JP5956997B2 - Memsデバイス用のマルチ温度マイクロオーブンの設計および制御 - Google Patents

Memsデバイス用のマルチ温度マイクロオーブンの設計および制御 Download PDF

Info

Publication number
JP5956997B2
JP5956997B2 JP2013533190A JP2013533190A JP5956997B2 JP 5956997 B2 JP5956997 B2 JP 5956997B2 JP 2013533190 A JP2013533190 A JP 2013533190A JP 2013533190 A JP2013533190 A JP 2013533190A JP 5956997 B2 JP5956997 B2 JP 5956997B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
control unit
mems
parameter
parameter set
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2013533190A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2013545354A (ja
Inventor
サトヤキラン・エヌ・ムナガ
フランキー・カトール
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Katholieke Universiteit Leuven
Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Original Assignee
Katholieke Universiteit Leuven
Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Katholieke Universiteit Leuven, Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC filed Critical Katholieke Universiteit Leuven
Publication of JP2013545354A publication Critical patent/JP2013545354A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5956997B2 publication Critical patent/JP5956997B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/04Constructional details for maintaining temperature constant
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02244Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/02433Means for compensation or elimination of undesired effects
    • H03H9/02448Means for compensation or elimination of undesired effects of temperature influence
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/05Holders; Supports
    • H03H9/08Holders with means for regulating temperature

Description

本発明は、一般に制御システムに関し、特に、マイクロオーブン(micro-oven)ベースの手法を用いて、マイクロ電気機械デバイスの温度依存特性を制御するための制御システムに関する。
マイクロ電気機械システム(MEMS)および特にその共振器は、極めて高いQ値を有しており、発振器を構築するために使用でき、これは周波数基準装置として機能させることができる(図1)。一般には、水晶振動子が周波数基準として用いられる。こうした水晶振動子は大型であり、低レベルの集積化に弱点がある。MEMS発振器は小型であり、コストを著しく削減して集積化が可能である。しかしながら、MEMS共振器は、温度に対して極めて敏感な周波数ドリフトを示し(例えば、100℃につき±5000ppm)、水晶振動子と比べて安定していない。(例えば、100℃につき±1ppm)(図2)。
MEMS共振器は、温度を検知し、MEMSを補償することによって、温度に対して安定化できる。幾つかの手法が先行技術で提供されている。典型的には、マイクロオーブン(3)を用いて、MEMS発振器(4)の温度を安定化する(図3)。オーブン内の温度センサ(4)が温度を測定し、これは高精度の外部温度基準(6)を必要とするもので、オーブン温度制御を駆動する(図3)。こうしてMEMS発振器は、周囲温度範囲全体に対して、例えば±20ppmに安定化できる。
周囲環境での温度変動が、望ましくない方法でMEMSデバイスの興味のある特性に影響を及ぼす。一例を挙げると、MEMS共振器の周波数が、周囲温度および熱フローによって影響されるその温度の関数である。マイクロオーブンは、能動加熱/冷却素子を内蔵し、MEMSデバイスの温度を所望の値に維持する。目標のMEMS温度が常に周囲温度より高い場合は、能動加熱は必ずしも必要ではない。
こうしたオーブン付きMEMSシステムの電力消費が大きくなりすぎることがあることが判明した。
本発明の目的は、マイクロオーブンベースの手法を用いて、マイクロ電気機械デバイスの温度依存特性を制御するための制御システムおよび方法を提供することであり、これにより電力消費を低減できる。
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。本発明は、所望の周波数を有する出力信号の発生装置を提供する。該装置は、基準信号を発生するためのマイクロ電気機械(MEMS)発振器を収容したマイクロオーブンと、マイクロオーブンと関連付けられ、温度設定信号に応じてマイクロオーブン内のMEMS発振器を(加熱及び/又は冷却することによって)所望の動作温度に維持するために設けられた温度制御システムと、温度制御システムと通信可能に接続され、温度設定信号を発生するために設けられた制御ユニットとを備える。制御ユニットは、パラメータ組を受信するための少なくとも1つの入力ノードを備え、前記パラメータ組は、検知した周囲温度を示す第1パラメータを少なくとも含み、これは、例えば、周囲温度を検知するために配置された装置の検知システムによって、または外部検知システムによって供給可能である。制御ユニットは、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、MEMS発振器用の動作温度を選択するために設けられる。
先行技術の分析が、典型的な加熱器ベースのオーブン設計が、MEMSデバイスを、MEMSデバイスの予想される最悪の場合の温度を超える単一の安定した温度に常に維持することを示している。その結果、周囲は、典型的には、最悪の場合よりかなり低い温度であるため、加熱器での望ましくない電力消費をもたらす。本発明によれば、検出された周囲条件に基づいてオーブン温度設定を動的に調整することによって、電力消費を低減できる。その結果、MEMS発振器の動作温度と、所定の時間間隔で予想される最悪の場合の周囲温度との間の距離が最小化できる。その結果、オーブンを加熱/冷却するために必要な電力を最小化できる。
本発明に係る実施形態において、パラメータ組は、装置の電力消費を示す第2パラメータを含む。これは、制御ユニットが将来の変化の影響を考慮できるという利点を有する。特に、オーブン設定を変化させることは幾らかの電力を消費し、幾つかの場合、これは事前に定義できる。節約される電力消費が、切り替えオーバーヘッドの電力消費より低くなるかもしれない場合、制御器はオーブン設定を変化させないと決定してもよい。さらに、電力消費は、装置の温度の尺度にすることができ(例えば、装置がASIC(application specific integrated circuit)である場合、電力消費は、印刷回路基板の温度のための尺度である)る。制御ユニットはさらに、周囲温度に加えてこれを、MEMS発振器のための最善の動作温度を決定するために使用できる。
本発明に係る実施形態において、事前に定義した関係を制御ユニットに実装でき、パラメータ組における周囲温度、電力消費、そして可能ならば他のパラメータが、MEMS発振器用の所望の動作温度を決定するために利用される。種々の事前に定義した関係が、本発明の範囲内で制御ユニットに実装できる。パラメータ組のうち他のパラメータも、使用すべき関係とすることができ、その結果、影響を及ぼす不確実要素(即ち、デバイスの動作に影響を及ぼす事情)が、使用すべき適切な関係を選択することによってオンラインで結合できる(オフライン計算した境界(bound)のみの使用または設計時とは対照的である)。その結果、所望の安定した周波数出力を達成でき、その仕様はアプリケーションによって記述できる。それは、時間とともに変化することがあり、周囲またはIC(その上にMEMSデバイスが製作される)において影響を及ぼす動特性/変動を示している。こうしてサブシステムを加熱/冷却するエネルギー消費全体がさらに最小化できる。
本発明に係る実施形態において、事前に特性評価した温度が、所定の期間内に、周囲温度に関して予想される温度範囲に接近するように決定される。例えば、MEMS発振器を受動冷却で能動加熱する場合、オーブン温度は、好ましくは、近い将来には、予想される最悪の場合の周囲温度より高く選択される(時間間隔の持続期間は、アプリケーションに依存する)。同じ考え方は、受動加熱で能動冷却が存在する場合(例えば、流れる冷却剤を用いたマイクロチャネル)にも当てはまり、オーブン温度は、好ましくは、周囲温度より低くなるように選択される(所定の期間内に予想される最悪の場合)。こうした実施形態では、発振器の動作温度は、周囲範囲に接近して選択され、そのため加熱/冷却のための電力消費が最小化できる。本発明に係る実施形態において、能動加熱および能動冷却の両方とも存在することができ、この場合、オーブン温度は、好ましくは、所定の期間内に予想される温度の平均値付近に選択される。
本発明に係る実施形態において、受信したパラメータ組は、基準信号の安定性が必要とされない時期および期間を示す第4パラメータを含み、制御ユニットは、第4パラメータに基づいて、MEMS発振器用の動作温度を、異なる事前に特性評価した温度に設定するのを延期するために設けられる。例えば、制御ユニットは、出力信号を利用するアプリケーションと通信可能に接続でき、制御ユニットに対して、オーブン温度を変化させる許容時間を示す第4パラメータを受信する。
本発明に係る実施形態において、装置は、MEMS発振器で発生した基準信号から出力信号を発生するために設けられた補償ユニットを備え、補償ユニットは、制御ユニットから少なくとも1つの補償パラメータを受信するために、制御ユニットと通信可能に接続され、制御ユニットは、受信したパラメータ組に基づいて少なくとも1つの補償パラメータを発生するために設けられる。こうして制御ユニットはさらに、選択したオーブン温度(それ自体、受信したパラメータ組に依存している)に応じて、補償ユニットにおいて適切な「ノブ(knob)」を選択するために配置される。
本発明に係る実施形態において、温度制御システムは、MEMS発振器を加熱/冷却するための加熱/冷却源と、MEMS発振器の温度を検知するための温度センサとを備える。温度センサは、好ましくは、制御ユニットと通信可能に接続され、制御ユニットは、受信したパラメータ組に応じて温度センサに供給される電流を変化させるために配置される。本実施形態では、ある一定の精度を達成するのに過電力供給を要するセンサのノイズが温度の関数であるという事実を利用することによって、温度センサ電力は、オーブン温度設定について調整可能である。こうして温度センサの電力消費は、最小化できる。
本発明はさらに、所望の周波数を有する出力信号を発生する方法を提供する。該方法は、下記のステップを含む。
a)マイクロオーブンに収容されたMEMS発振器を用いて、基準信号を発生するステップ。
b)マイクロオーブンと関連付けられた温度制御システムを用いて、温度設定信号に応じてマイクロオーブン内のMEMS発振器を所望の動作温度に維持するステップ。
c)温度制御システムと通信可能に接続された制御ユニットを用いて、温度設定信号を発生するステップ。
d)パラメータ組を制御ユニットに提供するステップ。該パラメータ組は、検知した周囲温度を示す第1パラメータを少なくとも含む。
e)制御ユニットにおいて、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、MEMS発振器用の動作温度を選択するステップ。
ここから添付図面と関連して、好ましい実施形態について説明する。ここで、同様な参照符号は、種々の図面において同様な要素を参照する。
マイクロ電気機械システムの可能な応用を示す。 水晶振動子およびMEMSについて、温度の関数として周波数ドリフトを描いている。 温度制御されたMEMS共振器を示す。 先行技術および本発明の一実施形態に係るMEMSデバイスの温度の挙動を時間経過とともに描いている。 提案した設計のブロック図を示す。 第1実施形態に係る設計のブロック図を示す。 第2実施形態に係る設計のブロック図を示す。 第3実施形態に係る設計のブロック図を示す。 能動加熱源のみおよび受動冷却が存在する状態で、先行技術および本発明の一実施形態に係るMEMSデバイスの温度の挙動を時間経過とともに描いている。 能動加熱源および能動冷却源の両方が存在する状態で、先行技術および本発明の一実施形態に係るMEMSデバイスの温度の挙動を時間経過とともに描いている。
本発明は、特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されない。記載した図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。
さらに、説明での用語「第1」「第2」「第3」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも順次的または時間的な順番を記述するためではない。用語は、適切な状況下で交換可能であり、本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能である。
さらに、説明での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能である。
用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していない。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、1つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段A,Bを備えるデバイス」の範囲は、構成要素A,Bのみから成るデバイスに限定すべきでない。本説明に関して、デバイスの関連した構成要素のみがA,Bであることを意味する。
図5は、所望の周波数を有する出力信号を発生するための装置、およびこの装置の制御のブロック図を示す。該装置は、安定した周波数を有する基準信号(20)を発生するように構成された温度制御MEMSデバイス(10)を備え、これは動作温度と関連している。該装置は、基準信号から出力信号を発生するように構成された補償ユニット(30)をさらに備え、該出力信号は所望の周波数(40)を有する。制御ユニット(50)は、温度制御MEMS共振器(10)に動作温度(60)を設定し、補償ユニット(30)に補償パラメータ(70)を設定し、こうした設定は外部入力パラメータ(80)に基づいている。
図6は、本発明の一実施形態に係る装置のブロック図を示す。温度制御MEMSデバイス(10)またはオーブンベースのMEMSデバイスは、加熱/冷却源(11)と、MEMS共振器(12)と、デバイスの内部温度を検出するためのセンサ(13)とをさらに備える。温度制御MEMSデバイス(10)は、第1制御ユニット(90)によって制御される。第1制御ユニット(90)は、センサからのフィードバックループによって、温度制御MEMSデバイス(10)(即ち、加熱/冷却源)と接続される。
下位の制御サブシステム(第1制御ユニット)(90)が、MEMS共振器(12)の現在温度を示すセンサ(13)の支援により、オーブン(10)内で発生した熱を変化させることによって、上位の制御(制御ユニット)(50)によって指示されたレベルで、オーブン(10)の温度を維持する。上位の制御(50)は、MEMSデバイス(12)を維持するために、複数の(事前に特性評価した)温度レベルから選択する役割を有し、加熱/冷却源(11)の平均電力消費を節約する必要に応じて、温度間で切り替え可能である。選択は、入力パラメータ(80)に基づいている。
MEMSの目標温度が変化すると、補償パラメータ(70)が、補償ユニット(30)における適切なノブ(knob)を選択することによって設定され、出力周波数が所望の値になるようにする。補償ユニットは、典型的には、PLLオフセットまたはバラクタ(varactor)を備えるが、当業者に知られた他の部品を備えてもよい。
外部入力パラメータ(80)は、少なくとも周囲温度を備える。さらに、外部入力パラメータは、環境条件(周囲温度、デバイスが搭載された印刷回路基板(PCB)の温度、デバイスの一部でもよいASIC(application specific integrated circuit))の電力など)を表す任意のパラメータを含んでもよい。一実施形態において、外部入力パラメータは、第1制御ユニットにも入力される。この実施形態は、図7に示している。
予め定義した関係が制御ユニット(50)に実装することができ、パラメータ組(80)において周囲温度、電力消費および可能性のある他のパラメータが、MEMS発振器(12)のための所望の動作温度(60)を決定するために利用される。種々の予め定義した関係が、使用すべき関係を設定するパラメータ組(80)内の他のパラメータとの組合せで制御ユニット(50)に実装することができる。こうして影響を及ぼす不確実要素(即ち、デバイスの動作に影響を及ぼす事情)が、使用すべき適切な関係を選択することによってオンラインで結合できる(オフライン計算した境界(bound)のみの使用または設計時とは対照的である)。その結果、所望の安定した周波数出力を達成でき、その仕様はアプリケーションによって記述できる。それは、時間とともに変化することがあり、周囲またはIC(その上にMEMSデバイスが製作される)において影響を及ぼす動特性/変動を示している。こうしてサブシステムを加熱/冷却するエネルギー消費全体がさらに最小化できる。
図4は、本開示の上位の制御(50)によって設定される目標温度を時間経過とともに描いている。先行技術のオーブンベースの共振MEMSデバイスは、典型的には周囲温度より高い温度(70〜90℃)に維持される。これは、図4中のカーブ(100)によって示され、共振器の静的温度(static Tres)を表す。本発明の実施形態では、上位の制御(50)は、周囲温度(300)(effective Tamb)を検知し(またはそれを示すパラメータを受信し)、それに従って動作温度(dynamic Tres)を選択する。一例として、時間に関する動的温度フローを図4に描いている。
図9の実施形態は、能動加熱および受動冷却を有するものであり、このdynamic Tresは、予め定義された時間内でMEMSデバイスの有効周囲温度について予想される温度範囲を超えて接近するように調整され、MEMSデバイスを加熱/冷却する電力消費を最小化している。この実施形態では、予想される温度範囲は、上位制御ユニット(50)によって所定の時間間隔(アイドル期間(Idle duration))で計算される。所定の時間間隔は、アプリケーションによって定義され、発振器出力(40)を使用するアプリケーションまたはサブシステムの動作に悪影響を与えることなく、このdynamic Tresが値を変化させる時期を示す。即ち、出力信号の安定性はこれらの時間間隔では必要とされない。有効周囲温度(Tamb)について予想される温度範囲の計算は、モデルに基づいている。
問題となるモデルは、システムおよび周囲環境の熱伝導性および蓄熱容量(heat storing capacity)の関数である熱定数などのパラメータを含んでもよい。MEMSデバイスの全ての温度動作範囲をカバーするように、dynamic Tresについて適切な数の事前に特性評価した温度設定を選択し、有効周囲温度について予想される温度範囲を認知することによって、常に有効周囲温度の外で接近するように動的温度を調整することが可能である。例えば、加熱源を含むMEMSデバイスの場合、MEMSデバイスが0〜100℃の範囲の温度で動作することが設計時において既知である場合、10個の事前に特性評価した温度設定(ノブ(knob))からなる組を、dynamic Tresについて選択してもよい。この場合、各ノブが、dynamic Tres(200)について10℃変化を表すことになる。事前に特性評価した温度設定(ノブ)の数は設計者に委ねられており、必要な精度に大きく依存する。アプリケーションによって決定される所定の時間間隔でMEMSデバイスの有効周囲温度を測定し、MEMSデバイスの有効周囲温度について予想される温度範囲を認知することによって、上位の制御(50)は、このdynamic Tresを当該値より高い温度設定に可能な限り接近させて調整できる。その結果、有効周囲温度が25℃に上昇した場合、上位の制御器は、動的温度の変化が許容される所定の時間間隔で、このdynamic Tresを30℃に増加できる。次の所定の時間間隔で有効周囲温度が15℃に降下した場合、上位の制御器は、このdynamic Tresを当該温度より高く接近した温度設定に調整でき、この場合、dynamic Tresは20℃に調整できる。
こうして我々は、オーブン温度を動的に調整し、有効周囲温度(Tamb)での変化を反映することによって、MEMSデバイスの電力消費を最小化できる。MEMSデバイスが受動加熱を有する能動冷却源を備える場合、その逆も真であり、dynamic Tresは、有効周囲温度(Tamb)より低く接近して調整される。これは、オーブン温度が、MEMSデバイスの最高動作温度および最低動作温度またはその外側で一定に維持される先行技術とは対照的である。
図10の実施形態は、能動加熱および能動冷却を有するものであり、このdynamic Tresは、予め定義された時間内でMEMSデバイスの有効周囲温度について予想される温度範囲の内側で接近するように調整され、MEMSデバイスを加熱/冷却する電力消費を最小化している。この実施形態では、予想される温度範囲は、同様に上位の制御ユニット(50)によって所定の時間間隔(アイドル期間(Idle duration))で計算される。所定の時間間隔は、アプリケーションによって定義され、発振器出力(40)を使用するアプリケーションまたはサブシステムの動作に悪影響を与えることなく、このdynamic Tresが値を変化させる時期を示す。即ち、出力信号の安定性はこれらの時間間隔では必要とされない。有効周囲温度(Tamb)について予想される温度範囲の計算は、モデルに基づいている。
温度変化の際、周波数はあまり安定しておらず、切り替えは、好ましくは、導入された外乱が、発振器出力を使用するアプリケーションまたはサブシステムに悪影響を及ぼさない時に行われる。こうして上位の制御は、周波数出力が必要とされないか、あるいはあまり安定していなくてもよい時期または期間を知るために(外部入力パラメータ)、アプリケーションとの密接な相互伝達とともに動作する。安定性は、許可/許容される範囲の種々のノイズ/外乱の測定指標、例えば、周波数ドリフトおよび位相ノイズとして定義される。一例として、周波数出力が無線トランシーバのフロントエンドで使用される場合、送信または受信する必要があるデータがないアイドル期間が明確に存在する(図9〜図10参照)。この情報は、良好に定義されたインタフェースを用いてアプリケーションと制御ユニットとの間で伝達される。制御器は、周囲およびICでの影響変動の動的バウンディング(bounding)を使用して、安全でエネルギー効率のよい温度レベルを決定する。温度を1つの安定レベルから他に変化させるのに必要な時間間隔を短縮するために、センサベースのフィードバックループに加えて、ヒータ電流/電圧のモデルベースの動的成形(shaping)が使用可能である。
センサおよびその読み出し回路は、典型的な設計はセンサを常にオン状態に保つため、発振器電力の相当の部分を消費することがある。コンテキスト適応(context-aware)センシングは、センサおよびその読み出し回路による全体のエネルギー消費を最小化するために使用できる。例えば、センサ、読み出し回路およびフィードバックループは、影響ある外乱レベルが充分に低く、フィードバックループが停止している場合でも安定性を確保できることを実行時に解析した場合、動的にオフに切り替え可能である。
他の例では、ノイズが温度の関数であるとして検知された温度に基づいて、センサ電力が調整される。この実施形態は、図8のブロック図に示しており、制御信号(62)が上位の制御ユニット(50)からセンサ(13)へ送信される(即ち、センサに供給される電流の制御)。さらに、該システムで固有の相関関係を利用して、実行時のノイズに関する上部境界(bound)を計算することによって、所望の精度を達成するのに必要であれば、センサ電力を変調してもよい。他の例では、目標温度レベルが変化している場合、モデルベースのフィードフォワードが遷移期間中に動作中であるため、センサおよびフィードバックループは、遷移の終わりに向かってのみオンに切り替えられる。
他の例では、履歴ベースのセンシングが使用でき、これは、前回の時点で取得した測定/読み取りを利用して、必要なセンシング精度をより低いセンシング電力で達成する。典型的には、センサは、オーブンチャンバ内側に設置され、チャンバの加熱に関与する。加熱器とセンサとの間で適切な協調が好ましく、センサ電力が変調された場合、加熱器の設定を調整する。
一実施形態では、補償ユニットは、発振器周波数の製造変動を許容するためのシステム位相ロックループ(PLL)を備え、MEMSデバイスの安定温度が異なる場合でも、出力周波数を必要な値に維持している。さらに、電力消費を低減するために、周波数出力がアプリケーションで必要とされない場合、補償回路の一部が通電オフにできる。
加熱器、センサおよび補償回路の上記(ノブ)間の変化が、切り替え時間オーバーヘッドを含み、時には幾つかのエネルギー損失も含むことがある。上記の記載から、加熱器は、必要な精度を達成するのに要するセンサ電力に対して直接的な影響を有することが明らかである。センサ精度は、フィードバックループに起因して、加熱器によって達成される安定性に影響する。こうして時間経過とともにセンサと加熱器との間の双方向の相互作用が存在し、これは、好ましくは切り替えオーバーヘッドに加えて制御器によって考慮されるとともに、加熱器、センサおよび補償回路についてのノブ決定を行う。制御器は、時間進行とともにこうした決定を連続的に再検討でき、より多くの情報が入手できる。制御器は、アップデート型の動的手順として実装でき、制御オーバーヘッドを最小化する。
上述したデバイスにおいて、MEMS発振器を加熱するための加熱器は、例えば、抵抗性加熱手段、放射源、または当業者に知られている他のものとすることができる。
上述したデバイスは、MEMS発振器の加熱を主に参照して説明したが、類似のシステムが本発明の範囲内で想定され、加熱の代わりにまたは加熱との組合せで冷却が使用される。冷却を用いたシステムにおいて、冷却剤が循環しているマイクロチャネルを利用できる。例えば、文献(Bing Shi, Ankur Srivastava, "Liquid cooling for 3D-ICs", invited paper, Second International Conference on Green Computing (IGCC'11), First International IEEE Workshop on Thermal Modeling and Management: Chips to Data Centers, Jul. 201 1 , ISBN 978-1-4577-1221-0)および文献(Xie Mengji et al., "Design and research of asymmetric micro-channel cooling system in MEMS- based Microstrip antenna", 2nd International Conference on Mechanical and Electrical Technology (ICMET), Sept. 2010, ISBN 978-1-4244-8102-6)から知られており、参照によりこれらは全体としてここに組み込まれる。
上述したデバイスにおいて、MEMS発振器は、基板の上方に懸架された共振器を備えてもよい。
上述したデバイスにおいて、温度制御MEMSデバイス(10)は、係留綱(tether)を用いて基板の上方に懸架された共振要素を、該共振要素の発振を励起及び/又は検知するための電極対の間に備えてもよい。MEMSデバイス、加熱器/冷却器およびセンサは、マイクロオーブン内、即ち、ハウジングに収容され、環境に向かう熱損失を最小化する。

Claims (16)

  1. 所望の周波数を有する出力信号の発生装置であって、
    基準信号(20)を発生するためのMEMS共振器を含むMEMS発振器(12)と、
    MEMS共振器と関連付けられ、温度設定信号(60)に応じてEMS共振器を所望の動作温度に維持するために設けられた温度制御システム(90)と、
    温度制御システムと通信可能に接続され、温度設定信号を発生するために設けられた制御ユニット(50)とを備え、
    制御ユニットは、パラメータ組(80)を受信するための少なくとも1つの入力ノードを備え、前記パラメータ組は、検知した周囲温度を示す第1パラメータを少なくとも含んでおり、
    制御ユニットは、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、MEMS共振器用の動作温度を選択するために設けられ
    装置は、MEMS発振器(12)で発生した基準信号(20)から出力信号(40)を発生するために設けられた補償ユニット(30)を備え、
    補償ユニットは、制御ユニットから少なくとも1つの補償パラメータ(70)を受信するために、制御ユニット(50)と通信可能に接続され、
    制御ユニットは、受信したパラメータ組(80)に基づいて少なくとも1つの補償パラメータを発生するために設けられ、
    受信したパラメータ組(80)は、基準信号の安定性が必要とされない時間フレームを示す第4パラメータを含み、
    制御ユニットは、MEMS共振器用の動作温度を、異なる事前に特性評価した温度に設定するのを、第4パラメータによって示される時間フレームまで延期するために設けられることを特徴とする装置。
  2. 前記パラメータ組(80)は、装置の電力消費を示す第2パラメータを含む請求項1記載の装置。
  3. 少なくとも1つの事前に定義した関係が制御ユニットに実装され、検知した周囲温度および装置の電力消費が、事前に特性評価した複数の温度から、MEMS発振器用の動作温度を選択するために利用される請求項2記載の装置。
  4. 複数の前記事前に定義した関係が実装され、前記パラメータ組(80)は、使用すべき事前に定義した関係を示す第3パラメータを含む請求項3記載の装置。
  5. 事前に特性評価した温度は、所定の期間内に、周囲温度に関して予想される温度範囲に接近するように決定される請求項1〜4のいずれかに記載の装置。
  6. 制御ユニット(50)は、少なくとも所定の期間、選択した動作温度を一定に維持するために設けられる請求項1〜5のいずれかに記載の装置。
  7. MEMS共振器は、マイクロオーブン(10)に収容される請求項1〜6のいずれかに記載の装置。
  8. 温度制御システムは、MEMS共振器を加熱/冷却するための加熱/冷却源(11)と、MEMS共振器の温度を検知するための温度センサ(13)とを備え、
    温度センサは、制御ユニットと通信可能に接続され、
    制御ユニットは、受信したパラメータ組に応じて温度センサに供給される電流を変化させるために配置される請求項1〜のいずれかに記載の装置。
  9. 所望の周波数を有する出力信号を発生する方法であって、
    a)MEMS共振器を含むMEMS発振器を用いて、基準信号(20)を発生するステップと、
    b)MEMS共振器と関連付けられた温度制御システム(90)を用いて、温度設定信号(60)に応じてEMS共振器を所望の動作温度に維持するステップと、
    c)温度制御システムと通信可能に接続された制御ユニット(50)を用いて、温度設定信号を発生するステップと、
    d)検知した周囲温度を示す第1パラメータを少なくとも含むパラメータ組(80)を制御ユニットに提供するステップと、
    e)制御ユニットにおいて、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、MEMS発振器用の動作温度を選択するステップと、を含み、
    方法はさらに、制御ユニットと通信可能に接続された補償ユニットにおいて、MEMS発振器で発生した基準信号から出力信号および、制御ユニットから受信した少なくとも1つの補償パラメータを発生し、
    パラメータ組は、基準信号の安定性が必要とされない時間フレームを示す第4パラメータを含み、
    ステップe)は、MEMS共振器用の動作温度を、異なる事前に特性評価した温度に設定するのを、第4パラメータによって示される時間フレームまで延期することを含むことを特徴とする方法。
  10. 前記パラメータ組(80)は、装置の電力消費を示す第2パラメータを含む請求項記載の方法。
  11. 少なくとも1つの事前に定義した関係が制御ユニット(50)に実装され、検知した周囲温度および装置の電力消費が、事前に特性評価した複数の温度から、MEMS発振器用の動作温度を選択するために利用される請求項10記載の方法。
  12. 複数の前記事前に定義した関係が実装され、前記パラメータ組(80)は、使用すべき事前に定義した関係を示す第3パラメータを含む請求項11記載の方法。
  13. 事前に特性評価した温度は、所定の期間内に、周囲温度に関して予想される温度範囲に接近するように決定される請求項9〜12のいずれかに記載の方法。
  14. 少なくとも所定の期間、選択した動作温度を一定に維持するためのステップをさらに含む請求項9〜13のいずれかに記載の方法。
  15. MEMS共振器は、マイクロオーブン(10)に収容される請求項9〜14のいずれかに記載の方法。
  16. 温度制御システムは、MEMS共振器を加熱/冷却するための加熱/冷却源と、MEMS共振器の温度を検知するための温度センサとを備え、
    温度センサは、制御ユニットと通信可能に接続され、
    該方法は、受信したパラメータ組に応じて温度センサに供給される電流を変化させるステップを含む請求項9〜15のいずれかに記載の方法。
JP2013533190A 2010-10-11 2011-10-11 Memsデバイス用のマルチ温度マイクロオーブンの設計および制御 Expired - Fee Related JP5956997B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US39183310P 2010-10-11 2010-10-11
US61/391,833 2010-10-11
PCT/EP2011/067749 WO2012049187A1 (en) 2010-10-11 2011-10-11 Design and control of multi-temperature micro-oven for mems devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013545354A JP2013545354A (ja) 2013-12-19
JP5956997B2 true JP5956997B2 (ja) 2016-07-27

Family

ID=44947049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013533190A Expired - Fee Related JP5956997B2 (ja) 2010-10-11 2011-10-11 Memsデバイス用のマルチ温度マイクロオーブンの設計および制御

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9257993B2 (ja)
EP (1) EP2628244B1 (ja)
JP (1) JP5956997B2 (ja)
WO (1) WO2012049187A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5977197B2 (ja) * 2013-05-24 2016-08-24 旭化成エレクトロニクス株式会社 温度制御回路、恒温槽型圧電発振器、および温度制御方法
JP2015119378A (ja) * 2013-12-19 2015-06-25 日本電波工業株式会社 高安定発振器
US10069500B2 (en) 2016-07-14 2018-09-04 Murata Manufacturing Co., Ltd. Oven controlled MEMS oscillator
US10425084B2 (en) * 2017-10-03 2019-09-24 Murata Manufacturing Co., Ltd. Oven controlled MEMS oscillator and system and method for calibrating the same
US11876485B1 (en) * 2022-09-13 2024-01-16 Txc Corporation Oscillating device

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6166608A (en) * 1998-10-21 2000-12-26 Symmetricom, Inc. Thermo-electric cooled oven controlled crystal oscillator
JP2000183649A (ja) * 1998-12-18 2000-06-30 Toyo Commun Equip Co Ltd 高安定圧電発振器
JP2003069422A (ja) * 2001-08-28 2003-03-07 Matsushita Electric Works Ltd 基準周波数発生装置
US6784756B2 (en) * 2001-12-21 2004-08-31 Corning Incorporated On-board processor compensated oven controlled crystal oscillator
US7768360B2 (en) 2002-10-15 2010-08-03 Marvell World Trade Ltd. Crystal oscillator emulator
CN1849746B (zh) 2003-09-10 2011-01-12 Nxp股份有限公司 机电换能器和电设备
US6995622B2 (en) * 2004-01-09 2006-02-07 Robert Bosh Gmbh Frequency and/or phase compensated microelectromechanical oscillator
WO2006000611A1 (en) 2004-06-24 2006-01-05 Nokia Corporation Frequency synthesizer
US7211926B2 (en) 2005-03-09 2007-05-01 The Regents Of The University Of California Temperature compensated oscillator including MEMS resonator for frequency control
JP2007156926A (ja) 2005-12-06 2007-06-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 割込制御装置
US7466209B2 (en) * 2007-01-05 2008-12-16 Sirf Technology, Inc. System and method for providing temperature correction in a crystal oscillator
WO2008112182A1 (en) 2007-03-09 2008-09-18 Radioframe Networks, Inc. Crystal oscillator temperature control and compensation
JP5064155B2 (ja) * 2007-09-10 2012-10-31 セイコーインスツル株式会社 発振器
US7545228B1 (en) 2007-09-12 2009-06-09 Sitime Inc. Dynamic temperature compensation for a digitally controlled oscillator using dual MEMS resonators
US7925463B2 (en) * 2008-02-01 2011-04-12 Broadcom Corporation Method and system for compensating temperature readings from a temperature sensing crystal integrated circuit
JP2009200888A (ja) * 2008-02-22 2009-09-03 Seiko Instruments Inc Mems発振器
US8410868B2 (en) * 2009-06-04 2013-04-02 Sand 9, Inc. Methods and apparatus for temperature control of devices and mechanical resonating structures
CN102132492B (zh) * 2008-08-28 2014-07-30 松下电器产业株式会社 合成器和使用它的接收装置及电子设备
WO2010052683A2 (en) 2008-11-10 2010-05-14 Nxp B.V. Mems resonator
JP5218169B2 (ja) * 2009-03-11 2013-06-26 株式会社大真空 圧電発振器及びこの圧電発振器の周囲温度測定方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9257993B2 (en) 2016-02-09
WO2012049187A1 (en) 2012-04-19
EP2628244B1 (en) 2016-08-17
JP2013545354A (ja) 2013-12-19
US20130222073A1 (en) 2013-08-29
EP2628244A1 (en) 2013-08-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5956997B2 (ja) Memsデバイス用のマルチ温度マイクロオーブンの設計および制御
CN102725957A (zh) 集成电气组件的双传感器温度稳定
JP5218169B2 (ja) 圧電発振器及びこの圧電発振器の周囲温度測定方法
JP6190664B2 (ja) 水晶発振器
CN103051285B (zh) 用于修正压阻式振荡器的频率的温度相关性的电路和方法
WO2017199956A1 (ja) 恒温槽型電子機器
JP5205827B2 (ja) 発振周波数制御方法及び発振器
JP2010258491A (ja) 温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器
JP3272633B2 (ja) 恒温槽型圧電発振器
JP5970275B2 (ja) 高安定度の発振器
US20230205253A1 (en) Neural network stabilized clock
US10143107B1 (en) Altitude-based adaptive cooling of a computing device
JP2006173213A (ja) 温度安定化装置及び発振装置
JP2008258710A (ja) 温度補償型圧電発振器およびその温度補償方法
JP6172989B2 (ja) 発振装置
EP2908110A1 (en) An apparatus and method for temperature measurement and/or calibration via resonant peaks in an oscillator
JP2009290379A (ja) 発振器
JP2009182881A (ja) 温度補償型水晶発振器
JP4353868B2 (ja) 水晶発振装置
JP2005347929A (ja) 温度補償水晶発振器およびその調整方法
CN104426477A (zh) 带恒温槽的晶体振荡器
JP7413320B2 (ja) 温度制御型及び温度補償型発振装置並びにその方法
JP2006114774A (ja) 波長安定化半導体レーザ装置
CN102522949A (zh) 一种恒温晶体振荡电路的温度补偿装置
WO2016210429A1 (en) Inertial mems sensor thermal management systems and methods

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140819

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20151029

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20151110

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20160205

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20160303

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20160408

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160509

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160614

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160617

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5956997

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees