(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の周波数を有する出力信号の発生装置であって、
基準信号（２０）を発生するためのＭＥＭＳ共振器を含むＭＥＭＳ発振器（１２）と、
ＭＥＭＳ共振器と関連付けられ、温度設定信号（６０）に応じてＭＥＭＳ共振器を所望の動作温度に維持するために設けられた温度制御システム（９０）と、
温度制御システムと通信可能に接続され、温度設定信号を発生するために設けられた制御ユニット（５０）とを備え、
制御ユニットは、パラメータ組（８０）を受信するための少なくとも１つの入力ノードを備え、前記パラメータ組は、検知した周囲温度を示す第１パラメータを少なくとも含んでおり、
制御ユニットは、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、ＭＥＭＳ共振器用の動作温度を選択するために設けられ、
装置は、ＭＥＭＳ発振器（１２）で発生した基準信号（２０）から出力信号（４０）を発生するために設けられた補償ユニット（３０）を備え、
補償ユニットは、制御ユニットから少なくとも１つの補償パラメータ（７０）を受信するために、制御ユニット（５０）と通信可能に接続され、
制御ユニットは、受信したパラメータ組（８０）に基づいて少なくとも１つの補償パラメータを発生するために設けられ、
受信したパラメータ組（８０）は、基準信号の安定性が必要とされない時間フレームを示す第４パラメータを含み、
制御ユニットは、ＭＥＭＳ共振器用の動作温度を、異なる事前に特性評価した温度に設定するのを、第４パラメータによって示される時間フレームまで延期するために設けられることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記パラメータ組（８０）は、装置の電力消費を示す第２パラメータを含む請求項１記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つの事前に定義した関係が制御ユニットに実装され、検知した周囲温度および装置の電力消費が、事前に特性評価した複数の温度から、ＭＥＭＳ発振器用の動作温度を選択するために利用される請求項２記載の装置。
【請求項４】
複数の前記事前に定義した関係が実装され、前記パラメータ組（８０）は、使用すべき事前に定義した関係を示す第３パラメータを含む請求項３記載の装置。
【請求項５】
事前に特性評価した温度は、所定の期間内に、周囲温度に関して予想される温度範囲に接近するように決定される請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
制御ユニット（５０）は、少なくとも所定の期間、選択した動作温度を一定に維持するために設けられる請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
ＭＥＭＳ共振器は、マイクロオーブン（１０）に収容される請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
温度制御システムは、ＭＥＭＳ共振器を加熱／冷却するための加熱／冷却源（１１）と、ＭＥＭＳ共振器の温度を検知するための温度センサ（１３）とを備え、
温度センサは、制御ユニットと通信可能に接続され、
制御ユニットは、受信したパラメータ組に応じて温度センサに供給される電流を変化させるために配置される請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
所望の周波数を有する出力信号を発生する方法であって、
ａ）ＭＥＭＳ共振器を含むＭＥＭＳ発振器を用いて、基準信号（２０）を発生するステップと、
ｂ）ＭＥＭＳ共振器と関連付けられた温度制御システム（９０）を用いて、温度設定信号（６０）に応じてＭＥＭＳ共振器を所望の動作温度に維持するステップと、
ｃ）温度制御システムと通信可能に接続された制御ユニット（５０）を用いて、温度設定信号を発生するステップと、
ｄ）検知した周囲温度を示す第１パラメータを少なくとも含むパラメータ組（８０）を制御ユニットに提供するステップと、
ｅ）制御ユニットにおいて、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、ＭＥＭＳ発振器用の動作温度を選択するステップと、を含み、
方法はさらに、制御ユニットと通信可能に接続された補償ユニットにおいて、ＭＥＭＳ発振器で発生した基準信号から出力信号および、制御ユニットから受信した少なくとも１つの補償パラメータを発生し、
パラメータ組は、基準信号の安定性が必要とされない時間フレームを示す第４パラメータを含み、
ステップｅ）は、ＭＥＭＳ共振器用の動作温度を、異なる事前に特性評価した温度に設定するのを、第４パラメータによって示される時間フレームまで延期することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記パラメータ組（８０）は、装置の電力消費を示す第２パラメータを含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの事前に定義した関係が制御ユニット（５０）に実装され、検知した周囲温度および装置の電力消費が、事前に特性評価した複数の温度から、ＭＥＭＳ発振器用の動作温度を選択するために利用される請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
複数の前記事前に定義した関係が実装され、前記パラメータ組（８０）は、使用すべき事前に定義した関係を示す第３パラメータを含む請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
事前に特性評価した温度は、所定の期間内に、周囲温度に関して予想される温度範囲に接近するように決定される請求項９〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも所定の期間、選択した動作温度を一定に維持するためのステップをさらに含む請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
ＭＥＭＳ共振器は、マイクロオーブン（１０）に収容される請求項９〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
温度制御システムは、ＭＥＭＳ共振器を加熱／冷却するための加熱／冷却源と、ＭＥＭＳ共振器の温度を検知するための温度センサとを備え、
温度センサは、制御ユニットと通信可能に接続され、
該方法は、受信したパラメータ組に応じて温度センサに供給される電流を変化させるステップを含む請求項９〜１５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に制御システムに関し、特に、マイクロオーブン(micro-oven)ベースの手法を用いて、マイクロ電気機械デバイスの温度依存特性を制御するための制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）および特にその共振器は、極めて高いＱ値を有しており、発振器を構築するために使用でき、これは周波数基準装置として機能させることができる（図１）。一般には、水晶振動子が周波数基準として用いられる。こうした水晶振動子は大型であり、低レベルの集積化に弱点がある。ＭＥＭＳ発振器は小型であり、コストを著しく削減して集積化が可能である。しかしながら、ＭＥＭＳ共振器は、温度に対して極めて敏感な周波数ドリフトを示し（例えば、１００℃につき±５０００ｐｐｍ）、水晶振動子と比べて安定していない。（例えば、１００℃につき±１ｐｐｍ）（図２）。
【０００３】
ＭＥＭＳ共振器は、温度を検知し、ＭＥＭＳを補償することによって、温度に対して安定化できる。幾つかの手法が先行技術で提供されている。典型的には、マイクロオーブン（３）を用いて、ＭＥＭＳ発振器（４）の温度を安定化する（図３）。オーブン内の温度センサ（４）が温度を測定し、これは高精度の外部温度基準（６）を必要とするもので、オーブン温度制御を駆動する（図３）。こうしてＭＥＭＳ発振器は、周囲温度範囲全体に対して、例えば±２０ｐｐｍに安定化できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
周囲環境での温度変動が、望ましくない方法でＭＥＭＳデバイスの興味のある特性に影響を及ぼす。一例を挙げると、ＭＥＭＳ共振器の周波数が、周囲温度および熱フローによって影響されるその温度の関数である。マイクロオーブンは、能動加熱／冷却素子を内蔵し、ＭＥＭＳデバイスの温度を所望の値に維持する。目標のＭＥＭＳ温度が常に周囲温度より高い場合は、能動加熱は必ずしも必要ではない。
こうしたオーブン付きＭＥＭＳシステムの電力消費が大きくなりすぎることがあることが判明した。
【０００５】
本発明の目的は、マイクロオーブンベースの手法を用いて、マイクロ電気機械デバイスの温度依存特性を制御するための制御システムおよび方法を提供することであり、これにより電力消費を低減できる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。本発明は、所望の周波数を有する出力信号の発生装置を提供する。該装置は、基準信号を発生するためのマイクロ電気機械（ＭＥＭＳ）発振器を収容したマイクロオーブンと、マイクロオーブンと関連付けられ、温度設定信号に応じてマイクロオーブン内のＭＥＭＳ発振器を（加熱及び／又は冷却することによって）所望の動作温度に維持するために設けられた温度制御システムと、温度制御システムと通信可能に接続され、温度設定信号を発生するために設けられた制御ユニットとを備える。制御ユニットは、パラメータ組を受信するための少なくとも１つの入力ノードを備え、前記パラメータ組は、検知した周囲温度を示す第１パラメータを少なくとも含み、これは、例えば、周囲温度を検知するために配置された装置の検知システムによって、または外部検知システムによって供給可能である。制御ユニットは、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、ＭＥＭＳ発振器用の動作温度を選択するために設けられる。
【０００７】
先行技術の分析が、典型的な加熱器ベースのオーブン設計が、ＭＥＭＳデバイスを、ＭＥＭＳデバイスの予想される最悪の場合の温度を超える単一の安定した温度に常に維持することを示している。その結果、周囲は、典型的には、最悪の場合よりかなり低い温度であるため、加熱器での望ましくない電力消費をもたらす。本発明によれば、検出された周囲条件に基づいてオーブン温度設定を動的に調整することによって、電力消費を低減できる。その結果、ＭＥＭＳ発振器の動作温度と、所定の時間間隔で予想される最悪の場合の周囲温度との間の距離が最小化できる。その結果、オーブンを加熱／冷却するために必要な電力を最小化できる。
【０００８】
本発明に係る実施形態において、パラメータ組は、装置の電力消費を示す第２パラメータを含む。これは、制御ユニットが将来の変化の影響を考慮できるという利点を有する。特に、オーブン設定を変化させることは幾らかの電力を消費し、幾つかの場合、これは事前に定義できる。節約される電力消費が、切り替えオーバーヘッドの電力消費より低くなるかもしれない場合、制御器はオーブン設定を変化させないと決定してもよい。さらに、電力消費は、装置の温度の尺度にすることができ（例えば、装置がＡＳＩＣ(application specific integrated circuit)である場合、電力消費は、印刷回路基板の温度のための尺度である）る。制御ユニットはさらに、周囲温度に加えてこれを、ＭＥＭＳ発振器のための最善の動作温度を決定するために使用できる。
【０００９】
本発明に係る実施形態において、事前に定義した関係を制御ユニットに実装でき、パラメータ組における周囲温度、電力消費、そして可能ならば他のパラメータが、ＭＥＭＳ発振器用の所望の動作温度を決定するために利用される。種々の事前に定義した関係が、本発明の範囲内で制御ユニットに実装できる。パラメータ組のうち他のパラメータも、使用すべき関係とすることができ、その結果、影響を及ぼす不確実要素（即ち、デバイスの動作に影響を及ぼす事情）が、使用すべき適切な関係を選択することによってオンラインで結合できる（オフライン計算した境界(bound)のみの使用または設計時とは対照的である）。その結果、所望の安定した周波数出力を達成でき、その仕様はアプリケーションによって記述できる。それは、時間とともに変化することがあり、周囲またはＩＣ（その上にＭＥＭＳデバイスが製作される）において影響を及ぼす動特性／変動を示している。こうしてサブシステムを加熱／冷却するエネルギー消費全体がさらに最小化できる。
【００１０】
本発明に係る実施形態において、事前に特性評価した温度が、所定の期間内に、周囲温度に関して予想される温度範囲に接近するように決定される。例えば、ＭＥＭＳ発振器を受動冷却で能動加熱する場合、オーブン温度は、好ましくは、近い将来には、予想される最悪の場合の周囲温度より高く選択される（時間間隔の持続期間は、アプリケーションに依存する）。同じ考え方は、受動加熱で能動冷却が存在する場合（例えば、流れる冷却剤を用いたマイクロチャネル）にも当てはまり、オーブン温度は、好ましくは、周囲温度より低くなるように選択される（所定の期間内に予想される最悪の場合）。こうした実施形態では、発振器の動作温度は、周囲範囲に接近して選択され、そのため加熱／冷却のための電力消費が最小化できる。本発明に係る実施形態において、能動加熱および能動冷却の両方とも存在することができ、この場合、オーブン温度は、好ましくは、所定の期間内に予想される温度の平均値付近に選択される。
【００１１】
本発明に係る実施形態において、受信したパラメータ組は、基準信号の安定性が必要とされない時期および期間を示す第４パラメータを含み、制御ユニットは、第４パラメータに基づいて、ＭＥＭＳ発振器用の動作温度を、異なる事前に特性評価した温度に設定するのを延期するために設けられる。例えば、制御ユニットは、出力信号を利用するアプリケーションと通信可能に接続でき、制御ユニットに対して、オーブン温度を変化させる許容時間を示す第４パラメータを受信する。
【００１２】
本発明に係る実施形態において、装置は、ＭＥＭＳ発振器で発生した基準信号から出力信号を発生するために設けられた補償ユニットを備え、補償ユニットは、制御ユニットから少なくとも１つの補償パラメータを受信するために、制御ユニットと通信可能に接続され、制御ユニットは、受信したパラメータ組に基づいて少なくとも１つの補償パラメータを発生するために設けられる。こうして制御ユニットはさらに、選択したオーブン温度（それ自体、受信したパラメータ組に依存している）に応じて、補償ユニットにおいて適切な「ノブ(knob)」を選択するために配置される。
【００１３】
本発明に係る実施形態において、温度制御システムは、ＭＥＭＳ発振器を加熱／冷却するための加熱／冷却源と、ＭＥＭＳ発振器の温度を検知するための温度センサとを備える。温度センサは、好ましくは、制御ユニットと通信可能に接続され、制御ユニットは、受信したパラメータ組に応じて温度センサに供給される電流を変化させるために配置される。本実施形態では、ある一定の精度を達成するのに過電力供給を要するセンサのノイズが温度の関数であるという事実を利用することによって、温度センサ電力は、オーブン温度設定について調整可能である。こうして温度センサの電力消費は、最小化できる。
【００１４】
本発明はさらに、所望の周波数を有する出力信号を発生する方法を提供する。該方法は、下記のステップを含む。
ａ）マイクロオーブンに収容されたＭＥＭＳ発振器を用いて、基準信号を発生するステップ。
ｂ）マイクロオーブンと関連付けられた温度制御システムを用いて、温度設定信号に応じてマイクロオーブン内のＭＥＭＳ発振器を所望の動作温度に維持するステップ。
ｃ）温度制御システムと通信可能に接続された制御ユニットを用いて、温度設定信号を発生するステップ。
ｄ）パラメータ組を制御ユニットに提供するステップ。該パラメータ組は、検知した周囲温度を示す第１パラメータを少なくとも含む。
ｅ）制御ユニットにおいて、受信したパラメータ組に基づいて、事前に特性評価した複数の温度から、ＭＥＭＳ発振器用の動作温度を選択するステップ。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
ここから添付図面と関連して、好ましい実施形態について説明する。ここで、同様な参照符号は、種々の図面において同様な要素を参照する。
【００１６】
【図１】マイクロ電気機械システムの可能な応用を示す。
【図２】水晶振動子およびＭＥＭＳについて、温度の関数として周波数ドリフトを描いている。
【図３】温度制御されたＭＥＭＳ共振器を示す。
【図４】先行技術および本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの温度の挙動を時間経過とともに描いている。
【図５】提案した設計のブロック図を示す。
【図６】第１実施形態に係る設計のブロック図を示す。
【図７】第２実施形態に係る設計のブロック図を示す。
【図８】第３実施形態に係る設計のブロック図を示す。
【図９】能動加熱源のみおよび受動冷却が存在する状態で、先行技術および本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの温度の挙動を時間経過とともに描いている。
【図１０】能動加熱源および能動冷却源の両方が存在する状態で、先行技術および本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの温度の挙動を時間経過とともに描いている。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されない。記載した図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。
【００１８】
さらに、説明での用語「第１」「第２」「第３」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも順次的または時間的な順番を記述するためではない。用語は、適切な状況下で交換可能であり、本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能である。
【００１９】
さらに、説明での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能である。
【００２０】
用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していない。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。本説明に関して、デバイスの関連した構成要素のみがＡ，Ｂであることを意味する。
【００２１】
図５は、所望の周波数を有する出力信号を発生するための装置、およびこの装置の制御のブロック図を示す。該装置は、安定した周波数を有する基準信号（２０）を発生するように構成された温度制御ＭＥＭＳデバイス（１０）を備え、これは動作温度と関連している。該装置は、基準信号から出力信号を発生するように構成された補償ユニット（３０）をさらに備え、該出力信号は所望の周波数（４０）を有する。制御ユニット（５０）は、温度制御ＭＥＭＳ共振器（１０）に動作温度（６０）を設定し、補償ユニット（３０）に補償パラメータ（７０）を設定し、こうした設定は外部入力パラメータ（８０）に基づいている。
【００２２】
図６は、本発明の一実施形態に係る装置のブロック図を示す。温度制御ＭＥＭＳデバイス（１０）またはオーブンベースのＭＥＭＳデバイスは、加熱／冷却源（１１）と、ＭＥＭＳ共振器（１２）と、デバイスの内部温度を検出するためのセンサ（１３）とをさらに備える。温度制御ＭＥＭＳデバイス（１０）は、第１制御ユニット（９０）によって制御される。第１制御ユニット（９０）は、センサからのフィードバックループによって、温度制御ＭＥＭＳデバイス（１０）（即ち、加熱／冷却源）と接続される。
【００２３】
下位の制御サブシステム（第１制御ユニット）（９０）が、ＭＥＭＳ共振器（１２）の現在温度を示すセンサ（１３）の支援により、オーブン（１０）内で発生した熱を変化させることによって、上位の制御（制御ユニット）（５０）によって指示されたレベルで、オーブン（１０）の温度を維持する。上位の制御（５０）は、ＭＥＭＳデバイス（１２）を維持するために、複数の（事前に特性評価した）温度レベルから選択する役割を有し、加熱／冷却源（１１）の平均電力消費を節約する必要に応じて、温度間で切り替え可能である。選択は、入力パラメータ（８０）に基づいている。
【００２４】
ＭＥＭＳの目標温度が変化すると、補償パラメータ（７０）が、補償ユニット（３０）における適切なノブ(knob)を選択することによって設定され、出力周波数が所望の値になるようにする。補償ユニットは、典型的には、ＰＬＬオフセットまたはバラクタ(varactor)を備えるが、当業者に知られた他の部品を備えてもよい。
【００２５】
外部入力パラメータ（８０）は、少なくとも周囲温度を備える。さらに、外部入力パラメータは、環境条件（周囲温度、デバイスが搭載された印刷回路基板（ＰＣＢ）の温度、デバイスの一部でもよいＡＳＩＣ(application specific integrated circuit)）の電力など）を表す任意のパラメータを含んでもよい。一実施形態において、外部入力パラメータは、第１制御ユニットにも入力される。この実施形態は、図７に示している。
【００２６】
予め定義した関係が制御ユニット（５０）に実装することができ、パラメータ組（８０）において周囲温度、電力消費および可能性のある他のパラメータが、ＭＥＭＳ発振器（１２）のための所望の動作温度（６０）を決定するために利用される。種々の予め定義した関係が、使用すべき関係を設定するパラメータ組（８０）内の他のパラメータとの組合せで制御ユニット（５０）に実装することができる。こうして影響を及ぼす不確実要素（即ち、デバイスの動作に影響を及ぼす事情）が、使用すべき適切な関係を選択することによってオンラインで結合できる（オフライン計算した境界(bound)のみの使用または設計時とは対照的である）。その結果、所望の安定した周波数出力を達成でき、その仕様はアプリケーションによって記述できる。それは、時間とともに変化することがあり、周囲またはＩＣ（その上にＭＥＭＳデバイスが製作される）において影響を及ぼす動特性／変動を示している。こうしてサブシステムを加熱／冷却するエネルギー消費全体がさらに最小化できる。
【００２７】
図４は、本開示の上位の制御（５０）によって設定される目標温度を時間経過とともに描いている。先行技術のオーブンベースの共振ＭＥＭＳデバイスは、典型的には周囲温度より高い温度（７０〜９０℃）に維持される。これは、図４中のカーブ（１００）によって示され、共振器の静的温度(static Tres)を表す。本発明の実施形態では、上位の制御（５０）は、周囲温度（３００）(effective Tamb)を検知し（またはそれを示すパラメータを受信し）、それに従って動作温度(dynamic Tres)を選択する。一例として、時間に関する動的温度フローを図４に描いている。
【００２８】
図９の実施形態は、能動加熱および受動冷却を有するものであり、このdynamic Tresは、予め定義された時間内でＭＥＭＳデバイスの有効周囲温度について予想される温度範囲を超えて接近するように調整され、ＭＥＭＳデバイスを加熱／冷却する電力消費を最小化している。この実施形態では、予想される温度範囲は、上位制御ユニット（５０）によって所定の時間間隔（アイドル期間(Idle duration)）で計算される。所定の時間間隔は、アプリケーションによって定義され、発振器出力（４０）を使用するアプリケーションまたはサブシステムの動作に悪影響を与えることなく、このdynamic Tresが値を変化させる時期を示す。即ち、出力信号の安定性はこれらの時間間隔では必要とされない。有効周囲温度(Tamb)について予想される温度範囲の計算は、モデルに基づいている。
【００２９】
問題となるモデルは、システムおよび周囲環境の熱伝導性および蓄熱容量(heat storing capacity)の関数である熱定数などのパラメータを含んでもよい。ＭＥＭＳデバイスの全ての温度動作範囲をカバーするように、dynamic Tresについて適切な数の事前に特性評価した温度設定を選択し、有効周囲温度について予想される温度範囲を認知することによって、常に有効周囲温度の外で接近するように動的温度を調整することが可能である。例えば、加熱源を含むＭＥＭＳデバイスの場合、ＭＥＭＳデバイスが０〜１００℃の範囲の温度で動作することが設計時において既知である場合、１０個の事前に特性評価した温度設定（ノブ(knob)）からなる組を、dynamic Tresについて選択してもよい。この場合、各ノブが、dynamic Tres（２００）について１０℃変化を表すことになる。事前に特性評価した温度設定（ノブ）の数は設計者に委ねられており、必要な精度に大きく依存する。アプリケーションによって決定される所定の時間間隔でＭＥＭＳデバイスの有効周囲温度を測定し、ＭＥＭＳデバイスの有効周囲温度について予想される温度範囲を認知することによって、上位の制御（５０）は、このdynamic Tresを当該値より高い温度設定に可能な限り接近させて調整できる。その結果、有効周囲温度が２５℃に上昇した場合、上位の制御器は、動的温度の変化が許容される所定の時間間隔で、このdynamic Tresを３０℃に増加できる。次の所定の時間間隔で有効周囲温度が１５℃に降下した場合、上位の制御器は、このdynamic Tresを当該温度より高く接近した温度設定に調整でき、この場合、dynamic Tresは２０℃に調整できる。
【００３０】
こうして我々は、オーブン温度を動的に調整し、有効周囲温度(Tamb)での変化を反映することによって、ＭＥＭＳデバイスの電力消費を最小化できる。ＭＥＭＳデバイスが受動加熱を有する能動冷却源を備える場合、その逆も真であり、dynamic Tresは、有効周囲温度(Tamb)より低く接近して調整される。これは、オーブン温度が、ＭＥＭＳデバイスの最高動作温度および最低動作温度またはその外側で一定に維持される先行技術とは対照的である。
【００３１】
図１０の実施形態は、能動加熱および能動冷却を有するものであり、このdynamic Tresは、予め定義された時間内でＭＥＭＳデバイスの有効周囲温度について予想される温度範囲の内側で接近するように調整され、ＭＥＭＳデバイスを加熱／冷却する電力消費を最小化している。この実施形態では、予想される温度範囲は、同様に上位の制御ユニット（５０）によって所定の時間間隔（アイドル期間(Idle duration)）で計算される。所定の時間間隔は、アプリケーションによって定義され、発振器出力（４０）を使用するアプリケーションまたはサブシステムの動作に悪影響を与えることなく、このdynamic Tresが値を変化させる時期を示す。即ち、出力信号の安定性はこれらの時間間隔では必要とされない。有効周囲温度(Tamb)について予想される温度範囲の計算は、モデルに基づいている。
【００３２】
温度変化の際、周波数はあまり安定しておらず、切り替えは、好ましくは、導入された外乱が、発振器出力を使用するアプリケーションまたはサブシステムに悪影響を及ぼさない時に行われる。こうして上位の制御は、周波数出力が必要とされないか、あるいはあまり安定していなくてもよい時期または期間を知るために（外部入力パラメータ）、アプリケーションとの密接な相互伝達とともに動作する。安定性は、許可／許容される範囲の種々のノイズ／外乱の測定指標、例えば、周波数ドリフトおよび位相ノイズとして定義される。一例として、周波数出力が無線トランシーバのフロントエンドで使用される場合、送信または受信する必要があるデータがないアイドル期間が明確に存在する（図９〜図１０参照）。この情報は、良好に定義されたインタフェースを用いてアプリケーションと制御ユニットとの間で伝達される。制御器は、周囲およびＩＣでの影響変動の動的バウンディング(bounding)を使用して、安全でエネルギー効率のよい温度レベルを決定する。温度を１つの安定レベルから他に変化させるのに必要な時間間隔を短縮するために、センサベースのフィードバックループに加えて、ヒータ電流／電圧のモデルベースの動的成形(shaping)が使用可能である。
【００３３】
センサおよびその読み出し回路は、典型的な設計はセンサを常にオン状態に保つため、発振器電力の相当の部分を消費することがある。コンテキスト適応(context-aware)センシングは、センサおよびその読み出し回路による全体のエネルギー消費を最小化するために使用できる。例えば、センサ、読み出し回路およびフィードバックループは、影響ある外乱レベルが充分に低く、フィードバックループが停止している場合でも安定性を確保できることを実行時に解析した場合、動的にオフに切り替え可能である。
【００３４】
他の例では、ノイズが温度の関数であるとして検知された温度に基づいて、センサ電力が調整される。この実施形態は、図８のブロック図に示しており、制御信号（６２）が上位の制御ユニット（５０）からセンサ（１３）へ送信される（即ち、センサに供給される電流の制御）。さらに、該システムで固有の相関関係を利用して、実行時のノイズに関する上部境界(bound)を計算することによって、所望の精度を達成するのに必要であれば、センサ電力を変調してもよい。他の例では、目標温度レベルが変化している場合、モデルベースのフィードフォワードが遷移期間中に動作中であるため、センサおよびフィードバックループは、遷移の終わりに向かってのみオンに切り替えられる。
【００３５】
他の例では、履歴ベースのセンシングが使用でき、これは、前回の時点で取得した測定／読み取りを利用して、必要なセンシング精度をより低いセンシング電力で達成する。典型的には、センサは、オーブンチャンバ内側に設置され、チャンバの加熱に関与する。加熱器とセンサとの間で適切な協調が好ましく、センサ電力が変調された場合、加熱器の設定を調整する。
【００３６】
一実施形態では、補償ユニットは、発振器周波数の製造変動を許容するためのシステム位相ロックループ（ＰＬＬ）を備え、ＭＥＭＳデバイスの安定温度が異なる場合でも、出力周波数を必要な値に維持している。さらに、電力消費を低減するために、周波数出力がアプリケーションで必要とされない場合、補償回路の一部が通電オフにできる。
【００３７】
加熱器、センサおよび補償回路の上記（ノブ）間の変化が、切り替え時間オーバーヘッドを含み、時には幾つかのエネルギー損失も含むことがある。上記の記載から、加熱器は、必要な精度を達成するのに要するセンサ電力に対して直接的な影響を有することが明らかである。センサ精度は、フィードバックループに起因して、加熱器によって達成される安定性に影響する。こうして時間経過とともにセンサと加熱器との間の双方向の相互作用が存在し、これは、好ましくは切り替えオーバーヘッドに加えて制御器によって考慮されるとともに、加熱器、センサおよび補償回路についてのノブ決定を行う。制御器は、時間進行とともにこうした決定を連続的に再検討でき、より多くの情報が入手できる。制御器は、アップデート型の動的手順として実装でき、制御オーバーヘッドを最小化する。
【００３８】
上述したデバイスにおいて、ＭＥＭＳ発振器を加熱するための加熱器は、例えば、抵抗性加熱手段、放射源、または当業者に知られている他のものとすることができる。
【００３９】
上述したデバイスは、ＭＥＭＳ発振器の加熱を主に参照して説明したが、類似のシステムが本発明の範囲内で想定され、加熱の代わりにまたは加熱との組合せで冷却が使用される。冷却を用いたシステムにおいて、冷却剤が循環しているマイクロチャネルを利用できる。例えば、文献（Bing Shi, Ankur Srivastava, "Liquid cooling for 3D-ICs", invited paper, Second International Conference on Green Computing (IGCC'11), First International IEEE Workshop on Thermal Modeling and Management: Chips to Data Centers, Jul. 201 1 , ISBN 978-1-4577-1221-0）および文献（Xie Mengji et al., "Design and research of asymmetric micro-channel cooling system in MEMS- based Microstrip antenna", 2nd International Conference on Mechanical and Electrical Technology (ICMET), Sept. 2010, ISBN 978-1-4244-8102-6）から知られており、参照によりこれらは全体としてここに組み込まれる。
【００４０】
上述したデバイスにおいて、ＭＥＭＳ発振器は、基板の上方に懸架された共振器を備えてもよい。
【００４１】
上述したデバイスにおいて、温度制御ＭＥＭＳデバイス（１０）は、係留綱(tether)を用いて基板の上方に懸架された共振要素を、該共振要素の発振を励起及び／又は検知するための電極対の間に備えてもよい。ＭＥＭＳデバイス、加熱器／冷却器およびセンサは、マイクロオーブン内、即ち、ハウジングに収容され、環境に向かう熱損失を最小化する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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