NO20022045L - Tidsreferanseoscillator med mikromekanisk ringresonator - Google Patents

Abstract

Tidsreferanseoscillator som omfatter en resonator (4) og en integrert elektronisk krets (3) for å drive resonatoren i oscillasjon og i respons på oscillasjonen frembringe et signal med en gitt frekvens. Resonatoren er en integrert mikromekanisk ringresonator (4) som er holdt på plass på oversiden av et substrat (2) og innrettet for å oscillere i en første oscillasjonsmodus om en rotasjonsakse (O) som i alt vesentlig står normalt på substratets hovedplan, idet denne ringresonator (4) omfatter en sentral post (5) som strekker seg ut fra substratet (2) langs rotasjonsaksen (O), og en frittstående oscillatorstruktur (6) som er koplet til den sentrale post.

Description

Denne oppfinnelse gjelder en tidsreferanseoscillator som omfatter en resonator og en integrert elektronisk krets for å drive resonatoren i oscillasjon og i respons på oscillasjonen frembringe et signal med en gitt frekvens.

Tidsreferanseoscillatorer eller frekvensstandarder brukes i et stort omfang av elektroniske innretninger, alt fra armbåndsur og andre tidsindikatorer til komplekse tele-kommunikasjonsanlegg. Slike tidsreferanser har typisk en oscillator som svinger ved hjelp av et kvartskrystall i en resonatorkrets og med en tilhørende elektronisk krets for å drive kvartskrystallet til oscillasjon i kretsen. En ytterligere delekjede kan brukes for å dele oscillatorfrekvensen ned slik at man får en lavere synkron frekvens fra tidsrefe-ransen. Andre deler av kretsen kan tjene til innregulering av frekvensen, f.eks. ved å regulere deleforholdet i delekjeden. Komponentene i den elektroniske krets er fortrinnsvis integrert sammen på et enkelt halvledersubstrat, og ofte brukes såkalt CMOS-teknologi. Andre funksjoner som ikke er direkte relatert til frekvensbehandlingen kan også være integrert på samme substrat.

Fordelene med kvartskrystallresonatorer er at de har en meget stor godhetsfaktor (Q-verdi), hvilket fører til god frekvensstabilitet og lite strømforbruk, så vel som god temperaturstabilitet. En ulempe for typiske tidsreferanser som bruker kvartsresonatorer har man imidlertid ved at to komponenter, nemlig kvartsresonatoren og den integrerte elektroniske krets trengs for å generere et signal ved en presis frekvens. En diskret kvarts-resonator krever dessuten kretskortplass, idet slik plass ikke alltid er lett tilgjengelig i mange tilfeller. En standard kvartskrystall i en resonatorkrets for et armbåndsur trenger således omtrent 2x2x6 mm<3>. Videre har man tilleggskostnader ved sammenstillingen og sammenkoplingen av de to komponenter. Det er rombehovet og sammenstillingskostna-dene som er hovedfaktorene, særlig innenfor det stadig voksende felt av bærbare elektroniske innretninger.

Et hovedmål med denne oppfinnelse er dermed å komme frem til en løsning av de problemer som er skissert ovenfor ved at det lages en tidsreferanseoscillator som omfatter en integrert resonator, som er fullstendig integrert på et enkelt substrat som er egnet for masseproduksjon og er kompatibelt med CMOS-teknologi, som har en resonator med bedret struktur-faktor og således større frekvensstabilitet og lavere strømforbruk enn det har vært vanlig tidligere, men som i tillegg har lave kostnader og bare trenger et meget lite overflateareal på en halvlederbrikke.

Løsningen på dette er den oscillator som er nærmere angitt i patentkrav 1, nemlig en tidsreferanseoscillator som omfatter en resonator og en integrert elektronisk krets for å drive resonatoren i oscillasjon og i respons på oscillasjonen frembringe et signal med en gitt frekvens. Denne oscillator er særlig kjennetegnet ved at resonatoren er en integrert mikromekanisk ringresonator som er holdt på plass på oversiden av et substrat og innret tet for å oscillere i en første oscillasjonsmodus om en rotasjonsakse O som i alt vesentlig står normalt på substratets hovedplan, idet denne ringresonator omfatter:

- en sentral post som strekker seg ut fra substratet langs rotasjonsaksen O,

- en frittstående oscillatorstruktur som er koplet til den sentrale post og på sin side omfatter:

- en ytre ring som er koaksial med rotasjonsaksen, og

- flere fjærelementer som er anordnet symmetrisk rundt posten og kopler den ytre ring til denne post, og - minst ett par diametralt motsatte elektrodestrukturer anordnet rundt den ytre ring og koplet til den integrerte elektroniske krets.

En fordel med oppfinnelsens tidsreferanse ligger i at ringresonatoren av mikromekanisk type har stor Q faktor. Man har faktisk målt så høye Q faktorer som 2xl0<5>. Til sammenligning er kvartsresonatorer av stemmegaffeltypen vanligvis med dårligere Q faktor, f.eks. mellom 5xl0<4>og lxlO<5>etter lasertrimming av gaffelbena. Forskjellige konstruksjonstrekk som favoriserer en stor Q faktor er gitt i trekkene i underkravene og skal nå beskrives i detalj.

I tillegg er det overflateareal som trengs på substratet for en gitt resonansfrekvens og for å danne ringresonatoren lite sammenlignet med det tilsvarende areal i andre resonatorer.

I et særlig aspekt av oppfinnelsen er det slik at den elektroniske krets er integrert på substratet sammen med den mikromekaniske ringresonator, hvorved man får en lav-kosttidsreferanse. En lavere pris oppnås også ved vaffellagpakking av resonatoren ved å bruke vaffelbindingsteknologi.

Det skal her bemerkes at ringresonatorer med tilsvarende trekk allerede er kjente fra sensorer, så som vinkelforholdssensorer, akselerometere eller gyroskoper. Det vises blant annet til patentlitteraturen, US 5 450 751 og 5 547 093 hvor det er gitt enerett til en mikromekanisk ringresonator for et vibrasjonsgyroskop og omfattende en platebelagt metallring og et fjærsystem som er oppspent på oversiden av et silisiumsubstrat. US 5 872 313 går ut på en variant av en slik sensor og konfigurert for å fremvise minimal føl-somhet overfor temperaturvariasjoner. US 5 025 346 gjelder videre en ringresonator for bruk som en mikrosensor i et gyroskop eller en vinkelforholdssensor.

Ingen av disse patentskrifter indikerer eller foreslår likevel en slik type ringresonator som hører til en oscillatorkrets og kan arbeide som frekvensstandard eller tidsreferanse. Videre vil en rekke konstruksjonstrekk (så som formen av og antallet fjærelementer) i ringresonatorene beskrevet i disse dokumenter være slik at de ikke er særlig egnet for horologiske anvendelser hvor frekvensstabilitet og lite strømforbruk er vesentlig. De resonanskretser som f.eks. er beskrevet i US 5 025 346 har således en Q-faktor i området 20-140, altfor lav for å kunne brukes i høypresise tidsreferanser i horologiske anvendel ser, mens kvartsresonatorer brukt for slike anvendelser bør ha Q-faktorer i størrelsesorden lxlO<4>til lxl05, som nevnt ovenfor.

I henhold til oppfinnelsen foreslås forskjellige konstruksjonstrekk som fører til store Q-faktorer, en høy stabilitet av oscillasjonsfrekvensen overfor variasjoner i drivspenningens amplitude, og toleranse for fabrikasjons variasjoner. Faktisk er et av hovedmålene for anvendelsen som en oscillator en høy Q-faktor. Har man det får man en stabilere oscillasjon med liten fasestøy og lavt strømforbruk, hvilket er et behov for horologiske anvendelser.

I samsvar med andre aspekter av oppfinnelsen foreslås forskjellige mekanismer for i alt vesentlig kompensasjon av virkningene av temperaturvariasjoner på ringresonatorens resonansfrekvens.

I henhold til et annet aspekt av oppfinnelsen er det videre skaffet tilveie en integrert temperaturmålekrets beregnet til kompenasjon av virkningene av temperaturen på frekvensen av det signal som frembringes av tidsreferanse. En slik kompensasjon av resonatorens temperaturavhengighet kan lett utføres siden ringresonatoren ifølge oppfinnelsen har fordelen med å fremvise en meget lineær temperaturkarakteristikk.

I samsvar med nok et aspekt av oppfinnelsen kan en andre mikromekanisk ringresonator utformet på substratet for å muliggjøre temperaturkompensering. I et annet aspekt oppnås slik temperaturkompensering også ved å bruke en enkelt mikromekanisk ringresonator som arbeider samtidig i to svingemodi, hver med sin separate resonansfrekvens.

Andre aspekter for oppfinnelsen, trekk ved denne og fordeler med den vil fremgå ved gjennomlesing av detaljbeskrivelsen nedenfor, idet denne heller ikke begrensende eksempler og utførelsesformer, og samtidig vises til tegningene, hvor: Fig. 1 viser skjematisk en første utførelse sett ovenfra av en tidsreferanse ifølge oppfinnelsen og omfattende en mikromekanisk ringresonator og en integrert elektronisk krets, fig. 2 viser i detalj den sentrale post på resonatoren og denne posts forbindelse med fjærelementer, fig. 3 viser en del av den ytre ring med forbindelsene med fjærelementene, fig. 4 viser et snitt av resonatoren på fig. 1 langs linjen A-A', fig. 5 viser et idealisert rett fjærelement med et utsnitt av den ytre ring, fig. 6 viser skjematisk en andre utførelse av en tidsreferanse ifølge oppfinnelsen, fig. 7a-7c viser nærmere detaljer i tre forskjellige løsninger for å hindre at ringresonatoren setter seg fast på elektrodestrukturene, fig. 8 viser en forbedring av den første utførelse vist på fig. 1, fig. 9 viser et snitt av utførelsen vist på fig. 8, langs linjen A-A', fig. 10a og 10b viser to varianter av en mekanisme for å endre massetreghetsmomentet av ringresonatoren som funksjon av temperaturen, i den hensikt å korrigere temperaturens virkning på ringresonatorens resonansfrekvens, fig. Ila og 1 lb viser en andre oscillasjonsmodus hvor resonatoren utfører en vippeoscillasjon, og fig. 12a og 12 viser en andre oscillasjonsmodus hvor resonatoren utfører en vertikal oscillasjon normalt på hovedplanet for substratet. Fig. 1 viser således skjematisk en første utførelse sett ovenfra, av oppfinnelsens tidsreferanseoscillator. En integrert slik tidsreferanse (oscillator) er generelt gitt henvis-ningstallet 1 og omfatter en resonator 4 og en integrert elektronisk krets 3 for å drive resonatoren til oscillasjon og for å frembringe et signal med en gitt frekvens, i respons på denne oscillasjon. Fig. 4 viser et utsnitt av ringresonatoren 4 langs linjen A-A' på fig. 1.

Den integrerte elektroniske krets 3 er ikke vist i detalj, siden denne krets lett kan konstrueres av fagfolk innenfor denne teknikk. Fortrinnsvis er både den integrerte elektroniske krets 3 og resonatoren 4 utført på og integrert i ett og samme substrat 2 slik det er illustrert på fig. 1. Et foretrukket substratmateriale er silisium, men andre tilsvarende materialer som er kjent innenfor faget kan også være like godt egnet for å fa fremstilt oppfinnelsens tidsreferanseoscillator.

I samsvar med oppfinnelsen er resonatoren 4 utført i form av en monolittisk mikromekanisk resonansring, heretter kalt en mikromekanisk ringresonator, og denne ring eller resonator er i alt vesentlig oppspent på oversiden av substratet 2 og innrettet for å oscillere om sin rotasjonsakse O hovedsakelig normalt på substratets 2 hovedplan (overflate). Ringresonatoren 4 omfatter i alt vesentlig en sentral post 5 som strekker seg fra substratet 2 langs rotasjonsaksen 0, og en frittstående oscillatorstruktur 6 som er koplet til denne post 5.

Strukturen 6 omfatter en ytre ring som er koaksial med rotasjonsaksen O, og flere fjærelementer 62 anordnet symmetrisk rundt posten 5 og forbindende den ytre ring 60 med denne post. Fjærelementene 62 er i alt vesentlig utformet som krumme stangformede fjærelementer. Posten 5 er således den eneste mekaniske forbindelse mellom ringresonatoren 4 og substratet 2, og resonatorens svingninger utføres derfor i et plan som strekker seg hovedsakelig parallelt med overflaten av substratet.

Ringresonatoren 4 ifølge oppfinnelsen omfatter videre et par diametralt motstående elektrodestrukturer som omslutter den ytre ring 60 og er angitt med henvisningstal-let 9 på fig. 1. I den viste første utførelse på denne tegning har strukturen 9 kamformede elementer 8 som inngår som en del av elektrodestrukturen og hvert omfatter et basiselement 80 som danner en stamme som strekker seg radialt fra den ytre ring 60, og første sideelementer 82 henholdsvis andre sideelementer 84 som strekker seg ut som grener tilnærmet normalt fra stammen eller basiselementet 80, på den ene henholdsvis andre side av denne (dette).

Elektrodestrukturene 9 omfatter videre første henholdsvis andre kamformede elektrodestrukturer 91 og 93 som omslutter den ytre ring, men nå på en slik måte at de er ført innover og i interdigitalt inngrep med de kamformede elementer 8. I denne første utførelse har den første kamformede elektrodestruktur 91 første sidestilte elektroder 92 som danner grener i interdigitalt inngrep med sideelementene 82, og tilsvarende tar den andre kamformede elektrodestruktur 93 (anordnet motsatt den første struktur 91) andre sidestilte elektroder 94 på motsatt side for interdigitalt inngrep med de andre sideelemen ter 84 tilhørende det kamformede element 8, slik det fremgår av tegningen. Som det fremgår av denne er sideelementene 82 og 84 og elektrodene 92 og 94 tilhørende den første og andre elektrodestruktur 91 henholdsvis 93 fortrinnsvis utformet slik at de danner sirkelbueform og følger sirkelbuer som er konsentriske med den ytre ring 60.

I denne utførelse tjener de første kamformede elektrodestrukturer 91 til elektrostatisk aktivering av ringresonatoren 4 for å bringe denne til oscillasjon, mens den andre kamformede elektrodestruktur 93 som er anordnet på motsatt side av baseelementene 80 tjener til kapasitiv registrering av resonatorens oscillasjon. De første elektrodestrukturer 91 som omslutter resonatoren 4 er koplet sammen via en første elektrisk leder 11 anordnet på substratet 2, og tilsvarende er de andre elektrodestrukturer 93 koplet sammen via en andre leder 12 på samme substrat 2. Disse ledere 11, 12 så vel som en tredje leder 13 danner en elektrisk kontakt med ringen via den sentrale post 5 og er koplet til sine respektive terminaler i den elektroniske krets 3.

Fig. 4 viser et vertikalsnitt langs linjen A-A' på fig. 1 av ringresonatoren 4. Dens tykkelse og øvrige dimensjoner er imidlertid ikke i skala. Figuren viser substratet 2, den sentrale post 5 langs rotasjonsaksen O for ringresonatoren, den frittstående oscillatorstruktur 6 som innbefatter den ytre ring 60 og fjærelementene 62, sideelementene 82 tilhørende de kamformede elementer 8, elektrodene 92 tilhørende de første kamformede elektrodestrukturer 91 og den første og andre leder 11, 12 som forbinder elektrodestrukturene 91 henholdsvis 93 rundt den ytre ring 60. Figuren viser videre et første iso-lasjonslag 20 som kan være av silisiumoksid og er anordnet på oversiden av substratets 2 overflate, under ringresonatoren. På dette lag 20 ligger lederne 11 og 12. Et andre iso-lasjonslag 21 som kan være et annet oksidlag eller et silisiumnitridlag er dannet på oversiden av det første lag 20, under ringresonatoren 4.

Resonansringstrukturen fremstilles fortrinnsvis ved hjelp av mikromaskinerings-teknikk for silisiumoverflater, og dette er kjent innenfor faget og behøver derfor ikke gjennomgås nærmere. En slik teknikk gjør bruk av et polysilisiumlag som er avsatt på toppen av et såkalt "offerlag" for å danne resonatorens frittstående strukturer. En annen teknikk brukes som et nedsenket oksidlag, så som f.eks. i et silisiummateriale på en isola-tor av vaffelmønstertypen (SOI), som offerlag og hvilket fører til en frittstående struktur av enkrystallinsk silisium. Andre material- og prosessteknikker kan også brukes for å utføre en mikromekanisk ringresonator ifølge oppfinnelsen.

En av hovedmålene for en anvendelse som en tidsreferanse eller frekvensstandard er at en resonator har en stor godhet eller høy Q-faktor. En høy Q-verdi fører til en stabil oscillasjon med liten fasestøy og lite strømforbruk, slik det er et behov ved horologiske anvendelser. Q-faktoren av oppfinnelsens resonator er meget stor på grunn av flere fordelaktige konstruksjonstrekk som skal gjennomgås nærmere nedenfor. Som allerede nevnt ovenfor kan Q-faktorer så store som 2xl0<5>måles i slike strukturer. Til sammenlig ning kan stemmegaffelkvartsresonatorer vanligvis bare nå opp til 5xl0<4>og lxlO<5>etter lasertrimming av stemmegaffelbena.

Formen av fjærelementene 62 som forbinder den ytre ring 60 med den sentrale post 5 er optimalisert for å oppnå en høy godhetsfaktor Q. I motsetning til de forhold man har når man bruker rette fjærelementer vil strekkspenningene langs bøyelinjen i det foreliggende tilfellet bli fordelt jevnt over fjærelementet. Deres krumme form er slik at ener-gitapene per oscillasjonsperiode holdes på et minimum.

I tillegg er leddene 63 for fjærelementene 62 der disse forbindes med den sentrale post 5 hovedsakelig perpendikulære, slik det er vist på fig. 2. Fortrinnsvis har man en rundt fasong eller foringer 63a i disse ledd 63. Foringene 63a hindrer "hakkspenninger" under oscillasjonen, slik at en høyere kvalitetsfaktor Q fremheves, siden i alt vesentlig ingen energi da vil forsvinne i posten 5 under oscillasjonen. Videre holdes denne post hovedsakelig fri for spenning, hvilket igjen gir bedre Q-faktor. Fig. 3 viser hvordan leddene 64 for fjærelementene 62 er anordnet i forbindelse med den ytre ring 60. Også her er foretrukne konstruksjonsdetaljer perpendikulære ledd 64 og foringer 64a.

Ved å bruke flere fjærelementer 62 i stedet for det minste antall lik tre som trengs for en veldefinert oppspenning, øker man Q-faktoren. Ved det faktum at mindre geometriske variasjoner (så som som et resultat av romlige fluktasjoner ved prosesseringen) så vel som materialujevnheter blir midlet over antallet fjærelementer vil godhetsfaktoren Q øke med antallet slike elementer. Den øvre grense gis av geometriske restriksjoner ut fra konstruksjonsreglene for mikrostruktureirngsprosessen. Antallet fjærelementer bør derfor ligge mellom fire og femti, fortrinnsvis har man et område rundt tyve som optimalt.

Et annet element som favoriserer en stor godhetsfaktor av ringresonatoren er den perfekte rotasjonssymmetriske struktur hvor tyngdepunktet for hele strukturen holdes ubevegelig. Ulineære virkninger som gjerne arter seg i de fleste andre resonatortyper fjernes derfor i stor grad.

Oppfinnelsens ringresonator har en resonansfrekvens som innreguleres over ry stort frekvensområde ved å endre resonatorens geometriske dimensjoner. Resonatoren kan betraktes som flere fjærelementer som er koplet til et segment av den ytre ring 60. I en nullordenstilnærmelse og for å kunne komme nær et algebraisk uttrykk for resonansfrekvensen kan man studere nærmere tilfellet for et rett fjærelement 22 som er koplet til et segment 27 av den ytre ring 60, slik det er illustrert på fig. 5. Resonansfrekvensen fr for en slik struktur vil være slik det er gitt av formelen nedenfor:

hvor J = d • w<3>/ 12 er overflatetreghetsmomentet av strukturen, E er elastisitetsmodulen, d er tykkelsen, w er bredden og 1 er lengden av fjærelementet 22, mr er massen av ring-segmentet 27, og ms er massen av fjærelementet 22. Ut fra formelen ovenfor fremgår at

resonansfrekvensen kan påvirkes ved å variere bredde og/eller lengde av fjærelementene eller ved å endre massen av den ytre ring 60 (innbefattet massen av de kamformede elementer 8), igjen via de geometriske dimensjoner. Skalering av hele strukturen vil ytterligere utvide det tilgjengelige frekvensområdet.

Det er viktig for masseproduksjonen av en slik ringresonator og holde resonansfrekvensen den samme fra en brikke til den neste, om ikke annet så innenfor små toleranser. Toleranser i resonansfrekvensen og som skyldes mindre variasjoner i prosessparame-tere kan reduseres i stort omfang ved omhyggelig dimensjonering av ringen og fjærene. Dette kan igjen vises ved å bruke eksempelet illustrert på fig. 5. Resonansfrekvensen vil bli lavere enn den projiserte verdi dersom den aktuelle bredde av fjærelementene 22, angitt med 26 på tegningen, er mindre etter prosesseringen, dvs. som følge av en overetsing, enn en ønsket, nominell bredde 25. Hvis man imidlertid innser at massen av ringen 60 (så vel som massen av baseelementene 80 og sideelementene 82, 84) samtidig reduseres ved den samme overetsing vil reduksjonen i resonansfrekvens kompenseres ved reduksjon av disse masser. Åpninger i ringen og skinner (ikke vist i tegningene), som kan være nødvendige for å maskinere og fremstille strukturen, favoriserer denne virkning.

Det overflateareal som trengs i ringresonatoren i samsvar med oppfinnelsen er meget lite i forhold til den resonansfrekvens som oppnås. En ringresonator av den type vil f.eks. kunne konstrueres for en ganske lav resonansfrekvens på 32 kHz og trenger da en overflate godt under 1 mm<2>. Konvensjonelle resonatorer krever relativt store strukturer for å oppnå såvidt lave resonansfrekvenser. For en gitt geometrisk layout vil dimen-sjonene og frekvensen være omvendt proporsjonale, dvs. at jo større geometriske dimensjoner man har, desto lavere frekvens får man. Til sammenligning er det i patentskriftet EP 0 795 953 beskrevet en silisiumresonator som krever en overflate på omkring 1,9 mm for en høyere frekvens på 1 MHz. Det er åpenbart at substratoverflatearealet som trengs for resonatoren også er direkte relatert til prisen av en integrert tidsreferanseoscillator.

Ringresonatorens resonansfrekvens vil innenfor et temperaturområde på 0-60 °C med god tilnærmelse være en lineær funksjon av temperaturen. Ved en resonansfrekvens på 45 kHz har man registrert at temperaturkoeffisienten av resonansfrekvensen er i stør-relsesorden -25 ppm/°C, og det er således ønskelig å inkorporere en temperaturmålekrets innenfor samme substrat 2, slik at man far et utgangssignal som kan brukes til å kompensere for denne frekvens variasjon med temperaturen, ved på hensiktsmessig måte å innre-gulere frekvensen av det signal som frembringes av tidsreferanseoscillatoren.

For dette kan oppfinnelsens oscillator på en fordelaktig måte omfatte en integrert temperaturmålekrets (ikke vist). Et eksempel på en slik krets er allerede beskrevet i en artikkel "Smart Temperature Sensor in CMOS Technology" av P. Krumenacher og H. Oguey i "Sensors and Actuators", A21-A23 (1990), pp 636-638. I artikkelen beskrives hvordan temperaturkompensasjon oppnås ved å endre deleforholdet i en delekjede, f.eks. ved å bruke en sperreteknikk som er velkjent innenfor faget.

Alternativt kan to ringresonatorer, hver med sin separate resonansfrekvens inte-greres inn på en og samme brikke, og et slikt arrangement tillater at brikketemperaturen bestemmes nøyaktig ved å måle frekvensforskj ellen mellom resonatorene (idet begge resonatorer har samme temperaturkoeffisient siden de er av samme materiale).

Fordelen med å bruke integrerte tidsreferanseoscillatorer så som ifølge oppfinnelsen er tofold: først og fremst vil temperaturavhengigheten for ringresonatoren være lineær, hvilket letter behandlingen av det elektroniske signal for å kompensere for end-ringer når temperaturen endres. For det andre og viktigere tillater den beskjedne størrelse og monolittiske integrasjon av ringresonatoren at også en andre resonator kan være anordnet ved siden av, med bare en ubetydelig økning i brikkestørrelsen og uten ytterligere eksterne tilkoplinger.

Alternativt kan man ifølge en særlig fordelaktig utførelse av oppfinnelsen bruke en enkelt ringresonator som samtidig arbeider i to svingemodi. En første av disse modi er den allerede beskrevne rotasjonsmodus hvor resonatoren svinger om sin rotasjonsakse O. En andre svingemodus kan være en vippeoscillasjonsmodus hvor den frittstående struktur 6 oscillerer ved å vippe til den ene henholdsvis andre side i forhold til substratplanet. En slik vippemodus for oscillasjonen eller svingningen kan aktiveres elektrostatisk og regist-reres kapasitivt ved å bruke ytterligere elektroder på substratet på undersiden av ringarea-let. De to svingemodi velges til å svinge ved forskjellig frekvens, slik at temperaturkompensasjon kan oppnås ved å måle frekvensforskj ellen. En skjematisk illustrasjon av en slik vippesvingemodus er vist på fig. 1 la og 11b, og det vises der to sett elektroder 100 og 120 (i dette tilfellet med i alt fire elektroder) med hovedsakelig sirkelbueform og anordnet på substratet på undersiden av ringen 60 slik at det første sett elektroder 100 driver strukturen 6 i vippeoscillasjon, mens det andre sett elektroder 120 registrerer denne vip-pesvingning. Settet drivelektroder 100 og settet registreringselektroder 120 er anordnet på innbyrdes motsatt side av strukturen 6 i forhold til den sentrale post 5 (på henholdsvis venstre og høyre side på fig. Ila).

Nok en svingemodus (en tredje) kan være en vertikal svingemodus hvor den frittstående struktur 6 utfører vertikale svingninger i et plan normalt på substratets over-flateplan, dvs. at strukturen 6 oscillerer i en retning parallelt med rotasjonsaksen O. Dette er skjematisk vist på fig. 12a og 12b, og som vist der er det også to sett elektroder 130 og 150 anordnet på substratet under ringen 60 slik at det første sett elektroder 130 aktiverer strukturene 6 til en oscillasjon normalt på substratplanet, mens det andre sett elektroder 150 registrerer denne oscillasjonen. I motsetning til vippemodusen er settet elektroder 130, 150 anordnet symmetrisk om den sentrale post 5, dvs. settet med elektroder omfatter diametralt motstående elektroder.

Som allerede nevnt tjener de kamformede elektrodestrukturer 91 som er vist i utførelsen på fig. 1 til elektrostatisk aktivering av ringresonatoren 4 slik at denne svinger, mens de motsatte kamformede elektrodestrukturer 93 tjener til kapasitiv registrering av denne mekaniske svingning. Et vekselspenningssignal påtrykkes elektrodestrukturene 91 for å etablere elektrostatiske krefter som virker på ringen og får denne til å oscillere, hvilket på sin side fører til et vekselspenningssignal på det motsatte sett elektrodestrukturer 93, når resonatoren arbeider. Det fremgår at elektrodestrukturen 91 og 93 er omvek-selbare.

Siden man har et parabolsk forhold mellom den spenning som påtrykkes elektrodene og den resulterende kraftpåvirkning av ringen og det er ønskelig å tilføre en konstant likespenning i tillegg til vekselspenningen for å oppnå et hovedsakelig lineært kraft/spenningsforhold vil man slik det er vist på fig. 1 gjerne ha tre signallinjer eller ledere 11-13 som henholdsvis er koplet til elektrodestrukturene 91, elektrodestrukturene 93 og den sentrale post 5. Disse linjer tjener til å aktivere ringoscillatoren til svingning og registrere svingningene via de respektive elektrodestrukturer.

I en første variant kan lederen 13 brukes til å påtrykke likespenningskompo-nenten på ringresonatoren via posten 5, mens vekselspenningskomponenten påtrykkes elektrodestrukturene 91 via lederen 11, idet lederen 12 brukes til å registrere resultatsig-nalet. I en andre variant kan veksel- og likespenningen overlagres på strukturene 91 via lederen 11, mens ringresonatoren holdes på et fast potensial så som jordpotensial via lederen 13. Lederen 12 brukes til å registrere signalet i dette tilfellet. Det innses at elektrodestrukturene 91 og 93 kan byttes om og at strukturene 31 alternativt kan brukes til aktivering av oscillatoren, mens strukturene 91 brukes til registrering.

Alternativt kan registreringen utføres ved å detektere en endring i impedansen ved resonans. Fig. 6 viser en slik løsning hvor det bare trengs to ledere, lederne 11 og 13 og en elektrodestruktur 9<*>som omfatter et enkelt sett kamformede elektrodestrukturer 91 koplet til lederen 11 (idet de kamformede elementer 8<*>er modifisert tilsvarende og bare omfatter første sideelementer 82). I en første variant av dette påtrykkes driweksel-spenningen via lederen 11 på det ene sett elektrodestrukturer 91, mens likespennings-komponenten påtrykkes ringen via lederen 13.1 en annen variant kan summen av veksel-og likespenningen for aktiveringen påtrykkes elektrodestrukturene 91 via lederen 11, idet ringen i dette tilfellet er koplet via lederen 13 til et fast potensial så som jordpotensial.

Toledervarianten gir to fordeler, nemlig (i) en reduksjon i diameteren av hele strukturen siden den andre leder og et andre sett elektrodestrukturer som omslutter ringen ikke lenger trengs, og (ii) muligheten av å ha et større antall kamformede elektrodestrukturer 91 langs omkretsen av den ytre ring 60, hvilket fører til et forsterket signal.

De enkelte svingemodi for ringresonatoren er satt opp i en tabell nedenfor, og det fremgår at i en av de varianter som er nevnt ovenfor vil signalene som påtrykkes driv-elektrodene og ringen, nemlig vekselspenningen og likespenningen kunne byttes om.

Det faktum at sideelementene 82, 84 og elektrodene 92, 94 har krum fasong og ligger konsentrisk i forhold til den ytre ring 60 reduserer ulineariteter i den elektro-mekaniske kopling, hvilket fører til en stor Q-verdi på den ene side og en resonansfrekvens av ringresonatoren hovedsakelig uavhengig av amplituden av veksel- og li-kespenningene for aktiveringen, på den annen side. Videre kan den mikromekaniske ringresonator ifølge oppfinnelsen utstyres ved hjelp av spenninger som er helt nede i 1,5 V, hvilket er en stor fordel for bærbart elektronisk utstyr.

I tillegg er det slik at man grunnet elektrostatisk aktivering og kapasitiv registrering og ved at man får en stor Q-verdi bestemt av konstruksjonen vil man få et strømfor-bruk for ringresonatoren på 10 til 100 ganger mindre enn for en kvartskrystallresonator, hvilket er av særlig interesse for bærbare elektroniske apparater.

Fig. 7a-7c viser tre forskjellige fordelaktige konstruksjonstrekk som er ment å hindre at ringresonatoren kan kile seg fast eller slutte å svinge i tilfelle et støt. I den første variant vist på fig. 7a er det anordnet stoppstrukturer 28 på substratet 2 ved de ytre ender 80a av baseelementene 80. Disse stoppstrukturer 28 er utformet slik at de begrenser vin-kelbevegelsen av ringstrukturen 6 og således hindrer at den frittstående oscillatorstruktur 6 kan komme til å bli festet til elektrodestrukturene 9 når eksessive vinkelbevegelser finner sted, som f.eks. et resultat av mekaniske støt.

Et alternativ er vist på fig. 7b hvor endene 82a, 84a av sideelementene 82, 84 og/eller endene 92a, 94a av elektrodene 92, 94 kan være utformet slik at de fremviser en tilspisset form eller i det minste en tilstrekkelig liten overflate til at fastkiling eller feste hindres.

Endelig er den tredje variant vist på fig. 7c, og hvor et av sideelementene 82, 84, her vist som 82<*>og 84<*>, er utført lenger enn de øvrige, slik at man reduserer adhesjons- krefter når de kamformede elementer 8 og de kamformede elektrodestrukturer 91, 93 kommer i eventuell mekanisk kontakt med hverandre. Åpenbart får man samme virkning når en av elektrodene 92 og 94 er lenger enn de øvrige. Fig. 8 og 9 viser en forbedring av den mikromekaniske ringresonator 4 i samsvar med oppfinnelsen, nemlig i forhold til den utførelse som er vist på fig. 1. Fig. 9 viser et snitt fra fig. 8 langs linjen A-A'. Et elektrisk ledende mønster 31 er anordnet på (eller på undersiden av) overflaten av substratet 2 under i det minste en del av den frittstående oscillatorstruktur 6, dvs. fjærelementene 62, den ytre ring 60 så vel som de kamformede elementer 8, idet formen av dette mønster 31 hovedsakelig danner en projeksjon av den frittstående oscillatorstruktur 6 på overflaten av substratet 2. Ved å kople dette ledende mønster 31 til samme potensial som den frittstående oscillatorstruktur 6 undertrykkes krefter normalt på substratets hovedplan mellom ringresonatoren 4 og overflaten av dette substrat 2, hvilket fører til at resonatoren får en resonansfrekvens som er mer uavhengig av påtrykket av likespenning. Fig. 10a og 10b viser ytterligere forbedringer av den mikromekaniske ringresonator 4 i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, nemlig forbedringer som muliggjør at temperaturkoeffisienten av resonansfrekvensen kan reduseres til en verdi nær null. To hovedfaktorer bestemmer nemlig temperaturkarakteristikken for ringresonatoren. For det første har man elastisitetsmodulen E av materialet som brukes til å realisere vibrasjons-strukturen, idet denne elastisitetsmodul reduseres med økende temperatur, hvilket fører til redusert stivhet av fjærelementene 62 og således en lavere resonansfrekvens. For det andre vil diameteren av ringen på grunn av varmeutvidelse øke med økende temperatur, hvilket fører til et øket massetreghetsmoment av strukturen. Dette fører på sin side til reduksjon av resonansfrekvensen.

Forskjellige varmeutvidelseskoeffisienter for forskjellige materialer kan utnyttes for innføring av en kompensasjonsmekanisme 65 slik det er skissert på fig. 10a eller 10b. Som vist der er flere varmekompensasjonselementer 65 festet til den ytre ring 60 (selv om bare ett slikt element er vist på tegningene). Disse elementer 65 er utformet for å endre massetreghetsmomentet av den frittstående oscillatorstruktur 6 som en funksjon av temperaturen for i alt vesentlig å kunne kompensere for de virkninger temperaturen har på resonansfrekvensen av resonatoren 4. For dette formål omfatter elementene 65 et vektelement 66 som er koplet til den ytre ring 60 ved hjelp av et forbindelseselement 67, idet dette omfatter et første og et andre lag 68, 69 av hovedsakelig et første henholdsvis et andre materiale, hvert med sin innbyrdes varmekoeffisient. Materialene velges slik at varmeutvidelseskoeffisienten athifor det første lag 68 er mindre enn den tilsvarende varmeutvidelseskoeffisient ath2 for det andre lag 69.1 en foretrukket utførelse er det førs-te materialet silisium, mens det andre materialet er et metall, fortrinnsvis aluminium.

Konstruksjonen av en slik kompensasjonsmekanisme 65 med elementer og i samsvar med fig. 10a er slik at forbindelseselementet 67 ved økende temperatur blir rettet ut på grunn av forskjellig varmeutvidelseskoeffisient for det første lag 68 i forhold til det andre lag 69. Som en følge av dette beveger vektelementene 66 seg mot midten av ringen, dvs. nærmere rotasjonsaksen O for oscillatorstrukturen 6, slik at massetreghetsmomentet av ringresonatoren reduseres. Dette fører således til en økning av resonansfrekvensen, nemlig motsatt virkningen av elastisitetsmodulen med temperaturen og var-meutvidelsen av ringen. En slik varmekompensasjonsmekanisme kan alternativt være festet til yttersiden av ringen 60 slik det er vist på fig. 10b eller til en annen del av den frittstående oscillatorstruktur 6, for å endre massetreghetsmomentet som en funksjon av temperaturen. Utformingen og fabrikasjonen av elementene 65 må være slik at vektelementene 66 forskyver seg innover mot rotasjonsaksen O av ringresonatoren 4 når temperaturen øker.

Beskrivelsen ovenfor er av bestemte utførelser av oppfinnelsen, og det er klart at disse ikke er ment å være begrensende for oppfinnelsen. Faktisk kan en rekke modifika-sjoner og/eller tilpasninger være åpenbare for fagfolk, uten at dette bringer konseptet ut av oppfinnelsens ramme, slik denne ramme er bestemt av patentkravene nedenfor.

Claims (26)

1. Tidsreferanseoscillator som omfatter en resonator (4) og en integrert elektronisk krets (3) for å drive resonatoren i oscillasjon og i respons på oscillasjonen frembringe et signal med en gitt frekvens, karakterisert ved at resonatoren er en integrert mikromekanisk ringresonator (4) som er holdt på plass på oversiden av et substrat (2) og innrettet for å oscillere i en første oscillasjonsmodus om en rotasjonsakse O som i alt vesentlig står normalt på substratets hovedplan, idet denne ringresonator (4) omfatter: en sentral post (5) som strekker seg ut fra substratet (2) langs rotasjonsaksen O, en frittstående oscillatorstruktur (6) som er koplet til den sentrale post (5) og på sin side omfatter: en ytre ring (6) som er koaksial med rotasjonsaksen, og flere fjærelementer (62) som er anordnet symmetrisk rundt posten (5) og kopler den ytre ring (60) til denne post (5), og minst ett par diametralt motsatte elektrodestrukturer (9, 9 <*> ) anordnet rundt den ytre ring (60) og koplet til den integrerte elektroniske krets (3), idet fjærelementene (62) har buet fasong og i alt vesentlig er forbundet normalt på den sentrale post (5) ved hjelp av første ledd (63) og slik at fjærelementene (62) videre strekker seg ut fra den sentrale post (5) i forlengelsen av en radial linje som krysser rotasjonsaksen (O).

2. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at den elektroniske krets (3) er integrert på substratet (2) sammen med den mikromekaniske ringresonator (4).

3. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at fjærelementene (62) er koplet hovedsakelig normalt på den ytre ring (60) ved hjelp av andre ledd (64).

4. Oscillator ifølge krav 1 eller 3, karakterisert ved at leddene (63, 64) er anordnet med runde foringer (63a, 64a).

5. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet fjærelementer (62) er mellom fire og femti og fortrinnsvis omkring tyve.

6. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at den frittstående oscillatorstruktur (6) videre omfatter minst ett par diametralt motsatte kamlignende elementer (8) anordnet rundt den ytre ring (60) og omfattende: et basiselement (80) som strekker seg radialt fra den ytre ring (60), minst ett første sideelement (82) som strekker seg hovedsakelig normalt ut fra en første side på basiselementet (80), og minst ett andre sideelement (84) som strekker seg hovedsakelig normalt ut fra en andre side på basiselementet (80), motsatt den første side, og at hver av elektrodestrukturene (9) omfatter: en første kamformet elektrodestruktur (91) i inngrep med det kamformede element (8) og omfattende første elektroder (92) nær de første sideelementer (82), og en andre kamformet elektrodestruktur (93) i inngrep med det kamformede element (8) og omfattende andre elektroder (94) nær de andre sideelementer (84).

7. Oscillator ifølge krav 6, karakterisert ved at: de første kamformede elektrodestruktur (91) brukes for å drive ringresonatoren (4) til oscillasjon, at den frittstående oscillatorstruktur (6) er koplet via den sentrale post (5) til et fast potensial, og at de andre kamformede elektrodestrukturer (93) er innrettet for registrering av et signal som stammer fra oscillasjonen av ringresonatoren (4), idet en konstant likespenningskomponent tilføres den ene eller begge de første kamformede elektrodestrukturer (91) tilhørende den frittstående oscillatorstruktur (6).

8. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at den frittstående oscillatorstruktur (6) videre omfatter minst ett par diametralt motsatte kamformede elementer (8 <*> ) som er anordnet rundt den ytre ring (60) og omfatter: et basiselement (80) som strekker seg radialt fra den ytre ring (60), og minst ett første sideelement (82) som strekker seg hovedsakelig normalt ut fra en første side på basiselementet (80), idet: hver av elektrodestrukturene (9 <*> ) omfatter en kamformet elektrodestruktur (91) i inngrep med det kamformede element (8) og omfattende første elektroder (92) nær de første sideelementer (82).

9. Oscillator ifølge krav 8, karakterisert ved at: de kamformede elektrodestrukturer (91) er innrettet for å drive ringresonatoren (4) til oscillasjon, og at den frittstående oscillatorstruktur (6) er koplet via den sentrale post (5) til et fast potensial, idet en konstant virkespenningskomponent tilføres den ene eller begge de kamformede elektrodestrukturer (91) eller den frittstående oscillatorstruktur (6), og hvor registreringen utføres ved deteksjon av en endring i impedansen ved resonans.

10. Oscillator ifølge krav 6 eller 8, karakterisert ved at sideelementene (82, 84) og elektrodene (92, 94) har en sirkelbueform og ligger konsentrisk i forhold til den ytre ring (60).

11. Oscillator ifølge krav 6 eller 8, karakterisert ved minst én stoppstruktur (28) på substratet (2) og nær en ytre ende (80a) av minst ett baseelement (80), anordnet for å begrense vinkel- og/eller helningsbevegelser og hindre at den frittstående oscillatorstruktur (6) kommer til å kile seg fast i tilfelle støt.

12. Oscillator ifølge krav 6 eller 8, karakterisert ved at endene (82a, 84a) av sideelementene (82, 84) og/eller endene 92a, 94a av elektrodene (92, 93) er tilspisset eller har et passende lite overflateareal for å hindre at den frittstående oscillatorstruktur (6) kiler seg fast i tilfelle støt.

13. Oscillator ifølge krav 6 eller 8, karakterisert ved at minst ett av sideelementene (82, 84) og/eller elektrodene (92, 94) er lenger enn de øvrige for å hindre at den frittstående oscillatorstruktur (6) kiler seg fast i tilfelle støt.

14. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved et elektrisk ledende mønster (31) med hovedsakelig formen av den frittstående oscillatorstruktur (6) og anordnet på en flate på substratet (2) under minst en del av den frittstående oscillatorstruktur (6), hvilken struktur (6) og det ledende mønster er holdt ved samme elektriske potensial.

15. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at den frittstående oscillatorstruktur (6) videre omfatter minst ett første par diametralt motsatte termisk kompenserende elementer (65) som er anordnet rundt den ytre ring (60) og er innrettet for å endre et mas setre ghetsmoment for strukturen (6) som funksjon av temperaturen i den hensikt å kompensere for virkningene av temperaturen på resonansfrekvensen av ringresonatoren (4).

16. Oscillator ifølge krav 15, karakterisert ved at hvert av elementene (65) omfatter et vektelement (66) koplet til den ytre ring (60) ved hjelp av et koplingselement (67) som omfatter et første og et andre lag (68, 69) av henholdsvis et første og et andre materiale, hvert med sin respektive temperaturkoeffisient, idet elementet (67) er innrettet for gradvis å bringe vektelementet (66) nærmere rotasjonsaksen (O) når temperaturen øker, hvorved massetreghetsmomentet av den frittstående oscillatorstruktur (6) reduseres.

17. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved videre å omfatte en integrert temperaturmålekrets beregnet til kompenasjon av virkningene av temperaturen på frekvensen av det signal som frembringes av tidsreferanse.

18. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved videre å omfatte en andre mikromekanisk ringresonator som er holdt oppspent på oversiden av substratet (2) og innrettet for å oscillere ved den resonansfrekvens som avviker fra resonansfrekvensen av den andre, første resonator, idet frekvensforskj ellen mellom resonansfrekvensene utnyttes til kompensasjon av virkningene temperaturen har på frekvensen av det signal som frembringes av oscillatoren.

19. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene (100, 120, 130, 150) er anordnet på undersiden av den frittstående oscillatorstruktur (6) på slik måte at de driver og registrerer en andre oscillasjonsmodus hvis resonansfrekvens er forskjellig fra den første oscillasjonsmodusresonansfrekvens, idet frekvensforskjellen mellom resonansfrekvensene for disse to oscillasjonsmodi utnyttes til kompensasjon av den virkning temperaturen har på frekvensen av det signal som frembringes av oscillatoren.

20. Oscillator ifølge krav 9, karakterisert ved at den andre oscillasjonsmodus er en helnings- eller vippeoscillasjonsmodus.

21. Oscillator ifølge krav 19, karakterisert ved at den andre oscillasjonsmodus er en vertikaloscillasjonsmodus parallell med rotasjonsaksen (0).

22. Oscillator ifølge krav 1, karakterisert ved at substratet (2) og ringresonatoren (4) er av silisiummateriale.

23. Integrert mikromekanisk ringresonator (4) for en tidsreferanseoscillator og holdt oppspent på oversiden av et substrat og innrettet til å oscillere om en rotasjonsakse (O) hovedsakelig normalt på substratets (2) hovedplan, omfattende en sentral post (5) som strekker seg fra substratet (2) langs rotasjonsaksen (0), en frittstående oscillatorstruktur (6) som er koplet til den sentrale post (5) og omfatter: en ytre ring (60) koaksial med rotasjonsaksen (O), og flere fjærelementer (62) som er anordnet symmetrisk om den sentrale post (5) og kople den ytre ring (60) til denne, og minst ett par diametralt motsatte elektrodestrukturer (9, 9 <*> ) anordnet rundt den ytre ring (60) for kopling til en integrert elektronisk krets (3), idet ringresonatoren er karakterisert ved at fjærelementene (62) har krum fasong og alt vesentlig er anordnet normalt på den sentrale post (5) ved hjelp av første ledd (63), og at disse fjærelementer (62) videre strekker seg ut fra denne sentrale post (5) i forlengelsen av en radial linje som krysser rotasjonsaksen (O).

24. Ringresonator ifølge krav 23, karakterisert ved at fjærelementene (62) er anordnet hovedsakelig normalt på den ytre ring (60) og ved hjelp av andre ledd (64).

25. Ringresonator ifølge krav 23 eller 24, karakterisert ved at leddene (63, 64) er anordnet med runde foringer (63 a, 64a).

26. Ringresonator ifølge ett av kravene 23-25, karakterisert ved at antallet fjærelementer (62) er mellom fire og femti, særlig omkring tjue.