図1に示すように、共振装置は、複数のオシレータ、少なくとも2つのオシレータ、を備える。複数のオシレータは、同期化される。各オシレータは、共振器1と、対応する振動回路と、を備える。その振動回路は、容量性バイアス素子2を備える。バイアス素子2は、全てのオシレータに共通であり、且つ、少なくとも1つの容量性負荷5を備える。
共振装置を形成するオシレータは、互いに、単に電気的に接続される。各オシレータは、同一の共振周波数を示すような寸法である。共振周波数間の差は、製造方法の不確定要素に起因する。また、これらの共振周波数間の差は、オシレータのフィードバックループの利得を調節することにより補償することができる。この各利得の調節は、必要条件ではないが、有用な実施態様である。
共振器1は、例えば、水晶共振器、又は好ましくはマイクロメータサイズ若しくはナノメータサイズの電気機械共振器、又はRCL型受動回路等の電気共振器とすることができる。共振器は、振動励振手段と、検出手段と、を備える。共振器1は、励振手段として作用する励振入力Eを備える。
共振器が機械的である場合には、共振器には、可動素子3と、少なくとも1つの固定素子4と、が設けられる。可動素子3は、固定素子4に対して振動することができる。固定素子4は、少なくとも共振器1の可動素子3の励振手段に相当する。このように、励振手段は、共振器1の集積部を形成すると見なされる。従って、励振端子とも呼ばれる励振入力Eは、励振電極とも呼ばれる固定素子4により放出される共振器1の加振力を制御する。
励振手段は、容量型又は熱伸縮型であることが有用であるが、可動素子3の作動に適したその他の型とすることもできる。
一般的には、オシレータは、共振器内の振動、可動素子の電気信号又は機械的運動の何れか、を検出する検出手段を備える。特に、オシレータは、固定素子4に対する可動素子3の運動を検出する検出手段を備える。検出手段は、可動素子3の運動を、固定素子4に対する可動素子3の位置を表す電気信号に変換する。検出手段は、共振器1の振動を表す信号を送信する。
図1に示すように、特定の実施形態では、固定素子8を備える共振器1を使用することができる。この追加の固定素子8は、追加の励振端子に対応づけられる。追加の固定素子は、励振信号と検出信号の改善されたデカップリングのための検出電極とすることもできる。バイアス電圧Vgが追加の固定素子8に加えられ、共振器1の特性の優れた制御を実現する。バイアス電圧Vgは、トランジスタの動作点を制御できるようにする。追加の励振電極は、容量型励振にのみ使用することができる。固定素子は、検出手段を備えてもよく、検出端子Dと対応づけることができる。
図1の例では、検出は容量型であるので、共振器は、可変容量に取り込むこともできる。この可変容量は、共振器の励振及び検出を可能にする固定電極4,8を用いることにより得られる。共振器が単一の固定電極4のみを備える場合には、動きの検出は、可動素子3により行われる。
検出手段は、容量型又は圧電抵抗型であることが有用であるが、可動素子3の位置を測定するのに適したその他の型とすることもできる。
オシレータを形成するには、振動条件を満たすように、検出手段から出力される信号であって、共振器1の可動素子3の動きを表すことができる信号が、変換、一般的には増幅及び位相シフト、されなければならない。変換した各信号は、励振手段を用いて、すなわち、励振端子Eを介して、共振器1に与えられる。
信号の変換は、検出手段を励振端子Eに接続するフィードバックループにおいて、バイアス素子2が容量性負荷5、本実施形態ではキャパシタ、を備えるという事実により行われる。共振器1から発生し、検出手段により供給される電流信号は、電圧増幅され、且つ、容量性バイアス素子2を用いて90°又はπ/2だけ位相シフトされる。キャパシタ5は、好ましくは配線路に起因する浮遊容量により形成され得る。
フィードバックループは、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)技術、すなわち、P型電界効果トランジスタ及びN型電界効果トランジスタ、を用いて作製されても良いし、バイポーラ技術を用いて作製されても良いし、上記2つの技術を両方とも同時に備えるBiCMOS(Bipolar-CMOS)技術を用いて作製されても良い。フィードバックループは、RCL型受動電気回路により形成することもできる。
このように、検出手段は、共振器の振動を表す検出信号を、共振器1の励振入力Eに接続されたフィードバックループに供給する。
全ての共振器の励振端子Eは、単一の共通部である電気ノードに接続される。その共通部は、オシレータの同期を実現できるようにする共振装置の出力端子を構成する。そのとき、どのオシレータも、共通周波数で同調して振動を開始する。全てのオシレータは、機械的結合及び/又は電磁気的結合を用いる必要もなく、オシレータの同期を可能にする一つ且つ同一の容量性負荷5に接続される。従って、機械的結合もないし、異なるオシレータ間の静電気的結合もない。共振器の全ての励振端子Eは、一つ且つ同一の共通部に接続される。端子は物理的に異なるが、この共通部は、全ての共振器に共通する励振端子に相当すると見なすことができる。
各フィードバックループの電流は、励振端子Eに加えられる。すなわち、電流の和が容量性バイアス素子2に加えられる。容量性バイアス素子2は、電流の和を表す電圧を共振器全体に加える。
それにより、各共振器は、自身のフィードバックループにより形成される自身の利得段を備える。共振装置により生成される振動周波数は、各オシレータの振動条件に適合する共通周波数に対応する。本実施形態では、励振端子が全てのオシレータに共通するので、オシレータの1つの状態のいかなる変更も、全てのオシレータの振動条件の変更を含む。従って、共振周波数の調節を容易に行うことができる。それ故に、互いにループバックされ、且つ、単一の見込み振動条件のみが課される数個の共振器のネットワークを備える装置と比較すると、動作が異なる。
このように、オシレータ間の周波数分散に関する限り、共振装置は、起伏のある機能(rugged functioning)を備える。実際には、異なるフィードバックループの利得は、同期化を実現するために、単純に変更されなければならない。この変更は、異なるオシレータのバイアス電圧Vgを調節することにより得られる。
同一の周波数で動作する複数のオシレータを備える装置を使用することにより、位相雑音を、典型的にはオシレータの数の累乗根の分だけ、低減することができる。各オシレータに固有の雑音は全体的には相互に関連がなく、且つ、共振器の共振周波数はいかなる分散も示さないので、そのような装置の使用はよりいっそう現実的である。
また、励振端子Eに分配される全体的な出力信号の振幅は、各オシレータの振幅の和である(全てのオシレータが、正確に同一の振動周波数を有する場合)。従って、フィードバックループに必要な利得は、共振装置で使用されるオシレータの数に反比例する。従って、この手法により、フィードバックループのアーキテクチャを簡略化することができる。すなわち、そのループは、第1トランジスタ、又は直列に接続される第1トランジスタ及び第2トランジスタにまで削減することができる。
従来、振動条件は、バルクハウゼン条件により定義される。これにより、電子回路に対応づけられる、電子回路の伝達関数Gと共振器の伝達関数Hとの積は、少なくとも1に等しい利得を持たなければならず、且つ、フィードバックループからの信号と共振器1からの信号との位相差はkを整数として2.k.πに等しくなければならないことになる。
共振器1の伝達関数Hは、共振器1の機械的特性と、励振手段の伝達関数と、を考慮する。共振器1の伝達関数Hは、質量、剛性、及び減衰係数の関数、すなわち、共振器の幾何学的パラメータ及び共振器の組込条件の関数である。
対応づけられた回路の伝達関数は、フィードバックループ及び検出手段の伝達関数に対応する。検出手段及び励振手段が利得Kであると見なす場合には、バルクハウゼン条件は、以下のように再定義することができる。
− フィードバックループが、フィードバックループに入力される信号とフィードバックループから出力される信号との間のπ/2に相当する位相シフトを行うのに十分であること。
− 対応づけられた回路の絶対値が、以下の式1に相当すること。
この定義より、オシレータを形成するには、フィードバックループが、上記位相シフトを行うことができ、且つ、自立した振動を得るのに十分な利得を保証することができる装置を備えていなければならないことになる。
フィードバックループは、基準電圧GNDと励振端子Eとの間に接続される。共振器の振動を表す信号は、フィードバックループに与えられ、且つ、フィードバックループの導電率を調節する。フィードバックループは、入力信号を増幅することができるいかなる公知の回路によっても実現することができる。
ナノメータサイズ又はマイクロメータサイズの電気機械型共振器の場合には、フィードバックループは、第1トランジスタ6により、又は直列に接続される第1トランジスタ6及び第2トランジスタ7(図2を参照)により、形成することができる。すなわち、フィードバックループは、直列に接続される最大で2つのトランジスタを備えていれば良い。第2トランジスタ7は、第1トランジスタ6からの出力で分配される電流の値を増幅することができる増幅トランジスタである。図2に示すように、第2トランジスタ7の制御電極は、外部電圧Vcasに接続される。
オシレータでは、第1トランジスタ6は、基準電圧GNDと励振端子Eとの間に接続される。第2トランジスタ7は、基準電圧GNDと励振端子Eとの間の第1トランジスタ6に直列に接続することもできる。第1トランジスタ6及び第2トランジスタ7は、電界効果型又はバイポーラ型とは無関係にすることもできる。このように、第1トランジスタ6及び第2トランジスタ7は、同一型とすることもできるし、異なる型とすることもできる。
第1トランジスタ6が電界効果型である場合には、第1トランジスタ6の第1ソース/ドレイン電極は、基準電圧GNDに接続される。第2ソース/ドレイン電極は、励振端子Eに直接接続されるか、又は第2トランジスタ7を用いて接続される。
容量性手段による励振及び検出に関しては、共振器1の両側に設けられた2つの異なる電極、すなわち、2つの固定素子4,8を使用するのが望ましい。一方の電極4は可動素子3の励振を行い、他方の電極8は可動素子3の動きの検出を行う。このようにして、静電気的結合は、2つの電極間で大きく低減する。
第1トランジスタ6の導電率は、検出手段から出力される検出信号により制御される。このように、固定素子4に対する可動素子3の位置に依存して、検出信号の振幅は、変化し、且つ、第1トランジスタ6の2端子間を流れる電流を変化させる。
共振器1は、面内動作をすることもできるし、面外動作をすることもできる。共振器1は、例えば、組込−フリー(embedded-free)ビーム型(単一組込)とすることもできるし、組込−組込(embedded-embedded)ビーム型(二重組込)とすることもできるし、例えばプレート、ディスク、又はナノワイヤ型のようなその他の公知の型とすることもできる。
フィードバックループを共振器1の極めて近くに集積することができるので、最大でも2つのトランジスタ6,7のみを備えるフィードバックループを使用することが特に有用である。それにより、オシレータが占める表面積を大きく低減することができる。また、浮遊容量も大きく低減する。これらの浮遊容量は、有用な信号の損失の原因及びいかなる見込み振動も妨げる背景雑音の発生の原因となる。フィードバックループは、最大でも2つのトランジスタを備えているが、特殊な場合には、例えば抵抗又はキャパシタ等の受動素子を備えることもできる。
第1トランジスタ6が共振器1の極めて近くに設けられるので、浮遊容量の影響は、トランジスタ6の入力容量及び共振器1の静的容量に対して無視できる。
第1トランジスタ6のバイアスは、励振端子Eに対して第1トランジスタ6又は第2トランジスタ7に接続されるバイアス素子2を用いて実現される。
オシレータの特定の実施形態では、励振及び検出は容量型である。図1に示すように、フィードバックループは、第1トランジスタ6により形成される。第1トランジスタ6の制御電極、ゲート電極又はベース電極は、検出手段に接続される。このようにして、検出手段は、第1トランジスタ6の導電率を調節する。第1トランジスタ6により分配される電流は、増幅することもできるし、励振手段により生成される作動力を制御しなくても良い。
その他の特定の実施形態では、共振器1と、励振手段と、検出手段と、は浮遊ゲートトランジスタにより形成することができる。特に、本実施形態は、文献「by Colinet et al. ”Measurement of Nano-Displacement Based on In-Phase Suspended-Gate MOSFET Detection Compatible with a Front-End CMOS Process” ISSCC 2008, 18.2」及びWO 2007135064号で説明されている。本実施形態では、第1トランジスタ6は電界効果トランジスタであり、且つ、第1トランジスタ6のゲートは共振器1の可動素子3により少なくとも部分的に形成される。それにより、チャネルと可動素子3との間のMOS容量の値をチャネルに対する可動素子3の位置に応じて変化させることができる。そのとき、第1トランジスタ6のチャネルは、第1トランジスタ6の導電率を制御する検出手段、すなわち、固定素子4として作動する。
図2に示すように、この型のオシレータに関して、バイアス素子2は、電源端子に対してバイアス抵抗9と直列に接続されるキャパシタ5を備えることができる。この場合には、抵抗9及びキャパシタ5と共通の端子は、励振端子Eに接続される。
上記2つの実施形態では、可動素子3には、共振器の振動特性を調節するように、バイアス電圧Vpolを用いてバイアスをかけることができる。
図2に示すように、バイアス抵抗9を、励振端子Eと電源電圧Vddとの間に接続される第3トランジスタ11に置き換える変形例も可能である。この場合には、第3トランジスタの制御端子に加えられる制御電圧Vbiasは、バイアス電流を調節することができる。第3トランジスタ11の制御電極に加えられる所定電圧Vsは、トランジスタの動作体制(operating regime)を固定することができる。制御電圧Vbiasは、励振端子Eの電圧と等しくすることができる。そのとき、制御電極は、励振端子に接続される。制御電圧Vbiasを固定するための外部電源を使用することも考えられる。
その他の代替の実施形態では、第1トランジスタ6には、検出端子Dと第1トランジスタ6の制御電極との間に接続される追加の抵抗10を用いてバイアスをかけられる。図2に図示される特定の実施形態及び上述のその他の実施形態の組み合わせでは、第4トランジスタ12を用いて追加の抵抗を実現することもできる。第4トランジスタ12の制御電極に加えられる所定電圧VWは、一定の電圧である。この第2所定電圧VWは、追加の固定素子8の電圧と等しいことが有用であり、代替には外部電源から生ずる電圧と等しい。
さらにその他の実施形態では、共振器1により形成されるオシレータを実現することもできる。その共振器1は、容量性手段と、圧電抵抗手段により行われる共振器1の動きの検出、例えば面外動作の検出と、により励振する。
本実施形態では、励振電極は、可動素子3の下に設けられることが有用であり、典型的には二重組込(組込−組込)ビームである。圧電抵抗力計測器は、ビーム上に設けられる。また、ビームが変形したときに、計測器は抵抗が変化したことを読み取る。ゲージの抵抗を計測することにより、ビームの動きを検出することができる。
前述の実施形態に関しては、フィードバックループのトランジスタ6,7の相互コンダクタンスは、圧電抵抗型の検出手段の利得及び励振手段の利得を考慮しなければならない。相互コンダクタンスは、共振器に付随する位相雑音と、第1トランジスタ6に付随する位相雑音と、第2トランジスタ7に付随する位相雑音と、もし適用可能であれば圧電抵抗センサに付随する位相雑音と、も考慮しなければならない。
その他の実施形態では、容量性作動及び圧電抵抗検出を有する共振器1を備えるオシレータを実現することも考えられる。例えば、この共振器は、面内動作をすることもできる。共振器1のレバレッジアームは、静電気力により作動する。また、共振器の振動運動は、このレバレッジアームに垂直に置かれたセンサの圧縮/伸張応力を含む。
前述の実施形態の変形例では、共振器1は、ナノワイヤにより形成される。励振は容量性手段により行われる。また、検出は圧電抵抗手段により行われる。実際には、ナノワイヤは極めて大きな圧電抵抗効果を示す。その圧電抵抗効果は、検出手段の極めて高い変換利得(transductance gain)を得られるようにする。フィードバックループが供給しなければならない電子回路の利得はますます小さくなるので、本実施形態は特に有用である。抵抗変化がナノワイヤの変形により生じるので、共振器は、第1トランジスタ6に接続される可変抵抗としてナノワイヤを使用することにより得られる。
さらにその他の実施形態では、励振手段は熱型であるのに対して、検出手段は圧電抵抗型である。そのような実装は、「Bargatin et al. “Efficient electrothermal actuation of multiple mode of high-frequency nanomechanical resonators”, Applied Physics Letters 90, 2007」により提案されている。検出手段が圧電抵抗型である場合には、共振器は、可変抵抗に同化させることができる。
検出手段が圧電抵抗型である場合には、共振器は、可変負荷に同化させることもできる。
オシレータのトポロジは、コルピッツ型である。また、第1トランジスタ6、又は第1トランジスタ6及び第2トランジスタ7には、容量性バイアス素子2を用いてバイアスがかけられる。そのとき、バイアス素子2は、トランスインピーダンス増幅器として作動する。トランスインピーダンス増幅器は、共振器1から発生する直流電流を励振端子Eの適切な電圧に変換するのに使用される。
第2トランジスタ7から出力される電流を調節することができるように、増幅電圧Vcasが、第2トランジスタ7の制御電極に加えられる。従って、バイアスが、励振端子Eに加えられる。
このアーキテクチャは、オシレータの機能に特化した共通集積型(co-integrated)ハイブリッド共振器/第1トランジスタ能動部品から構成される。そのとき、オシレータの異なる素子には、第1電界効果トランジスタ6の利得及び信号の位相シフトを固定するためにバイアスがかけられる。
共振器1のサイズの縮小が、固定された検出励振素子のすぐ近くで適切な可動素子を得られるようにするので、この回路は特に有用である。このサイズ縮小、特にナノワイヤの使用により、変換装置の利得が結果として大きく増加する。従って、フィードバックループは、典型的にはトランジスタの利得又は直列の2つのトランジスタの利得である自然利得(natural gain)を示さなければならない。
共振装置の振動周波数は、2つの方法により調節することができる。第1の方法は、好ましくは時間基準の応用における装置の使用のために実装される。時間基準の応用は、典型的には、無線周波数応用における基準周波数、例えば搬送周波数の形成である。この第1の方法は、フィードバックループから出力される電気信号だけでなく、共振器の機械的部分にバイアスVpolをかけることから構成される。
このバイアスは、共振器の静電気応力を含む。この静電気応力は、共振器の機械的特性を調節する。従って、この静電気応力は、共振器の振動周波数も調節する。この方法は、単一の共振器に応用することもできるし、数個の所定のオシレータに応用することもできるし、互いに異なるバイアスを伴う全てのオシレータに応用することもできる。オシレータの異なる周波数調節の全部又は一部を積み重ねることにより、共振装置の全体的な振動周波数を容易に調節することができる。その結果、単一のオシレータの調節範囲より極めて大きな調節範囲を実現することができる。
第2の方法は、1又は複数のフィードバックループの利得を調節することから構成される。この方法の場合には、共振装置の全体的な振動周波数の容易な調節が可能になるという効果がある。例えば、利得の調節は、典型的には追加の抵抗10を用いて印加されるバイアス電圧Vgを調節することにより実現することができる。全体的には、この電気的方法は、実装が容易であるが、各オシレータのアドレッシングが必要である。
共振装置が質量センサとして使用される特定の実施形態では、電気機械オシレータの1つに自身を置くいかなる質量(any mass placing itself)も、出力信号の全体的な周波数の調節を促す。複数のオシレータを使用することにより雑音の影響が低減するので、共振装置は、先行技術の共振装置と比較して大幅に改善された分解能を示す。
従って、ナノメータサイズ又はマイクロメータサイズの質量センサ、共振器、及びオシレータを作製することが有用である。
また、実装の簡略化により、集積回路のサイズに適合するサイズを維持しつつ、集積回路内の共振装置を容易に実現することができる。
共振周波数は温度依存特性を有するので、共振装置は、バイアス電圧Vpol及びVgを介して温度補償回路に結合することができる。