einem Substrat (2) unterstützt ist und gemäß einer ersten Oszillationsbetriebsart in einer zu dem Substrat (2) im Wesentlichen parallelen Ebene oszillieren kann, wobei der Stimmgabel-Resonator (4) umfasst: – ein Basiselement (5), das sich im Wesentlichen senkrecht von dem Substrat (2) erstreckt; und – eine freistehende Oszillationsstruktur (6), die mit dem Basiselement (5) verbunden ist und wenigstens ein erstes Paar von im Wesentlichen parallelen Gabelzinken (7, 8), die in der Ebene angeordnet sind, enthält; dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst: – eine Elektrodenstruktur (9), die benachbart zu den Gabelzinken (7, 8) angeordnet und mit der integrierten elektronischen Schaltung (3) verbunden ist, – eine kammförmige Struktur (71, 81), die an jeder der Gabelzinken (7, 8) vorgesehen und in der Ebene angeordnet ist und erste Elektrodenelemente (72, 82), die sich im Wesentlichen senkrecht von einer ersten Seite der Gabelzinken (7, 8) erstrecken, umfasst, wobei die Elektrodenstruktur (9) wenigstens eine kammförmige Elektrodenstruktur (91, 92) umfasst, die mit der kammförmigen Struktur (71, 81) einer Gabelzinke (7, 8) in Eingriff ist und zweite Elektrodenelemente (93, 94), die zu den ersten Elektrodenelementen (72, 82) benachbart sind, umfasst.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (3) zusammen mit dem mikromechanischen Stimmgabel-Resonator (4) auf dem Substrat (2) integriert ist.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (72, 82, 93, 94) die Form eines Kreisbogens haben.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen (72, 82, 93, 94) über die Län ge der Gabelzinke (7, 8) variiert, so dass der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen (72, 82, 93, 94) an einem freien Ende (7a, 8a) der Gabelzinken (7, 8) kürzer ist.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Substrat (2) in der Nähe eines freien Endes (7a, 8a) jeder der Gabelzinken (7, 8) eine Anschlagstruktur (28) vorgesehen ist, um Bewegungen der Gabelzinken (7, 8) zu begrenzen und um ihr Anhaften an der Elektrodenstruktur (9) im Fall eines Stoßes zu verhindern.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Endbereiche (72a, 93a) der Elektrodenelemente (72, 82, 93, 94) zugespitzt sind oder einen geeignet kleinen Oberflächeninhalt besitzen, um ein Haften der Gabelzinken (7, 8) an der Elektrodenstruktur (9) im Fall eines Stoßes zu verhindern.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines (72*) der Elektrodenelemente (72, 82, 93, 94) länger als die anderen ist, um so ein Haften der Gabelzinken (7, 8) an der Elektrodenstruktur (9) im Fall eines Stoßes zu verhindern.
Zeitbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur umfasst: – eine erste Elektrodenstruktur (91), die zu einer ersten (7) der Gabelzinken (7, 8) benachbart ist, um den Stimmgabel-Resonator (4) zu einer Oszillation anzuregen; und – eine zweite Elektrodenstruktur (92), die zu der anderen (8) der Gabelzinken (7, 8) benachbart ist, um ein Signal zu erfassen, das sich aus der Oszillation des Stimmgabel-Resonators (4) ergibt, und dass die freistehende Oszillationsstruktur (6) über das Basiselement (5) auf einem festen Potential gehalten wird, wobei zu der ersten Elektrodenstruktur (91) und/oder zu der freistehenden Oszillationsstruktur (6) eine konstante Gleichspannungskomponente (Udc) hinzugefügt wird.
Zeitbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (9) wenigstens eine Elektrodenstruktur umfasst, die benachbart zu einer der Gabelzinken (7, 8) oder zu beiden angeordnet ist, um den Stimmgabel-Resonator (4) zu einer Oszillation anzuregen, und dass die freistehende Oszillationsstruktur (6) über das Basiselement (5) auf einem festen Potential gehalten wird, wobei zu der wenigstens einen Elektrodenstruktur (91, 92) und/oder der freistehenden Oszillationsstruktur (6) eine konstante Gleichspannungskomponente (Udc) hinzugefügt wird, und die Erfassung durch Detektieren einer Impedanzänderung bei Resonanz erfolgt.
Zeitbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oszillationsbetriebsart eine symmetrische Oszillationsbetriebsart ist, in der beide Gabelzinken (7, 8) in entgegengesetzte Richtungen oszillieren.
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) mit im Wesentlichen der Form der freistehenden Oszillationsstruktur (6) vorgesehen ist, wobei die freistehende Oszillationsstruktur (6) und das leitende Muster auf dasselbe Potential gesetzt sind.
Zeitbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gabelzinken (7, 8) Öffnungen (65) vorgesehen sind, um die Wirkung einer Unter- oder Überätzung auf die Resonanzfrequenz des Stimmgabel-Resonators (4) im Wesentlichen zu kompensieren.
Zeitbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine integrierte Temperaturmessschaltung umfasst, die die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des durch die Zeitbasis erzeugten Signals kompensieren soll.
Zeitbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen zweiten mikromechanischen Stimmgabel-Resonator (4*) umfasst, der über dem Substrat (2) unterstützt und so beschaffen ist, dass er bei einer Resonanzfrequenz oszilliert, die von der Resonanzfrequenz des ersten Resonators verschieden ist, wobei die temperaturabhängige Frequenzdifferenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen verwendet wird, um die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des durch die Zeitbasis erzeugten Signals zu kompensieren.
Zeitbasis nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Stimmgabel-Resonator (4, 4*) dasselbe Basiselement (5) gemeinsam nutzen.
Zeitbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (100, 120) unter der freistehenden Oszillationsstruktur (6) in der Weise angeordnet sind, dass sie eine zweite Oszillationsbetriebsart, die eine Resonanzfrequenz hat, die von der Resonanzfrequenz der ersten Oszillationsbetriebsart verschieden ist, anregen und erfassen, wobei die temperaturabhängige Frequenzdifferenz zwischen den Resonanzfrequenzen beider Oszillationsbetriebsarten verwendet wird, um die Wirkung der Temperatur auf die Frequenz des Signals, das von der Zeitbasis erzeugt wird, zu kompensieren.
Zeitbasis nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oszillationsbetriebsart eine vertikale Oszillationsbetriebsart ist, in der beide Gabelzinken (7, 8) in entgegengesetzte Richtungen, die zu dem Substrat (2) im Wesentlichen senkrecht sind, oszillieren.
Zeitbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und der Stimmgabel-Resonator (4) aus Siliciummaterial hergestellt sind.