KR20200049803A - 주파수 레퍼런스 발진기 디바이스 및 주파수 레퍼런스 신호를 안정시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주파수 레퍼런스 발진기 디바이스 및 주파수 레퍼런스를 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기 발진기 디바이스는, 제1 장기간 (long-term) 안정성 및 제1 주파수-대-온도 턴오버 (turnover) 온도를 가진 제1 공진기를 포함하며 그리고 제1 주파수 신호를 제공할 수 있는 제1 발진기를 포함한다. 또한, 상기 디바이스는, 상기 제1 장기간 안정성보다 하위인 제2 장기간 안정성 및 제2 주파수-대-온도 턴오버 온도를 가진 제2 공진기를 포함하며 그리고 제2 주파수 신호를 제공할 수 있는 제2 발진기를 포함한다. 상기 제1 공진기의 온도를 본질적으로 상기 제1 턴오버 온도로 조절하며 상기 제2 공진기의 온도를 본질적으로 상기 제2 턴오버 온도로 조절하기 위한 자동온도조절 제어기, 그리고 온도 안정된 그리고 장기간 안정된 출력 주파수 신호를 제공하기 위해서 상기 제2 발진기의 주파수를 조절하기 위해 상기 제1 주파수를 사용하도록 구성된 안정성 제어 회로가 또한 제공된다.

Description

주파수 레퍼런스 발진기 디바이스 및 주파수 레퍼런스 신호를 안정시키는 방법
본 발명은 주파수 레퍼런스 발진기 (reference oscillator)에 관한 것이다. 그런 발진기들은 클록 신호를 제공하기 위해 그리고/또는 동작 주파수를 안정시키기 위해 다양한 전자 디바이스들에서 사용된다. 특히, 본 발명은 오븐 제어 (oven-controlled) 미세전자기계 시스템 (microelectromechanical system (MEMS)) 발진기 (OCMO)에 관한 것이다.
전통적으로 주파수 레퍼런스 발진기는 공진 요소로서 석영 결정 (quartz crystal)을 포함하며, 이것은 주파수 및 자신의 출력 신호의 다른 성질들을 주로 결정한다. 석영 결정은 안정적이지만 상대적으로 큰 크기 및 높은 전력을 요구하는 것과 같은 몇몇 약점들을 또한 겪는다.
석영 결정에 대한 대안으로서 MEMS 공진기 (resonator)를 안정적인 주파수 레퍼런스로 사용하는 문제를 해결하기 위해 여러 시도들이 행해졌다. 이런 접근 방식에 기반하여 실제적인 주파수 레퍼런스를 실현하는데 있어서 두 가지 주된 기술적인 문제점들이 존재한다. 먼저, 적합한 공진 주파수 대 온도 특성을 가진 MEMS 공진기는 저전력 처리 능력을 가지는 경향이 있다. MEMS 공진기는 적당하게 낮은 구동 레벨에서조차 비선형 응답을 가질 수 있다. 이것은 공진 주파수의 값이 구동 진폭에 강하게 종속한다는 것을 또한 의미한다. 반면에서 양호한 위상 잡음에 도달하는 것은, 예를 들면, Kaajakari, V., et al, "Nonlinear Limits for Single-Crystal Silicon Microresonators." Journal of Microelectromechanical Systems 13, no. 5 (October 2004): 715-24에서 설명된 것처럼 충분하게 높은 구동 레벨을 필요로 한다. 그러므로 안정된 출력 주파수를 양호한 위상 잡음과 동시에 실현하는 것은 어렵다.
특별한 MEMS-기반 주파수 레퍼런스를 실현하는데 있어서 다른 문제점은 MEMS 공진기들의 공진 주파수들에서의 변이가 쉽게 약 1000 ppm 일 수 있기 때문에 출력 주파수를 수 백만분률 (parts-per-million (ppm))까지 정밀하게 해야 한다는 것이다.
오븐 제어 석영 발진기 (OCXO) 및 MEMS 발진기 (OCMO)의 기본적인 아이디어는 그것들의 공진기 요소들을 일정한, 높은 온도에서 작동시킨다는 것이다. 그 작동 온도는 발진기를 위한 최대 안정성을 주도록 선택된다.
US 7068125 B2, US 7427905 B2, US 7268646 B2는, 기계적인 공진 구조에 가깝게 근접하여 MEMS 공진기 다이 (die) 내에 형성된 가열 요소를 사용함으로써 미리 정의된 온도에서 작동하는 상기 MEMS 공진기의 다양한 실현들을 개시한다.
US 8669823 B1은 전기 기계적 커플링을 위한 전극 구조 및 측면 윤곽 모드 가열된 (ovenized) 미세-전자-기계 시스템 (micro-electro-mechanical system (MEMS)) 공진기 및 전극 구조를 개시한다. 그런 접근 방식이 저전력 온도 제어 발진기를 실현하기 위해 사용될 수 있지만, 그 접근 방식은 주변 온도 및 에이징 시의 드리프트들에서의 변화에 반응하지 않는 발진기 출력 주파수를 제공하는데 있어서 기술적인 문제점들을 가진다.
US 7248128 B2는 MEMS 레퍼런스 발진기를 개시하며, 이는 MEMS 공진기들의 그룹 및 소망된 특성들을 그 그룹 공진기들로부터 선택하기 위한 회로로 구성된다. 이 접근 방식에서의 불리한 점은 공진기들의 공진 주파수가 온도에서의 변화들에 민감하다는 것이다. 온도 영향을 보상하기 위해, 상기 문헌은 레퍼런스 공진기를 이용하여 하나의 공진기의 주파수를 모니터하고, 레퍼런스 발진기의 온도를 측정하고, 발진기의 주파수를 소망된 값으로 조절할 때에 레퍼런스 발진기의 온도를 고려하는 주파수 미터기를 사용하는 것을 수반한다. 또한 선택 회로에 의한 출력을 위해 하나의 공진기가 선택되는 상이한 공진 주파수들을 가지는 여러 공진기들의 뱅크를 사용하는 것이 개시되며 그리고 하나의 발진기는 온도 보상 목적을 위한 조정가능 저주파수 발진기이며 다른 하나는 고주파수 발진기인 두 개의 발진기들의 주파수 합산을 수반하는 기술이 개시된다.
US 9191012 B2는 MEMS 공진기들의 그룹을 포함하는 다른 온도 보상 발진기를 개시하며, 여기에서 공진기들 중 하나는 발진기의 출력 주파수를 제공하기 위해 사용되며, 공진기들 중 하나는 공진기들의 그룹의 온도를 감지하기 위해 사용되는 주파수를 제공하며, 그리고 두 개의 공진 주파수들의 차이에 기반하여 히터를 제어함으로써 온도-감지 발진기 주파수를 제공하기 위한 가열 디바이스, 제어기 및 접속 디바이스를 개시한다. US 2007/290763 A1은 온도-보상 출력 주파수를 구비한 발진기를 제공하기 위해 여러 공진기들을 사용하는 다른 방법을 개시한다.
이 보상 방식들은 상대적으로 낮은 안정성을 겪는 것을 언급하며, 이는 그 방식들이 온도 드리프트 (temperature drift)가 섭씨 -40 내지 +85도의 표준 온도 범위를 넘어 보통 수백 또는 심지어는 수천 ppm인, 그리고 심지어는 잘해야 수십 ppm 인 공진기들에 의존하기 때문이다. 다양한 보상 메커니즘들에도 불구하고, 이 사실은 발진기의 출력 주파수에서의 큰 변화성을 반드시 초래한다.
MEMS 공진기들에 기반하는 높은-정밀도, 낮은 온도 드리프트 및 시간적으로 안정된 주파수 레퍼런스는 기술적인 난점에 직면하며, 이는 위에서 언급된 개시들에 기반해서는 해결될 수 없다. 특히, 오븐 제어 MEMS 발진기들 (oven controlled MEMS oscillators (OCMOs))이 주파수 레퍼런스로서 오븐-제어 석영 발진기들 (oven-controlled quartz oscillators (OCXOs))을 널리 대체하도록 하기 위해서, OCMO들의 안정성은 더 향상될 필요가 있다.
US 7068125 B2 US 7427905 B2 US 7268646 B2 US 8669823 B1 US 9191012 B2 US 7248128 B2 US 2016/0099704 A1
본 발명의 목적은 안정성의 면에서 그리고 특히 장기간 시간적 안정성의 면에서 향상된 주파수 레퍼런스 발진기 디바이스를 제공하는 것이다.
추가의 목적들은 출력 주파수의 양호한 위상-잡음 성능 및 정확한 정의를 가진 MEMS 공진기들에 기반한 안정한, 온도-감지 주파수 레퍼런스 발진기 디바이스를 제공하는 것을 포함한다.
상기 목적들은 본원에서 설명되고 청구된 것처럼 달성된다.
한 모습에 따르면, 본 발명은 주파수 레퍼런스 발진기 디바이스를 제공하며, 상기 디바이스는:
- 제1 장기간 (long-term) 안정성 및 제1 주파수-대-온도 턴오버 (turnover) 온도를 가진 제1 공진기를 포함하며 그리고 제1 주파수 신호를 제공할 수 있는 제1 발진기,
- 상기 제1 장기간 안정성보다 하위인 제2 장기간 안정성 및 제2 주파수-대-온도 턴오버 온도를 가진 제2 공진기를 포함하며 그리고 제2 주파수 신호를 제공할 수 있는 제2 발진기,
- 상기 제1 공진기의 온도를 본질적으로 상기 턴오버 온도로 조절하며 상기 제2 공진기를 본질적으로 상기 제2 턴오버 온도로 조절하기 위한 자동온도조절 제어기, 그리고
- 온도 안정된 그리고 장기간 안정된 출력 주파수 신호를 제공하기 위해서 상기 제2 발진기를 조절하기 위해 상기 제1 주파수를 사용하도록 구성된 안정성 제어 회로를 포함한다.
본 발명의 추가의 모습에 따라, 주파수 레퍼런스 신호를 안정시키는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 위에서 설명된 제1 및 제2 공진기들을 제공하는 단계, 상기 제1 공진기의 온도를 상기 제1 턴오버 온도로 그리고 상기 제2 공진기의 온도를 상기 제2 턴오버 온도로 가열하기 위한 자동온도조절 제어기를 사용하는 단계, 그리고 안정된 출력 주파수 신호를 제공하기 위해서 상기 제2 발진기를 조절하기 위해 상기 제1 주파수를 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명은 큰 이점들을 제공한다.
첫 번째, 발진기가 제공되며, 그 발진기의 출력 주파수는 시간적으로 안정적이며 낮은 온도 드리프트 (drift)를 가진다. 상기 제안된 온도 보상은 상기 제1 공진기 또는 제2 공진기의 주파수 측정에 기반하지 않으며, 둘 이상의 공진기들의 어떤 차동 주파수 측정도 필요로 하지 않으며, 그래서 그런 측정들로부터 발생하는 어떤 오류들도 보이지 않는다. 즉, 본 디자인에서, 상기 제1 공진기 온도에 대한 자동온도조절 제어는 상기 제1 공진기 및 제2 공진기의 주파수들에는 완전하게 독립적일 수 있다. 본원에서의 시간적인 안정성은 높은 장기간 안정성 및 양호한 귀선 (retrace) 특성들 둘 모두를 포함한다.
자동온도조절 제어로 인해서, 상기 제안된 발진기 또한 주변 온도에 독립적이다.
본 발명은 MEMS 공진기들을 제1 및 제2 공진기들 모두로서 사용하는 것을 허용한다. 이것은 더 작은 크기 및 더 낮은 전력 소비를 구비한 발진기들이 실현될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명 설계에 의해 1 ppm/년 미만의 장기간 안정성이 달성될 수 있다는 것이 발견되었다. 또한, 20 ppb 이하가 달성 가능한 것으로 발견된다면, 소위 말하는 발진기의 귀선은, 즉, 파워 오프 된 기간 이후에 발진기가 어떻게 자신의 주파수를 얼마나 잘 반복하는가이다. 이 값들은 특히 정전기적 작동 단일-석영 MEMS 공진기를 상기 제1 공진기로서 선택함으로써 달성 가능하며, 정전기적 작동 단일-석영 MEMS 공진기는 축퇴 도핑되며 그리고 상기 제1 공진기 및 제2 공진기의 주파수들에 독립적으로 자동온도조절기를 사용하여 상기 제1 공진기를 적합한 온도로 가열하여, 온도 드리프트 및 석영 결정들 단위의 장기간 안정성 및 더 양호함을 달성할 수 있다. 상기 제1 공진기는 상대적으로 자유롭게 선택될 수 있는 상기 제2 공진기의 동작을 안정시킨다. 예를 들면, 상기 제2 공진기는 상기 발진기의 동작 주파수 범위 내에서 낮은 위상 잡음 특성들을 가진 "빠른" MEMS 공진기일 수 있다. 특히, 고도로 도핑된 압전식으로 작동되는 공진기를 상기 제2 공진기로 사용하는 것은 낮은 잡음, 높은 고유의 안정성, 및 공진기의 턴오버 포인트를 섭씨 85도 위로 "푸시"하는 능력의 면에서 이점을 제공한다. 그러나 상기 제2 공진기가 석영 (quartz) 공진기인 것이 또한 가능하다.
종속항들은 위에서 언급된 모습들의 선택된 실시예들에 관한 것이며 추가의 이점들을 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 주파수 신호를 사용하도록 적응되며, 그리고 상기 제2 발진기의 주파수를 조절하기 위해 상기 제2 주파수 신호를 활용하는 피드백 루프를 사용하도록 적응된다. 상기 제1 발진기는 안정한 기본 주파수를 제공하며, 반면에 상기 피드백 루프는 상기 제2 공진기의 특성들 및 온도 변화들에 기인한 주파수 변경들을 즉시 교정하는 것을 가능하게 한다. 그래서 상기 제2 주파수 신호는 상기 발진기의 안정된 출력 신호로서 사용될 수 있다. 상기 안정성 제어 회로는, 예를 들면, 위상-고정 루프 회로 또는 마이크로제어기에 기반할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호에 기능적으로 독립적이다. 즉, 공진기들의 온도는, 예를 들면, 차동 측정에 의해 상기 공진기들의 출력 주파수들의 주파수에 기반하여 조절되지 않는다. 그 대신, 공진기들 근방에 서미스터들이나 비슷한 지시 온도 센서들이 제공될 수 있다. 이것은 상기 발진기의 출력 주파수의 최대 정밀도 및 최소 드리프트를 가능하게 한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 발진기의 온도에 기능적으로 독립적이다. 이것은 상기 안정성 제어 회로가 상기 제1 발진기의 출력에 기반하여 제2 공진기를 안정화시키는 자신의 기능을 수행하기 위해 온도 데이터를 필요로 하지 않으며 또는 사용하지 않는다는 것을 의미한다. 다른 말로 하면, 상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 주파수 신호를 제어 신호처럼 "수용"한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 공진기를 작동하도록 구성되며 그리고 상기 제2 공진기를 상기 조절하는 것을 위해 상기 제1 주파수 신호를 간헐적으로 사용하도록 구성된다. 그래서, 상기 제2 발진기를 교정하여 동조시키기 위해서 상기 제1 발진기는 항상 스위치 온 되지 않고 간격들 두고 스위치되며, 그 이후에 상기 제1 발진기는 스위치 오프된다. 이것은 상기 디바이스의 전력 소비를 줄어들게 한다. 또한 상기 제1 발진기를 자동온도조절 가열하는 것은 이 스위치-온 구간들과 동기화될 수 있으며, 이는 전력 소비를 더 줄이기 위한 것이다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 공진기는 축퇴 도핑 (degenerately doped) 단일-결정 MEMS 공진기이며, 보통은 n-유형 도핑제를 포함한다. 특히, 그것은 정전기적 작동 단일-결정 실리콘 공진기일 수 있다. 그래서, 상기 제1 발진기는 축퇴 도핑 단일-결정 실리콘 몸체, 상기 몸체에 기능적으로 결합된 정전기 트랙스덕션 (transduction) 전극들, 및 원하는 공진 모드로 상기 공진기를 여기시키기 위해 상기 전극들에 전기적으로 연결된 액추에이터를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 공진기는 축퇴 도핑 압전식 작동 혼합 MEMS 공진기이다. 그런 공진기는, 바람직하게는 1.3*1020 cm-3 이상의 n-유형 도판트 농도를 가진 실리콘 몸체, 상기 몸체 상의 질화 알루미늄 레이어와 같은 압전식 트래스덕션 레이어, 그리고 상기 압전식 레이어 상의 전극 레이어를 포함할 수 있다. 상기 발진기의 액추에이터는 상기 전극 레이어에 그리고 소망된 공진 모드로 공진기를 여기시키기 위해 상기 실리콘 몸체에 전기적으로 연결된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 공진기 요소는, 1과는 상이한 평면내 외관 비율을 가진 직사각형 플레이트 요소와 같은 플레이트 요소이다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 발진기, 제2 발진기, 또는 두 발진기들 모두는 적어도 9*1019 cm-3 의 평균 도핑 농도로 도핑된 실리콘을 포함하는 공진기를 자신들 각자의 발진기들로서 포함한다. 추가로, 섭씨 85도 이상의 턴오버 온도에서 고온 턴오버 포인트를 가지는 특성 주파수-대-온도 커브를 구비한 공진 모드로 상기 공진기를 여기시키기 위한 액추에이터가 제공된다. 전자 디바이스들의 전체 실제적인 온도 구역을 커버하기 위해 가열된 온도로 소용이 되기 위해서 그리고 주파수의 면에서 매우 안정한 장소를 제공하기 위해서 상기 턴오버 포인트를 동시에 평평하게 하는 충분하게 높은 온도로 실리콘 공진기의 턴오버 포인트가 "푸시"될 수 있다는 것이 발견되었다. 이것을 달성하기 위해 중요한 것은 상기 실리콘 물질의 극도로 높은 도핑 농도이다. 바람직한 물질, 공진기 외형 및 공진 모드 조합들이 나중에 예시된다. 특히, 턴오버 포인트에서 상기 주파수-대-온도 커브의 곡률의 절대값이 20 ppb/C2 이하의 레벨로, 그리고 심지어는 10 ppb/C2 이하의 레벨로 이끌어진다는 것이 보인다. 이것은 통상적인 가열된 공진기들에 대비되며, 통상적인 공진기들에서 곡률은 심지어는 잘해야 약 50 ppb/C2 이며, 이것은 OCXO들에서 사용된 석영 결정에서의 곡률보다 10배 더 나쁜 것이다. 본 발명 구성은 상기 곡률을 그리고 주파수 안정성을 진동자 성능에 가깝게 가져온다. 이것은 오븐 온도 제어 정밀도에 대한 요구사항들을 경감시킨다.
추가의 실시예들에서, 각자 공진기의 도핑 농도는 적어도 1.1*1020 cm-3 이며 그리고 상기 주파수-대-온도 커브는 두 개의 턴오버 포인트들을 가지며, 그 중 하나는 고온 턴오버 포인트이며, 이는 오븐화 (ovenization) 포인트로서 소용이 된다. 상대적으로 낮은 온도에서 주파수-대-온도 턴오버 포인트를 가지는 것으로 이전에 믿어졌던 몇몇 공진기들은 그런 레벨로 도핑될 때에 고온에서 다른 턴오버 포인트를 실제로 나타낸다는 것이 발견되었다. 중요한 것은, 이 다른 턴오버 포인트는 낮은 곡률을 가지며, 이는 그것을 상기 발진기의 출력 주파수를 안정화하기 위한 가열을 위해 이상적인 것으로 만든다. 또한 다른 턴오버 포인트는 섭씨 85도 미만의 온도에 위치한 저온 턴오버 포인트 또는 고온 턴오버 포인트일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제1 공진기 및/또는 제2 공진기의 공진 모드는 정사각형 확장/폭 확장 모드 분기 (배음 (overtone)을 포함함) 내에 존재한다. 대안의 실시예에서, 상기 공진 모드는 평면내 굴곡, 비평면 굴곡 (out-of-plane flexural), 또는 길이 확장/레임 모달 (
Figure pct00001
modal) 분기 (배음 포함)에서 내에 있다. 이것은 공진기에서 일어난 메인 모드가 상기 언급된 분기에 속한다는 것을 의미한다.
일반적으로, 사용된 공진 모드는 폭 확장 모드나 정사각형 확장 모드와 같은 확장 모드, 평면내 굴곡 모드, 전단 (sheer) 모드와 같은 굴곡 모드 또는 이런 모드들 중 둘 이상으로부터의 특성들을 구비한 모드일 수 있다. 이 모드 모습들은 특히, 플레이트의 외관 비율, 실리콘 결정에 관한 상기 플레이트의 각도, 및 도핑에 관련하여 소망된 설계 자유를 제공하는 것으로 발견되었으며, 이는 실제로 소망된 특성들을 가진 공진기를 실현할 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기 언급된 공진 모드들은 1.1*1020 cm-3 이상과 같이 9*1019 cm-3 이상의 높은 실리콘 도핑 레벨과 결합하면 특히 유리하며, 이는 이것이 상기 오븐화 온도에서 상기 주파수-대-온도 커브의 매우 낮은 곡률을 달성하는 것을 허용하기 때문이다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 공진기, 그리고 보통은 상기 제2 공진기 또한 섭씨 85도 이상의 턴오버 온도를 가진다. 상기 턴오버 온도들은 동일하게 세팅될 수 있으며, 그에 의해 단일의 오븐으로 충분하지만, 그것들은 또한 상이할 수 있으며, 그에 의해 상기 공진기들은 분리하여 가열된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 공진기는 혼합 MEMS 공진기이다. 그것은 예를 들면 질화 알루미늄 박막 작동 축퇴 도핑 실리콘 공진기일 수 있으며, 여기에서 실리콘 결정 및 AIN 레이어, 그리고 어떤 옵션의 전극이나 다른 레이어들은 상기 혼합물을 형성한다. 이 유형의 공진기는 매우 낮은 위상 잡음, 정밀하게 동조 가능한 중심 주파수 및 유리한 주파수 안정성 특성들을 가진다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 발진기 및 제2 발진기 각자의 캐리어 주파수들로부터의 주파수 오프셋들이 각자의 캐리어로부터 오프셋되어, 100 Hz처럼, 어떤 주파수 위에 있을 때에, 상기 제2 발진기는 상기 제1 발진기보다 더 낮은 특성 위상 잡음을 상기 제2 발진기는 상기 제1 발진기보다 더 낮은 특성 위상 잡음을 가진다. 본 발명 구성으로 인해서, 상기 출력 신호는 상기 제2 발진기의 잡음 특성들 및 상기 제1 발진기의 안정성 특성들을 본질적으로 가진다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 턴오버 온도는 상기 제1 턴오버 온도와 실질적으로 상이하며, 특히 적어도 섭씨 5도 상이하다. 상기 공진기들은 분리된 오븐들 내에 배치될 수 있으며 그러므로 그 두 공진기들을 위한 디자인 및 최적의 동작 포인트들을 상대적으로 자유스럽게 선택할 수 있다. 대안의 실시예들에서, 상기 공진기들은, 상기 제2 턴오버 온도가 상기 제1 턴오버 온도와 실질적으로 동일하며, 특히 상기 제1 턴오버 온도와 많아야 섭씨 5도 상이하도록 구성되며 그리고 상기 자동온도조절 제어기는 상기 제1 공진기의 온도 및 상기 제2 공진기의 온도를 실질적으로 동일한 온도로 조절하도록 적응된다. 이것은 상기 공진기들이 단일의 오븐 내에 배치될 수 있다는 이점을 가진다.
다음에, 본 발명의 선택된 실시예들 및 그것들의 이점이 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명된다.
본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 MEMS-기반 주파수 레퍼런스 발진기의 블록도를 보여준다.
도 2a는 일 실시예에 따라, 장기간 에이징에 대비하여 출력 발진기를 안정시키기 위해 N-분주 (fractional-N) PLL 회로를 구비한 MEMS-기반 주파수 레퍼런스 발진기의 블록도를 도시한다.
도 2b는 일 실시예에 따라, 장기간 에이징에 대비하여 출력 발진기를 안정시키기 위해 마이크로-기반 주파수 카운터를 구비한 MEMS-기반 주파수 레퍼런스 발진기의 블록도를 도시한다.
도 3a는 섭씨 85도 (TTO = 섭씨 125도)보다 높은 턴-오버 (turn-over) 온도를 보여주는 정전기적 레임(Lame)-모드 MEMS 공진기의 공진 주파수의 측정 온도 의존성의 그래프를 보여준다.
도 3b 및 도 3c는 제1 공진기로서 적합한 예시의 정전기적 작동 정사각형 플레이트 공진기를 위에서 본 모습 및 측면 모습을 보여준다.
도 4a는 섭씨 85도 (TTO,h = 섭씨 95도)보다 더 높은 턴-오버 온도를 보여주는 질화 알루미늄 (aluminum-nitride) 박막 (thin-film) 결합 MEMS 공진기의 공진 주파수의 측정 온도 의존성을 보여준다.
도 4b 및 도 4c는 제2 공진기로서 적합한 예시의 압전성 작동 직사각형 플레이트 공진기를 위에서 본 모습 및 측면 모습을 보여준다.
도 5는 AIN 결합 MEMS 공진기에 기반한 발진기의 측정 위상 잡음을 (석영 발진기에 기반한 동일한 발진기에 비교하여) 도시한다.
도 6은 정전기적 레임-모드 MEMS 공진기에 기반한 발진기의 주파수 안정성 측정 데이터를 보여준다.
도 7은 정전기적 레임-모드 MEMS 공진기에 기반한 발진기의 귀선 (retrace) 측정 데이터를 보여준다.
도 8a - 도 8c는 MEMS 공진기들의 세 개의 상이한 주파수-대-온도 커브들의 그래프들을 보여주며, 상기 커브들 각각은 적어도 하나의 고온 턴오버 포인트를 가진다.
정의
본원에서의 "(주파수 레퍼런스) 발진기 (디바이스)"는 특히 본원에서 설명된 제1 발진기, 제2 발진기, 자동온도조절 제어기 및 안정성 제어 회로를 포함하는 전체 디바이스를 언급한다.
"제1/제2 발진기" 는 제1/제2 공진기들 및 그 공진기들을 위한 액추에이터를 포함하는 발진기 디바이스 내에 포함된 별도의 서브-유닛들을 언급한다.
본원에서의 "액추에이터 (actuator)"는 공진기를 작동시키기 위한 필수적인 구동 및 감지 회로 그리고 그 공진기의 주파수를 감지하는 것을 언급하는 것이다.
본원에서의 "공진기 (요소)" 는 공진 모드에서 공진할 수 있도록 하기 위해지지 구조에 매달린 솔리드-스테이트 요소를 언급하는 것이다. 공진기는 특히 단일-석영 공진기 또는, 예를 들면, 압전성 구동에 의해 필요로 하며 그리고 엘리먼트 몸체에 매달린 레이어들과 같은 상이한 물질 성분들을 가진 레이어를 포함하는 복합 공진기일 수 있다.
"장기간 안정성"은 시간 흐름에 따른 발진기의 출력 주파수의 변화를 언급한다. "에이징 (aging)"의 용어는 장기간 안정성에 대한 동의어로서 사용될 수 있다. 관심 대상 시간 구간은 하루, 한 달, 일 년 또는 여러 해일 수 있으며, 그에 의해 에이징 성능은 보통은 ppb/일, ppb/달, ppb/년의 단위로 또는 예를 들면, ppb/날, ppb/달, ppb/년으로 주어진다
"귀선 (retrace)" 은 발진기가 파워 오프되어 있는 기간 이후에 자신의 주파수를 얼마나 잘 반복하는가를 나타낸다. 귀선은 보통은 ppb 또는 ppm 단위로 측정된다.
TCF1, TCF2 및 TCF3 는 각각 보통은 섭씨 25도의 온도에서 평가된 주파수-대-온도 커브의 제1차, 제2차 및 제3차 미분을 언급하는 것이다. 턴오버 온도에서 주파수-대-온도 커브의 제1 미분 및 제2 미분을 언급할 때에 "기울기 (slope)" 및 "곡률 (curvature)"의 용어들이 사용된다.
여기에서 "ppb" 및 "ppm" 은 십억 당 (10-9) 파트들 또는 백만 당 (10-6) 파트들의 상대적인 유닛들을 각각 언급하는 것이다.
"턴오버 포인트 (turnover point)" 는 특별한 공진기의 주파수-대-온도 커브의 국지적인 극점 (extremum)을 언급하는 것이다. 턴오버 온도 (TTO)는 그 턴오버 포인트의 대응 온도 값이다. 그래서, 턴오버 온도에서 공진기의 주파수-대-온도 커브의 기울기는 0이며, 그래서 턴오버 온도 근방에서, 온도에서의 변화들은 공진기의 주파수에서 최소로 반영된다.
본원에서의 "축퇴 도핑 (degenerate doping)"은 불순물에 1018 cm-3 이상, 특히 9*1019 cm-3 이상, 그리고 심지어는 1.1*1020 cm-3 이상의 농도로 도핑된 것을 의미한다. 도핑 약품은 예를 들면 인 (phosphorus)이나 다른 n-유형제일 수 있다.
선택된 실시예들에 대한 설명
일반적인 구조
도 1은 MEMS 공진기들에 기반한 주파수 레퍼런스 발진기 (10)의 구조를 일반적인 레벨로 도시한다. 제1 발진기 (11A) 및 제2 발진기 (11B)는 둘 모두가 안정성 제어기 회로 (20) ("컴바이너")에 기능적으로 연결된다. 출력 주파수는 제2 발진기 (11B)의 출력으로부터 획득된다. 안정성 제어 회로의 주요 목적들 중 하나는 상기 제2 발진기의 장기간 안정성을 상기 제1 발진기의 안정성 레벨로 향상시키는 것이다.
상기 제1 발진기 (11A)는 제1 공진기 요소를 포함하며, 이 제1 공진기 요소는 높은 장기간 안정성 및 상기 발진기의 의도된 주변 작동 온도 범위 외부의 턴오버 온도 TTO,1 를 나타내는 TCF 특성들을 가지도록 선택된다. 상기 제1 발진기 또는 적어도 상기 제1 발진기의 공진기 요소는 자신의 주변과는 열적으로 격리되며 (도 1 내 점선) 그리고 자동온도조절 제어기 (110)를 사용하여 상기 턴오버 온도 TTO,1 로 가열된다. 그러면, 상기 제1 공진기는 적합한 구동 회로로 여기되며 그리고 그것의 공진 주파수는 감지되어 상기 안정성 제어 회로로 제공된다.
자동온도조절 제어기 (110)는 상기 제1 및 제2 발진기들 (11A, 11B)의 구동 회로들 및 상기 안정성 제어 회로 (20)와는 분리하여 작동되도록 배치된다는 것은 주목할 만하다. 즉, 그것은 상기 제1 공진기의 그리고 옵션으로는 (가열되었다면) 상기 제2 공진기의 타겟 온도를 판별하기 위해 상기 발진기들 (11A, 11B)의 주파수들 중 어느 하나도 사용하지 않는다.
상기 제1 발진기 (11A)의 장기간 안정성은 5 ppb 이하처럼 10 ppb/일 이하인 것이 바람직한다. 이것은 예를 들면 오븐화 축퇴 도핑된 정전기적으로 작동된 단일-석영 MEMS 공진기를 이용하여 달성될 수 있다.
상기 제1 공진기 (11A)의 공진 주파수는 소망된 주파수 출력과는 상이할 수 있다.
주파수 출력은 상기 제2 발진기 (11B)로부터 획득된다. 상기 안정성 제어 회로는 상기 제2 발진기 (11B)의 주파수를 소망된 값으로 동조하기 위해서 상기 제2 발진기 (11B)의 구동 회로를 제어하기 위해 상기 제1 발진기 (11A)의 출력 신호를 사용한다. 온도-둔감 (temperature-insensitive) 제1 발진기 (11A)는 이 값을 시간이 지나도 최대로 일정하게 유지한다.
상기 제2 발진기 (11B)는 또한 열적으로 격리되며 그리고 상기 자동온도조절 제어기 (110)를 이용하여 가열된다. 이것은 최대의 열적 안정성을 제공한다.
MEMS 공진기들의 작은 크기는 매우 낮은 전력 소비를 하는 마이크로 오븐들을 실현하는 것을 가능하게 한다. 그러므로 두 개의 오븐-제어 MEMS 공진기들을 포함하는 레퍼런스 발진기를 구성하며 그리고 석영 (quartz)에 기반한 종래 기술의 오븐-제어 석영 발진기들보다 아주 더 낮은 전력 소비를 달성하는 것이 가능하다.
일 실시예에서, 제2 발진기 (11B) 내 담겨진 제2 공진기는 축퇴 도핑 혼성 MEMS 공진기이며, 이것은 자신의 특정 턴-오버 온도 TTO,2로 가열된다. 보통은 TTO,2 는 TTO,1 과는 상이하며 그리고 상기 제2 공진기는 분리하여 격리되며, 즉, 상기 공진기들은 서로에게 독립적으로 타겟 온도를 달성하기 위해서, 분리된 마이크로 오븐들 내에 배치된다. 이것은 또한 상기 제2 발진기 (11B)를 온도-둔감하게 만들며, 전체 발진기의 안정성을 증가시키며, 그리고 더 긴 시상수들이나 동조 인터벌들을 가진 안정성 제어 회로를 사용하는 것을 가능하게 한다.
상기 제2 공진기는 압전성으로 작동되는, 특히 AIN-결합 혼성 공진기일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 발진기 (11B)는 제1 발진기 (11A)보다 더 낮은 위상 잡음을 가지도록 선택된다. 이것은 레퍼런스 발진기를 빠르게 하며, 즉, 출력 주파수를 결정하기 위해서 신호 필터링이나 평균화가 필요한 구간을 단축시킨다. AIN-결합 실리콘 MEMS 공진기들은 이런 면에서 특히 관심 대상이다. 그러나, 현재의 AIN-결합 MEMS 공진기들의 장기간 안정성은 단일-결정 (single-crystalline) 정전기적 작동 MEMS 공진기들의 장기간 안정성만큼 양호하지는 않다. 그러나, 상기 제1 발진기 (11A) 및 상기 안정성 제어 회로 (20)을 사용하여 제2 발진기 (11B)를 제어함으로써, 최적의 특성들을 가진 MEMS-기반 레퍼런스 발진기가 실현될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 또한 상기 제1 및/또는 제2 발진기들 (11A, 11B)의 구동 및 감지 회로 (도시되지 않음)는 자동온도조절 제어에 의해 미리 정의된 일정 온도로 가열된다. 이것은 상기 발진기들 (11A, 11B), 그리고 더 나아가 전체 주파수 레퍼런스 발진기의 출력 주파수들의 안정성을 최대화한다. 상기 구동 회로를 위한 가열 오븐 또는 오븐들은 상기 제1 발진기를 위한 그리고 옵션으로는 상기 제2 발진기를 위한 가열 오븐 또는 오븐들처럼 안정할 필요는 없다.
안정성 제어 회로
적합한 안정성 제어 회로를 구현하기 위한 여러 전기 회로들이 존재한다. 도 2a는 회로가 N-분주 (fractional-N) 위상-고정-루프 (phase-locked-loop (PLL)) 회로를 이용하는 주파수 레퍼런스를 도시한다. 상기 PLL 회로에 의해, 두 발진기들 (11A, 11B)의 주파수들은 서로에게로 고정될 수 있다. 제2 발진기 (11B)의 출력으로부터 상기 PLL 회로로의 피드팩 루프는 그 발진기의 출력 주파수의 장기간 에이징을 제거하기 위해 제공된다.
더 상세하게는, 상기 N-분주 PLL 회로에서, 제1 발진기 (11A)의 주파수 신호는 제1 위상 탐지기 (12A)로 인도되며, 제1 위상 탐지기의 출력은 제1 루프 필터 (13A)로 연결된다. 필터링된 신호는 전압-제어 발진기 (VCO) (16)로 더 인도되며, 그 발진기로부터 분주형 정수 (fractional integer) N N+1 분할기 (17)를 통해 상기 제1 위상 탐지기 (12A)로 거꾸로 가는 내부 피드백 루프가 존재한다. 상기 분할기 (17)를 제어하기 위해 모듈러스 (modulus) 제어 (17')가 제공된다.
VCO (16)의 출력은 정수 M 분할기 (18)를 통해 제2 위상 탐지기 (12B)로 그리고 제2 루프 필터 (13B)로 더 향하며, 그 제2 루프 필터는 상기 제2 발진기 (11B)의 주파수를 동조시키기 위한 입력으로서 사용된다. 제2 발진기 (11B)의 출력은 전체 발진기의 주파수 출력으로서 소용이 된다.
상기 제2 발진기 (11B)의 장기간 에이징은, 그 제2 발진기 (11B)의 출력을 제2 위상 탐지기 (12B)로 거꾸로 연결시키는 피드백 루프에 의해 최소화된다. 전체 레퍼런스 발진기의 장기간 안정성은 그러면 제1 발진기 (11A)의 안정성에 의해 정해진다.
도 2a에서 도시된 발진기 구조는 전통적인 N-분주 PLL 발진기들을 넘어선 큰 이점을 가진다. 그런 발진들에 비교하면, 출력 주파수 신호 (11B)는 스퓨리어스 잡음 (spurious noise)을 겪지 않으며 그리고 위상 잡음은 아주 양호할 수 있다.
장기간 안정성에 관련하여, 상기 피드백 루프는 주파수 드리프트가 장기간의 현상이기 때문에 보통은 매우 느릴 수 있다. 짧은 시간 구간들에 걸쳐서, 상기 제2 발진기 (11B)에서 사용 가능한 예를 들면 AIN-결합 MEMS 공진기의 출력 주파수는 크게 안정할 수 있다.
도 2b는 대안의 구성을 보여주며, 그 경우 장기간 에이징에 대항하여 제2 발진기 (11B)를 안정화하기 위한 마이크로제어기 유닛 (MCU)-기반 주파수 카운터 (14B) 및 피드백 루프가 존재한다.
상기 안정성 제어 회로에 의해 제2 발진기 (11B)의 주파수를 동조시키는 것은, 예를 들면, 석영 결정들을 위한 산업에서의 경험들과 유사한 "주파수 풀링 (frequency pulling)"을 생성하기 위해 버랙터와 함께 발진기를 로딩함으로써, 그리고 상기 안정성 제어 회로의 피드백 전압을 사용하여 버랙터의 커패시턴스를 제어함으로써 구현될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서 도시된 구조들의 이점들 중 하나는 제1 공진기 (11A)를 미리 정해진 좁은 주파수 범위 내에 있는 공진 주파수로 제조하는 것이 필요하지 않다는 것이다. 엄격한 주파수 규격에 따라 제2 공진기 (11B)를 제작하는 것은 적어도 AlN-결합 MEMS 공진기들의 경우에 아주 더 쉽다.
상기 제1 발진기 (11A) 및/또는 상기 안정성 제어 회로 (20, 14A, 14B)가 상기 제2 발진기 (11B)를 조정하기 위해 간헐적으로만 스위치 온 되면, 레퍼런스 발진기의 전력 소비는 줄어들 수 있다. 적합한 스위치-온 인터벌은 두 발진기들 (11A 및 11B)의 주파수 드리프트 특성들에 종속한다. 목표는 상기 조정을 충분하게 자주 하여, 상기 제2 발진기 (11B)의 장기간 드리프트가 제1 발진기 (11A)의 드리프트 레벨까지 줄어들 수 있도록 하는 것이다.
상기 제1 발진기 (11A) 및 안정성 제어 회로 (20, 14A, 14B)의 대부분의 회로 블록들 그리고 자동온도조절 제어기 (110)는 상기 제1 발진기 (11A)보다 덜 안정적인 제2 발진기 (11B)의 주파수를 조정하기 위해 사용되는 주파수 캘리브레이터를 형성한다. 상기 교정의 결과는, 예를 들면, 상기 제2 발진기 (11B)의 출력 주파수를 결정하는 동조 전압인 디지털-아날로그 컨버터의 아날로그 전압을 제어하기 위해 사용된 디지털 회로 블록에 저장된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 스위치-온 인터벌은 1시간 - 10일처럼 약 몇 시간 또는 며칠이다. 스위치-온 구간의 지속시간은, 예를 들면, 10 초 - 10 분일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 발진기 및 상기 제2 발진기의 주파수들은 간단한 방정식 f2 = (M/N) f1에 의한 관련되며, 여기에서 M 및 N은 정수이다. 상기 안정성 제어 회로는 정수 분할기들만을 구비한 PLL 회로가 된다. 가장 간단한 경우에는 f2 = f1 이다. 본 발명의 기본적인 이점들은 또한 이 경우에 유지된다: 전체 주파수 레퍼런스 발진기의 위상 잡음이 상기 제2 발진기에 의해 결정되며, 장기간 안정성은 상기 제1 발진기에 의해 보장된다.
제1 공진기
일 실시예에 따라, 제1 발진기 (11A) 내에 포함된 제1 공진기는 레임 (Lame) 모드에서 발진하는 축퇴 도핑 (degenerately doped) 정전기적 작동 단일-결정 MEMS 플레이트 공진기 또는 길이 확장 (LE, length extensional) 모드에서 발진하는 빔 (beam) 공진기이다. 상기 결정의 도핑 농도 및 결정 방향에 관한 플레이트/빔 공진기의 주축들의 방위를 적합하게 선택함으로써, 섭씨 100도를 넘는 것처럼 섭씨 85도보다 높은 바람직한 턴오버 온도가 달성된다.
특정 예들에 따라, 상기 제1 공진기는 LE 빔 공진기 또는 4.1*1019 cm-3 이상의 인 (phosphorus) 도펀트 농도와 같은 n-유형 및 [100] 결정 방향에 관하여 0-45도의 각도를 가진 레임 정사각형 공진기를 포함한다.
상기 제1 공진기로 사용될 수 있는 다른 유형의 MEMS 공진기 외형은 폭 (width) 확장 공진 모드에서 발진하는 축퇴 도핑 정전기적 작동 단일-결정 MEMS 플레이트 공진기일 수 있다.
도 3a는 고온에서 그런 MEMS 공진기의 공진 주파수의 측정된 온도 의존성의 예를 보여준다. 상기 커브는 섭씨 125도에서 턴-오버 포인트를 가진다. 공진기가 배치된 마이크로 오븐의 온도는 자동온도조절 제어기에 의해 이 온도로 세팅된다. 그래서, 온도에서의 어떤 변화도 그 공진기의 출력 주파수 내에서 최소로 변한다.
도 3b 및 도 3c는 예시의 정사각형 플레이트 공진기 플레이트 (32)를 도시하며, 이 플레이트는 간극에 의해 분리된 자신의 측면들 상에 제공된 정전기적 액추에이터 전극들 (34A, 34B)을 구비한다. 기계적인 접점이 없기 때문에 상기 제1 공진기를 위해 정전기적 커플링이 바람직하며, 그러므로 상기 공진기의 구동 또는 감지 수단에 의해 상기 결정에 어떤 응력도 유도되지 않는다. 일반적으로, 기계적으로 결합된 공진기들에 비하여 열등한 위상 잡음은 본 구성에서는 어떤 문제도 되지 않으며, 이는 발진기의 위상 잡음이 상기 제2 발진기의 특성들에 의해 결정되기 때문이다.
적합한 주파수-대-온도 특성들을 구비한 MEMS 공진기를 실현하기 위해 사용될 수 있는 다른 공진기 토폴로지 및 공진 모드가 또한 존재한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 공진기는 상기 제2 공진기를 참조하여 아래에서 설명된 유형이지만, 높은 안정성을 보장하기 위해 정전기적으로 작동된다 (반면에 상기 제2 공진기는 보통은 압전 방식으로 작동한다). 특히, 상기 제1 공진기는 섭씨 85도를 넘는 낮은-곡률의 턴오버 포인트를 형성하기 위해서 9*1019 cm-3 를 넘어 또는 1.1*1020 cm-3 를 넘어서까지 도핑된 것일 수 있다.
도 6은 정전기적으로 결합된 레임-모드 공진기의 주파수 측정 및 오븐 온도 (섭씨 120도의 턴-오버 온도에서 일정함)를 보여준다. 약 1 ppb/일의 에이징 성능이 보인다. 도 7은 유사한 공진기의 귀선 측정을 보여준다. 약 20 ppb의 귀선 성능이 보인다. 이 도면들은 본 발명의 산업적인 적용 가능성 및 양호한 성능을 증명한다.
제2 공진기
일 실시예에 따라, 상기 제2 발진기 (11B) 내에 포함된 상기 제2 공진기는 자신의 액추에이터 및 주 공진 요소 사이에서 상기 제1 공진기에서보다 더 강한 전기기계적인 커플링을 가진 것이며, 여기에서 상기 커플링은 정전기적인 상호작용에 기반하는 것이 바람직하다. 이 방식에서, 위상 잡음이 감소된다. 실제로, 실리콘 몸체 위에 중첩된 박막 액추에이터를 구비한 혼합 공진기들은 그 공진기가 발진기의 일부로서 사용될 때에 강한 커플링 및 낮은 위상 잡음을 제공한다. 상기 박막은 보통은 압전성 AIN 레이어이며, 그 레이어의 제일 위에는 추가의 전극 레이어가 존재한다. 상기 실리콘 몸체는 다른 전극으로서 소용이 될 수 있다.
도 4a는 직사각형 플레이트 공진기로부터 측정된 주파수-대-온도 커브의 예를 보여준다. 여기에서 상기 도시된 커브는 두 개의 턴오버 온도를 가지며, 그 중 하나는 약 섭씨 40도이며 다른 하나는 약 섭씨 95도이라는 것이 주목할 만하다. 후자의 하나의 턴오버 온도는 상기 오븐의 타겟 온도로서 선택된다.
도 4b 및 도 4c는 예시의 직사각형 공진기 플레이트 (42)를 도시하며, 이 플레이트는 압전성 레이어 (44) 및 그 위에 중첩된 전극 레이어 (46)를 구비한다. 상기 플레이트는 길이 l 및 그 길이에 수직인 폭 w를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제2 공진기 내에 하나 이상의 추가 레이어들이 또한 제공된다. 그런 추가 레이어들은, 예를 들면, 패시베이션 (passivation) 물질일 수 있으며, 이는 다른 레이어들 중 제일 위에서 처리될 때에 화학적으로 비활성인 기저 물질들을 형성한다.
석영 결정 공진기들을 위한 산업 분야에서의 실시들과 유사한 방식으로 제조하는 동안에 AIN-결합 MEMS 공진기들의 공진 주파수를 다듬는 것이 가능하다.
그와 같은 압전성 작동은, 예를 들면, Jaakkola, A. 등의 "Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators" In IEEE Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008, 717-20, 2008 의 공개 문헌에서 더욱 광범위하게 설명된다.
상기 공진기는, 예를 들면, 직사각형 플레이트와 같은 플레이트나 빔의 모양일 수 있다. 상기 플레이트나 빔의 길이 방향은 상기 실리콘 물질의 [100] 결정 방향에 대해 0 - 45도 각도일 수 있다. 이 기하학적 파라미터들, 즉, 상기 외관 비율 (aspect ratio) 및 각도는 사용된 물질 파라미터들 및 모달 분기 (modal branch) 또는 분기들과 함께 조절될 수 있으며, 이는 섭씨 85도보다 더 높은 턴오버 온도를 생성하기 위한 것이다.
본 발명의 발진기의 설계 및 제조 프로세스는 공진기 외형을 선택하는 단계, 도핑된 실리콘을 포함하는 공진 물질을 선택하는 단계, 그리고 선택된 공진 모드에서 상기 공진기가 발진하도록 만들 수 있는 작동 수단을 선택하는 단계를 임의의 관련된 순서로 또는 반복적인 프로세스 내에 포함할 수 있다. 예를 들면, 양의 TCF1와 함께 주파수-대-온도 커브를 나타내는 임의의 공진 모드를 먼저 선택할 수 있다. 일 예에서, 플레이트 외형 길이 확장 모드 (제1 또는 어떤 고차수 (higher-order) LE 모드)가 선택된다. 그러면, 상기 TCF1을 0으로 또는 0에 가깝게 가져가는 플레이트 외형 및/또는 플레이트 물질 (스택)을 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 결정에 관한 플레이트 외관 비율 및/또는 각도 그리고/또는 그 실리콘 플레이트 제일 위의 압전성 작동 레이어의 두께를 선택할 수 있다. 마지막으로, 1차수 (first-order) 행동보다 우세한 상기 공진기의 2차수 및 3차수 행동을 만드는 실리콘의 도핑 농도가 선택된다. 특히, 9*1019 cm-3 를 넘는 농도가 선택된다.
그러면, 선택된 상기 공진기 외형, 공진기 재질, 작동 수단 및 공진 모드가, 적어도 하나의 턴오버 포인트가 섭씨 85도 이상의 높은 턴오버 온도에서의 고온 턴오버 포인트인 적어도 두 개의 턴오버 포인트들을 가지는 주파수-대-온도 커브를 생성하는가의 여부가 평가된다. 평가는 시뮬레이션들이나 실험들에 기반할 수 있다. 긍정적인 경우에, 그런 공진기를 구비한 발진기가 제조되어, 상기 공진기 요소의 온도를 상기 높은 턴오버 온도에서 유지하기 위해 자동온도조절 제어기를 상기 발진기에게 또한 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 플레이트 공진기의 평면내 (in-plane) 외관 비율 (즉, 플레이트 공진기 길이의 그 공진기 폭에 대한 비율) 및/또는 실리콘 물질의 [100] 결정 방향에 관한 그 공진기의 각도가 변할 때에, 상기 공진기의 특성들이 상기 외관 비율 및/또는 상기 각도의 함수로서 변하도록 상기 공진 모드가 선택된다. 관심 대상 특징들은, 예를 들면, 공진 주파수 및 주파수의 온도 계수들, 즉, TCF1, TCF2 및 더 고차수 계수들, 그리고 여기 및 감지를 위해 사용된 트랜스듀서의 전기기계적 커플링 강도이다. 다양한 가능한 외관 비율들이나 각도들 중에서 한가지가 다른 설계 파라미터들과 함께 높은 턴오버 온도를 가져오도록 선택된다.
몇몇의 실제적으로 실행 가능한 예들을 언급하기 위해, 상기 공진기는, 상기 외관 비율 또는 혼합 평면내 굴곡(flexural)/길이 확장 플레이트 또는 빔 공진기가 높은 턴오버 온도를 가져오기 위해 다른 파라미터들과 함께 선택되는 혼합식의 폭 확장/정사각형 확장 공진기일 수 있다. 이 예들은 아래에서 더 상세하게 설명된다.
Jaakkola, Antti. "Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications." Doctoral dissertation, Aalto University, 2016 그리고 US 2016/0099704 는 섭씨 85도 미만의 공진기들의 2차수 (second order) 온도 행동을 일반적으로 설명한다. 상기 n-유형 도펀트 농도가 약 1.1*1020 cm-3를 넘을 때에, 실리콘 공진기의 상기 2차수 온도 계수 TCF2는 실온에서 양의 값들을 달성한다. 상기 도핑 레벨 및 공진기 외형에 관한 특정 구성에서 선형 TCF (TCF1) 및 제2차수 온도 계수 TCF2는 동시에 0에 아주 가깝게 만들어질 수 있으며, 그리고 도핑이 여전히 증가할 때에, TCF2는 양의 값들에 도달하며, 이는 섭씨 -40도 내지 +85도 사이에서의 주파수-대-온도 커브에서 상단으로 개방된 포물선으로 보인다. 그러나 섭씨 85도를 넘는 고온에서 상기 커브는 상기 상단 개방 포물선으로부터 벗어나서 "구부리는 (bend down)" 것이 이제 보인다. 다른 말로 하면, 상기 주파수-대-온도 커브는 제2차수 다항식에 의해 완전하게 기술되지 않으며, 상당한 제3차수 특성을 가진다. 이 제3차수 효과, 또는 상기 주파수-대-온도 커브의 "구부림"은 도 4a에서 보이는 것처럼 섭씨 85도가 넘는 상기 주파수-대-온도 커브 상의 저-곡률의 국지적 극대로 귀결되어, 상기 공진기가 다양한 전자 제품들의 주변 온도 범위에 걸쳐 자신의 주파수를 안정시키기 위해 적합하도록 만든다.
실리콘 공진기를 위한 두 개의 턴오버 포인트들을 가지는 주파수-대-온도 특성 커브를 획득하기 위해 예시의 접근 방식들이 제시된다. 그 접근 방식들은 그래서 공진기들이 1.1*1020 cm-3 이상의, 특히 1.3*1020 cm-3 이상의 평균 도펀트 농도를 가지게 하기에 적용 가능하며, 그리고 압전성 작동에 관련된 압전 및 금속 레이어들과 같은 추가의 물질 레이어들을 가질 수 있으며 또는 가질 수 없을 수 있다. 상기 접근 방식들은 폭 확장/정사각형 확장 (width extensional/square extensional (WE/SE)) 및 평면내 굴곡 (in-plane flexural (IFP1)), 비평면 굴곡 (out-of-plane flexural (OPF1)), 또는 (위에서 언급된 논문에서 언급된) 길이 확장/레임 (length extensional/Lame (LE/Lame)) 모달 분기 (branch)들의 특성들을 활용하는 것에 기반한다.
WE/SE 분기: 길이 및 폭을 가진 플레이트 공진기들을 위해 정사각형 확장/폭 확장 모드 분기가 존재한다. 상기 분기 상에서 외관 비율 1 로부터 더 높은 외관 비율을 향하여 이동함으로써, TCF1이 거의 0에 가까운 구성을 발견할 수 있다. 본 발명에 따라, 이 외관 비율을 사용하는 것은 TCF1이 0으로 되는 것만이 아니라 나머지 (양의) TCF2 및 (음의) TCF3가 도 4a에서처럼 두 개의 턴오버 온도들을 구비한 제3차수 주파수-대-온도 커브로 귀결한다.
도 4a의 예는 위에서 설명된 접근 방식을 통해 진행함으로써 생성된 디바이스들로부터 측정된다. 상기 공진기들은 SE-WE 모달 분기 상의 압전성으로 작동된 20-MHz 공진기들이며, 그리고 공진기 치수들은 다음과 같다: 상기 혼합 공진기는 1.3*1020 cm-3이 넘는 도펀트 농도로 인-도핑된 실리콘의 20-마이크로미터-두께 레이어, 1-마이크로미터-두께의 질화 알루미늄 (aluminium nitride (AIN)) 레이어 및 제일 위 전극으로서의 0.3-마이크로미터의 몰리브덴 레이어로 구성된다. 상기 공진기는 직사각형 모습을 가지며, 그리고 그것의 폭 및 길이는 188 및 378 마이크로미터이다. 이 디자인의 평면내 치수들을 크기조절하고 상기 물질 레이어들의 두께들 사이의 비율들을 일정하게 유지함으로써, 임의 주파수에서의 공진기들이 생성될 수 있다.
압전성 작동 공진기의 위에서 설명된 경우를 위한 최적의 외관 비율은 2 (길이 대 폭)에 가까운 것으로 밝혀졌다. 이 최적 외관 비율이 정확한 도핑 농도, 공진기의 두께, 및 가능하게는 TCF1으로의 자기 자신의 기여를 부가하는 추가된 다른 물질 레이어들에 종속하기 때문에, 실제적으로 유용한 외관 비율은 2로부터 최대 10%만큼, 보통은 많아야 5%만큼 벗어날 수 있다. TCF2 및 TCF3에 대한 다른 물질 레이어들의 영향은 더 작다. 각 경우에 있어서 최적의 외관 비율은 상이한 외관 비율을 가지는, 작은 스텝으로 변하는, 또는 상응하여 시뮬레이션들을 통해서, 공진기 디자인들을 실험적으로 테스트하여 발견될 수 있다.
압전성 작동에 대한 대안으로서 정전기적 작동을 사용하는 (상기 SE/WE 모달 븐기로부터의) 유사한 공진기들을 위해, 실리콘에 추가하여 부가되는 어떤 물질도 존재하지 않을 것이며, 그래서 상기 최적의 외관 비율은 2 미만, 즉, 1 및 2 사이의 어떤 값일 것이다.
그래서, 일반적인 경우에, 상기 공진기의 외관 비율은 1과는 상이하다.
실험적인 결과로, 도 4a는 산업적인 사용을 위한 본 발명의 실행가능성을 또한 증명한다.
상기 평면내 굴곡 (IFP1), 비평면 굴곡 (OPF1), 또는 길이 확장/레임 (LE/
Figure pct00002
) 모달 분기들의 특성들은 위에서 설명된 WE/SE 분기의 특성들과 유사한 방식으로 활용될 수 있다. 여기에서 공진기의 외관 비율 대신에 변하는 파라미터는 [100] 결정 방향에 대한 상기 빔-형성 공진기의 정렬이다.
상기 [100] 방향과의 각도 정렬에서 IPF1, IPF2 또는 LE 모달 분기들 상에서 작은 스텝으로 이동함으로써, TCF1가 거의 0인 구성을 발견할 수 있다. 본 발명에 따라, 이 구성에서, 나머지 (양의) TCF2 및 (음의) TCF3는 도 4a에서와 비슷하게 두 개의 턴오버 온도들을 가진 제3차수 주파수-대-온도 커브의 결과를 가져온다.
상기 공진기의 평면내 외관 비율 및 각도 정렬 방향 둘 모두는 도 4a에서와 비슷하게 두 개의 턴오버 온도들을 가진 제3차수 주파수-대-온도 커브의 결과를 가져오는 구성들을 찾기 위해 동시에 변할 수 있다는 것에 유의해야 한다.
상기 [100] 결정 방향에 관한 상기 빔 방향의 정확한 벗어남은 상기 공진기의 두께에 종속하며, 그리고 TCF1에 자기 자신의 기여를 추가하는 부가된 다른 물질 레이어들에 아마도 종속한다. TCF2 및 TCF3에 대한 다른 물질 레이어들의 영향들은 더 작다.
상기 언급된 것을 요약하면, 몇몇 실시예들에서, 상기 공진기 요소는 1.3*1020 cm-3 이상의 n-유형 도펀트 농도를 가진 실리콘 베이스 레이어, 질화 알루미늄 트랜스듀서 레이어, 그리고 서로의 제일 위에 중첩된 전도성 전극 레이어를 포함한다. 상기 요소는 플레이트 또는 빔으로서의 모양이며, 그 외형은 본질적으로 0인 TCF1, 양의 TCF2, 및 음의 TCF3를 생기게 하며, 이는 상기 공진기의 주파수-대-온도 커브의 하나의 턴오버 포인트를 고온 범위로 가져간다.
한 특정 예에 따라, 상기 공진기는 아직 비-공개인 핀란드 특허 출원 20165553에서 개시된 공진기의 특성들을 가진다.
정확한 턴오버 온도는 설계에 의해 그리고 제조 공정에 의해 원하는 대로 조절될 수 있다. 일반적으로, SE-WE 모달 분기 상에서처럼 모달 분기 상에서 더 높은 외관 비율들을 향하여 이동함으로써, 상기 턴오버 온도는 더 높게 될 수 있다. 유사하게, 평면내 굴곡 (IFP1), 비평면 굴곡 (OPF1), 또는 길이 확장/레임 (
Figure pct00003
) 모달 분기들 상에서 상기 [100] 방향과의 더 가까운 정렬을 향하여 이동함으로써, 상기 턴오버 온도는 더 높게 될 수 있다. 또한, 음의 TCF1을 가진 더 얇은 추가 물질 레이어들은 더 높은 턴오버 온도의 결과를 가져온다. 그런 레이어들은 예를 들면 압전성 레이어들 또는 제일 위 전극 레이어일 수 있다. 상기 턴오버 온도를 조절하는 가능성은 본 발명 발진기의 산업적인 생산에 관하여 유리하다.
정확한 설계 선택들에 종속하여, 도 8a에서 도시된 것과 같은 (도핑 농도 c = 9*1019 - 1.3*1020 cm-3) 주파수-대-온도 커브에서의 단일의 고온 턴오버 포인트, 도 8b에 도시된 것처럼 (c > 1.1*1020 cm-3) 두 개의 고온 턴오버 포인트들을 구비한 커브, 또는 도 8c에 도시된 것처럼 하나의 고온 턴오버 포인트 그리고 하나의 저온 턴오버 포인트를 구비한 커브 중 어느 하나를 달성할 수 있다. 상기 경우들을 위한 농도 한계들은 겹쳐져 있으며, 이는, 비록 상기 주파수-대-온도 커브의 특성들의 대부분이 상기 도핑된 실리콘 특성들에 의해 지시되지만, 예를 들면, 추가된 물질 레이어들이 상기 주파수-대-온도 커브에 자기 자신의 기여분을 가져올 수 있기 때문이다. 각 경우에, 고온 턴오버 포인트에서 20 ppb/C2 이하의 낮은 곡률이 달성될 수 있다.
상기 공진기 플레이트는 혼합 구조일 수 있으며, 예를 들면, 제1 레이어의 제일 위에 제2 레이어를 포함하며, 상기 레이어들은 상이한 TCF 특성들을 가진다. 일 실시예에서, 상기 제1 레이어 구조 및 상기 제2 레이어 구조의 선형 TCF들은 반대 부호들을 가진다.
도 5는 통상적인 석영 결정에 비교된, 폭-확장 모드 AIN-작동 직사각형 플레이트 공진기를 이용한 발진기의 측정된 위상 잡음 특성들을 보여주며, 이는 아주 낮은 잡음 주파수 소스로서 소용이 되는 공진기의 잠재성을 증명한다.
자동온도조절 (thermostatic) 제어
본원에서의 자동온도조절 제어기는, 온도가 안정될 공진기 근방에 배치된 저항성 히터와 같은 히터를 바람직하게 포함한다. 추가로, 온도-조절될 각 공진기의 온도를 측정하기 위한 서미스터와 같은 온도 센서, 그리고 상기 공진기의 온도를 미리 정의된 값으로 세팅하기 위해 히터를 사용할 수 있는 제어 회로가 존재한다.
상기 온도 센서는 단일-포인트 센서 또는 다중-포인트 센서일 수 있으며, 다중-포인트 센서의 경우에 온도 값은 여러 위치들로부터 평균화될 수 있다.
자동온도조절될 각 공진기는 마이크로 오븐 내에 배치되며, 이 오븐은 상기 언급된 히터 및 상기 센서를 포함하는 열적으로 격리된 공간을 의미한다. 두 개의 공진기들이 동일한 또는 실질적으로 동일한 턴오버 온도들을 가지는 경우에, 비록 보통은 분리된 오븐들이 필요하지만, 그 공진기들은 단일의 오븐 내에 배치될 수 있다.
필요하다면, 상기 공진기들 및/또는 상기 열적 안정성 회로 및/또는 심지어는 상기 자동온도조절 제어 회로의 구동 회로들은, 상기 공진기 오븐들과 또한 동일할 수 있는 하나 이상의 오븐들 내부에 배치될 수 있다. 이것은 상기 발진기의 정확도 및 안정성을 더 향상시킬 수 있다.
상기 제1 공진기 및 제2 공진기는 분리된 자동온도조절 제어 유닛들을 포함할 수 있으며 또는 단일의 제어 유닛을 사용할 수 있다. 두 옵션들 모두는 본원에서 자동온도조절 제어기의 용어에 의해 커버된다.
10 주파수 레퍼런스 발진기
11A/11B 제1/제2 공진기
12A/12B 제1/제2 위상 탐지기
13A/13B 제1/제2 루프 필터
14A PLL-기반 안정성 제어 회로
14B MCU-기반 안정성 제어 회로
16 전압-제어 발진기
17 정수 M 분할기
17' 모듈러스 제어
18 정수 N N+1 분할기
19 주파수 출력
20 안정성 제어 회로
32 정사각형 플레이트 공진기
34A/34B 정전기적 액추에이터 전극들
42 직사각형 플레이트 공진기
44 압전성 박막 (Piezoelectric thin film)
46 전극

Claims (21)

  1. 주파수 레퍼런스 발진기 디바이스로서, 상기 디바이스는:
    제1 장기간 (long-term) 안정성 및 제1 주파수-대-온도 턴오버 (turnover) 온도를 가진 제1 공진기를 포함하며, 제1 주파수 신호를 제공할 수 있는 제1 발진기,
    상기 제1 장기간 안정성보다 하위인 제2 장기간 안정성 및 제2 주파수-대-온도 턴오버 온도를 가진 제2 공진기를 포함하며, 제2 주파수 신호를 제공할 수 있는 제2 발진기,
    상기 제1 공진기의 온도를 본질적으로 상기 제1 턴오버 온도로 조절하며 상기 제2 공진기의 온도를 본질적으로 상기 제2 턴오버 온도로 조절하기 위한 자동온도조절 제어기, 그리고
    온도 안정된 그리고 장기간 안정된 출력 주파수 신호를 제공하기 위해서 상기 제2 발진기의 주파수를 조절하기 위해 상기 제1 주파수를 사용하도록 구성된 안정성 제어 회로를 포함하는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 주파수 신호를 사용하도록 적응되며, 그리고 상기 제2 발진기의 주파수를 조절하기 위해 상기 제2 주파수 신호를 활용하는 피드백 루프를 사용하도록 적응되며, 그에 의해 상기 안정된 출력 주파수 신호 및 상기 제2 주파수 신호는 상기 제2 발진기의 출력단에서 획득되는, 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 발진기의 온도에 기능적으로 독립적인, 디바이스.
  4. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자동온도조절 제어기는 상기 제 1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호에 기능적으로 독립적인, 디바이스.
  5. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안정성 제어 회로는 상기 제1 발진기를 작동하도록 구성되며 그리고 상기 제2 발진기를 상기 조절하는 것을 위해 상기 제1 주파수 신호를 간헐적으로 사용하도록 구성된, 디바이스.
  6. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는 축퇴 도핑 (degenerately doped) 정전기적 작동 단일-결정 MEMS 공진기인, 디바이스.
  7. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 공진기는 질화 알루미늄 박막 작동 실리콘 공진기와 같은 축퇴 도핑 압전성 작동 혼합 MEMS 공진기인, 디바이스.
  8. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 발진기 및/또는 제2 발진기는,
    적어도 9*1019 cm-3의 평균 도핑 농도로 도핑된 실리콘을 포함하는 공진기,
    섭씨 85도 이상의 턴오버 온도의 고온 턴오버 포인트를 구비한 특성 주파수-대-온도 커브를 가지는 공진 모드로 상기 공진기를 여기시키기 위한 액추에이터를 포함하는, 디바이스,
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공진기의 상기 도핑 농도는 적어도 1.1*1020cm-3 이며 그리고 상기 주파수-대-온도 커브는 두 개의 턴오버 포인트들을 가지며, 하나의 턴오버 포인트는 상기 고온 턴오버 포인트이며 다른 하나의 턴오버 포인트는 옵션으로 섭씨 85도 미만의 온도에 위치한 저온 턴오버 포인트인, 디바이스.
  10. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 턴오버 온도 및 제2 턴오버 온도 둘 모두는 섭씨 85도 이상인, 디바이스.
  11. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 턴오버 온도는 상기 제1 턴오버 온도와 실질적으로 상이하며, 특히 적어도 섭씨 5도 상이한, 디바이스.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 턴오버 온도는 상기 제1 턴오버 온도와 실질적으로 동일하며, 특히 상기 제1 턴오버 온도와 많아야 섭씨 5도 상이하며, 그리고 상기 자동온도 조절 제어기는 상기 제1 공진기의 온도 및 상기 제2 공진기의 온도를 실질적으로 동일한 온도로 조절하도록 적응된, 디바이스.
  13. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 발진기 및 제2 발진기 각자의 캐리어 주파수들로부터의 주파수 오프셋들이 각자의 캐리어로부터 오프셋되어, 100 Hz와 같은, 어떤 주파수만큼 위에 있을 때에, 상기 제2 발진기는 상기 제1 발진기보다 더 낮은 특성 위상 잡음을 가지는, 디바이스.
  14. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는 레임 (Lame) 모드에서 발진하도록 적응된 플레이트 (plate) 공진기 또는 길이 확장 (length extensional) 모드에서 발진하도록 적응된 빔 (beam) 공진기인, 디바이스.
  15. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및/또는 제2 공진기는 1과는 상이한 평면내 (in-plane) 외관 비율을 가진 플레이트 요소나 빔 요소이며, 그리고 정사각형 확장/폭 확장, 평면내 굴곡, 비평면 굴곡 (out-of-plane flexural), 또는 길이-확장/레임 모달 (
    Figure pct00004
    modal) 분기에서 발진하도록 적응된, 디바이스.
  16. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및/또는 제2 공진기는, 1.3*1020 cm-3 이상처럼 1.1*1020 cm-3 이상의 평균 농도로 도핑된 실리콘-기반 공진기인, 디바이스.
  17. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 공진기는,
    1.3*1020 cm-3 이상의 n-유형 도펀트 농도를 가진 실리콘 베이스 레이어,
    상기 베이스 레이어 제일 위에 겹쳐진 전도성 전극 레이어 및 질화 알루미늄 트랜스듀서 레이어를 포함하며,
    상기 공진기는 플레이트 또는 빔의 형상으로, 그것의 외형은 상기 공진 모드 내 요소에 대해 상기 적어도 두 턴오버 포인트들을 제공하는 TCF2 및 TCF3 특성들과 함께 본질적으로 영인 TCF1을 생성하는, 디바이스.
  18. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안정성 제어 회로는, N-분주 (fractional-N) PLL 회로 또는 마이크로제어기-기반 회로와 같은, 위상 고정 루프 (PLL)-기반 회로를 포함하는, 디바이스.
  19. 이전 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및 제2 공진기는 상이한 공진 모드들에서 공진하도록 적응된 축퇴 도핑 실리콘 공진기들인, 디바이스.
  20. 주파수 레퍼런스 신호를 안정시키는 방법으로, 상기 방법은,
    제1 장기간 안정성 및 제1 주파수-대-온도 턴오버 온도를 가지며, 제1 주파수 신호를 제공할 수 있는 제1 공진기를 제공하는 단계
    상기 제1 장기간 안정성보다 하위인 제2 장기간 안정성 및 제2 주파수-대-온도 턴오버 온도를 가지는 제2 공진기를 포함하며, 제2 주파수 신호를 제공할 수 있는 제2 발진기를 제공하는 단계,
    상기 제1 공진기의 온도를 상기 제1 턴오버 온도로 그리고 상기 제2 공진기의 온도를 상기 제2 턴오버 온도로 가열하기 위한 자동온도조절 제어를 사용하는 단계, 그리고
    안정된 출력 주파수 신호를 제공하기 위해서 상기 제2 발진기를 조절하기 위해 상기 제1 주파수를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 주파수 레퍼런스 발진기 디바이스가 사용되는, 방법.
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