JP2009510878A

JP2009510878A - ピエゾ抵抗共振器に基づく発振器

Info

Publication number: JP2009510878A
Application number: JP2008532929A
Authority: JP
Inventors: トーマスマルチヌスファンベークヨゼフ
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2009-03-12
Also published as: EP1935088A1; WO2007036852A1; US7750745B2; CN101273521B; US20080231385A1; CN101273521A; TW200729709A

Abstract

発振器回路は、共振周波数をそれぞれ有する第１及び第２のピエゾ抵抗共振器（１、２）を具え、各ピエゾ抵抗共振器は、当該ピエゾ抵抗共振器を駆動する入力端を有するとともに、この入力端が当該ピエゾ抵抗共振器とは異なる方のピエゾ抵抗共振器の出力端に直接結合され、増幅器及び移相器を設けずにそれぞれのピエゾ抵抗共振器の抵抗により帰還が行われるようになっている。この発振器回路によれば、移相を行うための他の素子を必要とせずに、帰還を達成しうる。このことは、より大きな集積化を容易にでき、従って、費用を廉価にしうる簡単な回路を用いうることを意味する。ピエゾ抵抗共振器を用いることにより、外部結晶の必要性を回避でき、より大きな集積化及び費用の低廉化を達成しうる。

Description

本発明は、発振器回路及びこのような発振器回路を有するＭＥＭＳ構造に関するものであり、更にはこれらの製造及び動作方法に関するものである。

ある種の結晶、代表的には水晶はピエゾ電気（圧電）性を呈し、このことは、結晶面に力を加えた場合に、結晶が電圧を発生することを意味する。これとは逆に、電圧を結晶に印加することにより、結晶を機械的に変形させる。この結晶を用いて発振器を形成することは知られている。結晶が増幅器回路の帰還経路内に配置されることにより、結晶は、主として結晶の大きさに応じた周波数で発振し始める。これは、結晶が増幅器又はインバータ付近で並列経路内に配置された並列共振回路である。

ピエゾ抵抗性に基づくＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いてセンサを形成することも知られている。ピエゾ抵抗性圧力センサにおける検出材料はシリコン基板中に形成された振動板であり、この振動板は圧力を加えることにより湾曲する。この湾曲によって振動板の結晶格子に変形が生じる。この変形が振動板上に配置されたピエゾ抵抗のバンド構造を変化させ、これにより材料の抵抗率を変化させる。この変化は、抵抗のドーパントの種類に応じて増大又は減少としうる。

しかし、このようなピエゾ抵抗共振素子はしばしば発振器としては用いられない。その理由は、ピエゾ抵抗素子の出力に９０°の移相がある為に、通常の帰還構造が有効とならない為である。この移相は移相器により補償しうる。

国際公開（ＷＯ）第２００４／０５３４３１号には、静電（容量性）アクチュエーション及びピエゾ抵抗式読み出しを用いる共振器を採用した発振器が開示されている。しかし、不都合なことに、ピエゾ抵抗式読み出しによると、その共振周波数で入力信号と出力信号との間でπ／２だけ移相してしまう。従って、容量性又はピエゾ電気式読み出しの場合に発振を生ぜしめる、共振器の出力をその入力端に直接帰還させることができない。
国際公開第２００４／０５３４３１号

本発明の目的は、改善した発振器回路及びこのような発振器回路を有するＭＥＭＳ構造を提供することにあり、更にはこれらの製造及び動作方法を提供することにある。

本発明の第１の観点によれば、共振周波数をそれぞれ有する第１及び第２のピエゾ抵抗共振器を具える発振器回路であって、各ピエゾ抵抗共振器は、当該ピエゾ抵抗共振器を駆動する入力端を有するとともに、この入力端が当該ピエゾ抵抗共振器とは異なる方のピエゾ抵抗共振器の出力端に結合され、それぞれのピエゾ抵抗共振器の抵抗により帰還が行われるようになっている発振器回路を提供する。この本発明は、各共振器の入力及び出力間の移相を利用し、移相を行うための他の素子を必要とすることなしに、帰還を可能にしうる。このことは、より大きな集積化を容易にし、従って、費用を廉価にしうる簡単な回路を用いうるということを意味する。ピエゾ抵抗共振器を用いることにより、外部結晶の必要性を回避でき、より大きな集積化及び低価格化を可能にする。

本発明の第１の観点の一例では、ピエゾ抵抗共振器の出力を増幅することなしにそれぞれの入力端に直接供給しうる。

本発明の第１の観点による例では、共振器の各々をＭＥＭＳ構造として形成しうる。

本発明の第１の観点の一例によれば、ピエゾ抵抗共振器を互いに並列に配置しうる。この場合、各共振器が直列結合抵抗又はチョークコイルを有し、各出力をそれぞれの共振器とその直列結合抵抗又はチョークコイルとの間から取り出すようにしうる。

本発明の第１の観点による例では、各ピエゾ抵抗共振器が細長振動部材を有し、この細長振動部材をその長手軸線に沿って振動するように配置するようにしうる。又、各ピエゾ抵抗共振器が、それぞれの入力端に結合されて細長振動部材を駆動する静電駆動電極を有するようにしうる。本発明の特定の例によれば、細長振動部材が、この細長振動部材の本体よりも１０倍以上幅広である幅広端部を有し、この幅広端部が静電駆動電極として用いられるようにしうる。

本発明の第１の観点による発振器回路は、４ボルトよりも低い駆動電圧に対し用いるのに適するようにしうる。この発振器回路は、特にバッテリ附勢装置に対する現存の低電圧回路に対し用いうるようにしうる。

本発明の他の観点によれば、共振周波数をそれぞれ有する第１及び第２のピエゾ抵抗共振器を具える集積化発振器であって、各ピエゾ抵抗共振器は、当該ピエゾ抵抗共振器を駆動する入力端を有するとともに、この入力端が当該ピエゾ抵抗共振器とは異なる方のピエゾ抵抗共振器の出力端に結合され、それぞれのピエゾ抵抗共振器の抵抗により帰還が行われるようになっている集積化発振器を提供する。この集積化発振器はバッテリ附勢装置に用いることができる。

本発明は更に、本発明の第１の観点による発振器回路又は本発明の第２の観点による集積化発振器を有するバッテリ附勢装置を提供する。

互いに組み合わせることができ、且ついかなる観点とも組み合わせることができる更なる特徴を以下に説明する。他の利点は特に他の従来技術にも及ぶ当該技術の当業者にとって明らかである。又、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなしに、種々の変形を達成しうる。従って、本発明の実施例の形態は例示的なものであり、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明がいかに具体化されるかを、以下に添付図面を参照して例示的に説明する。

添付図面を参照して本発明を特定の実施例につき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。又、図面は線図的なものであって、本発明はこれらの図面に限定されるものではない。更に、図面は説明の都合上誇張して示す場合があり、実際のものに正比例して描いていない。明細書及び特許請求の範囲において、「具える」又は「有する」という用語は、他の素子等を排除するものではない。更に、「第１」、「第２」、「第３」等は同様な素子を区別するために用いるものであり、必ずしも順番を表わすものではなく、適切な状況の下では交換できるものであり、本発明の実施例は他の順番で動作しうるものである。

本発明の実施例では、ＭＥＭＳ発振器のような発振器回路を形成するのにピエゾ抵抗効果を利用している。本発明の観点では、発振器回路は、第１及び第２のピエゾ抵抗共振器を有し、各ピエゾ抵抗共振器の入力端は、他のピエゾ抵抗共振器の出力端に結合されている。本発明の実施例は、特別な材料、例えば、ピエゾ電気材料を用いることなく、一般的な半導体、例えば、シリコンの処理技術を用いて実現しうる。従って、単一のチップ発振器を小型にしうる。本発明による発振器回路は、発振器の性能及び電力消費量の双方又はいずれか一方に悪影響を及ぼすことなく、縮小でき、高発振周波数となる小型の発振器回路が得られる。予測ノイズレベルは、１ｍＷの電力消費量で−１４５dBc ／Hzよりも小さくでき、通常の水晶発振器の性能に匹敵しうるものである。低電圧で装置に給電を行ない、この装置をバッテリ給電分野に適したものとする持続発振を達成しうる。従って、本発明による発振器回路は、バッテリ附勢装置に用いうる。更に、幾つかの実施例では、容量性の（ＭＥＭＳ）発振器又はピエゾ電気（水晶）に基づく発振器の場合のように、発振を持続させるのに増幅器を必要としない。

注目すべき追加の特徴には、出力が増幅されることなしにそれぞれの入力端に直接供給されるということが含まれる。他の実施例には増幅を含め、更なる利点が得られるようにしうる。本発明の実施例によれば、ピエゾ抵抗共振器の各々をＭＥＭＳ構造として形成しうる。本発明の実施例によれば、これらのピエゾ抵抗共振器を並列に配置し、各ピエゾ抵抗共振器が抵抗又はチョークコイルのような直列結合インピーダンスを有し、各出力は、それぞれのピエゾ抵抗共振器と、その直列結合インピーダンス、例えば、抵抗又はチョークコイルとの間から取り出すようにしうる。

各ピエゾ抵抗共振器は細長振動部材を有し、この細長振動部材をその長手軸線に沿って振動するように配置する。ピエゾ抵抗共振器は、これらのそれぞれの入力端に結合されて細長振動部材を駆動する静電駆動電極を有しうる。本発明の実施例によれば、細長振動部材を、静電駆動電極として用いるためにこの細長振動部材の本体よりも１０倍以上幅広とした幅広端部を有するようにしうる。

本発明の実施例による発振器回路は、現存の低電圧回路、特にバッテリ附勢装置に対し用いうるようにするために、４ボルトよりも低い駆動電圧に対し用いるのに適するようにしうる。

図１は、本発明の実施例による発振器回路のレイアウトを示しており、この場合２つのピエゾ抵抗共振器を用いて単一共振器のπ／２の移相を補償している。この発振器回路は、２つの並列分岐より成る。各分岐は、例えば、国際公開第２００４／０５３４３１号公報に記載されているようにピエゾ抵抗共振器を構成する共振抵抗１（Ｒ₀＋ｄＲ₂）又は２（Ｒ₀＋ｄＲ₁）と、これに直列に接続された固定抵抗とより成る。ピエゾ抵抗共振器１及び２が周波数ωで振動している場合、これらの抵抗値は、
Ｒ_1,2＝Ｒ₀（１＋αsin ωｔ）
で与えられる。ここで、α＝ｄＲ_max／Ｒ₀である。従って、固定抵抗の値をＲ₀とした場合、電圧Ｖ_1,2は次式（１）により与えられる。

この場合、Ｖ₁が分岐２におけるピエゾ抵抗共振器に帰還され、これにより、共振周波数ω₀でｄＲ₂にΦ₁＝−π／２の移相を生じる。ｄＲ₂とＶ₂との間の位相差Φ₂は、式（１）によると、ゼロである。Ｖ₂が分岐１におけるピエゾ抵抗共振器に帰還されると、この場合もｄＲ₁における位相がＶ₂に対しΦ₃＝−π／２だけ移相される。式（１）によると、ｄＲ₁とＶ₁との間にΦ₄＝πの移相が生じる。ループ全体にわたる全移相量は、
Φ_tot＝Φ₁＋Φ₂＋Φ₃＋Φ₄＝０
であり、その結果、ループ利得が
Ｇ（ω₀）＝Ｖ₁／Ｖ₂＝１
である場合に、持続発振が達成される。

図１に示す発振器回路は、図４に示すように、固定抵抗をチョークコイルＣＨ１及びＣＨ２で置き換えることにより更に改善することができる。この場合、消費電力が少なくなる。その理由は、これらのコイルでは電力が消費されない為である。この場合、Ｖ₁及びＶ₂は次式（２）で与えられる。
Ｖ₁＝−Ｖ_dcαsinωt ；Ｖ₂＝Ｖ_dc（１＋αsinωt ）（２）

図４に示す回路に対する共振時のループ利得は、電圧Ｖ_1,2の結果としての抵抗値の相対変化
ｄＲ／Ｒ_1,2＝αsinωt
により決定される。電圧Ｖ_1,2は、次式（３）の大きさの静電気力Ｆ_elを共振器に発生させる。
Ｆ_el＝Ｖ_1,2Ｖ_dcε₀ｂｈ／２ｇ² （３）
ここで、図５に示すように、ｂは電極の幅であり、ｈは電極の高さであり、ｇは電極と共振器との間のギャップである。この図５は、幅ｔの２つの梁（ビーム）より成る本体を有する細長振動部材を装置が有していることを示しており、この本体の一端には、より一層大きな幅ｂを有する幅広端部が設けられている。この幅広端部は正方形として示しているが、静電駆動電極として用いるための他の形状も可能である。静電気力Ｆ_elは共振器の梁に次式（４）の大きさの歪みεを発生させる。
ε＝Ｆ_el／２Ｅ・ｔ・ｈ（４）

式（３）及び（４）を組み合わせることにより、次式（５）が得られる。

共振時には、εはＱ値に応じて増倍される。抵抗値の相対変化は歪みに比例し、次式（６）で与えられる。
ｄＲ／Ｒ＝Ｋε （６）
ここで、Ｋはピエゾ抵抗ゲージ率である。式（２）、（５）及び（６）を組み合わせることにより、次式（７）及び（８）が得られる。

Ｇ＞１の場合、発振が持続され、従って、次式（９）が得られる。

（１００）軸に平行に配向されたｎ型の１Ω‐cmのシリコンで処理したSi共振器の場合には、Ｅ＝１３０ＧPa及びＫ＝−１５１である。Ｑ＝１０⁵であるものと仮定すると（文献：Mattila 氏等著、Sensors and Actuatirs A,3204(2002)1-6 参照）、次式（１０）が得られる。

ｇ＝０．２μｍ及びＶ_dc＝３．６Ｖ（＝バッテリ電圧）であるものと仮定すると、次式（１１）が得られる。
ｂ／ｔ＞１２（１１）
この値は生産能力の範囲内にある。従って、持続発振をバッテリ電圧で達成しうる。

図６に示すように、ピエゾ抵抗共振器１及び２の共振周波数は、その幾何学的形状をモデリングすることにより、スプリング定数ｋ、プルーフマスｍ及び共振周波数ω₀が次式（１２）で与えられるマススプリングシステムとして近似させることができる。

共振器にｘ、ｙ及びｚ方向で倍率γを乗じると、共振周波数ω₀はγ^-1倍となることが式（１２）から分かる。発振条件は倍率γに依存しないことは、式（９）から分かる。従って、持続発振は共振器の大きさに依存せず、共振器を小型に形成して発振周波数を高くすることができると結論付けられる。この結論は、容量性のＭＥＭＳ発振器に対しては適用されない。容量性の共振器の場合、その寸法が減少すると、そのインピーダンスが増大する。この場合、発振周波数が高くなった際に発振を持続させるには、増幅器利得を大きくする必要がある。

発振器のノイズレベルは、抵抗に発生されるジョンソン‐ナイキストノイズにより決定され、
Ｖ² _noise＝４ｋ_BＴＲ₀・Δｆ
で与えられる。又、平均電圧振幅Ｖ_1,2は、

で与えられる。発振器の時間平均電力消費量は、

で与えられる。その結果、ノイズレベルは、次式（１３）により与えられる。

Ｔ＝３００Ｋ、Ｐ＝１ｍＷ及びα_max＞０．１を仮定することにより、位相ノイズレベル（＝全ノイズレベルの半分）＜−１４５ｄＢｃが得られ、これは水晶発振器のノイズレベル性能に匹敵する。式（１３）から明らかなように、ノイズレベルは共振器の大きさに依存しない。このことは、ピエゾ抵抗共振器の大きさを変えても、ノイズレベルは変化しないことを意味する。この特性により、位相ノイズレベルを劣化させずに、又は電力消費量を増大させずに高周波動作を可能にする。

上述したところでは、本発明の装置に対し、好適実施例、特定の構成及び材料を説明したが、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、形態及び細部において種々の変更が可能である。

図１は、本発明の実施例によるピエゾ抵抗発振器を示す回路線図である。図２は、共振時におけるｄＲ₁及びＶ₁の変化を時間の関数として示す線図である。図３は、共振時におけるｄＲ₂及びＶ₂の変化を時間の関数として示す線図である。図４は、チョークコイルを有するピエゾ抵抗発振器を示す回路線図である。図５は、国際公開第２００４／０５３４３１号明細書に記載されたピエゾ抵抗共振器のレイアウトを示す平面図である。図６は、マススプリングシステムで構成した図５の共振器を示す線図である。

Claims

共振周波数をそれぞれ有する第１及び第２のピエゾ抵抗共振器を具える発振器回路であって、各ピエゾ抵抗共振器は、当該ピエゾ抵抗共振器を駆動する入力端を有するとともに、この入力端が当該ピエゾ抵抗共振器とは異なる方のピエゾ抵抗共振器の出力端に結合され、それぞれのピエゾ抵抗共振器の抵抗により帰還が行われるようになっている発振器回路。
請求項１に記載の発振器回路において、出力が増幅されずにそれぞれの入力端に直接供給されるようになっている発振器回路。
請求項１又は２に記載の発振器回路において、各ピエゾ抵抗共振器がＭＥＭＳ構造として形成されている発振器回路。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振器回路において、前記第１及び第２のピエゾ抵抗共振器が互いに並列に配置されている発振器回路。
請求項４に記載の発振器回路において、各ピエゾ抵抗共振器が、直列結合抵抗又はチョークコイルを有し、それぞれのピエゾ抵抗共振器とその直列結合抵抗又はチョークコイルとの間から各出力が取り出されるようになっている発振器回路。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の発振器回路において、各ピエゾ抵抗共振器が細長振動部材を有し、この細長振動部材が当該細長振動部材の長手軸線に沿って振動するように配置されている発振器回路。
請求項６に記載の発振器回路において、各ピエゾ抵抗共振器が、これらのそれぞれの入力端に結合されて前記細長振動部材を駆動するようにした静電駆動電極を有している発振器回路。
請求項７に記載の発振器回路において、前記細長振動部材が、この細長振動部材の本体よりも１０倍以上幅広である幅広端部を有し、この幅広端部が静電駆動電極として用いられるようになっている発振器回路。
請求項１〜８のいずれか一項に記載の発振器回路において、この発振器回路は４ボルトよりも低い駆動電圧で用いるのに適している発振器回路。
共振周波数をそれぞれ有する第１及び第２のピエゾ抵抗共振器を具える集積化発振器であって、各ピエゾ抵抗共振器は、当該ピエゾ抵抗共振器を駆動する入力端を有するとともに、この入力端が当該ピエゾ抵抗共振器とは異なる方のピエゾ抵抗共振器の出力端に結合され、それぞれのピエゾ抵抗共振器の抵抗により帰還が行われるようになっている集積化発振器。
請求項１０に記載の集積化発振器又は請求項１〜９のいずれか一項に記載の発振器回路を有するバッテリ附勢装置。