JP7095736B2 - オーブン制御型ｍｅｍｓ発振器及びシステム及びそれを校正する方法 - Google Patents

オーブン制御型ｍｅｍｓ発振器及びシステム及びそれを校正する方法 Download PDF

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Description

本発明は、ＭＥＭＳ発振器に関し、より具体的には、小型の優れた温度安定性を有するオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器に関する。
水晶は、発振回路内の基準周波数を与えるために広く用いられている。水晶共振子が振動する周波数はその物理的寸法に依存する。さらに、温度の変化は熱膨張により水晶を膨張又は収縮させ、水晶の弾性率の変化を引き起こす。この物理的変化が次に結晶発振周波数を変化させる。水晶は、周波数の非常に低い温度計数を有するが、それでもなお温度変化は水晶発振器における周波数変動の主要な原因である。
水晶発振器が温度制御されたオーブン内に配置されるオーブン制御型水晶発振器（「ＯＣＸＯ」、Ｏｖｅｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）は、周波数基準デバイスである。オーブンは、周囲温度の変動による周波数の変化を防ぐために、発振器を一定温度に維持するために供給される。この型の発振器は、水晶による可能な最も高い周波数安定性を達成する。ＯＣＸＯは、典型的には、例えば、無線送信機、セルラー基地局、軍用通信機器、及び、精密周波数計測用デバイスの周波数を制御するために用いられる。
ＯＣＸＯに関して、オーブンは、結晶及び１つ又はそれ以上の電気的加熱素子を含む断熱収納装置である。発振器回路内の他の電子部品もまた温度ドリフトを受け易いので、通常、発振器回路全体がオーブン中に封入される。これらのデバイスのために、サーミスタなどの温度センサがオーブン温度を監視するために設けられ、閉ループ制御回路が、オーブンを正確な目標温度に維持するために、ヒータへの電力を制御するために設けられる。オーブンは周囲より高い温度で動作するので、発振器は、通常、電力を加えられた後、数分間のウォームアップ期間を必要とする。さらにデバイスの周波数は、このウォームアップ期間中、フルレートの安定性を有しないことになる。
既存のＯＣＸＯは、一般に優れた安定性（例えば、典型的には、指定された温度範囲にわたって１０億分の（「ｐｐｂ」、ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｂｉｌｌｉｏｎ）１００より良い）をもたらすが、これらのデバイスはまた幾つかの欠点を有する。第１に、典型的な水晶はかなり大きく、このことが最終的なＯＣＸＯデバイスを相当に大きくする。タイミングデバイスの製造コストはサイズに比例するので、より大きなＯＣＸＯサイズは好ましくない。第２に、加熱及び冷却のための長い熱時定数が、非常に長い起動時間をもたらす。例えば、オーブンを目標温度に安定化するために、典型的には数分間かかる。第３に、オーブン温度を維持するために必要な電力がかなり大きい。例えば、典型的なＯＣＸＯは、オーブンを加熱するために１ワット超を消費する。最後に、オーブン内の温度勾配のために、結晶温度は一定ではなく、－４０～８５Ｃの周囲温度範囲にわたり＋／－１Ｋ変化する可能性がある。
一般に、微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」、ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）共振子は、高周波数で振動する小さい電気機械構造体であり、水晶共振子の代わりに使用されることが多い。従って、速い起動時間を有する非常に小さいタイミングデバイスを与えることができるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器は、多くの用途に著しい利益をもたらし得る。残念なことに、ＭＥＭＳプロセスは、広範囲の物理的トリミングなしには、高精度のクロックを実現するのに十分ではない。
そのようなオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器デバイスの精度の課題は、例えば図１に示される。一般に、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器用途のために意図された典型的なＭＥＭＳ共振子は、名目のターンオーバー温度Ｔturn＝８５℃を伴う放物線型温度依存性を有する。これは、デバイスが、８５℃の温度に加熱されたオーブン内に配置されるとき、このターンオーバー温度の周りのオーブンの小さい温度揺らぎが、発振周波数に小さな影響のみを及ぼすであろうことを意味する。例えば、ＭＥＭＳ共振子の典型的な放物線型温度依存性は、－４０ｐｐｂ／Ｋ2である。従って、オーブン温度が、ターンオーバー温度Ｔturn＝８５℃の周りで＋／－０．５Ｋだけ変化する場合、対応する発振周波数の変化は丁度１０ｐｐｂであり、これは殆どの用途に対して容認できる。
しかし、ＭＥＭＳ共振子の製造ばらつきのため、ターンオーバー温度は、図１に示されるように＋／－５Ｋ変化する可能性があり、これは発振周波数のばらつきを増す。例えば、図示されるように、ターンオーバー温度が９０℃で、オーブン温度が８５℃の場合、＋／－０．５Ｋのオーブン温度揺らぎが、＋／－２００ｐｐｂの周波数揺らぎを引き起こし得る。この発振のばらつきは、高精度クロック用途にはあまりにも著しすぎる
本開示は、上述のような既存のＯＣＸＯデバイスの技術的不利点を、非常に低い電力で非常に迅速に加熱することができる非常に小さい発振器を含むオーブン制御型ＭＥＭＳタイミングデバイスを提供することによって、克服する。さらに、製造中にデバイス毎に生じ得る部品のばらつきを補正するように、オーブン制御型ＭＥＭＳタイミングデバイスを校正するための校正システムが提供される。
従って、例示的な一態様により、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のための校正システムが提供される。この例示的な態様において、校正システムは、複数の所定の目標設定値の各々を別々に選択し、選択された所定の目標設定値の各々に基づいてオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の設定値を調節するために、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のヒータを制御するように構成された少なくとも１つのプロセッサを含んだ制御回路と、選択された所定の目標設定値の各々に対応する各々の調節された設定値においてオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のそれぞれの発振周波数を計測するように構成された発振計測回路と、を含む。さらに、制御回路は、計測された発振周波数に基づいて最適目標設定動作値を決定し、決定された最適目標設定動作値に基づいてオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するように構成される。
例示的態様の一改善において、校正システムは、複数の所定の目標設定値を格納するように構成された電子メモリを含むことができる。
例示的態様の別の改善において、校正システムは、選択された所定の目標設定値の各々と、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の内部の温度センサによって出力された温度計測信号との差に基づいて、ヒータを制御するように構成された熱制御回路を含むことができる。
さらに、温度センサはサーミスタとすることができ、温度計測信号はサーミスタによって計測される温度電圧である。一態様において、熱制御回路は、温度計測信号とそれぞれの選択された所定の目標設定値との間の差を出力するように構成された差動増幅器である。別の態様において、熱制御回路は、選択された所定の目標設定値の各々と温度計測信号との間の差に基づいてヒータを制御するように構成された比例積分微分（ＰＩＤ、ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御器である。
さらに、校正システムは、温度計測信号とそれぞれの選択された所定の目標設定値との間の差を最小にしてヒータに加えられるヒータ電流を駆動するように、ヒータを制御するための制御ループを含むことができる。
例示的な一態様において、制御回路は、計測された発振周波数の、対応する選択された所定の目標設定値に対する曲線を生成することによって最適目標設定動作値を決定し、生成された曲線の多項式フィットを実行し、多項式フィットにおいてゼロに等しくなる設定値として最適目標設定動作値を識別するために、設けられる。
別の態様において、制御回路は、決定された最適目標設定動作値をオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の不揮発性メモリに格納することにより、決定された最適目標設定動作値に基づく動作中にオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のヒータがオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を加熱するように制御されるように、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するように構成される。
オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器は、例えば、フレームと、フレームによって配置されるプラットフォームと、プラットフォームに結合された共振子と、プラットフォーム上に配置され、選択された所定の目標設定値の各々によりヒータを制御するための温度計測信号を出力するように構成された温度センサと、を含むことができる。さらに、ヒータは、プラットフォーム上に配置することができ、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の設定値を調節するようにプラットフォームを加熱するように構成される。この態様の改善において、共振子はバルク音響モード共振子である。
さらに別の例示的態様において、シリコンプラットフォームと、シリコンプラットフォームに結合された共振子と、シリコンプラットフォームに結合され、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器デバイスの動作中に温度計測信号を出力するように構成された温度センサと、プラットフォームに結合され、熱制御信号に基づいてオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器デバイスを加熱するように構成されたヒータと、目標設定値を格納するように構成された不揮発性電子メモリを含むオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器デバイスが提供される。オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器デバイスはさらに、格納された目標設定値と、温度センサから出力された温度計測信号との間の差に基づいて熱制御信号を生成するように構成された熱制御回路を含む。さらに、熱制御回路は、格納された目標設定値と温度計測信号との間の差を最小にするようにヒータを調節することによって熱制御信号を最小にするように構成される。
さらに別の態様において、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正する方法が提供される。例示的な態様において、本方法は、複数の所定の目標設定値の各々を別々に選択するステップと、選択された所定の目標設定値の各々に基づいてオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の設定値を調節するためのオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器内部のヒータを制御するステップと、発振計測回路によって、選択された所定の目標設定値の各々に対応する各々調節された設定値におけるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のそれぞれの発振周波数を計測するステップと、計測された発振周波数に基づいて最適目標設定動作値を決定するステップと、決定された最適目標設定動作値に基づいてオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するステップと、を含む。
上述の例示的実施形態の簡易要約は、本開示の基本的理解を与えるのに役立つ。この要約は、全ての考慮される態様の広範囲の概要ではなく、全ての態様のキーとなる又は重要な要素を明らかにすることを意図したものでも、本開示のいずれかの又は全ての態様の範囲を叙述することを意図したものでもない。その唯一の目的は、以下の本開示のより詳細な説明への序文として簡単化された形態における１つ又はそれ以上の態様を提示することである。上述のことの遂行のために、本開示の１つ又はそれ以上の態様は、特許請求の範囲において説明され、具体的に指摘される特徴を含む。
本明細書に組み込まれ、その一部分を構成する添付の図面は、本開示の１つ又はそれ以上の実施形態を示し、詳細な説明と共に、それらの原理及び実施を説明するのに役立つ。提供される図面は、例証目的のみのためであり、従って、一定の尺度で描かれてはいない。
製造ばらつきによるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器デバイスの精度課題を示すグラフを与える。
例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置の外側斜視図を示す。
例示的な一実施形態による、図２ＡのＭＥＭＳ共振装置の断面図を示す。
別の例示的な実施形態による、図２ＡのＭＥＭＳ共振装置の断面図を示す。
図２Ｂ及び２Ｃに示されるＡ―Ｂ線に沿って描かれた、オーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置の横断面図である。
図２Ｂ及び２Ｃに示されるＣ―Ｄ線に沿って描かれた、オーブン制御型MEMS共振装置の横断面図である。
図２Ｂ及び２Ｃに示されるＡ―Ｂ線に沿って描かれた、オーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置の別の横断面図である。
例示的な一実施形態によるＭＥＭＳ共振装置１００を含むタイミングデバイスを示す。
例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器デバイスを示す。
例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するためのシステムのブロック図を示す。
例示的な一態様によるＭＥＭＳプラットフォームの校正を実行するための適用される設定値に対する、得られたＨｚ単位の発振周波数のグラフを示す。
例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のブロック図を示す。
別の例示的な実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のブロック図を示す。
本明細書において例示的な態様は、既存の発振器デバイスの多くの技術的不利益を克服するオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の文脈において説明される。具体的には、本明細書で開示されるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器は、非常に低い電力で非常に迅速に加熱することができる小型の発振器である。
当業者であれば、以下の説明は例証のみであって、なんら限定することを意図したものではないことを認識するであろう。他の態様はそれら自体で、本開示の利益を有することを当業者に対して容易に示唆するであろう。ここで、添付の図面に示される例示的な態様の実施について詳細に言及するであろう。同じ参照標識が、図面及び以下の説明を通して同じ又は類似の項目を参照するために、可能な限り用いられることになる。
図２Ａは、例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置の外側斜視図を示す。図示されるように、ＭＥＭＳ共振装置１００は、基板１１０の上に設けられるフレーム１１２及びキャップ１１４を含む。以下で論じられ図３に示されるように、例えば、基板１１０はその中央領域に凹形キャビティＣを、ＭＥＭＳ共振装置１００内部の共振子がキャビティＣの上方で振動することができるように、含む。
好ましくは、例示的な実施形態のＭＥＭＳ共振装置１００は、例えば、Ｍａｒｃ Ｊ． ＭａｄｏｕによるＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ， ２０１１「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌｕｍｅ ＩＩ： Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」に記載されているＭＥＭＳ製造技術を用いて製造される。従って、例示的な実施形態により、ＭＥＭＳ共振装置１００は、チップスケールにパッケージされた（「ＣＳＰ」、ｃｈｉｐ ｓｃａｌｅ ｐａｃｋａｇｅｄ）ＭＥＭＳ共振装置である。好ましくは、ＭＥＭＳ共振装置１００は、シリコン製基板１１０、絶縁体上シリコン（「ＳＯＩ」、ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）製のフレーム１１２、及び外部に見えるキャップ１１４を有するキャビティＳＯＩウェハで製造される。さらに図示されるように、複数の電気的コンタクトパッド（例えば、コンタクトパッド１１６Ａ～１１６Ｄ）が、当業者には理解され、一例が図６に示され以下で論じられるように、共振装置を発振回路に接続するためにキャップ１１４の上に設けられる。
図２Ｂは、例示的な一実施形態による、図２ＡのＭＥＭＳ共振装置１００の断面図を示す。さらに図２Ｃは、別の例示的な実施形態による、図２ＡのＭＥＭＳ共振装置の断面図を示すが、その詳細は以下で論じられるであろう。図２Ｂ及び２Ｃに示される図は、キャップ１１４が取り付けられていないフレーム１１２の断面に沿って描かれたＭＥＭＳ共振子デバイス１００の断面図である。
図２Ｂに示されるように、ＭＥＭＳ共振装置１００は、矩形板上に配置され、振動部１２０の向き合う第１の側面に結合される２つの細いアンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂによって加熱プラットフォーム１３４に固定される振動部１２０を含む。例示的な一実施形態により、振動部１２０は面内モード（即ち、ほぼｘ／ｙ面内の運動）で振動するバルク音響モード振動体であることが好ましく、その理由はこれらの型のモードがより高いQ(機械的品質係数)及び耐電力特性をもたらすからである。例えば、この態様により、振動モードは幅広がりモード及びラーメモード（Ｌａｍｅ－ｍｏｄｅ）であることが好ましい。さらに、例示的な実施形態により、細いアンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂは、振動部１２０から加熱プラットフォーム１３４への振動エネルギー損失を最小にする。
振動部１２０とプラットフォーム１３４との間の、アンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂを通しての振動カップリングにより、振動部１２０とプラットフォーム１３４の振動を結合する不必要な共鳴の危険性が存在する。これら不必要なスプリアスを最小にするために、プラットフォーム１３４は機械的に堅いことが必要である。さらに、例示的な一実施形態により、プラットフォーム１３４が完全に振動部１２０を取り囲み、振動部１２０を囲むプラットフォーム１３４の幅１３５（即ち、プラットフォーム１３４の外側縁部とキャビティ１２８との間）がプラットフォーム１３４の厚さの少なくとも２倍、好ましくは振動部１２０の厚さの少なくとも４倍であるとき、不必要なスプリアスを最小にすることができる。
さらに図示されるように、加熱プラットフォーム１３４は、プラットフォーム１３４を加熱するオーブン効果をもたらすヒータ１２２と、加熱プラットフォーム１３４の温度を計測するために準備される温度センサ、即ち、サーミスタ１３０とを含む。さらに、プラットフォーム１３４は、加熱プラットフォーム１３４をパッケージフレーム１１２に接続する支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂによって支持される。支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂは、プラットフォーム１３４に実質的に一つの端部で接続される。この配置は、熱がこの端部から、プラットフォーム１３４から流出するので、プラットフォーム１３４にわたるほとんど均一な熱分布を確実にするので有利である。図示されるように、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂは、キャビティ（例えば、梁１２４Ａに沿った１４０Ａ及び１４０Ｂ）と共に垂直に（即ち、ｙ方向に）に延び、さらに各々の支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの両側を延びる。その結果、加熱プラットフォーム１３４は、フレーム１１２から熱的に分離される。支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの対の対称構造は、機械的衝撃に対する優れた支持をもたらす。さらに、梁がプラットフォーム１３４の長さを超えて延びる場合、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの長い長さはプラットフォーム１３４の優れた断熱を保証する。
図２Ｂに示されるように、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの対の各々は、共振子の幅方向に（即ち、ｘ方向に）延びる短い第１の部分と、共振子の長手方向に（即ち、ｙ方向に）及びプラットフォームの側面に平行に延びる第２の長い部分と、再び共振子の幅方向に（即ち、ｘ方向に）延び、プラットフォームの一端部のそれぞれの側に結合される第３の部分とを含む。代替的実施形態により、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂに対して代替的な構造配置を設けることができる（例えば、プラットフォーム１３４をフレーム１１２に固定するために単一の支持梁を用いることができる）こと、及び／又は、付加的な支持梁を設けることができることを認識されたい。
さらに、例示的な一実施形態により、ヒータ１２２は支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの近く（例えば、支持梁１２４Ａと１２４Ｂとの間、又はそれらがプラットフォーム１３４に取り付けられる場所に隣接して）に配置される。図示されるように、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂは、加熱プラットフォーム１３４の第１の端部の側面に取り付けられる。ヒータ１２２は、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂに、ヒータ１２２と振動部１２０との間に配置されたサーミスタが取り付けられる加熱プラットフォーム１３４の側面の間、を延びる。好ましい実施形態において、サーミスタ１３０は、振動部１２０の２つの側面の上（即ち、振動部１２０とヒータ１２２との間、及び振動部１２０とサーミスタ１３０の反対側のプラットフォーム１３４の側面との間）に配置される。これは、プラットフォーム内に何らかの温度勾配が存在する場合、サーミスタがプラットフォーム内の平均温度を読み取るであろうことを保証する。
この配置によれば、ヒータ１２２がオンのとき、ヒータ１２２によって発生される熱出力がプラットフォーム１３４の温度を上昇させ、熱は梁１２４Ａ及び１２４Ｂを通して流れる。定常状態において、熱出力と熱流とは均衡し、実質的に全ての熱出力が支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂを通して流れる。この熱流のために支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂを横切って大きい温度勾配が存在する。しかし、熱流がヒータ１２２から支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂまでであるので、プラットフォーム１３４の残りの部分は均一な温度にある。ヒータ１２２が、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの接続点に比べてプラットフォームの反対側に配置されたとすると、ヒータ１２２から支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂへのプラットフォーム１３４を横切る一定熱流が存在することになり、大きい温度勾配及び不十分な温度制御をもたらす。換言すれば、好ましい実施形態において、ヒータ１２２は一つの側面上の支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂと振動部１２０との接続部によって定められる領域内に配置し、温度センサ１３０はプラットフォーム１３４の他の側面上に配置する必要がある。
代替的な一実施形態によれば、ヒータ１２２は、例えば、図２Ｂに示されるように、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂ自体の上に配置することができる一対の加熱素子を含む。図２Ｃは図２Ｂの代替的な一実施形態を示すが、別の点では、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂ上のヒータ１２２の配置を除いて、同じ構成要素を有する。従って、図２Ｃの同一の構成要素は、ここでは別に説明されないであろう。
ヒータ１２２を支持梁１２４Ａと１２４Ｂとの間（即ち、図２Ｂ）又は支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの上（即ち、図２Ｃ）に配置することにより、これらの配置は均一な又は実質的に均一なプラットフォーム温度プロファイルをもたらす。さらに、サーミスタ１３０（単数又は複数）を、振動部１２０の温度を正確に計測できることを保証するために、振動部１２０の近傍に配置する必要がある。図２Ｂ及び２Ｃに示されるように、サーミスタ１３０は、加熱プラットフォーム１３４の上、両方のアンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂに隣接して配置される。さらに図示されるように、振動部１２０を保持する矩形板を囲み、振動部１２０の２つの第２の対向側面を含むキャビティ１２８が存在し、その対向面を除けば、振動部１２０はアンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂによって加熱プラットフォーム１３４に固定される。アンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂは振動部１２０に振動部の振動の節近傍（例えば、振動中の振動部の中心線）で接続し、振動部１２０からプラットフォーム１３４へのエネルギー漏れを最小にし、振動部１２０と加熱プラットフォーム１３４との別々の最適化を可能にする。例示的な実施形態において、振動部１２０は幅広がり型バルク音響モード振動体であり、２つのアンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂは、矩形振動部１２０の２つの短辺における振動の節に接続する。そのような実施形態において、他の振動体が使用される場合、アンカー梁の数は変えることができる。例えば、ラーメモード共振子に対して、梁の隅に固定するために４つのアンカー梁を用いることができる。いずれの配置においても、振動部１２０は、ＭＥＭＳ共振子装置１００の動作中、キャビティ１２８の中で振動することができる。さらに、加熱プラットフォーム１３４は矩形形状であり、振動部を取り囲む。
さらに、図２Ａに関して上述したように、キャップ１１４は複数の電気的コンタクトパッド１１６Ａ～１１６Ｄを含む。図２Ｃに示されるように、ＭＥＭＳ共振装置１００は、キャップ１１４内の電気的コンタクトパッド１１６Ａ～１１６Ｄに電気的に結合された複数の電気的ビアコンタクト１３６（１つのみのビアコンタクトが参照数字１３６でマーク付けされている）を含む。さらに、フレーム１１２は、当業者には理解されるように、デバイス１００の製造中にキャップ１１４へのフレーム１１２の接合を容易にする金属接合リング１３２を含む。
さらに、例示的な一実施形態により、及び以下でより詳細に論じられるように、サーミスタ１３０、ヒータ１２２、及び振動部１２０の電極層（単数又は複数）は、製造中に、同じ金属（例えば、モリブデン）を堆積させることによって形成することができる。これらの構成要素のために同じ材料を用いることは、当業者には認識されるように、製造ステップを減らし、製造コストを最小にするのに役立つ。
図３は、図２Ｂ及び２Ｃに示されるＡ―Ｂ線に沿って描かれたオーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置１００の断面図である。例示的な実施形態によれば、振動部１２０及び加熱プラットフォーム１３４は、フレーム１１２のために用いられるのと同じＳＯＩシリコンがエッチングされたものである。さらに、ＳＯＩシリコンの上に幾つかの薄膜層が堆積されている。
具体的には、好ましくはＡｌＮから形成される圧電層１４４がＳＯＩシリコン層の上に形成され、下部励起電極及び上部励起電極が、それぞれ、圧電層１４４の上面及び底面に配置される。電極（上部電極のみが参照数字１４６で示されている）は、好ましくはモリブデンで形成され、ＡｌＮ層１４４と共に、振動部１２０の圧電駆動のために用いられる。上述のように、ヒータ１２２及びサーミスタ１３０を形成するために同じ金属を用いることができる。代替的実施形態により、振動部１２０のために、代替の／付加的な薄膜層を用いることもできることを認識されたい。
支持アーム１２４Ａ及び１２４Ｂ、加熱プラットフォーム１３４、アンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂ、並びに振動部１２０は、全て同じシリコン層をエッチングしたものであるので、製造は簡略化されるが、アンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂを含めることは、それでもなお、振動部１２０と支持プラットフォーム１３４との別々の最適化を可能にする。
付加的な実施形態によれば、ＭＥＭＳ共振装置１００は、信号経路のため、及び抵抗による信号損失を減らすために使用することができる複数の金属層を含むことができる。さらに、一実施形態において、フレーム１１２のために用いられるＳＯＩシリコンの下及び／又は上に、振動部１２０の熱補償をもたらすために二酸化シリコン層１４２を組み込むことができる。ＳＯＩシリコン（即ち、フレーム１１２）は、二酸化シリコン絶縁層１４２を用いて基板１１０に接合されることが好ましい。さらに、基板１１０は、例えば、共振装置１００が機械的衝撃を受ける場合に、加熱プラットフォーム１３４及び振動部１２０が基板１１０に容易には接触しないように、キャビティＣを有することが好ましい。さらに、例示的な一実施形態により、キャップ１１４は、金属接合リング１３２による金属共晶接合によって接合される。また、キャップ１１４中の電気的ビア１４０に接触するために金属接合が用いられる。
図３に容易に見ることができるように、振動部１２０は、基板１１０とキャップ１１４とによって定められるキャビティＣの中に配置される。従って、ヒータ１２２がプラットフォーム１３４を加熱するとき、加熱プラットフォーム１３４は、キャビティＣによって定められる「オーブン」の温度を安定化し、効果的に振動部１２０を加熱する第１の温度まで加熱されることが好ましい。サーミスタ１３０は、ヒータ１２２と同じ面内（即ち、ｘ、ｙ面内）に配置され、さらに、振動部１２０の温度の正確な温度計測を確実にするために、振動部１２０の両側に配置されることが好ましい。その結果、サーミスタ１３０は、当業者によって理解されるように、振動部１２０の温度を能動的に調節するための閉ループ制御システムの部分としてヒータ１２２に対するフィードバック制御をもたらすように構成される。能動的温度制御のための任意の適切な既知のフィードバック制御システムを使用することができる。例えば、一実施形態によれば、温度制御ループ電子回路が、ヒータ１２２及びサーミスタ１３０に結合した回路を含むプリント回路ボードの上の共振装置１００チップから離れて配置される。ここで、そのような回路の細部は、本発明の態様を不必要に不明瞭にしないように、詳細には説明されない。
図４は、図２Ｂ及び２Ｃに示されるＣ―Ｄ線に沿って描かれたオーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置１００の横断面図である。フレーム層１１２のためのＳＯＩシリコンの厚さは、５μｍと３０μｍとの間であることが好ましい。さらに、圧電層１４４は０．５μｍと２μｍとの間の厚さを有し、金属電極（例えば、金属電極１４６）は典型的には１μｍ又はそれ以下の厚さを有することが好ましい。さらに、二酸化シリコン層１４２などの他の薄膜層が使用される場合、それらはまた典型的には１μｍ又はそれ以下の厚さを有する。
例示的な一実施形態により、振動部の寸法は３００μｍ×６００μｍである。さらに、図２Ｂ及び２Ｃに示されるように、加熱プラットフォーム１３４は矩形形状であり、振動部１２０及びサーミスタ１３０を支持するのに十分に大きい。サーミスタ１３０は、単位面積当たりの抵抗を最大にするために蛇行形状を備えることが好ましい。例示的な実施形態によれば、サーミスタ１３０の全面積は、例えば、４００μｍ×４００μｍとすることができ、サーミスタ１３０の厚さは０．２μｍとすることができる。
ヒータ１２２はサーミスタ１３０に比べて小さくすることができ、上述並びに図２Ａ及び２Ｂに示されるように、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂの近く又はそれらの上に配置する必要がある。例示的な実施形態において、支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂは、例えば、１０μｍの幅及び長さ４００μｍを有し、断熱されるが、それでもなお加熱プラットフォーム１３４の機械的支持のためには十分に堅い。アンカー梁１２６Ａ及び１２６Ｂは、振動エネルギー漏れを最小にするために、及びMEMS共振子の機械的品質係数Qを最大にするために、典型的には５μｍ未満の幅を有することが好ましい。
本明細書で開示されるオーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置１００は、上記のＯＣＸＯデバイスなどの従来のシステムと比べて多くの技術的利点を提供する。例えば、加熱プラットフォーム１３４は小さい熱質量を有する、即ち、所望の温度に達するのに最小限の熱エネルギーを必要とするので、加熱プラットフォーム１３４及び事実上振動部１２０を加熱及び冷却するための時定数が小さい。具体的には、例示的な実施形態によれば、振動部１２０は、目標温度まで１００ｍｓ又はそれ以内で加熱することができる。さらに、加熱プラットフォーム１３４は、上で図２Ａ及び２Ｂに示されたように、加熱プラットフォーム１３４が、加熱プラットフォーム１３４の一端部に接続された支持梁１２４Ａ及び１２４Ｂのみによってフレーム１１２に結合されるので、断熱されている。その結果、パッケージ内部の圧力は、振動部１２０のQを向上させ、空気による熱対流を除くために、減らすことができる。例えば、典型的なパッケージ圧は１００Ｐａ又はそれ以下とすることができる。主要な熱損失機構は支持梁を通しての熱流であり、支持梁は大きい熱抵抗をもたらすように長くすることができる。例えば、１０μｍの厚さ、幅１０μｍ、長さ４００μｍの２つのシリコン支持梁は、１５Ｋ／ｍＷの熱抵抗を有することになる。これは、共振子を７５度だけ加熱するためにほんの５ｍＷで十分であることを意味し、これは、上記の従来のＯＣＸＯデバイスに必要とされる必要な加熱出力の量（例えば、１Ｗ）より著しく小さい。
熱対流による損失は、低圧パッケージングを用いて除去されるが、図５に示されるように、加熱プラットフォーム１３４及び振動部１２０はまた放射によって熱を失う。具体的には、図５は、図２Ｂ及び２Ｃに示されるＡ－Ｂ線に沿って描かれたオーブン制御型ＭＥＭＳ共振装置１００の別の横断面図である。
図５に示されるように、熱散逸は、加熱プラットフォーム１３４及び振動部１２０から延びる矢印によって示される。例示的な一実施形態により、プラットフォーム１３４は温度Ｔ１まで加熱されるが、パッケージの温度Ｔ２はそれより低い可能性がある。この温度差は放射損失をもたらすことになる。一般に、放射損失は、加熱プラットフォーム１３４、従って振動部１２０内に温度勾配を生じるので、放射損失は振動部１２０を一定温度に維持するのに有害である。その結果、サーミスタ１３０の温度は、振動部１２０の温度とは異なる可能性があり、不正確な温度読み取りをもたらす。温度が不正確に計測される場合、振動部１２０の温度は目標温度とは異なり、周波数変化を引き起こすことになる。
現在の実施形態において、サーミスタ１３０は加熱プラットフォーム１３４の一部分として形成され（上で示されるように）、振動部１２０への熱結合は非常に良好である。従って、図５に示されるような放射損失によっても、温度誤差は１Ｋ未満、典型的には０．１Ｋとなる。
図６は、例示的な一実施形態によるＭＥＭＳ共振装置１００を含んだタイミングデバイス２００を示す。好ましくは、図６に示されるタイミングデバイス２００は、例えば、無線基地局、ＧＰＳ受信器、及び正確な時間又は周波数基準を必要とする他のシステムに対する用途に使用することができる。
この実施形態に関して図示されるように、上記の例示的な共振装置１００は放射誘起温度誤差をさらに減らすため及び発振周波数を安定化するために、別のオーブンの中に配置することができる。具体的には、タイミングデバイス２００はキャリア２５０の上に配置された共振装置１００を含む。キャリア２５０は、例えば、セラミック基板又はプリント回路ボード（ＰＣＢ、ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）とすることができる。さらに、外側オーブン蓋２４０が、共振装置１００、及び共振装置１００にワイヤ接合２２０で接続される付随の発振回路２１０を収容するようにキャリア２５０の上に固定される。蓋２４０は、例えば、金属蓋とすることができる。第２のヒータ２２２が外側オーブンを加熱するためにキャリア２５０上に設けられ、第２のサーミスタ２３０がまた、ヒータ２２２が目標温度を維持するように調節されていることを保証するように、外側温度を計測するためにキャリア２５０上に設けられる。
この実施形態において、外側オーブン温度Ｔ２は、共振装置１００の内部の温度Ｔ１（即ち、上記の振動部１２０の温度）に等しくするか又はそれより僅かに低くすることができる。例えば、共振装置１００内のＭＥＭＳプラットフォームは９５℃の名目ターンオーバー温度を有することができ、このことは、振動部１２０用のヒータ１２２が名目上ＭＥＭＳプラットフォームを９５℃に加熱するように構成されることを意味する。さらに、外側のオーブン化パッケージは第２のヒータ２２２によってより低い温度、例えば８５℃に加熱することができる。その結果、放射損失は小さく、周囲温度変化にわたって一定となる。有利なことに、タイミングデバイス２００は、共振装置１００内の回路と同じ又はそれ以下の一定温度で、発振回路２１０を安定化するように構成される。
しかし、そのような構成によっても、実際のターンオーバー温度は、ＭＥＭＳプロセスにおける製造ばらつきのために変化し得る、即ち最適のターンオーバー温度は必ずしも９５℃にならず、デバイスを従来の技術を用いて物理的にトリミングすることが必要となる。例えば、実際のターンオーバー温度は、例えば、９０℃～１００℃の範囲になり得る。さらに、ヒータ１２２の抵抗及びＭＥＭＳプラットフォーム１３４上の温度センサ１３０の出力は、やはり製造ばらつきのためにデバイス毎に異なり得る。
図７は、例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００のブロック図を示す。図示されるように、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００は、例示的な共振装置１００（即ち、「ＭＥＭＳプラットフォーム」）と共に使用されるように準備される。従って、ＭＥＭＳプラットフォーム１００は、上記のように、振動部１２０、ヒータ１２２、温度センサ１３０を含む。これらの例示的な構成要素の詳細は上述されたので、ここでは繰り返されない。さらに、やはり上述のように、振動部１２０はワイヤ接合によって発振回路２１０に結合される。例示的な一態様において、発振回路２１０は、例えば、当業者には認識されるはずであるように、共振子振動を維持するように構成されたピアス（Ｐｉｅｒｃｅ）発振器回路とすることができる。
例示的な態様によれば、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００は、共振装置毎の製造ばらつきから生じるターンオーバー温度、ヒータ抵抗、及びサーミスタ抵抗のばらつきを補正するように構成される。有利なことに、ＯＣＭＯ発振器３００は、全ての誤差が単一の校正手続きによって補正されるように、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のシステム全体の電子校正（例えば、共振子のみの校正ではなく）によって、これらのばらつきを補正するように構成される。この校正システムは、例えば、図８及び９に関して以下で説明されるであろう。
さらに図示されるように、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００は、例示的な態様によるＭＥＭＳプラットフォーム１００の設定値を制御するための制御回路を含む。具体的には、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００は、マイクロ制御器３１０、メモリ３２０、差動増幅器３３０及び制御ロジック３４０を含む。
この態様において、マイクロ制御器３１０は、１つ又はそれ以上のコンピュータ処理ユニット（ＣＰＵ、ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）並びにメモリ及びプログラム可能入力／出力周辺装置を含む従来のマイクロ制御器とすることができる。マイクロ制御器３１０は、本明細書で説明される校正アルゴリズムを実行するためにメモリ内に格納されたプラグラム可能命令を実行するように構成される。
具体的には、マイクロ制御器３１０は、加熱プラットフォームの、複数の設定値Ｐtargetを設定するように構成される。以下で説明されるように、設定値は、校正中に、外部制御回路によって供給することができる。さらに、最適な目標設定値は、校正を通して決定され、メモリ３２０（即ち、例えば、任意の型の電子的不揮発性メモリ）に格納され、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の動作が開始するとき、メモリ３２０から引き出される。
さらに上述されたように、温度センサ１３０（例えば、サーミスタ）は、加熱ＭＥＭＳプラットフォーム１００の温度を監視するのに用いられるフィードバック信号となる温度センサ信号Ｔsignalを発生し、供給する。図示されるように、目標設定値Ｐtargetは差動増幅器３３０の非反転入力部に供給され、計測された温度センサ信号Ｔsignal（即ち、温度計測信号）が、差動増幅器３３０を備えることができる熱制御回路の反転入力部に供給される。その結果、差動増幅器３３０は、目標設定値Ｐtargetと温度センサ信号Ｔsignalとの間の差を生成するように構成される。さらに、例示的な態様によれば、差動増幅器３３０から出力されるこの電圧差は、目標設定値Ｐtargetと温度センサ信号Ｔsignalとの間の差を最小にする閉制御ループ内でプラットフォームのヒータ出力を調節するための熱制御信号として用いられる。換言すれば、ヒータ電圧は、目標設定値Ｐtargetと温度センサ信号Ｔsignalとの間の差に比例し、この制御は、比例制御器として認識される。以下でより詳しく説明されるように、閉ループ制御ロジック３４０（即ち、熱制御回路）はまた、例えば、例示的な一態様によるＰＩＤ（「ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ」）制御器とすることができる。
いずれにしても、制御ロジック３４０は、目標設定値Ｐtargetと温度センサ信号Ｔsignalとの間の差に基づいて、これらの信号の間の差を最小にするようにヒータ１２２を駆動する、熱制御信号を生成することができる。換言すれば、制御ロジック３４０は、差動増幅器３３０から出力される差をゼロ値に向けて動かすように、ヒータ１２２によって生成される熱を増加又は減少させる。
上述のように、製造中のＭＥＭＳプロセスのばらつきのために、最適動作のための実際の目標設定値は未知であり、一般にデバイス毎に変化することになる。
図８は、例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するためのシステムのブロック図を示す。図示されるように、例示的実施形態において、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００は、校正制御器４１０及び発振周波数計測回路４２０を含む外部校正回路に結合することができる。校正システム４００のこの外部制御回路は、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の校正を、動作中に、ＭＥＭＳプラットフォーム１００の発振周波数をテストするのに使用される設定値の所定の範囲を選択することによってもたらすように構成される。
具体的には、校正制御器４１０は、コンピュータプロセッサ及び電子メモリを含み、本明細書で説明される校正アルゴリズムをソフトウェアにより実行するように構成された任意の型のコンピューティングデバイスとすることができる。さらに、校正制御器４１０は、ＭＥＭＳ校正手続き中に、マイクロ制御器３１０及びメモリ３２０に一時的に接続されるように構成される。即ち、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００は、製造された後、特定のオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の最適目標設定動作値を決定してこの決定された最適目標設定動作値をオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の不揮発性メモリ３２０の中に格納するように構成された校正制御器４１０に、一時的に接続されることになる。
さらに図示されるように、発振周波数計測回路４２０がＭＥＭＳプラットフォーム１００の発振回路２１０に結合される。これに関して、各々の特定の設定値において（校正制御器４１０によって制御される）、発振周波数計測回路４２０はＭＥＭＳプラットフォームの対応する発振周波数を計測し、この情報を、以下で説明されるように、例えば、ルックアップテーブル内に格納するように校正制御器４１０に戻すことになる。この発振周波数計測回路４２０は、校正手続き中に、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の発振周波数を計測するように構成された任意の型の従来のデバイス（例えば、オシロスコープ）とすることができる。
図９は、例示的な一態様によるＭＥＭＳプラットフォームの校正を実行するための、適用される設定値に対する得られる発振周波数（Ｈｚ単位）のグラフを示す。図示されるように、複数の設定値Ｐ１～Ｐ７を、校正中に、順番に校正制御器４１０によりマイクロ制御器３１０に供給することができる。次に、マイクロ制御器３１０が各々の設定値入力を差動増幅器３３０の非反転入力部に加える。設定値Ｐ１～Ｐ７は、製造者によって選択され、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の校正中に使用されるように校正制御器４１０のメモリに格納された、所定の予め選択された電圧値とすることができる。
例えば、製造されている特定のオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器に対する最適目標設定動作値が、例えば、一般に１．０ボルト付近であることが知られている場合、システム管理者は、設定値Ｐ１～Ｐ７に対して０．８～１．２ボルトの電圧範囲を選択することができる。換言すれば、一例においては、Ｐ１＝０．８ボルト、Ｐ２＝０．８７ボルト、Ｐ３＝０．９４ボルト、Ｐ４＝１．０ボルト、Ｐ５＝１．０７ボルト、Ｐ６＝１．１４ボルト、及びＰ７＝１．２ボルトである。この例においては７つの値Ｐ１～Ｐ７が示されているが、当業者には理解されるはずであるように、製造者は、好結果の校正を達成するために、必要に応じてより多くの又はより少ない値を選択することができることを認識されたい。従って、設定値の電圧範囲及び数は、この特定の例には決して限定されない。
いずれの場合にも、上述のように、ひとたび第１の設定値Ｐ１がマイクロ制御器３１０に供給されると、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の設定値は、この値に調節され、Ｐtargetとして差動増幅器３３０の非反転入力部に加えられることになる。上述のように、温度センサ１３０からのフィードバックに基づいて、制御ロジック３４０を含む制御回路は、次に、上述のように、設定値Ｐ１と温度信号Ｔsignalとの間の差を最小化することになる。
次に、発振周波数計測回路４２０は、動作中、設定値Ｐ１に対応する振動部１２０の発振周波数ｆ１を計測するように構成される。この発振周波数（Ｈｚ単位）は、図９に示されるように、対応する値として格納される。これらのステップは、図示されるような発振周波数対設定値の曲線を得るために、設定値を生成するように複数の設定値（例えば、７つの設定値Ｐ１～Ｐ７）に対して、繰り返される。
上述の制御回路による校正手続きを行うために、異なるプラットフォーム温度における複数の発振周波数計測が必要であるが、校正は、ＭＥＭＳプラットフォームを加熱するための熱時定数が非常に短いので、迅速に行うことができることを認識されたい。従って、各々の温度点は、数秒又はそれ以下の短時間内に得ることができる。対照的に、より長い熱時定数を有するデバイス（例えば、通常、オーブン温度を安定化するのに１５分必要とするＯＣＸＯ）は、単一のデバイスに対して同じ校正試験を行うのに著しい時間（例えば、１時間又はそれ以上）を必要とすることになる。結果として、本明細書で説明される校正方法は、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器に対して、デバイス製造者が製造プロセス中に、特に数百又は数千のこれらのデバイスを迅速に校正する必要があるとき、著しい技術的利点をもたらす。
図９に示される設定値に対する発振周波数の設定値曲線を生成することにより、校正制御器４１０は、各々のデバイスに対して、設定値に対する発振周波数の一次導関数がゼロであるターンオーバー目標設定値を決定するように構成される。ターンオーバー目標設定値は、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のための、実際の動作中の最適目標設定動作値として選択することができる。
例示的な実施形態において、校正制御器４１０は、発振周波数の1次導関数がゼロとなる場所（即ち、「最適目標設定動作値」であると示される曲線のピークにおける）を識別するために、生成された曲線の多項式フィットを行うように構成することができる。その特定のＭＥＭＳプラットフォームに関するターンオーバー値に対応するこの識別された最適目標設定動作値は、校正制御器４１０によって、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の不揮発性メモリ３２０内に格納される。従って、ＭＥＭＳプラットフォームの実際の適用中の動作において、ターンオーバー目標設定値は、不揮発性メモリから読み取られ、ＭＥＭＳプラットフォーム１００の動作のための最適温度までヒータ１２２を加熱するための動作設定値として用いられ、このことが、上述のように、高精度クロック用途のために必要な最小の発振周波数変動を有するオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器をもたらす。
従って、本明細書で説明されたＭＥＭＳプラットフォーム１００に対する例示的な校正技術により、サーミスタ変動、ターンオーバー温度変動、及びヒータ抵抗変動を含む温度に関連するＭＥＭＳの不正確さは、全て、ＭＥＭＳデバイスの機械的トリミングなしの単一の校正手続きにより、校正される。
図１０Ａは、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器５００Ａの例示的な一態様のブロック図を示す。図１０Ａに示されるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器５００Ａは、図７に示されるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の詳細な例示的回路図である。従って、図示されていないが、図１０Ａのオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器５００Ａはまた、上述の外部校正制御回路に結合することができることを認識されたい。
図示されるように、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器５００Ａは、電圧源ＶDDに結合されたＭＥＭＳプラットフォーム１００であって、加熱ＭＥＭＳプラットフォーム１００上に振動部１２０及びヒータ抵抗１２２（即ち、抵抗Ｒh）と共に組み込まれたサーミスタＲsである温度センサ１３０を有するＭＥＭＳプラットフォーム１００を含む。温度センサ計測のために、一定の検知電流Ｉsenseが、電圧源ＶDDからサーミスタＲsを通して流され、電圧ノードＡ（即ち、それが差動増幅器３３０へ出力する温度電圧）が監視され、それにより、図示され及び上述されたように、計測された電圧がＴsignalとして差動増幅器３３０の反転入力部に出力される。
サーミスタの抵抗ＲsはＭＥＭＳプラットフォーム１００の温度に依存し、それ故に、ノードＡの電圧は温度センサ信号Ｔsignalとなることを認識されたい。さらに上述のように、目標のプラットフォーム温度はマイクロ制御器３１０によって与えられるＰtarget値によって設定される。例示的な一態様において、例えば、校正設定値Ｐ１～Ｐ７は、校正制御器４１０からデジタル電圧値として供給される。従って、デジタル－アナログ変換器５１０がマイクロ制御器３１０の出力部に備えられ、変換された目標値が、例示的な一態様による差動増幅器３３０の非反転入力部に供給される。
従って、この態様において、差動増幅器３３０はＰtarget値とＴsignal値との間の差を検知し、この差が、ヒータ１２２（即ち、抵抗Ｒh）によって生成される熱を効果的に調節するためにヒータ電流Ｉheatを調節するのに用いられる。例示的な態様によれば、ヒータ電流Ｉheatは、電圧制御される電流源によって、差を上述のようにゼロ値に向けて動かすように、制御される。その結果、ヒータ電流は、当業者には認識されるはずであるように、差動増幅器３３０から出力される差信号に比例することになる。さらに、さらに図示されるように、発振回路２１０は、上述のように、種々の設定値Ｐ１～Ｐ７におけるＭＥＭＳプラットフォーム１００の発振周波数を計測し、格納するように構成されたループ増幅器５２０及びメモリバッファ４３０を含むことができる。これらの計測値は次に、上述のように、発振周波数計測回路４２０によって計測され、校正制御器４１０により、動作中のオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のための最適目標設定動作値を決定するために、各々の対応する選択された設定値に対してプロットされる（図９を参照）。
図１０Ｂは、例示的な一実施形態によるオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器５００Ｂの代替の例示的実施形態のブロック図を示す。この実施形態において、ヒータ電流は、Ｐtarget値とＴsignal値との間の差を最小化するＰＩＤ制御器４２０を用いて調節される。当業者には認識されるはずであるように、ＰＩＤ制御器４２０は、所望の設定値と計測プロセス変数（即ち、温度計測信号Ｔsignal）との間の差を連続的に計算し、当業者には認識されるはずであるように、比例、積分、及び微分項に基づく補正を加えるように構成することができる制御ループフィードバック機構である。図１０Ａの比例制御器と比べると、ＰＩＤ制御器の追加は、制御の正確さ及び速度を改善する。当業者であれば、図１０Ａ及び１０Ｂに示される比例及びＰＩＤ制御器に加えて、多くの適切な閉ループ制御回路が存在することを理解する。
従って、上記の例示的態様によれば、校正制御システム４００の例示的実施形態は、例示的なオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の校正を、対応する発振周波数を計測するための所定の設定値の掃引によって、実行するように構成される。
例示的な一態様において、上述の制御回路（即ち、校正制御器４１０）は、校正方法を実行するように構成される。具体的には、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の製造後に、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００のマイクロ制御器３１０が、上述のように、一時的に校正制御器４１０に接続されることになる。次に、制御回路のマイクロ制御器３１０は、校正制御器４１０により、電圧設定値Ｐtargetをメモリ３２０内に格納されている第１の設定値Ｐ１に調節するように構成される。次に、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の制御回路が、上述のように、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の設定値を、選択された目標値に動かすように、目標値Ｐ１とサーミスタ信号Ｔsignalとの間の差を最小にすることになる。さらに、第１の目標値に対応する発振周波数ｆ１が発振回路２１０によって計測され、メモリ、例えば、ルックアップテーブルに格納される。
これらのステップは、校正制御器４１０により供給され、順次選択される設定値（例えば、値Ｐ２～Ｐ７）の各々に対して、上述され、例えば図９に示されるような、設定値に対する得られる発振周波数の曲線を生成するように、マイクロ制御器３１０によって繰り返される。次に、校正制御器４１０は、設定値に対する発振周波数の一次導関数がゼロであるターンオーバー設定値（即ち、特定のオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のための最適目標設定動作値）を決定するのに用いることができる、生成された曲線の多項式フィットを実行するように構成される。次に、特定のＭＥＭＳプラットフォームのためのこの目標設定値は、校正制御器４１０により、その特定のデバイスの不揮発性メモリ３２０に格納することができる。従って、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器３００の後の動作において、振動部１２０をターンオーバー点に維持するのに、格納された設定値が用いられ、このことは、さもなければ、上述のように、製造ばらつきのためにオーブン制御型ＭＥＭＳ発振器が経験することになる、発振周波数変動を最小にする。
上述の例示的実施形態には多くの可能な変化物が存在することに留意されたい。例えば、温度信号Ｔsignalは、サーミスタをホイートストンブリッヂの一部として組み込むことによってサーミスタから得ることができる。別の例において、ヒータ１２２は、やはり上述したように、電流源Ｉheatの代わりに制御型電圧源によって駆動することができる。システム構成におけるそのような変化物は、当業者には認識されるはずであること、及び、上述の例示的実施形態は本明細書で説明される特定の実施に限定されないことを認識されたい。
さらに、例示的な校正システムは多くの技術的利点をもたらすことを認識されたい。加熱ＭＥＭＳプラットフォーム１００は、小さい熱質量（例えば、ＯＣＸＯと比べて）を有するので、加熱及び冷却の時定数もまた非常に小さい。その結果、振動部１２０は、１００ｍｓ又はそれ以下で目標温度まで加熱することができる。小さい熱時定数は、短い校正時間及び速い起動時間の両方を可能にする。その結果、各々の目標温度及び対応する発振周波数は、非常に短い期間で生成し計測することができる。さらに、電子的校正手続きは、さもなければ費用の掛かる機械的トリミングを必要とし得る多くの誤差源を除去する。上述のシステム全体に関する単一校正ステップ（例えば、オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の中の個々の構成要素ではなく、振動部１２０のみ）が回路関連の誤差及び共振子要素の誤差の両方を除去する。
明瞭にするために、本明細書では、実施形態の慣例的な特徴の全ては開示されていない。本開示の任意の実際の実施の進展において、設計者の特定の目標を実現するために、多くの実施特有の決定を行う必要があり、これらの特定の目標は種々の実施及び種々の設計者に対して変化するであろうことを認識されたい。そのような設計努力は、複雑で時間がかかる可能性があるが、それにも関わらず、当業者に対しては、工学技術の慣例的な企ては本開示の利益を有するであろうことを理解されたい。
さらに、本明細書で用いられる語法及び用語は説明のためであり、限定のためではなく、本明細書の用語又は語法は、関連技術分野の当業者の知識と組み合わせて本明細書に提示される教示及びガイダンスを考慮して当業者によって解釈されるべきものである。さらに、本明細書又は特許請求の範囲におけるいずれの項目も、まれな又は特別な意味に帰されることを、特に明示的にそのように示されない限り、意図されていない。
上述のことは、例示的な実施形態と共に記述されたが、用語「例示的な」は単に一例のつもりであることを理解されたい。従って、本出願は、本明細書に開示されるＭＥＭＳ共振子の趣旨及び範囲に含まれ得る代替物、修正物及び等価物を包含することが意図されている。
参照符号のリスト
１００：ＭＥＭＳ共振装置
１１０：基板層
１１２：フレーム
１１４：キャップ
１１６Ａ～１１６Ｄ：電気的コンタクトパッド
１２０：振動部
１２２、２２２：ヒータ
１２４Ａ及び１２４Ｂ：支持梁
１２６Ａ及び１２６Ｂ：アンカー梁
１２８：キャビティ
１３０、２３０：サーミスタ
１３２：金属接合リング
１３４：加熱プラットフォーム
１３６：ビアコンタクト
１４０Ａ、１４０Ｂ：キャビティ
１４２：二酸化シリコン層
１４４：ＡｌＮ層
１４６：電極
２００：タイミングデバイス
２１０：発振回路
２２０：ワイヤ接合
２４０：外側オーブン蓋
２５０：キャリア
３００：オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器
４１０：校正制御器
４２０：発振周波数計測回路
５１０：デジタル－アナログ変換器
５２０：ループ増幅器
５３０：バッファ

Claims (14)

  1. オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のための校正システムであって、
    前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器は、
    フレームと、
    前記フレーム内に配置され、前記フレームとの間にキャビティが形成された少なくとも１つの支持梁によって前記フレームに固定されたプラットフォームと、
    前記プラットフォームに結合された共振子と、
    を含み、
    複数の所定の目標設定値の各々を別々に選択するように、及び、各々の前記選択された所定の目標設定値に基づいて前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の設定値を調節するために前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のヒータを制御するように、構成された少なくとも１つのプロセッサを含んだ制御回路と、
    各々の前記選択された所定の目標設定値に対応する各々の調節された設定値における、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のそれぞれの発振周波数を計測するように構成された発振計測回路と、
    前記複数の所定の目標設定値を格納するように構成された電子メモリと、
    を備え、
    前記複数の所定の目標設定値は、前記電子メモリに予め格納された複数の電圧値であり、
    前記制御回路は、前記電子メモリに予め格納された前記複数の電圧値に対する前記計測された発振周波数の放物線型の曲線に基づいて、電圧値である最適目標設定動作値を決定し、前記決定された最適目標設定動作値に基づいて前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するように構成される、
    校正システム。
  2. 前記選択された所定の目標設定値の各々と、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の内部の温度センサによって出力される温度計測信号との間の差に基づいて前記ヒータを制御するように構成された熱制御回路をさらに備える、
    請求項１に記載の校正システム。
  3. 前記温度センサはサーミスタであり、前記温度計測信号は、前記サーミスタによって計測される温度電圧である、
    請求項２に記載の校正システム。
  4. 前記熱制御回路は、前記温度計測信号と前記それぞれの選択された所定の目標設定値との間の差を出力するように構成された差動増幅器である、
    請求項３に記載の校正システム。
  5. 前記制御回路は、前記温度計測信号と前記それぞれの選択された所定の目標設定値との間の差を最小にするように前記ヒータを制御し、前記ヒータに加えられるヒータ電流を駆動するための制御ループを備える、
    請求項４に記載の校正システム。
  6. 前記熱制御回路は、各々の前記選択された所定の目標設定値と前記温度計測信号との間の差に基づいてヒータを制御するように構成された比例積分微分（ＰＩＤ、ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御器である、
    請求項２に記載の校正システム。
  7. 前記制御回路は、
    前記計測された発振周波数の、対応する前記選択された所定の目標設定値に対する曲線を生成することによって前記最適目標設定動作値を決定し、
    前記生成された曲線の多項式フィットを行い、前記多項式フィット内でゼロに等しい前記設定値として前記最適目標設定動作値を識別するように構成される、
    請求項１に記載の校正システム。
  8. 前記制御回路は、前記決定された最適目標設定動作値を前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の不揮発性メモリに格納し、前記決定された最適目標設定動作値に基づいて、動作中に前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を加熱するように前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の前記ヒータが制御されるようにすることによって、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するように構成される、
    請求項７に記載の校正システム。
  9. 前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器は、
    前記プラットフォーム上に配置され、前記選択された所定の目標設定値の各々により前記ヒータを制御するための温度計測信号を出力するように構成された温度センサを含む、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の校正システム。
  10. 前記共振子はバルク音響モード共振子である、
    請求項９に記載の校正システム。
  11. オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正する方法であって、
    前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器は、
    フレームと、
    前記フレーム内に配置され、前記フレームとの間にキャビティが形成された少なくとも１つの支持梁によって前記フレームに固定されたプラットフォームと、
    前記プラットフォームに結合された共振子と、
    を含み、
    複数の所定の目標設定値の各々を別々に選択するステップと、
    前記選択された所定の目標設定値の各々に基づいて、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の設定値を調節するように、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器内部のヒータを制御するステップと、
    前記選択された所定の目標設定値の各々に対応する各々の調節された設定値において、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器のそれぞれの発振周波数を、発振計測回路によって計測するステップと、
    前記複数の所定の目標設定値は、電子メモリに予め格納された複数の電圧値であり、前記電子メモリに予め格納された前記複数の電圧値に対する前記計測された発振周波数の放物線型の曲線に基づいて、電圧値である最適目標設定動作値を決定するステップと、
    前記決定された最適目標設定動作値に基づいて、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するステップと、
    を含む、
    校正する方法。
  12. 前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の内部の温度センサにより温度計測信号を出力するステップと、
    前記温度計測信号と現在選択されている所定の目標設定値との間の差を最小にするために前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を加熱するように前記ヒータを駆動するように前記ヒータを制御するステップと、
    をさらに含む、
    請求項１１に記載の校正する方法。
  13. 前記計測された発振周波数の、対応する前記現在選択されている所定の目標設定値に対する曲線を生成することにより、前記最適目標設定動作値を決定するステップと、
    前記生成された曲線の多項式フィットを実行するステップであって、前記多項式フィットにおいてゼロに等しい設定値として前記最適目標設定動作値を識別するステップと、
    をさらに含む、
    請求項１２に記載の校正する方法。
  14. 前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の前記ヒータが、前記決定された最適目標設定動作値に基づく動作中に前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を加熱するために制御されるように、前記決定された最適目標設定動作値を前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器の不揮発性メモリに格納することによって、前記オーブン制御型ＭＥＭＳ発振器を校正するステップをさらに含む、
    請求項１３に記載の校正する方法。
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