JP7256806B2 - 恒温槽付周波数基準発振器、およびその作成方法 - Google Patents
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Description
本発明は微少電子機械（Microelectromechanical System：ＭＥＭＳ）発振器に関する。具体的には、本発明は、動作周波数を安定させるために温度補償されるＭＥＭＳ発振器に関する。
従来、周波数基準発振器は、出力信号の周波数とその他の性質を主に決定する共振素子として水晶を含む。水晶は安定しているが、比較的サイズが大きいことや、電子回路への統合が難しいことなどの欠点がいくつかある。
いくつかの試みにおいて、安定した周波数基準として、水晶共振器の代わりにＭＥＭＳ共振器を用いることに関する問題が対処されてきた。純シリコン結晶共振器の周波数は、強い線形温度依存性を有するため、この共振器は温度が変動する場合は使用に適さない。一般的に室温前後である共振器の意図される動作範囲において、周波数対温度曲線をある程度安定させるために、シリコン結晶のドーピングを用いることができる。例えば、Jaakkola, Antti.,「Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications（タイミングおよび周波数基準用途のための圧電変換式温度補償シリコン共振器）」アールト大学２０１６年度博士論文、およびＰＣＴ出願公開特許第２０１２／１１０７０８号において、シリコン共振器におけるドーピングの効果が論じられている。
米国出願公開特許公報第２０１２／００１３４１０号は、安定した周波数範囲を設けるために、周波数対温度曲線に平坦域をもたらすように発振器回路を調整する、多項式温度較正方式を用いる方法を開示している。
前述の解決策を用いると、比較的安定した共振器を提供できるが、これは比較的狭い温度範囲においてのみである。また、必要な調整回路により、発振器が比較的複雑になり、発振器の安定度または位相雑音特性に関する誤差のさらなる原因となる可能性がある。
恒温槽付水晶発振器（Oven Controlled Crystal Oscillator：ＯＣＸＯ）は、水晶が一定温度に加熱されるデバイスであり、周波数対温度曲線が傾斜点、すなわち、いわゆる頂点を有する。この温度において、周波数対温度曲線の第１微分係数はゼロであり、温度が頂点周囲に維持される場合、安定した発振器出力周波数を得ることができる。一般的に、この頂点温度は例えば約９０℃であり、したがって８０℃未満の温度における動作は、熱的に分離された筐体、すなわちオーブン内において水晶素子を加熱することに基づく温度制御によって実現できる。
高温において頂点を有する周波数対温度曲線を有するＭＥＭＳ共振器を作成できる場合、恒温槽付ＭＥＭＳ発振器（Oven-Controlled MEMS Oscillator：ＯＣＭＯ）も設計することができる。ＭＥＭＳ共振器は水晶よりも寸法が大幅に小さいため、ＯＣＭＯに必要なオーブンはＯＣＸＯに必要なオーブンより消費電力をかなり低減することができる。その他の利点として、構成部品の全体サイズが小さくなり、オーブンの時間定数が小さいため発振器の起動時間が短くなる。これらについては、Vig, J., and Yoonkee Kim,「The Low-Power Potential of Oven-Controlled Mems Oscillators（恒温槽付ＭＥＭＳ発振器の低電力における可能性）」IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 60, no. 4(April 2013): 851-53. doi:10.1109/TUFFC.2013.2634に記載されている。
Yunhan Chen et al.,「Ovenized Dual-Mode Clock (ODMC) Based on Highly Doped Single Crystal Silicon Resonators（高濃度ドーピング単結晶シリコン共振器に基づくオーブン加熱デュアルモードクロック（ＯＤＭＣ））」2016 29th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), pp. 91-94, Jan 2016は、中央で固定された方形プレート共振器が一定温度に加熱され、異なる共振周波数を有する２つの共振モードで同時に駆動される解決策を開示している。これらの共振周波数が追跡され、２つのモード間における周波数の差異が温度計として用いられ、共振器の制御ループにフィードバックを提供して共振器を安定させる。比較的広い動作範囲が得られるが、同時に２つの周波数を用いることにより、例えば固定と制御回路の実装に関して補償方式も比較的複雑になる。しかしながら、周囲温度の変動における周波数安定度に関する性能は、やはり水晶ベースＯＣＸＯより低いことが分かっている。
既存のＯＣＭＯは一般的に、頂点温度における周波数対温度特性に劣ることにより周波数安定度が低いという欠点がある。周囲温度の変動に対する同様の安定度をＯＣＭＯで達成するには、従来の水晶ベースＯＣＸＯに用いられるものより大幅に正確なオーブンの温度制御が必要となるであろう。
改善された恒温槽付ＭＥＭＳ発振器が必要とされている。
本発明の目的は、従来のＯＣＭＯより安定した恒温槽付ＭＥＭＳ発振器を提供することである。具体的には、オーブン温度制御の精度に関して実際に実現不可能な要件を設定しない周波数対温度特性を有する発振器を提供することである。
目的の１つは、広い温度範囲、具体的には８５℃までにわたって安定した周波数を有するＯＣＭＯを提供することである。
実装が容易、具体的には必要な回路に関して実装が容易な発振器を提供することも目的の１つである。
本発明は、シリコンの平均ドーピング濃度を９×１０１９ｃｍ－３以上のレベルに増加することにより、頂点が８５℃以上の温度になり、同時に、その頂点における周波数対温度曲線が極めて低曲率になる共振器を得ることができる、という観察に基づく。したがって、オーブン加熱温度の変動による共振器の周波数への影響は最小限である。具体的な観察項目の１つは、比較的低温において周波数対温度頂点を有すると信じられていたいくつかの共振器が、実際には、高温において別の頂点を示すことである。この別の頂点も、発振器の出力周波数を安定させるために、共振器のオーブン加熱温度として用いることができる。
第１の態様によると、本発明は温度補償微小電子機械発振器を提供する。前記温度補償微小電子機械発振器は、ドープされたシリコンを含む共振器素子と、固有の周波数対温度曲線を有する共振モードで前記共振器素子を励起するアクチュエータと、前記共振器素子の温度を前記高い頂点温度に保つ自動調温コントローラと、を備える。前記共振器素子の前記ドーピングの濃度は少なくとも９×１０１９ｃｍ－３であり、選択された共振器形状および共振モードで、８５℃以上の頂点温度において高温頂点を設けるように選択される。
さらなる態様によると、前記高温頂点は、－４０から＋１５０℃の温度範囲内における前記曲線の唯一の頂点である。具体的には、これは９×１０１９－１．３×１０２０ｃｍ－３のドーピング濃度によって達成できる。
あるいは、前記曲線は２つの頂点を有し、そのうち一方または両方は、８５℃より高い温度にある。これらのいずれか一方、一般的には先に８５℃より高くなるほうを、オーブン加熱点として用いることができる。具体的には、これは１．１×１０２０ｃｍ－３以上、例えば１．３×１０２０ｃｍ－３以上のドーピング濃度によって達成できる。
ある態様によると、本発明は温度補償微小電子機械発振器を提供する。前記温度補償微小電子機械発振器は、ドープされたシリコンを含む共振器素子と、固有の周波数対温度曲線を有する共振モードで前記共振器素子を励起するアクチュエータと、を備える。前記共振器素子および前記アクチュエータの性質は、前記曲線が少なくとも２つの頂点を有するように選択される。本発明によると、前記頂点の少なくとも一方は、８５℃以上の頂点温度における高温頂点である。また、前記発振器は、前記共振器素子の温度を前記高い頂点温度に保つ自動調温コントローラを備える。
第２の態様によると、本発明は微小電子機械発振器を作成する方法を提供する。前記方法は、共振器素子の共振器形状を選択することと、ドープされたシリコンを含む共振器材料を選択することと、選択された前記共振器形状を有する前記共振器素子を共振モードで発振させる駆動手段を選択することと、を含む。本発明によると、選択された前記共振器形状、前記共振器材料、前記駆動手段、および前記共振モードにより、８５℃以上の高い頂点温度における高温頂点を有する周波数対温度曲線が作成されるかが評価される。この種の挙動が見つかった場合、前記発振器は、前記選択された共振器形状、共振器材料、および駆動手段を備えて作成され、さらに前記発振器に、前記共振器素子の温度を高い頂点温度に保つ自動調温コントローラが設けられる。
具体的には、本発明は、独立請求項に記載する特徴を有する。
本発明は大きな利点をもたらす。シリコン共振器の頂点は、電子機器の実用温度域全体を網羅するオーブン加熱温度として十分な高さの温度まで「押し上げる」ことができ、同時に、当該頂点を平坦にして、周波数に関して極めて安定した領域を設けることができることが分かっている。この鍵となるのは、シリコン材料の超高濃度ドーピングである。好ましい材料、共振器形状、および共振モードの組合せ例については後述する。
具体的には、頂点における周波数対温度曲線の曲率の絶対値は、２０ｐｐｂ／Ｃ２以下、さらには１０ｐｐｂ／Ｃ２以下のレベルになることが示されている。これは従来のオーブン加熱共振器とは対照的である。従来のオーブン加熱共振器における曲率は最善でも約５０ｐｐｂ／Ｃ２であり、ＯＣＸＯに用いられる水晶のものより１０倍以上高い。しかしながら、本発明により、曲率、すなわち周波数安定度が水晶の性能に近づく。
本周波数対温度の挙動は、すぐに利用可能な共振器形状、共振モード、および駆動方式を用いて達成できる。これらの例については本文書の後半で詳細に説明する。
従属請求項は、本発明の選択された実施形態に対するものである。
いくつかの実施形態において、前記周波数対温度曲線には２つの頂点温度があり、そのうち少なくとも一方は、オーブン加熱のために８５℃超へと「押し上げ」られる。これを達成するために、特定の共振器における三次温度挙動が利用される。この手法は、ＴＣＦ要素を一次だけでなくそれより高次へと最小化するか、または、例えば室温周囲において、特定の（比較的狭い）温度安定化周波数領域を設けることを設計目的としていた、いくつかの従来の手法とは異なる。いくつかの実施形態において、前記周波数対温度曲線における前記２つの頂点の一方は、８５℃未満の温度にある。この場合、前記高温頂点は一般的に局所極大である。この種の挙動は、特に、ドーピング濃度が１．１×１０２０ｃｍ－３以上である共振器に見られる。
前記高温頂点は、一般的に２００℃以下、具体的には１５０℃以下、例えば１３０℃以下の頂点温度にある。
いくつかの実施形態において、前記周波数対温度曲線は、－４０から＋１５０℃の温度範囲内に厳密に２つの頂点を有する。
いくつかの実施形態において、前記周波数対温度曲線は、前記オーブン加熱点として用いられる前記高温頂点において、低温頂点における曲率の絶対値より低い曲率の絶対値を有する。
２つの頂点による解決策および縮退ｎ型ドーピングされたシリコンプレート共振器の場合、前記高温頂点は一般的に局所極大である。しかしながら、特に他の材料構成において、前記頂点が局所極小である可能性は排除されない。
いくつかの実施形態において、前記共振器は、方形プレート共振器または矩形プレート共振器である。
いくつかの実施形態において、前記共振器は、アスペクト比が１ではないプレート共振器である。特に静電駆動式プレートの場合に好ましい一例において、前記アスペクト比は２未満である。特に圧電駆動式プレートの場合に好ましい一例において、前記アスペクト比は２±１０％である。
いくつかの実施形態において、前記共振器はビーム共振器である。いくつかの実施形態において、前記ビームは［１００］シリコン結晶方向に対して傾いている。
いくつかの実施形態において、前記共振器の前記共振モードは、面積伸張／幅伸張モード分枝（オーバートーンを含む）である。別の実施形態において、前記共振モードは面内屈曲、面外屈曲、または長さ伸張／ラーメモード分枝（オーバートーンを含む）である。つまり、前記共振器内で生じる主要モードは、前述の分枝に属する。
一般的に、用いられる共振モードは、幅伸張モードや面積伸張モードなどの伸張モード、面内屈曲モードなどの屈曲モード、せん断モード、またはこれらモードの２つ以上の特性を有するモードにすることができる。特に、これらのモードの形状により、所望の設計項目、具体的にはプレートのアスペクト比、シリコン結晶に対するプレートの角度、およびドーピングに関して設計の自由が得られ、実用上で所望の性質を有する共振器を実現できることが分かっている。
いくつかの実施形態において、前記共振器素子のシリコンは、少なくとも１．３×１０２０ｃｍ－３以上の平均濃度にドープされた圧電駆動式の複合共振器である。
いくつかの実施形態において、前記自動調温コントローラは、前記共振器素子の発信周波数とは独立して動作するように適合される。つまり、前記共振器の温度を調整するために用いられる、前記共振器の周波数出力から前記コントローラへのフィードバックループが存在せず、前記コントローラは直接的な、例えばサーミスタベースの温度検知を用いる。これにより、前記発振器の安定度が確実に高くなる。
次に、本発明の実施形態、およびそれらの利点を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
〔定義〕
「（周波数基準）発振器」は、本明細書においてデバイス全体を意味し、具体的には、本明細書で説明する共振器と、アクチュエータと、自動調温コントローラと、を備えるデバイス全体を意味する。
「（周波数基準）発振器」は、本明細書においてデバイス全体を意味し、具体的には、本明細書で説明する共振器と、アクチュエータと、自動調温コントローラと、を備えるデバイス全体を意味する。
「共振器（素子）」は、本明細書において、共振モードで共振可能であるように支持構造に懸架されるシリコンベース素子を意味する。共振器は、例えば、圧電駆動により必要とされる、ドーピングの異なる複数のシリコン層および／または他の任意の材料層を含み、シリコン成形体によって懸架される複合共振器であってもよい。
「変換器」は、本明細書において、共振器への音波または共振器からの音波を結合するために用いられる手段を意味する。変換器は、（例えば、圧電駆動における）共振器素子の一部であっても、共振器素子の外部に配置されてもよい（例えば、静電駆動における電極）。
「アクチュエータ」は、本明細書において、共振器の動作と、変換器を用いた共振器の周波数の検知に必要な駆動および検知回路を意味する。
ＴＣＦ１、ＴＣＦ２、およびＴＣＦ３はそれぞれ、一般的に２５℃の温度で評価された周波数対温度曲線の一次微分係数、二次微分係数、および三次微分係数を意味する。頂点温度における周波数対温度曲線の一次微分係数および二次微分係数を指すとき、「傾き」および「曲率」という用語が用いられる。
ここで「ｐｐｂ」および「ｐｐｍ」はそれぞれ、相対単位である十億分の一（parts per billion（１０－９）：ｐｐｂ）および百万分の一（parts per million（１０－６）：ｐｐｍ）を意味する。
「頂点」は、共振器における周波数対温度曲線の極値を意味する。頂点温度（ＴＴＯ）は、頂点に対応する温度値である。したがって、頂点温度において、当該共振器の周波数対温度曲線の傾きはゼロであり、頂点温度周辺では、温度変化による共振器の周波数への影響は最小である。本発明において、冷却機構なしで通常の動作温度にわたって安定度を確保できるように、８５℃より高い少なくとも１つの頂点温度が用いられる。
「縮退ドーピング」は、本明細書において、９×１０１９ｃｍ－３以上の不純物濃度によるドーピングを意味する。ドープ剤は、例えばリンまたは他のｎ型ドープ剤にすることができる。
［ある実施形態の説明］
図１Ａは、オーブン１５内に配置された共振器１１を示している。オーブン１５の温度は、自動調温コントローラ１３によって調整される。発振器の読取り信号は出力１９において得られる。
図１Ａは、オーブン１５内に配置された共振器１１を示している。オーブン１５の温度は、自動調温コントローラ１３によって調整される。発振器の読取り信号は出力１９において得られる。
次に、共振器について説明する。この共振器は２つの頂点温度を有し、その少なくとも一方は８５℃より高い温度である。これらの頂点温度は、頂点における周波数対温度曲線の曲率の絶対値を、５０ｐｐｂ／Ｃ２より著しく低くできる。
図１Ｂは、１．３×１０２０ｃｍ－３より高いシリコンドーピング濃度を有する矩形プレート共振器から測定した周波数対温度曲線の例を示している。ここに示す周波数対温度曲線は、本発明に従って、約４０℃と約９５℃の２つの頂点温度ＴＴＯ，ｌおよびＴＴＯ，ｈを有していることに注目されたい。後者の頂点温度がオーブンの目標温度として選択されることになる。温度ＴＴＯ，ｈにおける高いほうの頂点の推定曲率は、１０ｐｐｂ／Ｃ２より小さい。
共振器は、例えば異なる材料の積層を含む、複合構造にすることができる。具体的には、共振器は、第１層と、第１層の上の第２層とを含み、これらの層が異なるＴＣＦ特性を有する、プレートであってもよい。一実施形態において、第１層構造と第２層構造それぞれの線形ＴＣＦは正負が逆になっている。具体的には、複合構造の第２層は圧電駆動層にすることができる。
いくつかの実施形態において、共振器素子は、シリコン成形体と、成形体上の圧電層と、圧電層上の電極層とを含み、アクチュエータは、選択された共振モードを励起するために電極層とシリコン成形体とに電気的に接続される。圧電駆動式のプレート共振器は、本発明により有利な温度挙動を示すことが分かっており、発振器の一部として用いられると、小さい位相雑音を示し、所望の中心周波数に正確に調整できることが分かっている。また、周波数の二次温度係数および三次温度係数（ＴＣＦ２およびＴＣＦ３）を一次項（ＴＣＦ１）より優位にし、高温頂点を設けるために、圧電層の温度挙動を利用することができる。
図２Ａおよび図２Ｂは、矩形シリコン成形体４２上に薄膜変換器層４４を積層し、発振器の一部として用いられる場合に強い結合と低い位相雑音をもたらす、圧電駆動式の複合共振器を示している。この薄膜は一般的には圧電ＡｌＮ層である。その上に、モリブデン層などの追加の電極層４６が配置される。シリコン成形体４４はもう１つの電極として機能することができる。いくつかの実施形態において、不動態化材料の層など、１つ以上の追加の層も設けられる。不動態化材料の層は別の層上に加工された場合、その下の材料を化学的に不活性化することができる。
そのような圧電駆動については、例えば、Jaakkola, A. et al.,「Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators（圧電変換式単結晶シリコンプレート共振器）」IEEE Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008, 717-20, 2008においてより広範に論じられている。
あるいは、共振器は静電駆動式であってもよい。静電駆動により、共振器と変換器の間の結合は弱くなるが、長期安定度は高くなる。本明細書で説明する原理は、静電駆動式の単結晶共振器および複合共振器にも適用可能である。
この共振器は、例えば、矩形プレートなどのプレートやビームとして成形することができる。プレートまたはビームの長さ方向は、シリコン材料の［１００］結晶方向に対して０から４５度の角度にしてもよい。これら両方の形状パラメータ、すなわちアスペクト比と角度は、材料パラメータおよび用いられる単数または複数のモード分枝と共に、８５℃より高い頂点温度を得るように調整することができる。
本発振器の設計と作成のプロセスは、任意の適切な順序で、または反復的なプロセスとして、共振器の形状を選択するステップと、ドープされたシリコンを含む共振器材料を選択するステップと、選択された共振モードで共振器を発振させることができる駆動手段を選択するステップとを含んでもよい。例えば、最初に、正のＴＣＦ１を有する周波数対温度曲線を示す任意の共振モードを選択することができる。一例において、プレート形状ＬＥモード（一次またはそれより高次のＬＥモード）が選択される。その後、ＴＣＦ１をゼロまたはほぼゼロにするようなプレート形状および／またはプレート材料（積層）を選択することができる。例えば、プレートのアスペクト比および／またはシリコン結晶に対する角度、および／またはシリコンプレート上の圧電駆動層厚さを選択できる。最後に、共振器の一次挙動よりも二次挙動および三次挙動を優位にするような、シリコンのドーピング濃度が選択される。
次に、選択された共振器形状、共振器材料、駆動手段、および共振モードにより、少なくとも２つの頂点を有し、２つの頂点の少なくとも一方は８５℃以上の高い頂点温度における高温頂点である、周波数対温度曲線が作成されるかが評価される。評価はシミュレーションまたは実験に基づいてもよい。評価が肯定的である場合、そのような共振器を備える発振器が作成され、共振器素子の温度を高い頂点温度に保つための自動調温コントローラも発振器内に設けられる。
いくつかの実施形態において、プレート共振器の面内アスペクト比（すなわち、プレート共振器の長さと幅の比）および／またはシリコン材料の［１００］結晶方向に対する角度が変化する場合、アスペクト比および／または角度の関数として共振器の特性が変化するように共振モードが選択される。対象の特性は、例えば、共振周波数と、周波数の温度係数、すなわちＴＣＦ１、ＴＣＦ２、およびより高次の係数と、励起および検知に用いられる変換器の電気機械結合の強さなどである。可能な種々のアスペクト比または角度のうち、他の設計パラメータと共に高い頂点温度を達成するものが選択される。
実際に実現可能ないくつかの例を挙げると、共振器は、高い頂点温度を達成するようにアスペクト比および他のパラメータが選択される複合幅伸張／面積伸張（Square Extensional：ＳＥ）共振器、または複合面内屈曲／長さ伸張プレートまたはビーム共振器にすることができる。これらの例については以下の文書でより詳細に説明されている。
Jaakkola, Antti.,「Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications（タイミングおよび周波数基準用途のための圧電変換式温度補償シリコン共振器）」アールト大学２０１６年度博士論文、および米国出願公開特許第２０１６／００９９７０４号では、８５℃未満における共振器の二次温度挙動を一般的に説明している。シリコン共振器の二次温度係数ＴＣＦ２は、ｎ型ドーパント濃度が約１．１×１０２０ｃｍ－３より高い場合、室温において正の値に達することができる。線形ＴＣＦ（ＴＣＦ１）および二次温度係数ＴＣＦ２は、ドーピングレベルおよび共振器形状に関する特定の構成により、同時に極めてゼロに近くすることができ、ドーピングがさらに増加される場合、ＴＣＦ２は正の値に達する。これは、周波数対温度曲線の－４０から＋８５℃の間において上方向に開いた放物線として示される。しかしながら現在は、８５℃より高い高温において、曲線は上方向に開いた放物線からそれて、「下折れ」することが分かっている。言い換えれば、周波数対温度曲線は二次多項式では十分に説明されず、かなりの三次特性を有している。この三次効果、または周波数対温度曲線の「下折れ」により、図１Ｂに示すように８５℃超の周波数対温度曲線において低曲率の局所極大が得られ、共振器が、様々な電子製品の周囲温度範囲において周波数を安定させるためのオーブン加熱に適切となる。
シリコン共振器において、２つの頂点を有する周波数対温度特性曲線を得るための例示的手法を以下に示す。これらの手法は、平均ドーパント濃度１．１×１０２０ｃｍ－３以上、具体的には１．３×１０２０ｃｍ－３以上であり、圧電駆動に関連する圧電層や金属層などの追加の材料層を有しても有しなくてもよい、共振器に適用可能である。これらの手法は、幅伸張／面積伸張（ＷＥ／ＳＥ）および面内屈曲（In-Plane Flexural：ＩＦＰ１）、面外屈曲（Out-of-Plane Flexural：ＯＰＦ１）、または長さ伸張／ラーメ（ＬＥ／ラーメ）モード分枝（前述の論文で参照される）の特性を利用することに基づいている。
ＷＥ／ＳＥ分枝：長さと幅を有するプレート共振器の面積伸張／幅伸張モード分枝がある。アスペクト比１からより高いアスペクト比へと分枝上を移動させることにより、ＴＣＦ１がほぼゼロになる構成を見つけることができる。本発明によると、このアスペクト比を用いると、ＴＣＦ１がゼロになるだけでなく、残りの（正の）ＴＣＦ２および（負の）ＴＣＦ３により、図１Ｂまたは図３Ｂに示すような、２つの頂点温度を有する三次周波数対温度曲線が得られる。図１Ｂおよび図３Ｂの例は、前述の手法を用いて作成したデバイスから測定したものである。共振器はＳＥ－ＷＥモード分枝における圧電駆動式の２０ＭＨｚ共振器であり、共振器寸法は以下のとおりである。複合共振器は、１．３×１０２０ｃｍ－３より高いドーパント濃度による厚さ２０マイクロメータのリンドープシリコン層と、厚さ１マイクロメータの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層と、上部電極として厚さ０．３マイクロメータのモリブデン層とを含む。共振器は矩形形状であり、幅１８８マイクロメータ、長さ３７８マイクロメータである。この設計の面内寸法を拡縮し、材料層の厚さ間の比率を一定にすることで、広範な周波数を有する共振器を作成できることに注目されたい。
前述のケースの圧電駆動式共振器に最適なアスペクト比は、約２（長さ対幅）であることが分かっている。最適なアスペクト比は、正確なドーピング濃度と、共振器厚さと、場合によってはＴＣＦ１に寄与する追加の他の材料層と、によって決まるため、実際に使用可能なアスペクト比は２から最大１０％、一般的には最大５％の誤差があってよい。ＴＣＦ２およびＴＣＦ３への他の材料層の影響は小さい。ケースごとに最適なアスペクト比は、異なるアスペクト比を有する共振器設計を、小さいステップで変化させながら実験的にテストすることによって、または同様にシミュレーションを用いて、見つけることができる。
具体的には、圧電駆動の代わりに静電駆動を用いる（ＳＥ／ＷＥモード分枝からの）同様の共振器に対しては、シリコン以外の材料層は追加されないため、最適なアスペクト比は２未満、すなわち１と２の間のいずれかの値である。
したがって、一般的なケースでは、共振器のアスペクト比は１とは異なる。
実験の結果として、図１Ｂおよび図３Ａから図３Ｆは、産業用途における本発明の実現可能性を示している。
面内屈曲（ＩＦＰ１）、面外屈曲（ＯＰＦ１）、または長さ伸張／ラーメ（ＬＥ／ラーメ）モード分枝の特性は、前述のＷＥ／ＳＥ分枝の特性と同様に利用することができる。ここで変化させるべきパラメータは、共振器のアスペクト比ではなく、［１００］結晶方向に対するビーム形状共振器の配向である。
ＩＰＦ１、ＩＰＦ２、またはＬＥモード分枝上を小さいステップで［１００］方向の角度配向に移動させることで、ＴＣＦ１がほぼゼロになる構成を見つけることができる。本発明によると、この構成において、残りの（正の）ＴＣＦ２および（負の）ＴＣＦ３により、図１Ｂまたは図３Ｂに示すような、２つの頂点温度を有する三次周波数対温度曲線が得られる。
図１Ｂまたは図３Ｂに示すような２つの頂点温度を有する三次周波数対温度曲線を描く構成を見つけるために、共振器の面内アスペクト比と、角度配向との両方を同時に変化させることができることに注目されたい。
［１００］結晶方向に対するビーム方向の正確な誤差は、共振器の厚さと、場合によってはＴＣＦ１に寄与する追加の他の材料層と、によって決まる。ＴＣＦ２およびＴＣＦ３への他の材料層の影響は小さい。
前述の説明を要約すると、いくつかの実施形態において、共振器素子は、１．３×１０２０ｃｍ－３以上のｎ型ドーパント濃度を有するシリコンベース層と、その上に積層された窒化アルミニウム変換器層と、その上に積層された導電電極層とを含む。この素子はプレートまたはビームとして成形され、その形状により、共振器の周波数対温度曲線における１つの頂点を高温範囲へと移動させる、ほぼゼロのＴＣＦ１と、正のＴＣＦ２と、負のＴＣＦ３とが得られる。
一具体例によると、共振器は、未公開のフィンランド特許出願第２０１６５５５３号に開示されている共振器の特性を有する。
正確な頂点温度は、設計および製作工程によって希望どおりに調整できる。例えば、ＳＥ－ＷＥモード分枝などのモード分枝上をより高いアスペクト比へと移動させることで、頂点温度をより高くすることができる。同様に、面内屈曲（ＩＦＰ１）、面外屈曲（ＯＰＦ１）、または長さ伸張／ラーメモード分枝上を、［１００］方向により揃う方向へと移動させることで、頂点温度をより高くすることができる。また、負のＴＣＦ１を有するより薄い材料層を追加することで、頂点温度がより高くなる。そのような層は、例えば、圧電層または上部電極層であってもよい。頂点温度を調整できることは、本発振器の工業生産に関して有利である。
設計項目を正確に選択することによって、図４Ａに示すような周波数対温度曲線における単一の高温頂点（ドーピング濃度ｃ＝９×１０１９－１．３×１０２０ｃｍ－３）、または図４Ｂに示すような２つの高温頂点を有する曲線（ｃ＞１．１×１０２０ｃｍ－３）、または図４Ｃに示すような１つの高温頂点と１つの低温頂点とを有する曲線（ｃ＞１．１×１０２０ｃｍ－３）を得ることができる。周波数対温度曲線の特性の大部分はドープされたシリコンの性質によって決まるが、例えば、追加された材料層が周波数対温度曲線に寄与する場合があるため、これらのケースの濃度制限値は重複している。各ケースで、高温頂点において２０ｐｐｂ／Ｃ２以下の低曲率を達成することができる。
本共振器は、発振器内で唯一の共振器にすることも（単一共振器発振器）、または複数の共振器のうち１つの共振器にすることも（複数共振器発振器）できる。
本明細書における自動調温コントローラは、好ましくは、共振器の近傍に配置された抵抗ヒータなどのヒータを備える。また、温度調整される各共振器の温度を測定するサーミスタなどの温度センサと、共振器の温度を所定の値に設定するためにヒータを用いることができる制御回路と、を備える。
共振器は微小オーブン、すなわちヒータおよび温度センサを含む熱的に分離された空間内に配置される。センサは、シングルポイントセンサまたはマルチポイントセンサであってもよく、マルチポイントセンサの場合、オーブン内における複数の場所からの温度値を平均することができる。または、自動調温コントローラが複数の場所からの温度値を用いて、より複雑な制御機能を実行できる。
所望される場合、共振器の駆動回路、および／または自動調温制御回路をオーブン内に配置してもよい。このオーブンは共振器のオーブンと同じであってもよい。これによって、発振器の精度と安定度をさらに改善することができる。
米国出願公開特許公報第２０１２／００１３４１０号
米国出願公開特許公報第２０１６／００９９７０４号
ＰＣＴ出願公開特許第２０１２／１１０７０８号
米国出願公開特許公報第２０１６／００９９７０４号
ＰＣＴ出願公開特許第２０１２／１１０７０８号
Vig, J., and Yoonkee Kim,「The Low-Power Potential of Oven-Controlled Mems Oscillators（恒温槽付ＭＥＭＳ発振器の低電力における可能性）」IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 60, no. 4 (April 2013): 851-53. doi:10.1109/TUFFC.2013.2634
Yunhan Chen et al.,「Ovenized Dual-Mode Clock（ODMC）Based on Highly Doped Single Crystal Silicon Resonators（高濃度ドーピング単結晶シリコン共振器に基づくオーブン加熱デュアルモードクロック（ＯＤＭＣ））」2016 29th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), pp. 91-94, Jan 2016
Jaakkola, A. et al.,「Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators（圧電変換式単結晶シリコンプレート共振器）」IEEE Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008, 717-20, 2008
Jaakkola, Antti.,「Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications（タイミングおよび周波数基準用途のための圧電変換式温度補償シリコン共振器）」アールト大学２０１６年度博士論文 http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-38-8387-4
Yunhan Chen et al.,「Ovenized Dual-Mode Clock（ODMC）Based on Highly Doped Single Crystal Silicon Resonators（高濃度ドーピング単結晶シリコン共振器に基づくオーブン加熱デュアルモードクロック（ＯＤＭＣ））」2016 29th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), pp. 91-94, Jan 2016
Jaakkola, A. et al.,「Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators（圧電変換式単結晶シリコンプレート共振器）」IEEE Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008, 717-20, 2008
Jaakkola, Antti.,「Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications（タイミングおよび周波数基準用途のための圧電変換式温度補償シリコン共振器）」アールト大学２０１６年度博士論文 http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-38-8387-4
Claims (20)
- 平均ドーピング濃度でドープされたシリコンを含む共振器素子と、
８５℃以上の頂点温度において高温頂点を有する固有の周波数対温度曲線を有する共振モードで、前記共振器素子を励起するアクチュエータと、
前記共振器素子の温度を前記頂点温度に保つ自動調温コントローラと、
を備え、
前記平均ドーピング濃度は少なくとも１．１×１０２０ｃｍ－３であり、
前記周波数対温度曲線は２つの頂点を有し、そのうち一方は前記高温頂点である、
温度補償微小電子機械発振器。 - 前記２つの頂点のうちの他方は、８５℃未満の温度における低温頂点である、請求項１に記載の発振器。
- 前記周波数対温度曲線は、前記高温頂点において、前記低温頂点における曲率の絶対値より低い曲率の絶対値を有する、請求項２に記載の発振器。
- 前記高温頂点における前記周波数対温度曲線の前記曲率の絶対値は２０ｐｐｂ／Ｃ２以下であり、具体的には１０ｐｐｂ／Ｃ２以下である、請求項３に記載の発振器。
- 前記周波数対温度曲線は、－４０から＋１５０℃の温度範囲内に厳密に２つの頂点を有する、請求項２から４のいずれかに記載の発振器。
- 前記高温頂点は局所極大である、請求項１から５のいずれかに記載の発振器。
- 前記高温頂点は局所極小である、請求項１から５のいずれかに記載の発振器。
- 前記高温頂点は、２００℃以下、具体的には１５０℃以下、例えば１３０℃以下の頂点温度にある、請求項１から７のいずれかに記載の発振器。
- 前記共振器素子は、１．３×１０２０ｃｍ－３以上のｎ型ドーパント濃度を有するシリコン成形体と、
前記シリコン成形体上の圧電変換層と、
前記圧電変換層上の電極層と、を含み、
前記アクチュエータは、前記共振モードを励起するために、前記電極層と前記シリコン成形体とに電気的に接続される、
請求項１から８のいずれかに記載の発振器。 - 前記共振器素子は、縮退ドーピングされた単結晶シリコン成形体を備え、
前記発振器は、前記単結晶シリコン成形体に機能的に結合された静電変換電極を備え、
前記アクチュエータは、前記共振モードを励起するために、前記静電変換電極に電気的に接続される、
請求項１から９のいずれかに記載の発振器。 - 前記共振器素子は、面内アスペクト比が１ではないプレート素子である、請求項１から１０のいずれかに記載の発振器。
- 前記共振モードは、面積伸張／幅伸張モード分枝である、請求項１から１１のいずれかに記載の発振器。
- 前記共振モードは、面内屈曲、面外屈曲、または長さ伸張／ラーメモード分枝である、請求項１から１２のいずれかに記載の発振器。
- 前記共振器素子はプレートまたはビームとして成形され、その形状により、前記共振モードにおける前記共振器素子に、ほぼゼロのＴＣＦ１と、前記少なくとも２つの頂点をもたらすＴＣＦ２およびＴＣＦ３特性が得られ、前記２つの頂点のうち一方は前記高温頂点である、請求項１から１３のいずれかに記載の発振器。
- 前記ドープされたシリコンは［１００］結晶方向を有し、前記共振器素子は、前記［１００］結晶方向に対して角度を成す、少なくとも１つの主軸を有し、前記角度は０から４５度、例えば１から４５度である、請求項１から１４のいずれかに記載の発振器。
- 前記自動調温コントローラは、前記共振器素子の発振周波数から独立して動作するように適合される、請求項１から１５のいずれかに記載の発振器。
- 微小電子機械発振器を作成する方法であって、
共振器形状を選択することと、
１．１×１０２０ｃｍ－３以上の平均ドーピング濃度を有するドープされたシリコンを含む共振器材料を選択することと、
前記共振器形状を有する前記共振器材料を共振モードで発振させる駆動手段を選択することと、
選択された前記共振器形状、前記共振器材料、前記駆動手段、および前記共振モードにより、２つの高温頂点を有する周波数対温度曲線であって、そのうち１つが８５℃以上の高い頂点温度における高温頂点である周波数対温度曲線が作成されるかを評価することと、
前記評価が肯定的である場合、前記共振器形状、前記共振器材料、および前記駆動手段を備える前記微小電子機械発振器を作成することと、を含み、
前記作成することは、前記微小電子機械発振器の共振器素子の温度を前記高い頂点温度に保つ自動調温コントローラを設けることをさらに含む、
方法。 - 前記共振器形状を選択することは、矩形プレート形状またはビーム形状を選択することを含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記共振器材料を選択することは、１．３×１０２０ｃｍ－３以上の平均ドーピング濃度を有するドープされたシリコンを含む第１層と、圧電材料を含む第２層とを含む、材料の積層を選択することを含む、請求項１７または１８に記載の方法。
- 前記共振モードは、面積伸張／幅伸張モード分枝、または面内屈曲、面外屈曲、または長さ伸張／ラーメモード分枝である、請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。
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