恒温制御されたＭＥＭＳ発振器デバイス
【課題】低減した周波数ドリフトを達成することができる、実質的に安定した周波数で出力信号を発生するためのＭＥＭＳにシステムを提供する。
【解決手段】所定周波数は、温度依存性及び少なくとも一つの所定の特性に基づく。さらに、所定周波数で発振するためにＭＥＭＳ発振器を励振するよう構成された励振機構、及び、抵抗感知を用いてＭＥＭＳ発振器の温度を検出し、周波数ドリフトを最小限にするために温度依存性及び少なくとも一つの特性に基づいて、ＭＥＭＳ発振器の温度が所定温度の所定範囲内にあるか否かを決定し、ＭＥＭＳ発振器の温度を所定範囲内に留めるように適合させるように構成された温度制御ループを含む。さらに、ＭＥＭＳ発振器の所定周波数を出力するように構成された周波数出力を含んでいる。
【解決手段】所定周波数は、温度依存性及び少なくとも一つの所定の特性に基づく。さらに、所定周波数で発振するためにＭＥＭＳ発振器を励振するよう構成された励振機構、及び、抵抗感知を用いてＭＥＭＳ発振器の温度を検出し、周波数ドリフトを最小限にするために温度依存性及び少なくとも一つの特性に基づいて、ＭＥＭＳ発振器の温度が所定温度の所定範囲内にあるか否かを決定し、ＭＥＭＳ発振器の温度を所定範囲内に留めるように適合させるように構成された温度制御ループを含む。さらに、ＭＥＭＳ発振器の所定周波数を出力するように構成された周波数出力を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に、恒温制御された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）発振器を備えたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭシステム及び特にＭＥＭＳ共振器は、非常に高い品質ファクター（Ｑ）を有し、発振器を構築するために用いることができ、このことは、図１に示すように、周波数基準装置としてそれらが役立つように実施可能とすることが知られている。しかしながら、伝統的には水晶発振器がそれらのより良好な温度安定度のため、周波数基準としてしばしば用いられる。放送送信機システムにおけるようにより高い安定性が要求されるときには、例えば恒温槽型水晶発振器がしばしば用いられる。しかしながら、そのような石英デバイスは大きく、また、石英基準を用いるシステムは、低い集積化に悩まされる。一方、ＭＥＭＳ発振器は、小さく、集積化可能であり、よって、コストを著しく低下させる。しかしながら、補償無しでのＭＥＭＳ共振器は、温度に関して周波数ドリフトの高い感度を示し（例えば１００℃の周囲温度範囲に関して±５０００ｐｐｍ）、よって、図２に示すように、水晶発振器よりも温度に関してより不安定な周波数特性を有している。
【０００３】
ＭＥＭＳ共振器は、周囲温度を感知することにより、及び測定された温度によって、（例えば電気的に）ＭＥＭＳ共振器を補償することによって、広い周囲温度範囲（例えば１００℃の周囲温度範囲）にわたり、より良好に安定させることができる。図３は、そのような従来の解決策を図示している。周囲温度は、ＭＥＭＳデバイスと良好に熱接触する外部の温度センサによって感知され、ＭＥＭＳ発振器システムは、測定された温度に基づいて周波数制御手段によって電気的に補正される。言い換えれば、周囲温度センサは、共振器システムの周波数補償ノブを駆動する。このように、ＭＥＭＳ共振器は、１００℃の周囲温度範囲（例えば−２０℃から＋８０℃周囲温度まで）にわたり、±１００ｐｐｍ精度まで典型的に制御されるかもしれない。
【０００４】
しかしながら、それらのメカニズムの問題は、温度センサ自体の精度及び温度安定性である。温度に関するそれらのドリフトは、ＭＥＭＳ共振器の達成可能な温度安定性を制限する。これが、システムにおいて信頼できる（かつ高価な）温度基準がしばしば必要とされる理由である。
【０００５】
図４に示されるように、米国特許出願 ２００９／０２４３７４７は、一つの安定した周波数を発生するために２つの共振器を用いる。温度安定性は、温度変化に対する周波数の変化である、周波数の異なる温度係数、ＴＣＦ＝Δｆ／ｆ．１／ΔＴを有する２つの共振器を用いることにより、及び、温度ドリフトによる共振器間の周波数差を補償することによって達成される。（補償が適用されなかったならば）両方の周波数が同一のところで、所定温度Ｔｓｅｔが存在する。制御ループは、温度変化を補償し、周波数が他の温度においても同一に維持されることを保証する。よって、共振器周波数の安定性が達成される。しかしながら、この概念には、異なるＴＣＦを有する２つの共振器を必要とし、よって大きなチップ面積を必要とするという欠点がある。また、両方の共振器は、さらなる回路類を必要としながら、発振器として構成されるべきである。また、所望の周波数を達成するために、両方の共振器帯（bars）での温度は同一であるべきであり、このことは、概念的には設計を一致させることによって容易であるかもしれないが、実際には保証するのは非常に難しい。最後に、両方のデバイス間の寄生性のカップリングは、余りきれいなクロック出力とはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願２００９／０２４３７４７号
【発明の概要】
【０００７】
低減した周波数ドリフトを達成することができる、実質的に安定した周波数で出力信号を発生するためのＭＥＭＳに基づいたシステムが開示される。
この目的は、第１請求項の技術的特徴を備えたシステムとともに本開示によって達成される。
【０００８】
特に、システムの周波数ドリフトを最小限にするために、レシオメトリックな（ratiometric）温度制御ループが必要なことが分かった。これは、マイクロメカニカル発振器と連携し、抵抗感知とともにレシオメトリック原理によって、マイクロメカニカル発振器の温度を検出し、評価し、適応させるための部品を備え、及び、所定の設定温度付近の所定温度範囲内にマイクロメカニカル発振器の温度を維持するためにさらに設けられる。この所定温度範囲は、マイクロメカニカル発振器の特性及び上記周波数の温度依存性に基づいて決定される。
【０００９】
開示のシステムは、自己参照されるという長所を有し、その結果、温度又は周波数用の外部参照用のソースがその動作のためにあるいは周波数ドリフトを制限するために必要ない。相対的な温度誤差のみを検出する（つまり、実際の温度が希望温度よりも高いあるいは低いかどうかを検出する）必要があるので、誤差の大きさの絶対測定を検出する必要はない。したがって、典型的に温度に関して非常に正確で安定した特性を要するアンプ又はＡ−Ｄ変換器は必要ない。このことは、システムを非常に単純化しより実現可能にする。関連する測定が、どの程度大きいあるいは小さいというよりもむしろ単に「高すぎる」あるいは「低すぎる」であるので、温度誤差の検出における利得誤差は、所望のＴｓｅｔを達成することには無関係である。
【００１０】
ＭＥＭＳ発振器は恒温槽に位置し、よって周囲環境から遮断されており、さらに、恒温槽における基準ＭＥＭＳ発振器の必要性（米国特許出願公開２００９／０２４３７４７号に開示される２重の共振器システムのような）を避けることができることから、開示のシステムは、低消費電力でありえるという長所を有する。
【００１１】
いくつかの実施態様において、所定の温度範囲は、高々０．１０℃であるように選択されてもよい。このことは、開示するレシオメトリックな温度制御ループによって可能であり、周波数ドリフトをほんの数ｐｐｍ以下に減じることができる。
【００１２】
マイクロメカニカル発振器（この発振器は異なるモードあるいは複数の周波数で振動するよう設計されてもよい）が振動する一つあるいは複数の周波数は、マイクロメカニカル発振器の特性、特に、それが構成されている材料、その形態（例えば形状及び配置）、及びその寸法を備える特性によって決定される。
【００１３】
好ましい材料は、シリコンゲルマニウムであり、それは−４０ｐｐｍ／℃のＴＣＦ（周波数の温度係数）を有する。開示する制御ループ及び０．０５℃に制限された所定温度範囲で、周波数ドリフトは、２ｐｐｍ．に制限することができる。さらに、よりよい安定性を達成するために、設計特性を最適化することができる。その結果、例えばシリコンゲルマニウム発振器と組み合わせて抵抗感知を有するレシオメトリックな制御ループで、１ｐｐｍ以下の周波数ドリフトを達成することができる。
【００１４】
別の可能な材料はシリコンであり、それは−３０ｐｐｍ／℃のＴＣＦを有する。周波数ドリフトを２ｐｐｍに制限するために、０．０６７℃の温度範囲が制御ループにセット可能である。さらに、発振器の特性上の設計によって、ドリフトはさらに縮小することができる。ＭＥＭＳ発振器は、また、おまけに他の適切な材料にて構成されてもよいことに注意すべきである。
【００１５】
いくつかの実施態様において、ＭＥＭＳ発振器は圧電共振器であってもよい。あるいは、またさらに、ＭＥＭＳ発振器は、弾性表面波共振器、屈曲共振器（flexural resonator）、あるいは他のいずれの共振器であってもよい。
【００１６】
いくつかの実施態様において、マイクロメカニカル発振器は、真空密封パッケージにおいてＭＥＭＳ発振器へ共通の接続を有する２つの支持脚を備えた各梁のような、固定−固定梁（clamped-clamped beams）によって浮かされてもよい。共振器用の支持アンカーとしてそのような梁を用いることは、マイクロメカニカル発振器の振動の結果として梁が振動するところの屈曲波長（flexural wavelength）に対して、例えば、梁の各脚を音響学的に長くすることによって（例えば、屈曲波長の倍数よりも各脚を長くすることによって）、共振器の断熱を向上させることができるという利点を有する。更なる利点として、そのような支持アンカーで、単一のＭＥＭＳ発振器システムの消費電力が１ｍＷ未満にすることができることが分かり、その結果、システム全体の電力消費は、１０ｍＷ以下に減じることができる。さらに更なる利点として、脚の長さは、発振器の品質ファクターに影響するのを防止するために最適化することができる。
【００１７】
いくつかの実施態様において、それらの梁の一若しくは複数は、ＭＥＭＳ発振器を加熱するための加熱抵抗として用いることができる。このように、それらの梁の一若しくは複数は、制御ループの一部として機能してもよい。
【００１８】
他の実施態様において、ＭＥＭＳ発振器は、他のタイプの支持アンカーによって同じように浮かされてもよい。
制御ループの一部として、発振器用の加熱は、輻射あるいは他のいずれかの加熱機構によってマイクロメカニカル共振器を加熱するための輻射源を備えてもよい。
【００１９】
レシオメトリックな温度制御ループの抵抗感知は、マイクロメカニカル共振器と十分に良好な熱接触において２つの感知素子を設けることにより提供されてもよく、その結果、２つの感知素子は、共振器と実質的に同じ温度を感知する。レシオメトリックの原理は、測定されたとき測定曲線が、予め規定した設定温度Ｔｓｅｔに対応する予め規定の交差点にて交差するように、両方の感知素子が異なる温度依存特性を有するという点で規定することができる。このように、ＭＥＭＳ発振器の実際の温度が所定温度Ｔｓｅｔよりも上か、下か、等しいのか否かを容易に決定することができ、よって、上記ループを制御可能である。いくつかの実施態様において、第１の感知素子は第１の感知信号で感知されてもよく、第２の感知素子は第２の感知信号で感知されてもよい。いくつかの実施態様において、第１及び第２の感知信号は、実質的に同じ大きさを有していてもよい。いくつかの実施態様において、第１及び第２の感知信号は、同じ符号、位相、継続時間を有さなくてもよい。
【００２０】
一つの実施態様において、制御回路は、基板に第１及び第２の感知信号を構成してもよく、その結果として差信号を決定する。制御回路は、その差信号を増幅するようにさらに構成してもよく、それによって制御信号を発生する。
【００２１】
いくつかの実施態様において、制御回路は、制御信号における残余誤差を除去するように構成されたポスト補償回路に接続されてもよく、それによってポスト補償信号を発生する。ポスト補償信号は、例えば、線形の、二次の、あるいは多項式変換の制御信号を用いて決定してもよい。代わりに、あるいはさらに、ポスト補償信号は、例えば、ルックアップテーブルを用いて決定してもよい。他の例も、同様に可能である。
【００２２】
ポスト補償信号は、集積電気部品の温度と予め規定の温度との差を減じるために、バイアス信号又はオフセット信号として制御回路に供給されてもよい。
残余誤差を除去するためにそのようなポスト補償回路を用いることによって、オフセット、潜在熱、及び／又は他の非理想に起因する不正確さは、さらに減じられるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、発振器及びフィルタにおいて適用された典型的なＭＥＭＳ共振器を示す。
【図２】図２は、恒温制御された水晶振動子及び補償されていないＭＥＭＳ共振器に関する、温度に対する典型的な周波数ドリフトのプロットを示す。
【図３】図３は、典型的なＭＥＭＳシステムを示す。
【図４】図４は、別の典型的なＭＥＭＳシステムを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の平面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の平面図を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の断面図を示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の断面図を示す。
【図５Ｅ】図５Ｅは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器を含む真空パッケージを示す。
【図６】図６は、実施形態によるＭＥＭＳシステムの例を示す。
【図７】図７Ａは、温度依存の抵抗器の値に対応する測定電圧信号の例で、実施形態による例示の測定電圧信号間の出力比較を示す 図７Ｂは、例示の測定電圧信号間の違いに対応する測定電圧信号の例で、実施形態による例示の測定電圧信号間の出力比較を示す。
【図８】図８は、実施形態による、ヒーターを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図９】図９は、実施形態による、第１及び第２の温度依存特性を示す。
【図１０】図１０は、実施形態による、ヒーター及び制御ループを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図１１】図１１は、実施形態による、２重のセンサ制御が無い、２重のセンサ制御が有る、及び２重のセンサ制御及びポスト補償制御が有る、恒温制御されたＭＥＭＳ発振器に関する例示の出力信号の安定性を図示する。
【図１２】図１２は、ポスト補償信号がバイアス電圧であるヒーター及び制御システムを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図１３】図１３は、ポスト補償信号が位相同期ループに作用するヒーター及び制御システムを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器を振動させる例示の変位を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器を振動させる例示の変位を示す。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器を振動させる例示の変位を示す。
【図１５】図１５は、実施形態による、輻射によって加熱された圧電長手方向発振器（bulk acoustic longitudinal oscillator）の模式図を示す。
【図１６】実施形態による、共振器での周波数変動対入射光パワーを示す、１００ｘ１００μｍ ＳｉＧｅ発振器に関する測定データを示す。
【図１７】図１７は、実施形態による、例示の屈曲共振器を示す。
【図１８】図１８は、実施形態による、別の例示の屈曲共振器を示す。
【図１９】図１９は、実施形態による、支持体を介してジュール加熱によって加熱された例示のＭＥＭＳ発振器を示す。
【図２０】図２０は、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器の上部の抵抗を測定するために、４点のアクセスラインを有する２つの抵抗器が、アクセスラインの抵抗及び温度に関係なく置かれたＭＥＭＳ発振器の例示を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
開示は、開示のいくつかの例を説明する、添付の図及び図の説明においてさらに解明される。図は、尺度に従って描かれていないことに注意してほしい。それらの図は、開示の原理を記述することを意図している。さらに、開示の実施形態は、異なる図の異なる特徴及び要素の組み合わせを用いることができる。
【００２５】
本開示は、特定の実施形態に関して、及びある図に関して記述されるだろうが、この開示はそれに限定されない。記述された図は、単に模式的であり、非限定的である。図において、要素の内のいくつかのサイズは、図示の目的のため、誇張され、尺度通りに描かれていないかもしれない。寸法及び相対的な寸法は、必ずしも開示の実施への実際の縮小に対応していない。
【００２６】
さらに、実施形態及び請求範囲における第１、第２、第３等の用語は、類似の要素間を区別するために使用され、必ずしも連続的あるいは経時的な順を述べるためのものではない。それらの用語は、適切な状況下で交換可能であり、開示の実施形態は、ここに記述されあるいは図示された以外の他の順序における動作が可能である。
【００２７】
さらに、実施形態及び請求範囲における上、底、上方、下方、等の用語は、便宜上、使用されるものであり、必ずしも相対的な位置を述べるものではない。それらの用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここに記述された開示の実施形態は、ここに記述されあるいは図示された以外の他の配向における動作が可能である。
【００２８】
請求範囲において使用される、用語「備える」は、それ以後に列挙する手段に限定されるように解釈すべきではない。即ち、それは、他の構成部分又は工程を排除しない。よって、そのように述べられた特徴、整数、工程、又は部品の存在を特定するように解釈されるべきであり、１つ以上の他の特徴、整数、工程、又は部品、あるいはそれらのグループの存在や追加を妨げない。したがって、表現「手段Ａ及びＢを備えたデバイス」の権利範囲は、部品Ａ及びＢのみからなるデバイスに限定されるべきではない。それは、本開示に関して、デバイスの唯一関連ある部品がＡ及びＢであるということを意味する。
【００２９】
本開示は、予め規定した温度Ｔｓｅｔにてマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）発振器の温度を安定化させるためのシステムを提供する。図１は、発振器及びフィルタにおいて適用される典型的なＭＥＭＳ共振器を示す。典型的なＭＥＭＳ発振器１１は、幾つかの場合において圧力センサ、発振器、応力センサのような種々様々の応用例に用いられてもよい。ＭＥＭＳ構造は小さくなる傾向があるので、例えば、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）チップを含む、多くのデバイスに集積化可能である。
【００３０】
しかしながら、ＭＥＭＳ発振器１１のような典型的なＭＥＭＳ構造に関する問題は、それらの特性が温度とともに大きくドリフトするかもしれないということである。例えば、ＭＥＭＳ発振器において、その周波数は１００℃の温度範囲（例えば−２０℃から＋８０℃まで）において５０００ｐｐｍでドリフトするかもしれない。例えば、ＭＥＭＳ発振器に基づくシリコンは、典型的にはその共振周波数ｆｒｅｓ（Ｔ）に関して温度に対して−３０ｐｐｍ／℃の感度を有している。そのようなシリコン系のＭＥＭＳ発振器に関する周波数の温度係数ＴＣＦは、−３０ｐｐｍ／℃であると言われる。
【００３１】
ＭＥＭＳ発振器の周波数を安定させるためのいくつかの技術がある。一つの技術は、電気的な補償によるものであり、これでは発振器回路のフィードバック信号が安定周波数を維持するために修正される。別の技術では、ＭＥＭＳ発振器の温度Ｔｃｏｍｐが安定な予め規定した温度Ｔｓｅｔに維持される。このために、ＭＥＭＳ発振器は、図１に示す恒温槽２のような恒温槽に置かれてもよく、恒温槽温度Ｔｏｖｅｎは、予め規定した温度に維持されてもよい。しかしながらこの技術は、恒温槽内の温度が所定値Ｔｓｅｔよりも高いかあるいは低いか否かを決定するいくつかの手段を一般的に必要とする。米国特許出願公開２００９／０２４３７４７において、この決定は、異なるＴＣＦ（例えばＴＣＦ１及びＴＣＦ２）を有する２つのＭＥＭＳ共振器を用いることによってなされ、図４に示すように、それら周波数を混合することに基づいて制御信号８８を発生する。
【００３２】
図５Ａから図５Ｅは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器の平面を（図５Ａ及び図５Ｂ）、ＭＥＭＳ発振器の断面を（図５Ｃ及び図５Ｄ）、及びＭＥＭＳ発振器を含む真空パッケージを（図５Ｅ）示す。図５Ｂに示されるように、ＭＥＭＳ発振器１１は、第１の抵抗ｒ１及び第１の抵抗温度係数（ＴＣＲ）ＴＣＲ１を有する第１の抵抗器６１を含んでいる。さらにＭＥＭＳ発振器１１は、第２の抵抗ｒ２及び第２ＴＣＲ ＴＣＲ２を有する第２の抵抗器ｒ２を含んでいる。第１抵抗器６１及び第２抵抗器６２は、ＭＥＭＳ発振器１１の共振器バーの上部に加工されて示されている。第１抵抗器６１及び第２抵抗器６２は、ＭＥＭＳ発振器１１から電気的に絶縁されるが、所望の熱的精度を有するようにＭＥＭＳ発振器１１と良好な熱接触にある。抵抗値は、少なくとも第１の感知信号８１（Ｉ１ｉｎ）及び第２の感知信号８２（Ｉ２ｉｎ）を組み合わせて選択される。第１感知信号８１は、例えば、第１抵抗器６１を流れる第１の直流（ＤＣ）信号を含んでもよい。同様に、第２感知信号８２は、第２抵抗器６２を流れる第２のＤＣ信号を含んでもよい。図７Ａに示される電圧曲線８３、８４のように、結果として生じる電圧曲線が、予め規定の温度Ｔｓｅｔに対応する交差点８５で交差するように、抵抗値が選択されてもよい。これらの抵抗器６１、６２は、本開示のシステムによるレシオメトリックな制御ループにおいて用いられる抵抗性の感知素子の実施形態を形成する。
【００３３】
一つの実施形態において、２つの感知信号８１、８２は、実質的に同じであってもよい。例えば、感知信号８１、８２の各々は、カレントミラーによって発生されたＤＣ信号であってもよい。別の実施形態では、各感知信号（例えば第１感知信号８１）は、例えばスイッチを用いて一つの感知素子（例えば第１感知素子６２）に選択的に印加され、及び測定信号（例えば第１測定信号８３）は、測定コンデンサー（図示せず）のようなストレージ手段に蓄えられてもよい。感知後、ストレージ手段に蓄えられた測定信号８３、８４（例えば電圧）は、制御信号８８を発生するため、比較されあるいは減算されてもよい。このように、第１及び第２の感知信号８１、８２間のいかなる相異も回避することができる。
【００３４】
第１及び第２の抵抗器６１、６２に加えて追加の抵抗素子が、温度依存特性６３、６４の交差が動作温度で得ることができる限り、つまり制御ループが「レシオメトリック」に留まる限り、さらに使用されてもよい。交差は、個々の特性あるいは他の動作の単純なスケーリングによって作成することができる。例えば、ダイオードの抵抗は、温度において実質的に指数関数的な依存性を有し、一方、電気的な抵抗器の依存性は、実質的に線形であることが知られており、よって、温度依存性は全く異なる。単純化のため、本開示の原理は抵抗器に関してさらに記述されるが、他の素子が同じように可能であることは理解されるべきである。
【００３５】
図５Ｂに戻って実施形態において、第１及び第２の感知信号８１、８２は、電気デバイス７によって発生される。いくつかの実施形態において、第１及び第２の感知信号８１、８２は、ＭＥＭＳデバイス１１を備える同じチップにおいて発生してもよい。別の実施形態では、感知信号８１、８２は、恒温槽２の外部からのように、電気デバイス７の外部から供給されてもよい。所望の交差点６５（図７Ａに示すように）及び対応する所望温度Ｔｓｅｔは、固定されても可変であってもよい。いくつかの実施形態において、所望の交差点６５及び対応する所望温度Ｔｓｅｔは、感知信号８１、８２を変更することによって調整可能かもしれない。外部の感知信号８１、８２の供給を許可することは、また、修正及び／又は較正を可能にするかもしれない。
【００３６】
ＭＥＭＳ構造１１、特に共振器バーと熱接触して２つの抵抗器６１、６２を設置することによって、電気デバイス７（例えばチップ）の動作中、共振器バーの熱Ｔｃｏｍｐが規定の温度Ｔｓｅｔにできるだけ接近して一致することを確認することが可能になり、それによって、共振器の周波数が共振器バーの局所的な温度に最も敏感であるように、できるだけ良好にこのＭＥＭＳ構造１１の共振器周波数を安定させる。電気デバイス７の動作中、恒温槽の内側温度ＴｏｖｅｎとＭＥＭＳ構造１１の温度との間には温度差ができることに注意すべきである。従って、ＭＥＭＳ構造１１の近くに感知素子６１、６２を設けることは望ましいかもしれない。
【００３７】
図５Ｃは図５Ｂの構造の断面を示し、ここで感知抵抗器６１、６２は、共振器の上部に設けられる電気的絶縁体上に位置決めされる。このように、電気的絶縁をしないで熱接触が達成される。図５Ｄは、本開示による別の実施形態を示す。他の多くの形態を用いることができることが当業者に明らかだろう。
【００３８】
ある実施形態において、恒温槽は、ＭＥＭＳ発振器１１及び加熱手段２１を含む真空パッケージ２２である。パッケージ２２は、ＭＥＭＳデバイス１１から真空パッケージの外部の周囲温度まで熱的絶縁を提供し、加熱手段２１とともに恒温槽２あるいは恒温化したシステムを形成する。好ましい実施形態において、ＭＥＭＳ素子１１は、その支持脚を通して電流を導き、ジュール加熱によってＭＥＭＳデバイス１１を加熱する（図１９を参照）ことによって、加熱することができる。ＭＥＭＳ素子１１及び温度感知手段６１、６２が良好な熱接触にあり、即ち実質的に同じ温度を有する限り、他のタイプの加熱手段２１が使用可能である。
【００３９】
他の例の一つは輻射加熱である。図１５及び図１６を参照。この実施形態において、加熱手段は、調整可能な熱輻射源１００を備え、ＭＥＭ共振素子１０１が、調整可能な熱輻射源によって発生した熱輻射を吸収するために提供される。言い換えれば、ＭＥＭ共振素子１０１は、調整可能な熱輻射源１００によって放射された熱輻射を受け入れるために配置され、一方、制御回路は、ここに記述する他の実施形態のように、例えば共振素子の上部に、抵抗性感知素子（図示せず）によってＭＥＭ共振素子の温度変化を監視するために配置される。温度の変化は、監視されたパラメーター値の変化に関して放射される熱輻射量を変更するため、調整可能な熱輻射源にその出力信号を適応する制御回路によって監視される。このことは、放射された熱輻射の強度を変更することによって、そうでなければ、その源を断続的にオン／オフを切り替えることによって、行うことができる。熱輻射の形態において熱エネルギーを提供することによって、熱エネルギーは、ＭＥＭ共振素子１０１の方へ集中させることができ、それによりＭＥＭ共振素子の周囲を直接加熱することを減じ、あるいはさらに回避することができる。熱エネルギーがＭＥＭ共振素子によってより直接に吸収可能であるので、開示する装置の温度へのより速い反応速度が達成可能である。光源１００は、例えば集積したＬＥＤとすることができ、その強度は、ＬＥＤに供給するＬＥＤ電流を制御することによって調節することができる。
【００４０】
好ましくは、抵抗性の感知素子６１、６２は、電気的に絶縁され熱的に伝導性の層によって分離されて、ＭＥＭＳ素子１１の上部に、下方に、あるいは隣接して、互いに隣接してあるいは互いの上方に置かれる。良好な熱接触を提供し、ＭＥＭＳ素子１１の性能を大幅に下げない他の実施も用いることができる。
【００４１】
レシオメトリックな原理は、異なるＴＣＲ値を用いることによって達成されてもよく、これは、２重のセンサループに必要な抵抗器６１、６２に関して２つの異なる材料を用いることによって今度は達成されてもよい。図７Ａは、第１及び第２の抵抗器６１、６２でのそれぞれの相対的な電気抵抗ｒ＝ΔＲ／Ｒ、対、温度の例を示し、即ち一般的に、第１及び第２の感知素子６１、６２の温度依存特性６３、６４を示す。
【００４２】
予め規定したＴＣＲ値を有する電気的な抵抗器の存在及び製造は、当該技術において良く知られている。例えば、ｎ型又はｐ型シリコンに関する抵抗の温度係数ＴＣＲは、既知の公式により、ドーピング濃度に依存する。A. Razborsek及びF Schwagerは、「Thin film systems for low RCR resistors」において、Ｎｉパッドで覆われＴＣＲを−１５０ｐｐｍ／℃と＋５００ ｐｐｍ／℃との間に調節可能なＴａＮを備えた抵抗器をどのように製造可能とするかを記述している。米国特許Ｎｏ．７，６５９，１７６は、調整可能な抵抗の温度係数の抵抗器、及びその製造方法について記述する。抵抗器のＴＣＲ値は、異なる材料を用いることによって変化するかもしれないが、しかし、同じ材料を備えるが異なる結晶構造あるいは結晶方位、又は、異なるドーピングレベルあるいは不純物レベルを有する抵抗器もまた、異なるＴＣＲ値を有するかもしれない。
【００４３】
Ｔｓｅｔのまわりの小さな所定温度範囲において、温度依存特性６３、６４の曲線は、下記の式によって近似することができる。
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ０（１＋αΔＴ） （１）
【００４４】
ここで、αはＴＣＲとして知られ、抵抗の温度係数と呼ばれる材料特性である。用語「抵抗器」が用いられているが、合成抵抗値ｒ１及び合成ＴＣＲ１値を有する結合した抵抗器を得るために、２つ以上の個々の抵抗器の並列又は直列の組み合わせもさらに使用されてもよいということが理解されるべきである。
【００４５】
感知素子として抵抗器を用いた、本開示の実施形態において、ＴＣＲ値のうちの一つは、実質的に０であり、一方、別のＴＣＲ値は正である。別の実施形態において、ＴＣＲ値のうちの一つは実質的に０であり、一方、別のＴＣＲ値は負である。さらに別の実施形態では、ＴＣＲ値のうちの一つは負であり、一方、別のＴＣＲ値は正である。さらに別の実施形態において、両方のＴＣＲ値は負であるが、異なる値を有している。さらに別の実施形態では、両方のＴＣＲ値は正であるが、異なる値を有している。他のＴＣＲ値も、同じように可能である。
【００４６】
本開示の実施形態において、第１の感知信号８１はＡＣ電流であり、第２の感知信号８２はＡＣ電流であり、第１の測定信号８３はＡＣ電圧であり、第２の測定信号８４はＡＣ電圧である。別の実施形態において、第１感知信号８１はＤＣ電流であり、第２の感知信号８２はＤＣ電流であり、第１の測定信号８３はＤＣ電圧であり、第２の測定信号８４はＤＣ電圧である。また別の実施形態において、第１感知信号８１はＡＣ電圧であり、第２感知信号８２はＡＣ電圧であり、第１測定信号８３はＡＣ電流であり、第２測定信号８４はＡＣ電流である。さらに別の実施形態において、第１感知信号８１はＤＣ電圧であり、第２感知信号８２はＤＣ電圧であり、第１測定信号８３はＤＣ電流であり、第２測定信号８４はＤＣ電流である。感知信号８１、８２は、連続信号あるいは中断信号であってもよい。感知信号及び測定信号は、さらに他の形態を取っても良い。
【００４７】
制御回路７１の実施形態において、感知素子６１、６２（例えば抵抗器）によって発生した測定信号８３、８４（例えば電圧）は、減算され及び任意的に増幅され、図７Ｂに示すように例えば差信号８５を生成する（又はその逆、第１測定信号が第２測定信号から減算されるあるいはその逆か否かに依存して）。任意的に、測定信号８３、８４のうちの一つは、減算前に拡大縮小（scaled）することができる。差信号８５が正であるとき、ＭＥＭＳ発振器１１の温度Ｔｃｏｍｐは、Ｔｓｅｔよりも高く、恒温槽２は冷やされるべきである。これは、受動的な場合には、冷却はヒーター２１に電力を供給しないことにより達成されてもよい。差信号８５が負であるときには、ＭＥＭＳデバイス１１の温度ＴｃｏｍｐはＴｓｅｔよりも低く、恒温槽２を加熱する必要がある。実際上、Ｔｓｅｔは、周囲温度の少なくとも１０℃上が選ばれてもよく、その結果、受動的な冷却が使用可能である。
【００４８】
ヒーター２１へ供給される実際の加熱電力は、いくつかの実施形態において、差信号８５の大きさに比例するか、二次の、指数関数の、あるいは別の関係であってもよい。言い換えれば、制御ループは、例えば、一つの温度センサー６１の温度特性（例えば抵抗）を第２の温度センサー６２の温度特性（例えば抵抗）と比較することによって、ＭＥＭＳ発振器１１の温度Ｔｃｏｍｐを評価することができる。温度制御ループによって、恒温槽温度Ｔｏｖｅｎは、特性が交差する（比較結果の差がゼロである）ところの温度Ｔｓｅｔへ進められ、その結果、ＭＥＭＳ発振器１１の出力は、実質的に安定な出力信号を発生するように調整される。温度ＴｏｖｅｎがＴｓｅｔ付近に制御される所定の温度範囲は、出力信号の可能な周波数ドリフトを決定する。抵抗性の感知を有するレシオメトリックなループを用いることによって、その温度範囲は、例えばＴｓｅｔ付近の０．１０℃に制限することができ、数ｐｐｍ以下のドリフトに導く。温度範囲は、ＭＥＭＳ発振器１１の特性及び動作周波数の温度依存性を考慮に入れることにより、例えば２若しくは１ｐｐｍの目標最大周波数ドリフトを目指して最適化（制限）することができる。
【００４９】
別の実施形態において、測定信号８３、８４は、例えばコンパレーター（図示せず）を用いて互いと比較され、例えば図７Ｃに示すような比較信号８６を生成する。図７Ｃの信号８６が正であるとき、ＭＥＭＳデバイス１１の温度ＴはＴｓｅｔよりも低く、恒温槽２は加熱されるべきである。コンパレーターの構成に依存して、正又は負電圧に留めるように他の比較信号８６が発生されてもよく、当業者は、加熱手段２１，１００による要求に応じてそのような信号を容易に適応させることができる。
【００５０】
図６は、実施形態による、例示のＭＥＭＳシステムを示す。恒温槽の温度Ｔｏｖｅｎの制御は、２つの素子６１、６２間の特性の比率又は差に基づく。システム１は、恒温槽２を備え、ここではＭＥＭＳデバイスを備えた電気デバイスが設けられ、電気デバイス７は、ＭＥＭＳ構造１１と２つの温度センサー６１、６２とを備え、この２つの温度センサーは、ＴＣＲ１及びＴＣＲ２をそれぞれ有する２つの抵抗器Ｒ１及びＲ２のような、上述したように異なる温度依存特性６３、６４を有する。そのシステムは、さらに、ＭＥＭＳ構造１１、特にその素子１１の温度Ｔｃｏｍｐを、固定のあるいは所望の温度Ｔｓｅｔに設定あるいは制御するための制御ループを実行する制御回路７１を備える。制御回路７１は、電気デバイス７の一部あるいは恒温槽２の一部であってもよい。このシステムは、以下のように動作する。
【００５１】
各抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗ｒの変化が図７Ａに図示され、関数ｒ１（Ｔ）及びｒ２（Ｔ）として示されている。両方の抵抗は温度Ｔの関数である。考察の温度範囲において、ｒ１（Ｔ）とｒ２（Ｔ）とが等しい一つの（また１つだけの）点がある。この点は、所定温度Ｔｓｅｔによって定義される。この温度に関して、ｒ１（Ｔｓｅｔ）＝ｒ２（Ｔｓｅｔ）。この式は、目標とされる恒温槽温度、Ｔｓｅｔでのみ有効である。制御ループは、ｒ１（Ｔｓｅｔ）＝ｒ２（Ｔｓｅｔ）であるように恒温槽温度を制御する。これが実現されるとき、恒温槽の温度はＴｓｅｔであり、Ｔｓｅｔに維持される。実際、Ｔｓｅｔは、感知信号６１、６２が同一であるとき特性曲線の交点に同じである、測定曲線８３、８４の交差点に位置し、そうでなければ、曲線はファクターｍでシフトし、ここでｍは感知信号６１、６２の大きさの比率である。
【００５２】
定常状態動作において、ＭＥＭＳデバイス１１の温度は、Ｔｓｅｔで維持され、温度ドリフトは実質的に除去される。制御ループがＤＣ（積分器）で無限の利得を有するならば、この制御ループは、感知回路類における温度依存オフセットのような、他の回路における非理想ではない、実質的に絶対的な平均温度精度を達成することができる。
【００５３】
制御ループ７１は、当業者に知られたいかなるアルゴリズムも用いて、アナログ又はデジタルの方法で実行されてもよい。さらに、制御ループ７１は、恒温槽２においてＭＥＭＳ構造１１を制御し監視するための回路を提供してもよい。制御ループは、一般に、システム７を有効に動作させるために、あるいは希望するように出力信号８７（例えば、図６におけるＭＥＭＳ構造の共振器の周波数）を調整するために必要ないかなる素子あるいは機構を含むことができる。特に、制御ループは、ＭＥＭＳ構造１１の温度がＴｓｅｔで維持されることを保証するだろう。ＭＥＭＳ構造１１の信号品質ファクター及びパラメータも制御ループによって記録され、及び／又は監視されてもよい。共振器の材料、特性及び構造と同様に、熱変動、ノイズ、弾性、応力、圧力、印加された歪み、及び電圧、電界及び電流を含む電気的なバイアスのようなファクターは、ＭＥＭＳ構造１１の出力に影響するかもしれない。これらのファクターを監視することは、共振器の出力信号の要因と共振器の出力信号特性との間の関係を発現させるのに有用であるかもしれない。これらの関係を理解することは、発生した出力信号８７にわたりより多くの制御をなすことを可能にする。
【００５４】
図８は、実施形態による、ヒーターを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。第１及び第２の感知素子６１、６２、並びに制御回路７１の目的は、周囲温度にかかわらず、Ｔｓｅｔに等しい、恒温槽２の庫内温度を安定に維持することである。結果として、部品のパラメータの変化は非常に小さくなる。２つの温度センサー６１、６２は、ＭＥＭＳ部品１１の温度を感知する。センサ６１、６２は、温度に関して異なる依存性を有する。それらは、２つの温度依存値Ｓ１、Ｓ２、例えば上述した測定電圧Ｖ１、Ｖ２、を出力する。制御ループ７１は、ＭＥＭＳ部品１１の温度Ｔｃｏｍｐを制御するヒーター２１を駆動する。制御ループは、ｍ＊Ｓ２＝Ｓ１、ここでｍは予め規定した一定の実数である、のように、恒温槽温度を制御する。この式は、一つの単一の温度Ｔｓｅｔでのみ有効である。したがって、ループが安定したときには、部品１１の温度はＴｓｅｔであり、よって、その温度依存変数は安定している。このことは図９に示され、図９は、実施形態による、第１及び第２の温度依存特性を示す。
【００５５】
ヒータ制御信号８８は、周囲温度Ｔａｍｂの関数になりえることが観察可能である。実際に、周囲温度が下がると、恒温槽２を囲む周囲温度のため、マイクロ恒温槽２の部品温度も下がるだろう。したがって、Ｓ１及びｍ．Ｓ２の両方は、同じように変化するであろう（それらは温度依存性の符号によって増加あるいは減少するかもしれない）。このことは、目標温度Ｔｓｅｔへ恒温槽２を再び加熱するようにヒータ制御信号８８を補償するため、制御ループ７１を起動させるだろう。実際にループは、ｍ．Ｓ２を戻しＳ１に等しくさせるだろう。制御信号７４が周囲温度Ｔａｍｂの関数であることはこの例から見ることができる。したがって、２重センサの温度安定ループ７１は、温度センサーとして用いることができる。
【００５６】
図８に示す２重センサ制御ループ７１が理想的であるが、現実の応用例において、２重センサ制御ループ７１は非理想に苦しむかもしれない。これは、加熱された部品のパラメータ（例えば周波数）の残余の温度依存性に帰着するかもしれない。言い換えれば、Ｔｓｅｔは周囲温度変化に関して固定されると思われているが、図１１に示すように、Ｔｓｅｔは周囲温度に関して僅かな残留変化を有しているかもしれない。図１１は、実施形態（「２重センサ制御のみ」によって示された曲線）による、２重センサ制御無しの、２重のセンサ制御有りの、並びに、２重センサ制御及びポスト補償制御有りの場合での、恒温制御されたＭＥＭＳ発振器に関する例示の出力信号の安定性を図示する。示されるように、部品のパラメータは温度に関して依然として変化するかもしれない。これは望むものではない。
【００５７】
本開示の別の態様によれば、実施形態による、ヒーター及び制御ループを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す図１０に図示するように、この残余の温度依存性は、ポスト補償によってさらに縮小されるかもしれない。この方法では、周囲温度Ｔａｍｂを感知する必要がある。よってＴａｍｂの測定は、ループの非理想の部品を修正する補償機構を誘導する。非理想による元の残余温度ドリフトが小さいので、Ｔａｍｂの測定はあまり正確である必要がない。ポスト補償機構は、温度ではなく興味のあるパラメータ（例えば共振器周波数）に影響を与えることができる、あらゆる独立した種類のものが可能である。例えば、周囲温度Ｔａｍｂの代表の制御信号８８は、ポスト補償信号がバイアス電圧である、制御システム及びヒーターを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す図１２に示すように、ＭＥＭＳ部品１１のバイアス電圧を誘導してもよい。
【００５８】
図１３は、ポスト補償信号が位相同期ループに作用する、ヒーター及び制御システムを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。図１３に示す実施形態は、入力としてＭＥＭＳ発振器をとり調整された出力周波数を提供する後段のＰＬＬを調整する。この追加の補償９０は、線形の、二次のあるいは多項式のような、数学のいずれの種類のもの、又は、ルックアップテーブルに基づいた、あるいは当業者に知られる他のいずれの補償に基づくものであることができる。ポスト補償９０の動作、及び部品パラメータあるいは出力パラメーター９２（例えば周波数）への影響は図１１に図示される。図１１は、実施形態による、２重センサ制御無しの、２重センサ制御有りの、及び２重センサ及びポスト補償制御有りの恒温制御されるＭＥＭＳ発振器に関する例示の出力信号の安定性を図示する。示されるように、２重センサ制御及びポスト補償カーブ９２は、ポスト補償９０無しのシステムに対応する曲線８７よりもよりフラットである。
【００５９】
上述したように、２重センサループ７１は、アナログループあるいはデジタルループとして実行されてもよい。したがって、周囲温度出力Ｔａｍｂは、アナログ又はデジタルになりえる。また、ポスト補償機構９０もまたアナログ又はデジタルになりえる。
【００６０】
ポスト補償９０は、独立した制御信号（例えばＭＥＭＳ部品１１のバイアス電圧）を制御することができるが、また、それは温度ループ部品に作用することもできる。ポスト補償機構９０は、またシステムの一部ではなく外部パラメーターに作用してもよい。例えば、周囲温度測定は、部品パラメータを用いる外部システムにおいてポスト補償として役立つことができる。例えば、ポスト補償は、恒温化されたＭＥＭＳに基づく発振器を用いる外部ＰＬＬにて実行することができる。
【００６１】
以下では、開示によるシステムで使用するＭＥＭＳ共振器デバイスの実施形態が、周波数及び電子機械的安定性、並びに高Ｑファクターを提供する最適な支持アンカーとともに記述される。図５、図１５及び図１９に示されるＭＥＭＳ共振器デバイスは、それぞれ、矩形形状の、しかし他の形状も可能である（例えば正方形、円形、平行六面体、立方体等）主たる共振器本体を含む。励振は、ごく近接して、つまり主共振器本体１０１に変換隙間（transduction gap）で設けられた電極１１１、１１２によって達成される。その本体は、基板に主共振器本体を固定するＴ形状の支持体１２１，１２２によって基板上方に浮かされる。
【００６２】
Ｔ形状の支持体つまりＴ−支持体は、基板へアンカーによって取り付けられる２つの脚と、主共振本体１０１への共通の接続部、及び幾つかのケースでは中央の接続部とを備えた固定−固定梁（clamped-clamped beam）を備える。ＭＥＭＳ共振器構造１１は、少なくとも所定のモード、例えば呼吸モード（breathing mode）で共振するように構成される。主共振器本体は、その自然な応答に関係する共振周波数（ｆｒｅｓ）で共振する。固定−固定梁あるいは支持体の長さは、周波数安定性及び高Ｑファクターを提供する屈曲波長（支持体へ最も重要な応力部品に依存する波長のタイプ）に関するものであるように選択される。固い固定−固定支持体を利用するＴ−支持体の設計は、動作方向において電気機械安定性を提供する。特に、各梁の長さＬＴｓｕｐは、屈曲波長の半分にオフセット期間を加えたものの倍数として選択される。
【００６３】
これらの実施形態において、各梁は、上記動作周波数（ｆｒｅｓ）で上記共振器本体の上記振動の結果として規定の屈曲波長での屈曲モードで振動することに適する。このことは、共振器本体の目標とした振動の結果として、梁が屈曲モード（つまり、この振幅用の低い剛性を示す）で振動するように作製されるように、梁の特性が選択されることを意味する。屈曲モードで振動するために梁の能力は、共振器の電子機械的安定性を向上させる、あるいは少なくとも維持することができ、一方、他のパラメータ用の梁の設計を最適化するために屈曲モードの理解を用いることができることが分かっている。さらに、各脚は、梁の振動の上記屈曲波長に対して「音響的に長い」ものであり、つまり脚が従来のデバイスに対して比較的長い長さを有することを意味し、このことは共振器本体の断熱を向上させる。結果として、共振器は、基板方向への著しい熱損失なしで動作温度に加熱することができ、動作周波数を実質的に安定して維持する。共通の中央の接続部は、電気機械的安定性を考慮して最小長さを有するように好ましくは選択あるいは設計される。その最小長さは、設計パラメータ及び製造工程によって決定される。
【００６４】
好ましくは、各脚は、上記屈曲波長を２で割り所定のオフセットを加えたものの所定倍数に等しい長さ（ＬＴｓｕｐ，ｏｐｔ）を有し、その所定倍数は脚の熱抵抗の最適化を考慮して選択され、上記所定のオフセットは共振器の品質ファクターの最適化を考慮して選択される。支持脚に関してそれらの長さの一つを選択することによって、共振器の接続点でのインピーダンス及びアンカーでのインピーダンスは一致する。結果として、アンカーを介する基板へのエネルギー損失は最小にすることができ、最適化されたＱファクターを有する共振器デバイスを提供することができる。好ましくは、所定のオフセットは、動作周波数（ｆｒｅｓ）に等しい第１の屈曲共振周波数を有する固定−固定梁の長さ（Ｌｃｌ−ｃｌ、１）の半分と実質的に等しい。Ｑファクターは共振器の支持脚長の周期関数であり、及び所定のオフセットが実質的に周期関数の最大に相当するということが分かった。
【００６５】
好ましい実施形態において、共振器本体は、変位が最小であるところで対称軸を有する呼吸モードで共振することに適しており、ここで、固定−固定梁の共通の接続部は上記対称軸に位置決めされる。このことは、梁が最小変位点で共振器本体に接続されることを意味し、これは、共振器の電気機械的安定性を向上させることができる。図１４Ａ〜図１４Ｃは、本開示による実施形態で使用するに適している振動ＭＥＭＳ共振器の変位を示す。共振器は、呼吸モードで振動する。つまり本体が拡張、収縮する。図１４Ａは、元の、平面形状の、つまり変位の無い主本体を示す。図１４Ｂは、主本体の振動の最大拡張点での変位を示す。即ち、本体の長手方向（中央）軸で実質的に変位が無く、かつ本体の長手方向端縁に沿って最大変位がある。図１４Ｃは、主本体の振動の最大収縮点での変位を示す。即ち、同様に、本体の長手方向軸で実質的に変位が無く、かつ本体の長手方向端縁に沿って最大変位がある。このことは、この呼吸モードにおいて長手方向軸がこの発振器用の支持体を接続するのに最良の場所であることを示す。
【００６６】
本開示により達成可能な高レベルの電気機械的安定性は、さらに、引き込みの危険が無く高い電圧を印加することができ、よって、より容易に集積化を導くことができるＭＥＭＳ共振器の低い動インピーダンス達成する。
【００６７】
好ましい実施形態において、固定−固定梁はＴ形状であり、共振器本体に中心に接続される。別の実施形態では、固定−固定梁は、また例えば角のある梁になりえる。
【００６８】
好ましい実施形態において、固定−固定梁は硬い方向を有し、励振手段は上記梁の硬い方向において共振器本体を励振するために位置決めされる。例えばＴ形状梁の場合、硬い方向は、支持脚の長手方向であり、上記梁は、それに直角ないずれの方向において低い剛性を有している。
【００６９】
しかしながら、本開示は、呼吸モードで振動するために設計されるマイクロメカニカル発振器に制限されない。他の動作モードが同じように可能である。
【００７０】
図１７は、本開示による実施形態において用いることができる屈曲の共振器の例を示す。この共振器は、２つの励振電極間に延在し、屈曲モードで共振するのに適した固定−固定梁１３０を備える。支持体１３１、１３２は、今度は本明細書に記載するように、音響的に長い脚を有する固定−固定梁になり得る。図５に関して上述したのと同じ方法で、共振器の上部に２つの抵抗性の感知素子が設けられる。
【００７１】
図１８は、本開示による実施形態において使用可能な屈曲共振器の別の例を示す。この共振器は、２つの励振電極間に延在し、屈曲モードで共振することに適した片持ち梁１４０を備える。支持体１４０は、今度は本明細書に記載するように、音響的に長い脚を有する固定−固定梁になり得る。図５に関して上述したのと同じ方法で、共振器の上部に２つの抵抗性の感知素子が設けられる。
【００７２】
図２０に示される別の好ましい実施形態において、異なるＴＣＲを有する材料で構成される２つの抵抗器は感知素子である。抵抗器へのケルビン（４点）接続は、デバイス上で抵抗測定を可能にする。可能な配置において、電圧Ｖが監視されながら、電流Ａが抵抗器を通して導かれる。そのとき抵抗は、アクセスラインの抵抗及び温度に関係なく、Ｖ／Ａである。他の感知構成も同じように適用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に、恒温制御された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）発振器を備えたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭシステム及び特にＭＥＭＳ共振器は、非常に高い品質ファクター（Ｑ）を有し、発振器を構築するために用いることができ、このことは、図１に示すように、周波数基準装置としてそれらが役立つように実施可能とすることが知られている。しかしながら、伝統的には水晶発振器がそれらのより良好な温度安定度のため、周波数基準としてしばしば用いられる。放送送信機システムにおけるようにより高い安定性が要求されるときには、例えば恒温槽型水晶発振器がしばしば用いられる。しかしながら、そのような石英デバイスは大きく、また、石英基準を用いるシステムは、低い集積化に悩まされる。一方、ＭＥＭＳ発振器は、小さく、集積化可能であり、よって、コストを著しく低下させる。しかしながら、補償無しでのＭＥＭＳ共振器は、温度に関して周波数ドリフトの高い感度を示し（例えば１００℃の周囲温度範囲に関して±５０００ｐｐｍ）、よって、図２に示すように、水晶発振器よりも温度に関してより不安定な周波数特性を有している。
【０００３】
ＭＥＭＳ共振器は、周囲温度を感知することにより、及び測定された温度によって、（例えば電気的に）ＭＥＭＳ共振器を補償することによって、広い周囲温度範囲（例えば１００℃の周囲温度範囲）にわたり、より良好に安定させることができる。図３は、そのような従来の解決策を図示している。周囲温度は、ＭＥＭＳデバイスと良好に熱接触する外部の温度センサによって感知され、ＭＥＭＳ発振器システムは、測定された温度に基づいて周波数制御手段によって電気的に補正される。言い換えれば、周囲温度センサは、共振器システムの周波数補償ノブを駆動する。このように、ＭＥＭＳ共振器は、１００℃の周囲温度範囲（例えば−２０℃から＋８０℃周囲温度まで）にわたり、±１００ｐｐｍ精度まで典型的に制御されるかもしれない。
【０００４】
しかしながら、それらのメカニズムの問題は、温度センサ自体の精度及び温度安定性である。温度に関するそれらのドリフトは、ＭＥＭＳ共振器の達成可能な温度安定性を制限する。これが、システムにおいて信頼できる（かつ高価な）温度基準がしばしば必要とされる理由である。
【０００５】
図４に示されるように、米国特許出願 ２００９／０２４３７４７は、一つの安定した周波数を発生するために２つの共振器を用いる。温度安定性は、温度変化に対する周波数の変化である、周波数の異なる温度係数、ＴＣＦ＝Δｆ／ｆ．１／ΔＴを有する２つの共振器を用いることにより、及び、温度ドリフトによる共振器間の周波数差を補償することによって達成される。（補償が適用されなかったならば）両方の周波数が同一のところで、所定温度Ｔｓｅｔが存在する。制御ループは、温度変化を補償し、周波数が他の温度においても同一に維持されることを保証する。よって、共振器周波数の安定性が達成される。しかしながら、この概念には、異なるＴＣＦを有する２つの共振器を必要とし、よって大きなチップ面積を必要とするという欠点がある。また、両方の共振器は、さらなる回路類を必要としながら、発振器として構成されるべきである。また、所望の周波数を達成するために、両方の共振器帯（bars）での温度は同一であるべきであり、このことは、概念的には設計を一致させることによって容易であるかもしれないが、実際には保証するのは非常に難しい。最後に、両方のデバイス間の寄生性のカップリングは、余りきれいなクロック出力とはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願２００９／０２４３７４７号
【発明の概要】
【０００７】
低減した周波数ドリフトを達成することができる、実質的に安定した周波数で出力信号を発生するためのＭＥＭＳに基づいたシステムが開示される。
この目的は、第１請求項の技術的特徴を備えたシステムとともに本開示によって達成される。
【０００８】
特に、システムの周波数ドリフトを最小限にするために、レシオメトリックな（ratiometric）温度制御ループが必要なことが分かった。これは、マイクロメカニカル発振器と連携し、抵抗感知とともにレシオメトリック原理によって、マイクロメカニカル発振器の温度を検出し、評価し、適応させるための部品を備え、及び、所定の設定温度付近の所定温度範囲内にマイクロメカニカル発振器の温度を維持するためにさらに設けられる。この所定温度範囲は、マイクロメカニカル発振器の特性及び上記周波数の温度依存性に基づいて決定される。
【０００９】
開示のシステムは、自己参照されるという長所を有し、その結果、温度又は周波数用の外部参照用のソースがその動作のためにあるいは周波数ドリフトを制限するために必要ない。相対的な温度誤差のみを検出する（つまり、実際の温度が希望温度よりも高いあるいは低いかどうかを検出する）必要があるので、誤差の大きさの絶対測定を検出する必要はない。したがって、典型的に温度に関して非常に正確で安定した特性を要するアンプ又はＡ−Ｄ変換器は必要ない。このことは、システムを非常に単純化しより実現可能にする。関連する測定が、どの程度大きいあるいは小さいというよりもむしろ単に「高すぎる」あるいは「低すぎる」であるので、温度誤差の検出における利得誤差は、所望のＴｓｅｔを達成することには無関係である。
【００１０】
ＭＥＭＳ発振器は恒温槽に位置し、よって周囲環境から遮断されており、さらに、恒温槽における基準ＭＥＭＳ発振器の必要性（米国特許出願公開２００９／０２４３７４７号に開示される２重の共振器システムのような）を避けることができることから、開示のシステムは、低消費電力でありえるという長所を有する。
【００１１】
いくつかの実施態様において、所定の温度範囲は、高々０．１０℃であるように選択されてもよい。このことは、開示するレシオメトリックな温度制御ループによって可能であり、周波数ドリフトをほんの数ｐｐｍ以下に減じることができる。
【００１２】
マイクロメカニカル発振器（この発振器は異なるモードあるいは複数の周波数で振動するよう設計されてもよい）が振動する一つあるいは複数の周波数は、マイクロメカニカル発振器の特性、特に、それが構成されている材料、その形態（例えば形状及び配置）、及びその寸法を備える特性によって決定される。
【００１３】
好ましい材料は、シリコンゲルマニウムであり、それは−４０ｐｐｍ／℃のＴＣＦ（周波数の温度係数）を有する。開示する制御ループ及び０．０５℃に制限された所定温度範囲で、周波数ドリフトは、２ｐｐｍ．に制限することができる。さらに、よりよい安定性を達成するために、設計特性を最適化することができる。その結果、例えばシリコンゲルマニウム発振器と組み合わせて抵抗感知を有するレシオメトリックな制御ループで、１ｐｐｍ以下の周波数ドリフトを達成することができる。
【００１４】
別の可能な材料はシリコンであり、それは−３０ｐｐｍ／℃のＴＣＦを有する。周波数ドリフトを２ｐｐｍに制限するために、０．０６７℃の温度範囲が制御ループにセット可能である。さらに、発振器の特性上の設計によって、ドリフトはさらに縮小することができる。ＭＥＭＳ発振器は、また、おまけに他の適切な材料にて構成されてもよいことに注意すべきである。
【００１５】
いくつかの実施態様において、ＭＥＭＳ発振器は圧電共振器であってもよい。あるいは、またさらに、ＭＥＭＳ発振器は、弾性表面波共振器、屈曲共振器（flexural resonator）、あるいは他のいずれの共振器であってもよい。
【００１６】
いくつかの実施態様において、マイクロメカニカル発振器は、真空密封パッケージにおいてＭＥＭＳ発振器へ共通の接続を有する２つの支持脚を備えた各梁のような、固定−固定梁（clamped-clamped beams）によって浮かされてもよい。共振器用の支持アンカーとしてそのような梁を用いることは、マイクロメカニカル発振器の振動の結果として梁が振動するところの屈曲波長（flexural wavelength）に対して、例えば、梁の各脚を音響学的に長くすることによって（例えば、屈曲波長の倍数よりも各脚を長くすることによって）、共振器の断熱を向上させることができるという利点を有する。更なる利点として、そのような支持アンカーで、単一のＭＥＭＳ発振器システムの消費電力が１ｍＷ未満にすることができることが分かり、その結果、システム全体の電力消費は、１０ｍＷ以下に減じることができる。さらに更なる利点として、脚の長さは、発振器の品質ファクターに影響するのを防止するために最適化することができる。
【００１７】
いくつかの実施態様において、それらの梁の一若しくは複数は、ＭＥＭＳ発振器を加熱するための加熱抵抗として用いることができる。このように、それらの梁の一若しくは複数は、制御ループの一部として機能してもよい。
【００１８】
他の実施態様において、ＭＥＭＳ発振器は、他のタイプの支持アンカーによって同じように浮かされてもよい。
制御ループの一部として、発振器用の加熱は、輻射あるいは他のいずれかの加熱機構によってマイクロメカニカル共振器を加熱するための輻射源を備えてもよい。
【００１９】
レシオメトリックな温度制御ループの抵抗感知は、マイクロメカニカル共振器と十分に良好な熱接触において２つの感知素子を設けることにより提供されてもよく、その結果、２つの感知素子は、共振器と実質的に同じ温度を感知する。レシオメトリックの原理は、測定されたとき測定曲線が、予め規定した設定温度Ｔｓｅｔに対応する予め規定の交差点にて交差するように、両方の感知素子が異なる温度依存特性を有するという点で規定することができる。このように、ＭＥＭＳ発振器の実際の温度が所定温度Ｔｓｅｔよりも上か、下か、等しいのか否かを容易に決定することができ、よって、上記ループを制御可能である。いくつかの実施態様において、第１の感知素子は第１の感知信号で感知されてもよく、第２の感知素子は第２の感知信号で感知されてもよい。いくつかの実施態様において、第１及び第２の感知信号は、実質的に同じ大きさを有していてもよい。いくつかの実施態様において、第１及び第２の感知信号は、同じ符号、位相、継続時間を有さなくてもよい。
【００２０】
一つの実施態様において、制御回路は、基板に第１及び第２の感知信号を構成してもよく、その結果として差信号を決定する。制御回路は、その差信号を増幅するようにさらに構成してもよく、それによって制御信号を発生する。
【００２１】
いくつかの実施態様において、制御回路は、制御信号における残余誤差を除去するように構成されたポスト補償回路に接続されてもよく、それによってポスト補償信号を発生する。ポスト補償信号は、例えば、線形の、二次の、あるいは多項式変換の制御信号を用いて決定してもよい。代わりに、あるいはさらに、ポスト補償信号は、例えば、ルックアップテーブルを用いて決定してもよい。他の例も、同様に可能である。
【００２２】
ポスト補償信号は、集積電気部品の温度と予め規定の温度との差を減じるために、バイアス信号又はオフセット信号として制御回路に供給されてもよい。
残余誤差を除去するためにそのようなポスト補償回路を用いることによって、オフセット、潜在熱、及び／又は他の非理想に起因する不正確さは、さらに減じられるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、発振器及びフィルタにおいて適用された典型的なＭＥＭＳ共振器を示す。
【図２】図２は、恒温制御された水晶振動子及び補償されていないＭＥＭＳ共振器に関する、温度に対する典型的な周波数ドリフトのプロットを示す。
【図３】図３は、典型的なＭＥＭＳシステムを示す。
【図４】図４は、別の典型的なＭＥＭＳシステムを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の平面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の平面図を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の断面図を示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器の断面図を示す。
【図５Ｅ】図５Ｅは、実施形態によるＭＥＭＳ発振器を含む真空パッケージを示す。
【図６】図６は、実施形態によるＭＥＭＳシステムの例を示す。
【図７】図７Ａは、温度依存の抵抗器の値に対応する測定電圧信号の例で、実施形態による例示の測定電圧信号間の出力比較を示す 図７Ｂは、例示の測定電圧信号間の違いに対応する測定電圧信号の例で、実施形態による例示の測定電圧信号間の出力比較を示す。
【図８】図８は、実施形態による、ヒーターを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図９】図９は、実施形態による、第１及び第２の温度依存特性を示す。
【図１０】図１０は、実施形態による、ヒーター及び制御ループを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図１１】図１１は、実施形態による、２重のセンサ制御が無い、２重のセンサ制御が有る、及び２重のセンサ制御及びポスト補償制御が有る、恒温制御されたＭＥＭＳ発振器に関する例示の出力信号の安定性を図示する。
【図１２】図１２は、ポスト補償信号がバイアス電圧であるヒーター及び制御システムを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図１３】図１３は、ポスト補償信号が位相同期ループに作用するヒーター及び制御システムを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器を振動させる例示の変位を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器を振動させる例示の変位を示す。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器を振動させる例示の変位を示す。
【図１５】図１５は、実施形態による、輻射によって加熱された圧電長手方向発振器（bulk acoustic longitudinal oscillator）の模式図を示す。
【図１６】実施形態による、共振器での周波数変動対入射光パワーを示す、１００ｘ１００μｍ ＳｉＧｅ発振器に関する測定データを示す。
【図１７】図１７は、実施形態による、例示の屈曲共振器を示す。
【図１８】図１８は、実施形態による、別の例示の屈曲共振器を示す。
【図１９】図１９は、実施形態による、支持体を介してジュール加熱によって加熱された例示のＭＥＭＳ発振器を示す。
【図２０】図２０は、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器の上部の抵抗を測定するために、４点のアクセスラインを有する２つの抵抗器が、アクセスラインの抵抗及び温度に関係なく置かれたＭＥＭＳ発振器の例示を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
開示は、開示のいくつかの例を説明する、添付の図及び図の説明においてさらに解明される。図は、尺度に従って描かれていないことに注意してほしい。それらの図は、開示の原理を記述することを意図している。さらに、開示の実施形態は、異なる図の異なる特徴及び要素の組み合わせを用いることができる。
【００２５】
本開示は、特定の実施形態に関して、及びある図に関して記述されるだろうが、この開示はそれに限定されない。記述された図は、単に模式的であり、非限定的である。図において、要素の内のいくつかのサイズは、図示の目的のため、誇張され、尺度通りに描かれていないかもしれない。寸法及び相対的な寸法は、必ずしも開示の実施への実際の縮小に対応していない。
【００２６】
さらに、実施形態及び請求範囲における第１、第２、第３等の用語は、類似の要素間を区別するために使用され、必ずしも連続的あるいは経時的な順を述べるためのものではない。それらの用語は、適切な状況下で交換可能であり、開示の実施形態は、ここに記述されあるいは図示された以外の他の順序における動作が可能である。
【００２７】
さらに、実施形態及び請求範囲における上、底、上方、下方、等の用語は、便宜上、使用されるものであり、必ずしも相対的な位置を述べるものではない。それらの用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここに記述された開示の実施形態は、ここに記述されあるいは図示された以外の他の配向における動作が可能である。
【００２８】
請求範囲において使用される、用語「備える」は、それ以後に列挙する手段に限定されるように解釈すべきではない。即ち、それは、他の構成部分又は工程を排除しない。よって、そのように述べられた特徴、整数、工程、又は部品の存在を特定するように解釈されるべきであり、１つ以上の他の特徴、整数、工程、又は部品、あるいはそれらのグループの存在や追加を妨げない。したがって、表現「手段Ａ及びＢを備えたデバイス」の権利範囲は、部品Ａ及びＢのみからなるデバイスに限定されるべきではない。それは、本開示に関して、デバイスの唯一関連ある部品がＡ及びＢであるということを意味する。
【００２９】
本開示は、予め規定した温度Ｔｓｅｔにてマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）発振器の温度を安定化させるためのシステムを提供する。図１は、発振器及びフィルタにおいて適用される典型的なＭＥＭＳ共振器を示す。典型的なＭＥＭＳ発振器１１は、幾つかの場合において圧力センサ、発振器、応力センサのような種々様々の応用例に用いられてもよい。ＭＥＭＳ構造は小さくなる傾向があるので、例えば、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）チップを含む、多くのデバイスに集積化可能である。
【００３０】
しかしながら、ＭＥＭＳ発振器１１のような典型的なＭＥＭＳ構造に関する問題は、それらの特性が温度とともに大きくドリフトするかもしれないということである。例えば、ＭＥＭＳ発振器において、その周波数は１００℃の温度範囲（例えば−２０℃から＋８０℃まで）において５０００ｐｐｍでドリフトするかもしれない。例えば、ＭＥＭＳ発振器に基づくシリコンは、典型的にはその共振周波数ｆｒｅｓ（Ｔ）に関して温度に対して−３０ｐｐｍ／℃の感度を有している。そのようなシリコン系のＭＥＭＳ発振器に関する周波数の温度係数ＴＣＦは、−３０ｐｐｍ／℃であると言われる。
【００３１】
ＭＥＭＳ発振器の周波数を安定させるためのいくつかの技術がある。一つの技術は、電気的な補償によるものであり、これでは発振器回路のフィードバック信号が安定周波数を維持するために修正される。別の技術では、ＭＥＭＳ発振器の温度Ｔｃｏｍｐが安定な予め規定した温度Ｔｓｅｔに維持される。このために、ＭＥＭＳ発振器は、図１に示す恒温槽２のような恒温槽に置かれてもよく、恒温槽温度Ｔｏｖｅｎは、予め規定した温度に維持されてもよい。しかしながらこの技術は、恒温槽内の温度が所定値Ｔｓｅｔよりも高いかあるいは低いか否かを決定するいくつかの手段を一般的に必要とする。米国特許出願公開２００９／０２４３７４７において、この決定は、異なるＴＣＦ（例えばＴＣＦ１及びＴＣＦ２）を有する２つのＭＥＭＳ共振器を用いることによってなされ、図４に示すように、それら周波数を混合することに基づいて制御信号８８を発生する。
【００３２】
図５Ａから図５Ｅは、実施形態による、ＭＥＭＳ発振器の平面を（図５Ａ及び図５Ｂ）、ＭＥＭＳ発振器の断面を（図５Ｃ及び図５Ｄ）、及びＭＥＭＳ発振器を含む真空パッケージを（図５Ｅ）示す。図５Ｂに示されるように、ＭＥＭＳ発振器１１は、第１の抵抗ｒ１及び第１の抵抗温度係数（ＴＣＲ）ＴＣＲ１を有する第１の抵抗器６１を含んでいる。さらにＭＥＭＳ発振器１１は、第２の抵抗ｒ２及び第２ＴＣＲ ＴＣＲ２を有する第２の抵抗器ｒ２を含んでいる。第１抵抗器６１及び第２抵抗器６２は、ＭＥＭＳ発振器１１の共振器バーの上部に加工されて示されている。第１抵抗器６１及び第２抵抗器６２は、ＭＥＭＳ発振器１１から電気的に絶縁されるが、所望の熱的精度を有するようにＭＥＭＳ発振器１１と良好な熱接触にある。抵抗値は、少なくとも第１の感知信号８１（Ｉ１ｉｎ）及び第２の感知信号８２（Ｉ２ｉｎ）を組み合わせて選択される。第１感知信号８１は、例えば、第１抵抗器６１を流れる第１の直流（ＤＣ）信号を含んでもよい。同様に、第２感知信号８２は、第２抵抗器６２を流れる第２のＤＣ信号を含んでもよい。図７Ａに示される電圧曲線８３、８４のように、結果として生じる電圧曲線が、予め規定の温度Ｔｓｅｔに対応する交差点８５で交差するように、抵抗値が選択されてもよい。これらの抵抗器６１、６２は、本開示のシステムによるレシオメトリックな制御ループにおいて用いられる抵抗性の感知素子の実施形態を形成する。
【００３３】
一つの実施形態において、２つの感知信号８１、８２は、実質的に同じであってもよい。例えば、感知信号８１、８２の各々は、カレントミラーによって発生されたＤＣ信号であってもよい。別の実施形態では、各感知信号（例えば第１感知信号８１）は、例えばスイッチを用いて一つの感知素子（例えば第１感知素子６２）に選択的に印加され、及び測定信号（例えば第１測定信号８３）は、測定コンデンサー（図示せず）のようなストレージ手段に蓄えられてもよい。感知後、ストレージ手段に蓄えられた測定信号８３、８４（例えば電圧）は、制御信号８８を発生するため、比較されあるいは減算されてもよい。このように、第１及び第２の感知信号８１、８２間のいかなる相異も回避することができる。
【００３４】
第１及び第２の抵抗器６１、６２に加えて追加の抵抗素子が、温度依存特性６３、６４の交差が動作温度で得ることができる限り、つまり制御ループが「レシオメトリック」に留まる限り、さらに使用されてもよい。交差は、個々の特性あるいは他の動作の単純なスケーリングによって作成することができる。例えば、ダイオードの抵抗は、温度において実質的に指数関数的な依存性を有し、一方、電気的な抵抗器の依存性は、実質的に線形であることが知られており、よって、温度依存性は全く異なる。単純化のため、本開示の原理は抵抗器に関してさらに記述されるが、他の素子が同じように可能であることは理解されるべきである。
【００３５】
図５Ｂに戻って実施形態において、第１及び第２の感知信号８１、８２は、電気デバイス７によって発生される。いくつかの実施形態において、第１及び第２の感知信号８１、８２は、ＭＥＭＳデバイス１１を備える同じチップにおいて発生してもよい。別の実施形態では、感知信号８１、８２は、恒温槽２の外部からのように、電気デバイス７の外部から供給されてもよい。所望の交差点６５（図７Ａに示すように）及び対応する所望温度Ｔｓｅｔは、固定されても可変であってもよい。いくつかの実施形態において、所望の交差点６５及び対応する所望温度Ｔｓｅｔは、感知信号８１、８２を変更することによって調整可能かもしれない。外部の感知信号８１、８２の供給を許可することは、また、修正及び／又は較正を可能にするかもしれない。
【００３６】
ＭＥＭＳ構造１１、特に共振器バーと熱接触して２つの抵抗器６１、６２を設置することによって、電気デバイス７（例えばチップ）の動作中、共振器バーの熱Ｔｃｏｍｐが規定の温度Ｔｓｅｔにできるだけ接近して一致することを確認することが可能になり、それによって、共振器の周波数が共振器バーの局所的な温度に最も敏感であるように、できるだけ良好にこのＭＥＭＳ構造１１の共振器周波数を安定させる。電気デバイス７の動作中、恒温槽の内側温度ＴｏｖｅｎとＭＥＭＳ構造１１の温度との間には温度差ができることに注意すべきである。従って、ＭＥＭＳ構造１１の近くに感知素子６１、６２を設けることは望ましいかもしれない。
【００３７】
図５Ｃは図５Ｂの構造の断面を示し、ここで感知抵抗器６１、６２は、共振器の上部に設けられる電気的絶縁体上に位置決めされる。このように、電気的絶縁をしないで熱接触が達成される。図５Ｄは、本開示による別の実施形態を示す。他の多くの形態を用いることができることが当業者に明らかだろう。
【００３８】
ある実施形態において、恒温槽は、ＭＥＭＳ発振器１１及び加熱手段２１を含む真空パッケージ２２である。パッケージ２２は、ＭＥＭＳデバイス１１から真空パッケージの外部の周囲温度まで熱的絶縁を提供し、加熱手段２１とともに恒温槽２あるいは恒温化したシステムを形成する。好ましい実施形態において、ＭＥＭＳ素子１１は、その支持脚を通して電流を導き、ジュール加熱によってＭＥＭＳデバイス１１を加熱する（図１９を参照）ことによって、加熱することができる。ＭＥＭＳ素子１１及び温度感知手段６１、６２が良好な熱接触にあり、即ち実質的に同じ温度を有する限り、他のタイプの加熱手段２１が使用可能である。
【００３９】
他の例の一つは輻射加熱である。図１５及び図１６を参照。この実施形態において、加熱手段は、調整可能な熱輻射源１００を備え、ＭＥＭ共振素子１０１が、調整可能な熱輻射源によって発生した熱輻射を吸収するために提供される。言い換えれば、ＭＥＭ共振素子１０１は、調整可能な熱輻射源１００によって放射された熱輻射を受け入れるために配置され、一方、制御回路は、ここに記述する他の実施形態のように、例えば共振素子の上部に、抵抗性感知素子（図示せず）によってＭＥＭ共振素子の温度変化を監視するために配置される。温度の変化は、監視されたパラメーター値の変化に関して放射される熱輻射量を変更するため、調整可能な熱輻射源にその出力信号を適応する制御回路によって監視される。このことは、放射された熱輻射の強度を変更することによって、そうでなければ、その源を断続的にオン／オフを切り替えることによって、行うことができる。熱輻射の形態において熱エネルギーを提供することによって、熱エネルギーは、ＭＥＭ共振素子１０１の方へ集中させることができ、それによりＭＥＭ共振素子の周囲を直接加熱することを減じ、あるいはさらに回避することができる。熱エネルギーがＭＥＭ共振素子によってより直接に吸収可能であるので、開示する装置の温度へのより速い反応速度が達成可能である。光源１００は、例えば集積したＬＥＤとすることができ、その強度は、ＬＥＤに供給するＬＥＤ電流を制御することによって調節することができる。
【００４０】
好ましくは、抵抗性の感知素子６１、６２は、電気的に絶縁され熱的に伝導性の層によって分離されて、ＭＥＭＳ素子１１の上部に、下方に、あるいは隣接して、互いに隣接してあるいは互いの上方に置かれる。良好な熱接触を提供し、ＭＥＭＳ素子１１の性能を大幅に下げない他の実施も用いることができる。
【００４１】
レシオメトリックな原理は、異なるＴＣＲ値を用いることによって達成されてもよく、これは、２重のセンサループに必要な抵抗器６１、６２に関して２つの異なる材料を用いることによって今度は達成されてもよい。図７Ａは、第１及び第２の抵抗器６１、６２でのそれぞれの相対的な電気抵抗ｒ＝ΔＲ／Ｒ、対、温度の例を示し、即ち一般的に、第１及び第２の感知素子６１、６２の温度依存特性６３、６４を示す。
【００４２】
予め規定したＴＣＲ値を有する電気的な抵抗器の存在及び製造は、当該技術において良く知られている。例えば、ｎ型又はｐ型シリコンに関する抵抗の温度係数ＴＣＲは、既知の公式により、ドーピング濃度に依存する。A. Razborsek及びF Schwagerは、「Thin film systems for low RCR resistors」において、Ｎｉパッドで覆われＴＣＲを−１５０ｐｐｍ／℃と＋５００ ｐｐｍ／℃との間に調節可能なＴａＮを備えた抵抗器をどのように製造可能とするかを記述している。米国特許Ｎｏ．７，６５９，１７６は、調整可能な抵抗の温度係数の抵抗器、及びその製造方法について記述する。抵抗器のＴＣＲ値は、異なる材料を用いることによって変化するかもしれないが、しかし、同じ材料を備えるが異なる結晶構造あるいは結晶方位、又は、異なるドーピングレベルあるいは不純物レベルを有する抵抗器もまた、異なるＴＣＲ値を有するかもしれない。
【００４３】
Ｔｓｅｔのまわりの小さな所定温度範囲において、温度依存特性６３、６４の曲線は、下記の式によって近似することができる。
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ０（１＋αΔＴ） （１）
【００４４】
ここで、αはＴＣＲとして知られ、抵抗の温度係数と呼ばれる材料特性である。用語「抵抗器」が用いられているが、合成抵抗値ｒ１及び合成ＴＣＲ１値を有する結合した抵抗器を得るために、２つ以上の個々の抵抗器の並列又は直列の組み合わせもさらに使用されてもよいということが理解されるべきである。
【００４５】
感知素子として抵抗器を用いた、本開示の実施形態において、ＴＣＲ値のうちの一つは、実質的に０であり、一方、別のＴＣＲ値は正である。別の実施形態において、ＴＣＲ値のうちの一つは実質的に０であり、一方、別のＴＣＲ値は負である。さらに別の実施形態では、ＴＣＲ値のうちの一つは負であり、一方、別のＴＣＲ値は正である。さらに別の実施形態において、両方のＴＣＲ値は負であるが、異なる値を有している。さらに別の実施形態では、両方のＴＣＲ値は正であるが、異なる値を有している。他のＴＣＲ値も、同じように可能である。
【００４６】
本開示の実施形態において、第１の感知信号８１はＡＣ電流であり、第２の感知信号８２はＡＣ電流であり、第１の測定信号８３はＡＣ電圧であり、第２の測定信号８４はＡＣ電圧である。別の実施形態において、第１感知信号８１はＤＣ電流であり、第２の感知信号８２はＤＣ電流であり、第１の測定信号８３はＤＣ電圧であり、第２の測定信号８４はＤＣ電圧である。また別の実施形態において、第１感知信号８１はＡＣ電圧であり、第２感知信号８２はＡＣ電圧であり、第１測定信号８３はＡＣ電流であり、第２測定信号８４はＡＣ電流である。さらに別の実施形態において、第１感知信号８１はＤＣ電圧であり、第２感知信号８２はＤＣ電圧であり、第１測定信号８３はＤＣ電流であり、第２測定信号８４はＤＣ電流である。感知信号８１、８２は、連続信号あるいは中断信号であってもよい。感知信号及び測定信号は、さらに他の形態を取っても良い。
【００４７】
制御回路７１の実施形態において、感知素子６１、６２（例えば抵抗器）によって発生した測定信号８３、８４（例えば電圧）は、減算され及び任意的に増幅され、図７Ｂに示すように例えば差信号８５を生成する（又はその逆、第１測定信号が第２測定信号から減算されるあるいはその逆か否かに依存して）。任意的に、測定信号８３、８４のうちの一つは、減算前に拡大縮小（scaled）することができる。差信号８５が正であるとき、ＭＥＭＳ発振器１１の温度Ｔｃｏｍｐは、Ｔｓｅｔよりも高く、恒温槽２は冷やされるべきである。これは、受動的な場合には、冷却はヒーター２１に電力を供給しないことにより達成されてもよい。差信号８５が負であるときには、ＭＥＭＳデバイス１１の温度ＴｃｏｍｐはＴｓｅｔよりも低く、恒温槽２を加熱する必要がある。実際上、Ｔｓｅｔは、周囲温度の少なくとも１０℃上が選ばれてもよく、その結果、受動的な冷却が使用可能である。
【００４８】
ヒーター２１へ供給される実際の加熱電力は、いくつかの実施形態において、差信号８５の大きさに比例するか、二次の、指数関数の、あるいは別の関係であってもよい。言い換えれば、制御ループは、例えば、一つの温度センサー６１の温度特性（例えば抵抗）を第２の温度センサー６２の温度特性（例えば抵抗）と比較することによって、ＭＥＭＳ発振器１１の温度Ｔｃｏｍｐを評価することができる。温度制御ループによって、恒温槽温度Ｔｏｖｅｎは、特性が交差する（比較結果の差がゼロである）ところの温度Ｔｓｅｔへ進められ、その結果、ＭＥＭＳ発振器１１の出力は、実質的に安定な出力信号を発生するように調整される。温度ＴｏｖｅｎがＴｓｅｔ付近に制御される所定の温度範囲は、出力信号の可能な周波数ドリフトを決定する。抵抗性の感知を有するレシオメトリックなループを用いることによって、その温度範囲は、例えばＴｓｅｔ付近の０．１０℃に制限することができ、数ｐｐｍ以下のドリフトに導く。温度範囲は、ＭＥＭＳ発振器１１の特性及び動作周波数の温度依存性を考慮に入れることにより、例えば２若しくは１ｐｐｍの目標最大周波数ドリフトを目指して最適化（制限）することができる。
【００４９】
別の実施形態において、測定信号８３、８４は、例えばコンパレーター（図示せず）を用いて互いと比較され、例えば図７Ｃに示すような比較信号８６を生成する。図７Ｃの信号８６が正であるとき、ＭＥＭＳデバイス１１の温度ＴはＴｓｅｔよりも低く、恒温槽２は加熱されるべきである。コンパレーターの構成に依存して、正又は負電圧に留めるように他の比較信号８６が発生されてもよく、当業者は、加熱手段２１，１００による要求に応じてそのような信号を容易に適応させることができる。
【００５０】
図６は、実施形態による、例示のＭＥＭＳシステムを示す。恒温槽の温度Ｔｏｖｅｎの制御は、２つの素子６１、６２間の特性の比率又は差に基づく。システム１は、恒温槽２を備え、ここではＭＥＭＳデバイスを備えた電気デバイスが設けられ、電気デバイス７は、ＭＥＭＳ構造１１と２つの温度センサー６１、６２とを備え、この２つの温度センサーは、ＴＣＲ１及びＴＣＲ２をそれぞれ有する２つの抵抗器Ｒ１及びＲ２のような、上述したように異なる温度依存特性６３、６４を有する。そのシステムは、さらに、ＭＥＭＳ構造１１、特にその素子１１の温度Ｔｃｏｍｐを、固定のあるいは所望の温度Ｔｓｅｔに設定あるいは制御するための制御ループを実行する制御回路７１を備える。制御回路７１は、電気デバイス７の一部あるいは恒温槽２の一部であってもよい。このシステムは、以下のように動作する。
【００５１】
各抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗ｒの変化が図７Ａに図示され、関数ｒ１（Ｔ）及びｒ２（Ｔ）として示されている。両方の抵抗は温度Ｔの関数である。考察の温度範囲において、ｒ１（Ｔ）とｒ２（Ｔ）とが等しい一つの（また１つだけの）点がある。この点は、所定温度Ｔｓｅｔによって定義される。この温度に関して、ｒ１（Ｔｓｅｔ）＝ｒ２（Ｔｓｅｔ）。この式は、目標とされる恒温槽温度、Ｔｓｅｔでのみ有効である。制御ループは、ｒ１（Ｔｓｅｔ）＝ｒ２（Ｔｓｅｔ）であるように恒温槽温度を制御する。これが実現されるとき、恒温槽の温度はＴｓｅｔであり、Ｔｓｅｔに維持される。実際、Ｔｓｅｔは、感知信号６１、６２が同一であるとき特性曲線の交点に同じである、測定曲線８３、８４の交差点に位置し、そうでなければ、曲線はファクターｍでシフトし、ここでｍは感知信号６１、６２の大きさの比率である。
【００５２】
定常状態動作において、ＭＥＭＳデバイス１１の温度は、Ｔｓｅｔで維持され、温度ドリフトは実質的に除去される。制御ループがＤＣ（積分器）で無限の利得を有するならば、この制御ループは、感知回路類における温度依存オフセットのような、他の回路における非理想ではない、実質的に絶対的な平均温度精度を達成することができる。
【００５３】
制御ループ７１は、当業者に知られたいかなるアルゴリズムも用いて、アナログ又はデジタルの方法で実行されてもよい。さらに、制御ループ７１は、恒温槽２においてＭＥＭＳ構造１１を制御し監視するための回路を提供してもよい。制御ループは、一般に、システム７を有効に動作させるために、あるいは希望するように出力信号８７（例えば、図６におけるＭＥＭＳ構造の共振器の周波数）を調整するために必要ないかなる素子あるいは機構を含むことができる。特に、制御ループは、ＭＥＭＳ構造１１の温度がＴｓｅｔで維持されることを保証するだろう。ＭＥＭＳ構造１１の信号品質ファクター及びパラメータも制御ループによって記録され、及び／又は監視されてもよい。共振器の材料、特性及び構造と同様に、熱変動、ノイズ、弾性、応力、圧力、印加された歪み、及び電圧、電界及び電流を含む電気的なバイアスのようなファクターは、ＭＥＭＳ構造１１の出力に影響するかもしれない。これらのファクターを監視することは、共振器の出力信号の要因と共振器の出力信号特性との間の関係を発現させるのに有用であるかもしれない。これらの関係を理解することは、発生した出力信号８７にわたりより多くの制御をなすことを可能にする。
【００５４】
図８は、実施形態による、ヒーターを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。第１及び第２の感知素子６１、６２、並びに制御回路７１の目的は、周囲温度にかかわらず、Ｔｓｅｔに等しい、恒温槽２の庫内温度を安定に維持することである。結果として、部品のパラメータの変化は非常に小さくなる。２つの温度センサー６１、６２は、ＭＥＭＳ部品１１の温度を感知する。センサ６１、６２は、温度に関して異なる依存性を有する。それらは、２つの温度依存値Ｓ１、Ｓ２、例えば上述した測定電圧Ｖ１、Ｖ２、を出力する。制御ループ７１は、ＭＥＭＳ部品１１の温度Ｔｃｏｍｐを制御するヒーター２１を駆動する。制御ループは、ｍ＊Ｓ２＝Ｓ１、ここでｍは予め規定した一定の実数である、のように、恒温槽温度を制御する。この式は、一つの単一の温度Ｔｓｅｔでのみ有効である。したがって、ループが安定したときには、部品１１の温度はＴｓｅｔであり、よって、その温度依存変数は安定している。このことは図９に示され、図９は、実施形態による、第１及び第２の温度依存特性を示す。
【００５５】
ヒータ制御信号８８は、周囲温度Ｔａｍｂの関数になりえることが観察可能である。実際に、周囲温度が下がると、恒温槽２を囲む周囲温度のため、マイクロ恒温槽２の部品温度も下がるだろう。したがって、Ｓ１及びｍ．Ｓ２の両方は、同じように変化するであろう（それらは温度依存性の符号によって増加あるいは減少するかもしれない）。このことは、目標温度Ｔｓｅｔへ恒温槽２を再び加熱するようにヒータ制御信号８８を補償するため、制御ループ７１を起動させるだろう。実際にループは、ｍ．Ｓ２を戻しＳ１に等しくさせるだろう。制御信号７４が周囲温度Ｔａｍｂの関数であることはこの例から見ることができる。したがって、２重センサの温度安定ループ７１は、温度センサーとして用いることができる。
【００５６】
図８に示す２重センサ制御ループ７１が理想的であるが、現実の応用例において、２重センサ制御ループ７１は非理想に苦しむかもしれない。これは、加熱された部品のパラメータ（例えば周波数）の残余の温度依存性に帰着するかもしれない。言い換えれば、Ｔｓｅｔは周囲温度変化に関して固定されると思われているが、図１１に示すように、Ｔｓｅｔは周囲温度に関して僅かな残留変化を有しているかもしれない。図１１は、実施形態（「２重センサ制御のみ」によって示された曲線）による、２重センサ制御無しの、２重のセンサ制御有りの、並びに、２重センサ制御及びポスト補償制御有りの場合での、恒温制御されたＭＥＭＳ発振器に関する例示の出力信号の安定性を図示する。示されるように、部品のパラメータは温度に関して依然として変化するかもしれない。これは望むものではない。
【００５７】
本開示の別の態様によれば、実施形態による、ヒーター及び制御ループを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す図１０に図示するように、この残余の温度依存性は、ポスト補償によってさらに縮小されるかもしれない。この方法では、周囲温度Ｔａｍｂを感知する必要がある。よってＴａｍｂの測定は、ループの非理想の部品を修正する補償機構を誘導する。非理想による元の残余温度ドリフトが小さいので、Ｔａｍｂの測定はあまり正確である必要がない。ポスト補償機構は、温度ではなく興味のあるパラメータ（例えば共振器周波数）に影響を与えることができる、あらゆる独立した種類のものが可能である。例えば、周囲温度Ｔａｍｂの代表の制御信号８８は、ポスト補償信号がバイアス電圧である、制御システム及びヒーターを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す図１２に示すように、ＭＥＭＳ部品１１のバイアス電圧を誘導してもよい。
【００５８】
図１３は、ポスト補償信号が位相同期ループに作用する、ヒーター及び制御システムを含む例示のＭＥＭＳシステムを示す。図１３に示す実施形態は、入力としてＭＥＭＳ発振器をとり調整された出力周波数を提供する後段のＰＬＬを調整する。この追加の補償９０は、線形の、二次のあるいは多項式のような、数学のいずれの種類のもの、又は、ルックアップテーブルに基づいた、あるいは当業者に知られる他のいずれの補償に基づくものであることができる。ポスト補償９０の動作、及び部品パラメータあるいは出力パラメーター９２（例えば周波数）への影響は図１１に図示される。図１１は、実施形態による、２重センサ制御無しの、２重センサ制御有りの、及び２重センサ及びポスト補償制御有りの恒温制御されるＭＥＭＳ発振器に関する例示の出力信号の安定性を図示する。示されるように、２重センサ制御及びポスト補償カーブ９２は、ポスト補償９０無しのシステムに対応する曲線８７よりもよりフラットである。
【００５９】
上述したように、２重センサループ７１は、アナログループあるいはデジタルループとして実行されてもよい。したがって、周囲温度出力Ｔａｍｂは、アナログ又はデジタルになりえる。また、ポスト補償機構９０もまたアナログ又はデジタルになりえる。
【００６０】
ポスト補償９０は、独立した制御信号（例えばＭＥＭＳ部品１１のバイアス電圧）を制御することができるが、また、それは温度ループ部品に作用することもできる。ポスト補償機構９０は、またシステムの一部ではなく外部パラメーターに作用してもよい。例えば、周囲温度測定は、部品パラメータを用いる外部システムにおいてポスト補償として役立つことができる。例えば、ポスト補償は、恒温化されたＭＥＭＳに基づく発振器を用いる外部ＰＬＬにて実行することができる。
【００６１】
以下では、開示によるシステムで使用するＭＥＭＳ共振器デバイスの実施形態が、周波数及び電子機械的安定性、並びに高Ｑファクターを提供する最適な支持アンカーとともに記述される。図５、図１５及び図１９に示されるＭＥＭＳ共振器デバイスは、それぞれ、矩形形状の、しかし他の形状も可能である（例えば正方形、円形、平行六面体、立方体等）主たる共振器本体を含む。励振は、ごく近接して、つまり主共振器本体１０１に変換隙間（transduction gap）で設けられた電極１１１、１１２によって達成される。その本体は、基板に主共振器本体を固定するＴ形状の支持体１２１，１２２によって基板上方に浮かされる。
【００６２】
Ｔ形状の支持体つまりＴ−支持体は、基板へアンカーによって取り付けられる２つの脚と、主共振本体１０１への共通の接続部、及び幾つかのケースでは中央の接続部とを備えた固定−固定梁（clamped-clamped beam）を備える。ＭＥＭＳ共振器構造１１は、少なくとも所定のモード、例えば呼吸モード（breathing mode）で共振するように構成される。主共振器本体は、その自然な応答に関係する共振周波数（ｆｒｅｓ）で共振する。固定−固定梁あるいは支持体の長さは、周波数安定性及び高Ｑファクターを提供する屈曲波長（支持体へ最も重要な応力部品に依存する波長のタイプ）に関するものであるように選択される。固い固定−固定支持体を利用するＴ−支持体の設計は、動作方向において電気機械安定性を提供する。特に、各梁の長さＬＴｓｕｐは、屈曲波長の半分にオフセット期間を加えたものの倍数として選択される。
【００６３】
これらの実施形態において、各梁は、上記動作周波数（ｆｒｅｓ）で上記共振器本体の上記振動の結果として規定の屈曲波長での屈曲モードで振動することに適する。このことは、共振器本体の目標とした振動の結果として、梁が屈曲モード（つまり、この振幅用の低い剛性を示す）で振動するように作製されるように、梁の特性が選択されることを意味する。屈曲モードで振動するために梁の能力は、共振器の電子機械的安定性を向上させる、あるいは少なくとも維持することができ、一方、他のパラメータ用の梁の設計を最適化するために屈曲モードの理解を用いることができることが分かっている。さらに、各脚は、梁の振動の上記屈曲波長に対して「音響的に長い」ものであり、つまり脚が従来のデバイスに対して比較的長い長さを有することを意味し、このことは共振器本体の断熱を向上させる。結果として、共振器は、基板方向への著しい熱損失なしで動作温度に加熱することができ、動作周波数を実質的に安定して維持する。共通の中央の接続部は、電気機械的安定性を考慮して最小長さを有するように好ましくは選択あるいは設計される。その最小長さは、設計パラメータ及び製造工程によって決定される。
【００６４】
好ましくは、各脚は、上記屈曲波長を２で割り所定のオフセットを加えたものの所定倍数に等しい長さ（ＬＴｓｕｐ，ｏｐｔ）を有し、その所定倍数は脚の熱抵抗の最適化を考慮して選択され、上記所定のオフセットは共振器の品質ファクターの最適化を考慮して選択される。支持脚に関してそれらの長さの一つを選択することによって、共振器の接続点でのインピーダンス及びアンカーでのインピーダンスは一致する。結果として、アンカーを介する基板へのエネルギー損失は最小にすることができ、最適化されたＱファクターを有する共振器デバイスを提供することができる。好ましくは、所定のオフセットは、動作周波数（ｆｒｅｓ）に等しい第１の屈曲共振周波数を有する固定−固定梁の長さ（Ｌｃｌ−ｃｌ、１）の半分と実質的に等しい。Ｑファクターは共振器の支持脚長の周期関数であり、及び所定のオフセットが実質的に周期関数の最大に相当するということが分かった。
【００６５】
好ましい実施形態において、共振器本体は、変位が最小であるところで対称軸を有する呼吸モードで共振することに適しており、ここで、固定−固定梁の共通の接続部は上記対称軸に位置決めされる。このことは、梁が最小変位点で共振器本体に接続されることを意味し、これは、共振器の電気機械的安定性を向上させることができる。図１４Ａ〜図１４Ｃは、本開示による実施形態で使用するに適している振動ＭＥＭＳ共振器の変位を示す。共振器は、呼吸モードで振動する。つまり本体が拡張、収縮する。図１４Ａは、元の、平面形状の、つまり変位の無い主本体を示す。図１４Ｂは、主本体の振動の最大拡張点での変位を示す。即ち、本体の長手方向（中央）軸で実質的に変位が無く、かつ本体の長手方向端縁に沿って最大変位がある。図１４Ｃは、主本体の振動の最大収縮点での変位を示す。即ち、同様に、本体の長手方向軸で実質的に変位が無く、かつ本体の長手方向端縁に沿って最大変位がある。このことは、この呼吸モードにおいて長手方向軸がこの発振器用の支持体を接続するのに最良の場所であることを示す。
【００６６】
本開示により達成可能な高レベルの電気機械的安定性は、さらに、引き込みの危険が無く高い電圧を印加することができ、よって、より容易に集積化を導くことができるＭＥＭＳ共振器の低い動インピーダンス達成する。
【００６７】
好ましい実施形態において、固定−固定梁はＴ形状であり、共振器本体に中心に接続される。別の実施形態では、固定−固定梁は、また例えば角のある梁になりえる。
【００６８】
好ましい実施形態において、固定−固定梁は硬い方向を有し、励振手段は上記梁の硬い方向において共振器本体を励振するために位置決めされる。例えばＴ形状梁の場合、硬い方向は、支持脚の長手方向であり、上記梁は、それに直角ないずれの方向において低い剛性を有している。
【００６９】
しかしながら、本開示は、呼吸モードで振動するために設計されるマイクロメカニカル発振器に制限されない。他の動作モードが同じように可能である。
【００７０】
図１７は、本開示による実施形態において用いることができる屈曲の共振器の例を示す。この共振器は、２つの励振電極間に延在し、屈曲モードで共振するのに適した固定−固定梁１３０を備える。支持体１３１、１３２は、今度は本明細書に記載するように、音響的に長い脚を有する固定−固定梁になり得る。図５に関して上述したのと同じ方法で、共振器の上部に２つの抵抗性の感知素子が設けられる。
【００７１】
図１８は、本開示による実施形態において使用可能な屈曲共振器の別の例を示す。この共振器は、２つの励振電極間に延在し、屈曲モードで共振することに適した片持ち梁１４０を備える。支持体１４０は、今度は本明細書に記載するように、音響的に長い脚を有する固定−固定梁になり得る。図５に関して上述したのと同じ方法で、共振器の上部に２つの抵抗性の感知素子が設けられる。
【００７２】
図２０に示される別の好ましい実施形態において、異なるＴＣＲを有する材料で構成される２つの抵抗器は感知素子である。抵抗器へのケルビン（４点）接続は、デバイス上で抵抗測定を可能にする。可能な配置において、電圧Ｖが監視されながら、電流Ａが抵抗器を通して導かれる。そのとき抵抗は、アクセスラインの抵抗及び温度に関係なく、Ｖ／Ａである。他の感知構成も同じように適用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒温槽と、
恒温槽内部のマイクロメカニカル発振器であって、規定の温度で規定の周波数で振動し、ここで上記規定周波数が、少なくとも一部分温度依存性に基づき、及び少なくとも一つの規定の特性に基づく、マイクロメカニカル発振器と、
規定の周波数で振動するようにマイクロメカニカル発振器を励振する励振機構と、
温度制御ループであって、抵抗性感知を用いて上記マイクロメカニカル発振器の温度を検出し、上記マイクロメカニカル発振器の温度が上記規定温度の規定範囲内か否かを決定し、上記マイクロメカニカル発振器の温度を上記規定範囲内に留めるように適応させ、ここで上記規定範囲は、周波数ドリフトを最小にするために少なくとも一部分温度依存性に基づき及び少なくとも一つの規定の特性に基づく、温度制御ループと、
上記マイクロメカニカル発振器の上記規定周波数を出力する周波数出力と、
を備えた、システム。
【請求項２】
上記少なくとも一つの規定の特性は、マイクロメカニカル発振器の材料、マイクロメカニカル発振器の形態、及びマイクロメカニカル発振器の少なくとも一つの寸法を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記規定の温度範囲は、上記規定温度の高々０．１０℃内の温度を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
マイクロメカニカル発振器は、シリコンゲルマニウムを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
マイクロメカニカル発振器は、圧電共振器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
マイクロメカニカル発振器は、屈曲共振器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
マイクロメカニカル発振器は、弾性表面波共振器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
マイクロメカニカル発振器は、固定−固定梁を用いて浮かされ、各梁は、マイクロメカニカル発振器への共通の接続部とともに２つの支持脚を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
各梁は、屈曲波長で屈曲モードにて振動するよう構成され、上記屈曲波長は、少なくとも一部分規定周波数に基づき、それぞれの脚は、屈曲波長に対して音響的に長い、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
屈曲波長に対して音響的に長いそれぞれの脚は、屈曲波長の倍数よりも長いそれぞれの脚を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
少なくとも一つの梁は、制御ループの加熱抵抗部品を形成し、この加熱抵抗部品は、マイクロメカニカル発振器を加熱するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
制御ループは、マイクロメカニカル発振器を加熱するよう構成された輻射源を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
上記規定温度は、通常の使用中、システムの周囲温度の少なくとも１０℃上である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
励振機構は、恒温槽の内部でマイクロメカニカル発振器の極近くに、バイアス電圧源に接続したバイアス電極を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
周波数出力は、恒温槽の内部でマイクロメカニカル発振器の極近くに、感知電極を備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
上記制御ループは、
マイクロメカニカル発振器と熱接触し第１の抵抗性温度依存性を有する第１の抵抗性感知素子と、
マイクロメカニカル発振器と熱接触し第１の抵抗性温度依存性とは異なる第２の抵抗性温度依存性を有する第２の抵抗性感知素子と、ここで第１及び第２の抵抗性感知素子のそれぞれは、マイクロメカニカル発振器と実質的に同じ温度を感知する、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
マイクロメカニカル発振器は、振動の間、最小の移動軸を有する形態を有し、第１及び第２の抵抗性感知素子は、その軸に沿って設けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
残余誤差を除去するポスト補償回路をさらに備え、このポスト補償回路は、制御ループから制御信号を受け入れ、ポスト補償信号を発生するため制御信号を変換するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
上記周波数出力に接続され、規定の周波数に基づいた出力信号を発生するよう構成された出力信号発生器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
上記恒温槽は、マイクロメカニカル発振器のみを含む真空密封パッケージを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１】
恒温槽と、
恒温槽内部のマイクロメカニカル発振器であって、規定の温度で規定の周波数で振動し、ここで上記規定周波数が、少なくとも一部分温度依存性に基づき、及び少なくとも一つの規定の特性に基づく、マイクロメカニカル発振器と、
規定の周波数で振動するようにマイクロメカニカル発振器を励振する励振機構と、
温度制御ループであって、抵抗性感知を用いて上記マイクロメカニカル発振器の温度を検出し、上記マイクロメカニカル発振器の温度が上記規定温度の規定範囲内か否かを決定し、上記マイクロメカニカル発振器の温度を上記規定範囲内に留めるように適応させ、ここで上記規定範囲は、周波数ドリフトを最小にするために少なくとも一部分温度依存性に基づき及び少なくとも一つの規定の特性に基づく、温度制御ループと、
上記マイクロメカニカル発振器の上記規定周波数を出力する周波数出力と、
を備えた、システム。
【請求項２】
上記少なくとも一つの規定の特性は、マイクロメカニカル発振器の材料、マイクロメカニカル発振器の形態、及びマイクロメカニカル発振器の少なくとも一つの寸法を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記規定の温度範囲は、上記規定温度の高々０．１０℃内の温度を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
マイクロメカニカル発振器は、シリコンゲルマニウムを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
マイクロメカニカル発振器は、圧電共振器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
マイクロメカニカル発振器は、屈曲共振器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
マイクロメカニカル発振器は、弾性表面波共振器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
マイクロメカニカル発振器は、固定−固定梁を用いて浮かされ、各梁は、マイクロメカニカル発振器への共通の接続部とともに２つの支持脚を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
各梁は、屈曲波長で屈曲モードにて振動するよう構成され、上記屈曲波長は、少なくとも一部分規定周波数に基づき、それぞれの脚は、屈曲波長に対して音響的に長い、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
屈曲波長に対して音響的に長いそれぞれの脚は、屈曲波長の倍数よりも長いそれぞれの脚を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
少なくとも一つの梁は、制御ループの加熱抵抗部品を形成し、この加熱抵抗部品は、マイクロメカニカル発振器を加熱するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
制御ループは、マイクロメカニカル発振器を加熱するよう構成された輻射源を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
上記規定温度は、通常の使用中、システムの周囲温度の少なくとも１０℃上である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
励振機構は、恒温槽の内部でマイクロメカニカル発振器の極近くに、バイアス電圧源に接続したバイアス電極を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
周波数出力は、恒温槽の内部でマイクロメカニカル発振器の極近くに、感知電極を備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
上記制御ループは、
マイクロメカニカル発振器と熱接触し第１の抵抗性温度依存性を有する第１の抵抗性感知素子と、
マイクロメカニカル発振器と熱接触し第１の抵抗性温度依存性とは異なる第２の抵抗性温度依存性を有する第２の抵抗性感知素子と、ここで第１及び第２の抵抗性感知素子のそれぞれは、マイクロメカニカル発振器と実質的に同じ温度を感知する、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
マイクロメカニカル発振器は、振動の間、最小の移動軸を有する形態を有し、第１及び第２の抵抗性感知素子は、その軸に沿って設けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
残余誤差を除去するポスト補償回路をさらに備え、このポスト補償回路は、制御ループから制御信号を受け入れ、ポスト補償信号を発生するため制御信号を変換するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
上記周波数出力に接続され、規定の周波数に基づいた出力信号を発生するよう構成された出力信号発生器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
上記恒温槽は、マイクロメカニカル発振器のみを含む真空密封パッケージを備える、請求項１に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２５７２４６（Ｐ２０１２−２５７２４６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１２６２２４（Ｐ２０１２−１２６２２４）
【出願日】平成２４年６月１日（２０１２．６．１）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２６２２４（Ｐ２０１２−１２６２２４）
【出願日】平成２４年６月１日（２０１２．６．１）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]