(57)【要約】  タイミング発振器ならびにこれに関連する方法および装置が記述される。タイミング発振器は、主要素と、該主要素に結合された副要素とを持った機械的共振構造を備えることが可能である。タイミング発振器は、時間およびデータの同期目的のために、コンピュータおよび携帯電話機を含む多数の装置においてタイミング発振器が有効に使用されることを可能にする、非常に高い周波数で低い位相雑音を持った安定した信号を生成することができる。タイミング発振器によって生成される信号は、駆動回路および補償回路を使用して調節されることができる。
2011519249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ化した集積回路において、
少なくとも１つの出力信号を生成するように設計されたタイミング発振器であって、機械的共振構造を有するタイミング発振器と、
前記タイミング発振器に関連付けられたデバイスと、
前記タイミング発振器および前記デバイスを少なくとも部分的に包囲するパッケージとを備えるパッケージ化した集積回路。
【請求項２】
前記デバイスは、フィルタである請求項１記載のパッケージ化した集積回路。
【請求項３】
前記タイミング発振器は、第１基板上に形成され、前記デバイスは、第２基板上に形成される請求項１記載のパッケージ化した集積回路。
【請求項４】
前記タイミング発振器は、第１基板上にあり、前記デバイスは、前記第１基板上にある請求項１記載のパッケージ化した集積回路。
【請求項５】
第２タイミング発振器をさらに備え、前記パッケージは、第２タイミング発振器を少なくとも部分的に包囲している請求項１記載のパッケージ化した集積回路。
【請求項６】
少なくとも１つの機械的共振構造は、主要素と、該主要素に結合された副要素とを備えている請求項１記載のパッケージ化した集積回路。
【請求項７】
出力信号を生成するように設計されたタイミング発振器であって、少なくとも１つの機械的共振構造を有しているタイミング発振器と、
前記タイミング発振器に関連付けられたデバイスとを備える集積回路において、
前記タイミング発振器および前記デバイスが同一のパッケージ内に集積された集積回路。
【請求項８】
第１基板上に形成された機械的共振構造と、
第２基板上に形成された回路とを備えるタイミング発振器であって、
該回路は、前記機械的共振構造に電気的に接続されたタイミング発振器。
【請求項９】
第２基板は、ボンディング部位で第１基板に結合されている請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１０】
前記第２基板は、相互接続部を使用して前記第１基板に結合されている請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１１】
前記第１基板は、第１の複数のボンディング部位を備えている請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１２】
前記第２基板は、第２の複数のボンディング部位を備えている請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１３】
前記機械的共振構造は、一揃いの機械共振器を備えている請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１４】
前記第１基板は、シリコンであり、前記第２基板は、シリコンである請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１５】
前記第１基板は、デバイス・ウェハであり、前記第２基板は、キャップ・ウェハである請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１６】
前記第１基板および前記第２基板は、互いに対して平行に配置されている請求項８記載のタイミング発振器。
【請求項１７】
出力信号を生成するように設計されたタイミング発振器であって、
該タイミング発振器は、少なくとも１つの機械的共振構造を有し、
前記タイミング発振器の全高は、０．５ｍｍ未満であるタイミング発振器。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの機械的共振構造に関連付けられた少なくとも１つの駆動回路をさらに備える請求項１７記載のタイミング発振器。
【請求項１９】
少なくとも１つの補償回路をさらに備える請求項１７記載のタイミング発振器。
【請求項２０】
タイミング発振器であって、
主要素及び該主要素に結合された副要素を具備した機械的共振構造と、
該機械的共振構造に入力信号を提供するように設計された駆動回路と、
前記機械的共振構造に結合された補償回路とを備えるタイミング発振器。
【請求項２１】
前記補償回路は、熱変動に対処するようにタイミング発振器出力信号を調整する請求項２０記載のタイミング発振器。
【請求項２２】
前記補償回路は、プロセス変動に対処するようにタイミング発振器出力信号を調整する請求項２０記載のタイミング発振器。
【請求項２３】
前記補償回路は、ジッタに対処するようにタイミング発振器出力信号を調整する請求項２０記載のタイミング発振器。
【請求項２４】
前記補償回路は、合成器を備えている請求項２０記載のタイミング発振器。
【請求項２５】
前記タイミング発振器は、出力信号を生成するように構成され、前記入力信号の周波数は、前記出力信号の周波数以上である請求項２０記載のタイミング発振器。
【請求項２６】
機械的共振構造を備えるタイミング発振器であって、
第１信号を生成し、且つ、出力信号を提供するように設計され、
前記第１信号の周波数は、前記出力信号の周波数以上であるタイミング発振器。
【請求項２７】
前記出力信号は、少なくとも１００ＭＨｚの周波数を有している請求項２６記載のタイミング発振器。
【請求項２８】
前記出力信号は、１００ＭＨｚと１ＧＨｚとの間の周波数を有している請求項２６記載のタイミング発振器。
【請求項２９】
前記第１信号は、少なくとも１ＧＨｚの周波数を有している請求項２６記載のタイミング・発振器。
【請求項３０】
前記第１信号は、少なくとも１ＭＨｚの周波数を有している請求項２６記載のタイミング発振器。
【請求項３１】
前記第１信号は、少なくとも３２ｋＨｚの周波数を有している請求項２６記載のタイミング発振器。
【請求項３２】
前記第１信号は、１ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間の周波数を有している請求項２６記載のタイミング発振器。
【請求項３３】
前記機械的共振構造は、主要素と、該主要素に結合された副要素とを備えている請求項２６記載のタイミング発振器。
【請求項３４】
前記出力信号を生成するために、入力信号の周波数を低下させるように構成された除算回路をさらに備える請求項２６記載のタイミング発振器。
【請求項３５】
第１信号を生成するとともに出力信号を生成するように構成されたタイミング発振器と、
該タイミング発振器から前記出力信号を受信するように構成された除算回路とを備え、
該除算回路は、前記タイミング発振器からの前記出力信号の周波数よりも高い周波数を有した第２出力信号を生成するように構成されたデバイス。
【請求項３６】
タイミング発振器において、
複数のそれぞれの出力信号を提供するように設計された一揃いの微小機械共振構造であって、前記微小機械共振構造は１００μｍ未満の大寸法を有した少なくとも１つの共振構造を具備する、一揃いの微小機械共振構造と、
前記一揃いの機械的共振構造に関連付けられた少なくとも１つのスイッチであって、前記一揃いの微小機械共振構造からの前記複数の出力信号から第１信号を選択するように設計されたスイッチとを備えるタイミング発振器。
【請求項３７】
前記第１信号を受信するように設計された合成器をさらに備える請求項３６記載のタイミング発振器。
【請求項３８】
前記第１信号をフィルタリングするフィルタをさらに備える請求項３６記載のタイミング発振器
【請求項３９】
前記少なくとも１つの機械的共振構造は、主要素と、該主要素に結合された副要素とを備えている請求項３６記載のタイミング発振器。
【請求項４０】
前記副要素は、０．００１μｍと１μｍとの間の大寸法を有している請求項３９記載のタイミング発振器。
【請求項４１】
前記主要素は０．０１μｍと１００μｍとの間の大寸法を有している請求項３９記載のタイミング発振器。
【請求項４２】
それぞれの出力信号は、異なる周波数を有している請求項３６記載のタイミング発振器。
【請求項４３】
前記一揃いの微小機械共振構造から前記複数の出力信号を受信する第１補償回路をさらに備える請求項３６記載のタイミング発振器。
【請求項４４】
第２補償回路は、前記一揃いの微小機械共振構造の安定化の要因となる請求項３６記載のタイミング発振器。
【請求項４５】
第１補償回路および第２補償回路は、１つの回路において実装される請求項３６記載のタイミング発振器。
【請求項４６】
機械的共振構造を備えたタイミング発振器を使用して第１信号を生成する工程と、
前記第１信号を処理し、前記第１信号以下の周波数を有する出力信号を提供する工程とを含む方法。
【請求項４７】
前記出力信号は、前記タイミング発振器によって提供される請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
前記出力信号は、前記タイミング発振器の出力に接続された除算回路によって提供される請求項４６記載の方法。
【請求項４９】
前記出力信号は、少なくとも１００ＭＨｚの周波数を有している請求項４６記載の方法。
【請求項５０】
前記出力信号は、１００ＭＨｚと１ＧＨｚとの間の周波数を有している請求項４６記載の方法。
【請求項５１】
前記第１信号は、少なくとも１ＧＨｚの周波数を有している請求項４６記載の方法。
【請求項５２】
前記第１信号は、少なくとも１ＭＨｚの周波数を有している請求項４６記載の方法。
【請求項５３】
第１信号は、１ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間の周波数を有している請求項４６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、タイミング発振器ならびにこれに関連する方法および装置に関し、特に、機械的共振構造を備えたタイミング発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波信号の生成は、無線技術ならびに、携帯情報端末（ＰＤＡ）および携帯電話機などの高周波装置の使用および利用の増加によって非常に重要になっている。現在、幾つかの方法および装置が高周波信号を生成するために使用されている。一例は、発振器であり、それは、特定の周波数で共振または振動する信号を生成する。発振器には幾つかの種類がある。発振器は、本質的には、機械的なものであるか、電気的なものであるか、またはこれら２つの組合せ、つまり、電気機械的なものである。電気機械的な発振器は、正確な周波数で安定した信号を生成する能力のために一般的に使用されている。電気機械的な発振器は、電気的信号を生じさせるために機械要素の振動を使用する。電気機械的な発振器信号は、生成される信号の正確且つ安定した性質によりタイマに関する用途において多くの場合に使用される。タイミング調整用途で使用される電気機械的な発振器は、多くの場合にタイミング発振器と呼ばれる。
【０００３】
タイミング発振器は、デジタル時計、ラジオ、コンピュータ、オシロスコープ、信号発生器、および携帯電話機を含む幾つかの装置で使用されることがある。タイミング発振器は、例えば、装置によって受信、処理、または送信される他の信号の同期を助ける基準周波数として、クロック信号を生成する。多くの場合、複数の処理プロセスが装置上で同時に実行され、そのようなプロセスの実行は、タイミング発振器によって生成されるクロック信号に依存する。タイミング発振器を使用して高速にデータの管理および同期を有効に行う設計者またはユーザの能力によって、電気機械的な発振器は幾つかのハードウェアおよびソフトウェア設計ならびに装置における有益な構成要素となる。
【０００４】
電気機械的なタイミング発振器の一例は、水晶発振器である。電場が水晶に印可されるときに、水晶にひずみが生じる。電場の除去に際して、水晶はその以前の形状に戻り、電場および電圧を生成する。この現象は、圧電現象として知られている。水晶の組成に応じて、水晶によって生成される信号は、特定の共振周波数を有する。しかしながら、水晶発振器を高周波用途に使用することには、幾つかの不都合が存在する場合がある。水晶発振器から生成される信号の共振周波数は、水晶のサイズおよび形状に依存する。殆どの水晶発振器は、ｋＨｚ〜ＭＨｚレンジで信号を生成するのに有用であるが、殆どの最新技術は、ＧＨｚレンジでの信号を要求する。さらに、水晶のサイズは、著しく大きく、他の利用可能な構成要素と比較してチップ上の空間をより多く占めることになる。
【０００５】
タイミング発振器における生成される周波数の制約を克服する１つの解決策は、乗算器を使用することである。生成される信号は、ミキサまたは当業者に公知の多数の他の装置を使用して乗算することにより、遥かに高い周波数で新しい信号を出力することができる。例えば、入力として周波数が５０ＭＨｚの信号を受信する乗算器は、入力信号を４０倍することによって２ＧＨｚの最終信号を出力することができる。しかしながら、そのような手法には問題がある。なぜならば、信号の周波数を倍加することによって、位相雑音が増加する（例えば、６ｄＢだけ）場合があるからである。従って、信号をＭＨｚレンジからＭＨｚレンジのうちの上位レンジまたはＧＨｚレンジに変換することは、位相雑音の増加のために、信号品質の甚大な劣化をもたらす。このように、従来のタイミング発振器は、高周波信号の生成にとって理想的ではないことがある。
【発明の概要】
【０００６】
タイミング発振器ならびにこれに関連する方法および装置について、本明細書に記載する。
一態様によれば、タイミング発振器は、主要素と、該主要素に結合された副要素とを具備した機械的共振構造と、該機械的共振構造に入力信号を提供するように設計された駆動回路と、前記機械的共振構造に結合された補償回路とを備えている。
【０００７】
別の態様では、タイミング発振器は、機械的共振構造を備えている。タイミング発振器は、第１信号を生成するとともに出力信号を提供するように設計されており、第１信号の周波数は前記出力信号の周波数以上である。
【０００８】
別の態様によれば、装置は、第１信号を生成し、且つ、出力信号を生成するように構成されたタイミング発振器を備えている。本装置は、前記タイミング発振器からの前記出力信号を受信するように構成された除算回路をさらに備えている。前記除算回路は、前記タイミング発振器からの前記出力信号の周波数よりも高い周波数を有した第２出力信号を生成するように構成されている。
【０００９】
別の態様によれば、方法は、機械的共振構造を具備したタイミング発振器を使用して第１信号を生成する工程、および、前記第１信号を処理することにより、前記第１信号以下の周波数を有した出力信号を提供する工程を含んでいる。
【００１０】
別の態様によれば、タイミング発振器は、複数のそれぞれの出力信号を提供するように設計された一揃いの微小機械共振構造を備えている。前記微小機械共振構造は、該微小機械共振構造の最大寸法が１００μｍ未満の大寸法を有した少なくとも１つの共振構造を備えている。少なくとも１つのスイッチは、前記一揃いの機械共振構造に関連付けられている。前記少なくとも１つのスイッチは、前記一揃いの微小機械共振構造からの出力信号から第１信号を選択するように設計されている。
【００１１】
別の態様では、タイミング発振器は、出力信号を生成するように設計される。前記タイミング発振器は、少なくとも１つの機械的共振構造を有し、前記タイミング発振器の全高は、０．５ｍｍ未満である。
【００１２】
別の態様では、パッケージ化した集積回路は、少なくとも１つの出力信号を生成するように設計されたタイミング発振器を備えている。該タイミング発振器は、機械的共振構造と、前記タイミング発振器に関連付けられたた装置と、前記タイミング発振器および前記装置を少なくとも部分的に包囲するパッケージとを備えている。
【００１３】
別の態様では、集積回路は、出力信号を生成するように設計されたタイミング発振器と、該タイミング発振器に関連付けられた装置とを備えている。前記タイミング発振器および前記装置は、同一のパッケージに集積されており、前記タイミング発振器は、少なくとも１つの機械的共振構造を有している。
【００１４】
別の態様では、タイミング発振器は、第１基板上に形成された機械的共振構造と、第２基板上に形成された回路とを備えている。該回路は、前記機械的共振構造に電気的に接続されている。
【００１５】
本発明の他の態様、実施形態、および特徴は、添付の図面と共に考慮される際に、以下の発明の詳細な説明から明白になる。添付図は、概略図であり、当尺に描かれるようには意図されていない。図においては、様々な図において示される同一、実質的に同様の構成要素は、それぞれ単一の数字または表記によって表わされている。明瞭さの目的のために
、すべての構成要素が、すべての図においてラベル付けされているわけではない。また、本発明の各実施形態のすべての構成要素は、例示が必ずしも本発明を当業者に理解させることを可能にするように示されているわけではない。参照によってここで援用した特許出願および特許はすべて、参照によってそれらの全体を援用する。矛盾する場合には、定義を含む本明細書に支配される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態にかかる、共振器および駆動回路を備えたタイミング発振器を示す図。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態にかかる、共振器、補償回路、および駆動回路を備えたタイミング発振器を示す図。
【図２】本発明の一実施形態にかかる、主要素および副要素を備えた機械的共振構造を示す図。
【図３】本発明の一実施形態にかかる、一揃いの機械的共振構造を備えたタイミング発振器を示す図。
【図４Ａ】本発明の一実施形態にかかる、タイミング発振器装置のパッケージ化した装置を示す図。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態にかかる、タイミング発振器装置のパッケージ化した装置を示す図。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態にかかる、タイミング発振器装置のパッケージ化した装置を示す図。
【図４Ｄ】本発明の一実施形態にかかる、タイミング発振器装置のパッケージ化した装置を示す図。
【図５】本発明の一実施形態にかかる、タイミング発振器の多層基板パッケージングを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
タイミング発振器について、これに関連する方法および装置と共に本明細書に記載する。タイミング発振器は、機械的共振構造を備えることが可能である。駆動回路は、機械的共振構造に入力信号を提供し、機械的共振構造を振動させることが可能である。幾つかの実施形態では、機械的共振構造は、互いに結合された複数の要素を備えている。例えば、この共振構造は、ナノスケールの寸法を有した一又は複数の副要素に結合された、マイクロメートルスケールの寸法を有した主要素を備えることが可能である。幾つかの場合、補償回路が、タイミング発振器出力信号を調整または修正するために、タイミング発振器に組み込まれる。補償回路は、操作上および製造上の異常を含む幾つかの原因によって生じる、必要とされる調整を提供することができる。このタイミング発振器は、低雑音および高いＱファクタ（品質係数）を有する高周波信号を生成することを要求する用途に有用な場合がある。
【００１８】
図１Ａは、本発明の一実施形態にかかるタイミング発振器１００を示している。この実施形態では、タイミング発振器は、共振器１０２および駆動回路１０４を備えている。
図１Ａにおける共振器１０２は、機械的共振構造（機械共振器としても知られる）であり、図２においてより詳細に記述されるような機械的要素を使用して所望される周波数で信号を生成する受動装置である。機械共振器は、出力周波数を調整するように調節されることができる。例えば、共振器は、幾何学形状、寸法、および材料の種類などの設計パラメータを選択することによって調節されることが可能である。一般に、種々様々な共振器設計を使用することが可能である。図２に関してさらに以下で記述されるように、幾つかの実施形態では、機械共振器は、一又は複数の副要素に結合された主要素を備えることが可能である。
【００１９】
共振器は、能動型電子回路を備えた駆動回路に接続されることによって自続発振を生じることができる。駆動回路は、抵抗性素子および容量性素子を含んだフィードバック・ループを含むことができる。抵抗性素子および容量性素子は、所望される発振器出力信号を生成するように調節されることができる。本発明の一実施形態では、駆動回路は、フィードバック・ループに大きなゲイン用の抵抗器を備えた演算増幅器を含んでいる。一般に、任意の適切な駆動回路を使用することが可能である。
【００２０】
補償回路１０６は、駆動回路に集積されるか、または、図１Ｂに示されるような駆動回路に追加回路として設計されることができる。一般に、補償回路は、適切な回路構成となるような多くの異なる構成を有することが可能である。補償回路は、複数の回路および構成区画を備えることが可能であり、各構成区画は、所望される補償機能を実行するように設計されている。
【００２１】
補償回路は、タイミング発振器の出力信号を改良または訂正するための修正を行うのに使用されることができる。チップおよびパッケージの製造における不正確さによって、多くの場合、望ましくない出力信号の原因となることがあるプロセス変動または構成要素の誤動作をもたらす。補償回路は、プロセス変動、熱変動、ジッタを含むが、これらに限定されないエラーを訂正する手段を提供することができる。
【００２２】
ジッタは、信号が時間によって変化する超過位相を有し、不整合信号の生成をもたらす場合に生じる。ジッタは、本来ランダムに生じるが、電子装置および通信信号において観察される共通の現象である。ジッタの低減によって、信号の位相雑音が減少する。補償回路１０６は、ジッタを制御および制限するように設計されることが可能である。
【００２３】
内部的な熱変動は、装置における電圧レベルまたは電流レベルの変動の結果として生じることがあり、また、半導体材料に亘る電荷担体（典型的には電子）のランダムな運動を生じさせることがある。ジッタと同様に、電子のランダムな運動によって、位相雑音の増加により出力信号の品質を低下させる熱雑音が回路に生じる。
【００２４】
内部的な熱変動に加えて、外部または周囲の温度変化は、装置の機能に影響することがある。装置内の材料は、装置が動作している温度に依存して異なる量だけ膨張または収縮する。装置の材料の膨張および収縮は、装置の性能（特に、その動作周波数）を著しく損なわせることがある。材料における膨張および収縮量は、その材料の熱膨張係数を使用して判断される。
【００２５】
補償回路１０６は、内部および外部の熱変動によってエラーを訂正するように設計される。補償回路は、温度の関数として動作周波数に関する情報を格納する較正テーブルを含むことができる。このように、内部または外部温度が変わると共に、補償回路は、較正テーブルを参照し、所望される信号出力を生成するようにタイミング発振器の調節可能な構成要素を調整することができる。
【００２６】
熱変動に加えて、装置寸法が小さくなるほど、特に装置を製造するプロセスでは、幾つかの異常が生じることがある。例えば、そのような寸法では、チップおよび装置を製造する際のそのようなエラー（プロセス変動としても知られる）は、出力信号を生じさせることを含む装置の性能に、より顕著な影響を与えることがある。補償回路は、プロセス変動によるエラーを考慮するようにプログラムされることができる。そのプログラミングは、タイミング発振器のテスト中に、または、タイミング発振器を動作させる前に行うことが可能である。
【００２７】
ジッタ、熱変動、およびプロセス変動は、例示として議論される。補償回路が、ジッタ
、熱変動、およびプロセス変動によってのみタイミング発振器出力を調整することに限定されるものではないと理解されたい。補償回路は、機械共振器の出力における他の様々なエラー源（例えば、応力）を考慮するようにタイミング発振器出力を修正することができる。
【００２８】
本発明の一実施形態では、図１Ｂに示されるように、合成器１０８は、補償回路１０６に結合される。しかしながら、すべての実施形態が合成器を備えるとは限らないと理解されたい。合成器は、タイミング発振器の外部にあるか、または、駆動回路１０４に集積されることができる。位相ロックド・ループ（ＰＬＬ）は、信号（本発明の一実施形態では、機械共振器１０２から生成される信号）の位相を制御することができる合成器の一例である。ＰＬＬは、ｋＨｚの低周波数からＧＨｚの高周波数を含む大きなレンジの周波数で信号を制御するのに使用される。
【００２９】
合成器１０８は、当業者に周知のフィルタ、発振器、または他の信号処理装置を備えることが可能である。例えば、タイミング発振器では、合成器は、駆動回路によって生成される信号と電圧制御発振器（ＶＣＯ）によって生成される信号との間の差を最小化するような位相検波器を備えることができる。この処理は、ＶＣＯの出力信号が駆動回路の位相と一致する位相を有するまで繰り返される。
【００３０】
合成器が上で列挙した構成要素に限定されるものではないと理解されたい。例えば、合成器は、上で列挙したすべての構成要素を含まなくてもよく、所望される性能を達成するために電荷ポンプなどの他の回路素子を備えてもよく、その両方であってもよい。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、タイミング発振器の出力は、処理回路１１０に結合される。処理回路１１０は、タイミング発振器１００によって生成される信号を処理する任意の形式の回路または装置を備えることができる。例えば、処理回路１１０は、フィルタ、ミキサ、除算器、増幅器、または他の用途特有の構成要素および装置を備えることが可能である。生成される信号は、処理回路１１０に組み込まれた発信器を使用して他の装置に送信される。タイミング発振器１００の出力は、処理回路１１０に直接または合成器１０８を介して接続されることが可能である。処理回路１１０、合成器１０８、およびタイミング発振器１００の間の構成および接続は、用途の種類および生成される所望される信号に依存して変化することが可能である。
【００３２】
上述したように、機械共振器１０２は、一又は複数の機械要素を使用して所望される周波数で信号を生成することができる。図２は、本発明の幾つかの実施形態にかかる、機械要素の１つの適切な配置を含む機械共振器１０２を示している。機械共振器は、主要素２１に結合された複数の副要素２２を備えている。この実施形態では、副要素２２は、片持ち梁の形態をなし、主要素２１は、２つの支持体間に延びる二重固定梁の形態をなしている。駆動回路によって供給される入力信号は、高周波数で副要素を振動させる適切な励振源を使用して与えられることが可能である。さらに以下で記述されるように、副要素２２の振動は、高周波数であるが個々の副要素よりも大きい振幅で振動するように主要素２１に影響を及ぼす。主要素２１の機械的振動は、例えば、補償回路１０６または合成器１０８によって処理されることが可能である、電気的な出力信号に変換されることが可能である。
【００３３】
機械共振器の他の適切な設計が、主要素および副要素の異なる配置を備えた設計を含むように使用されることが可能であると理解されたい。適切な機械共振器は、例えば、国際公開第２００６／０８３４８２号および２００８年２月８日に出願された米国特許出願第１２／０２８，３２７号に記述されており、それらは、両方とも参照によってそれらの全体をここに援用される。
【００３４】
幾つかの実施形態では、副要素２２は、ナノスケールの寸法を有しており、従って、高速で振動して著しく高い周波数（例えば、１〜１０ＧＨｚ）の共振周波数を生じさせることができる。副要素２２に結合された主要素２１は、副要素２２の共振周波数と同様の周波数で振動し始める。各副要素は、主要素２１に振動エネルギを与え、これによって、単一のナノスケールの要素のみで可能である振幅よりも大きい振幅で主要素２１が振動することが可能となる。主要素２１の振動は、検知、送信、および／またはさらなる処理に十分な強度を持った（例えば、ギガヘルツ・レンジ、または、これよりも高いレンジ）電気信号を生成することができ、無線通信を含む多くの望ましい用途でこの装置が使用されることを可能にする。
【００３５】
一般に、副要素２２は、主要素２１の寸法よりも小さい少なくとも１つの寸法（例えば、長さ、厚さ、幅）を有している。例示の実施形態では、副要素２２は、主要素２１よりも短い長さを有している。副要素２２は、ナノスケール（つまり、１μｍ未満）の寸法を有することが可能である。幾つかの実施形態では、この寸法のうちの少なくとも１つが１μｍ未満であり、幾つかの実施形態では、「大寸法」（つまり、この寸法のうちの最大のもの）が１μｍ未満である。例えば、副要素２２は、１μｍ未満（例えば、１ｎｍと１μｍとの間）の厚さおよび／または幅を有することが可能である。副要素２２は、約０．１μｍと１０μｍとの間の、または、０．１μｍと１μｍとの間の大寸法（例えば、長さ）を有することが可能である。主要素２１は、１０μｍ未満（例えば、１０ｎｍと１０μｍとの間）の幅および／または厚さを有することができる。主要素２１は、１μｍを超える（例えば、１μｍと１００μｍとの間の）長さを有することが可能であり、幾つかの場合には、主要素２１は、１０μｍを超える（例えば、１０μｍと１００μｍとの間）の長さを有している。幾つかの場合には、主要素は、１００μｍ未満の大寸法（例えば、長さ）を有している。
【００３６】
主要素２１および副要素２２の寸法は、部分的には、装置に関連した入力および／または出力信号の所望される周波数レンジを含む所望される性能に基づいて選択される。上記範囲外の寸法もまた適切であると理解されたい。適切な寸法は、国際公開第２００６／０８３４８２号にも記述されており、それは、左記の参照によってここに援用される。主要素２１および／または副要素２２が任意の適切な形状を有することが可能であり、装置が梁形状要素に限定されるものではないとさらに理解されたい。他の適切な形態は、国際公開第２００６／０８３４８２号に記述されている。
【００３７】
図３は、本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、タイミング発振器３００は、駆動回路１０４と、補償回路１０６と、複数の機械共振器１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃを備えた一揃いの機械共振器３０２と、これらに関連付けられたスイッチ３０４Ａ，３０４Ｂ，３０４Ｃとを備えている。一般に、任意の個数の機械共振器がタイミング発振器において使用されることが可能である。
【００３８】
駆動回路１０４は、一揃いの機械共振器３０２を駆動する。共振器１０２Ａ，１０２Ｂ，および１０２Ｃは、異なる周波数で信号を生成するようにプログラムされる。このように、一揃いの機械共振器３０２は、複数の信号を出力するのに使用され、各信号は、固有の位相および周波数を有している。装置に複数の周波数出力を可能にさせることは、異なる周波数で動作させるようにプログラムされる携帯電話機などの機器で使用されるときに有用である場合がある。加えて、複数の装置と関連して動作させるために、標準且つプリプログラムされた一揃いの機械共振器を利用することができる。
【００３９】
本発明の一実施形態では、駆動回路は、スイッチ３０４Ａ，３０４Ｂ，および３０４Ｃに接続されている。スイッチ３０４Ａ，３０４Ｂ，および３０４Ｃは、特定の用途に対し
てプログラムされるか、または、所望される周波数または周波数レンジの信号を選択するデフォルト設定を有することができる。これらのスイッチは、機械的であっても、電気的であっても、電気機械的であってもよい。例として、スイッチは、トランジスタである。スイッチは、さらなる処理を行うために一揃いの機械共振器３０２からの出力の選択を制御する。一般に、任意の個数のスイッチが、一揃いの共振器３０２に組み込まれる任意の個数の機械共振器に対して使用されることが可能である。機械共振器は、１つのスイッチに限定されるものではなく、複数のスイッチに接続されることが可能である。同様に、スイッチは、複数の機械共振器に接続されることが可能である。スイッチは、任意の目的に対して使用され、タイミング発振器における選択の目的に限定されるものではない。
【００４０】
本発明の一実施形態では、選択されたタイミング発振器出力は、フィルタを通過する。一般に、フィルタは、タイミング発振器の出力信号のスペクトル帯域を制限するのに使用され、さらに、信号中の擬似成分および／または望まない成分を除去することによって出力信号をより最適化することができる。フィルタを使用した出力信号の最適化は、随意であり、様々な構成要素および装置によって行われる。フィルタがタイミング発振器３００と任意の構成で結合され、また、タイミング発振器３００に集積されることも可能であると理解されたい。
【００４１】
本発明の別の実施形態では、除算回路は、タイミング発振器の出力側に結合される。本発明の一態様では、除算回路は、タイミング発振器によって生成される信号を入力として受信する。除算回路は、生成された信号の動作周波数を低下させるようにユーザによってプログラムまたは調整されることができる。信号の動作周波数の低下は、ミキサの使用を含む様々な手段によって行われる。入力信号の周波数を除算することによって、結果として得られる信号の位相雑音が改善される。先に示したように、信号の周波数をその初期周波数の半分にすることによって、６ｄＢ分だけ位相雑音について改善することができる。本発明の幾つかの方法は、機械共振器によって生成される信号を処理することにより、生成される信号以上の周波数を有したタイミング発振器出力信号を提供する工程を含んでいる。
【００４２】
本発明の或る実施形態にかかるタイミング発振器の利点は、タイミング発振器が、高周波信号を生成するのに使用されることが可能となることであり、これによって、上記したように、位相雑音を改善することが可能となる。除算回路は、タイミング発振器に組み込まれることが可能であるか、または、本発明の幾つかの実施形態によれば、タイミング発振器に結合された処理回路１１０の一部となることが可能である。タイミング発振器は、共振器１０２によって生成される信号の周波数以下の周波数となる出力信号を生成するように構成されることも可能である。本発明の好ましい実施形態では、例えば、ＭＨｚレンジのうちの上位レンジ（例えば、１００ＭＨｚよりも高い）またはＧＨｚレンジ（例えば、１ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間）の周波数は、従来の特定のタイミング発振器に必要とされるように、周波数乗算器を必要とすることなしに生成される。幾つかの場合には、生成される信号は、少なくとも１ＧＨｚ（例えば、１ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間）の周波数を有することが可能である一方で、出力信号は、例えば、少なくとも１００ＭＨｚ（例えば、１００ＭＨｚと１ＧＨｚとの間）の周波数を有することが可能である。タイミング発振器は、出力信号を提供する、および／または、より低いＭＨｚまたはｋＨｚレンジにおいて生成された信号を提供するのに使用されることが可能である。幾つかの場合には、出力信号および／または生成される信号は、少なくとも１ＭＨｚ（例えば、１３ＭＨｚ、２６ＭＨｚ）、または、幾つかの場合には、少なくとも３２ｋＨｚの周波数を有することが可能である。
【００４３】
本発明の幾つかの実施形態によれば、タイミング発振器は、単一の基板上に構築することができる。つまり、タイミング発振器のすべての構成要素は、同一の基板上に形成され
ることが可能である。幾つかの場合には、追加の構成要素が同一の基板上に形成されることも可能である。例えば、図４Ａに示されるように、タイミング発振器１００および追加デバイス４０４は、単一の基板４０２上に構築され、シングルチップ・モジュール４００（例えば、回路基板）上のパッケージ４０６によって少なくとも部分的に包囲される。このタイミング発振器１００は、駆動回路と、機械共振器または一揃いの機械共振器と、補償回路とを備えることができ、このデバイスは、フィルタ、スイッチ、または必要な設計目的を達成するために必要とされる他の要素であってよい。
【００４４】
タイミング発振器に対して一般に使用される基板の例は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族化合物などの任意の適切な半導体基板を含んでいる。
パッケージ４０６は、典型的には、タイミング発振器およびデバイスを、それらが周囲環境に晒されないように包囲する。一般に、任意の適切なパッケージ材料を使用することが可能である。
【００４５】
有利には、本発明の特定の実施形態のタイミング発振器は、それらが従来のチップ・パッケージに組み込まれることを許容する寸法を有することが可能である。これは、より大きい寸法を有した従来の特定のタイミング発振器と対照的である。例えば、本発明の幾つかの実施形態にかかるタイミング発振器は、０．８ｍｍ未満、幾つかの実施形態では０．５ｍｍ未満、また、幾つかの実施形態では０．２５ｍｍ未満の高さを有することが可能である。
【００４６】
本発明の別の実施形態では、タイミング発振器および追加デバイスは、同一のチップ上に、ただし異なる基板によって実装されることが可能である。図４Ｂに示されるように、タイミング発振器１００は、基板４０８上に構築されるが、追加デバイス４０４は、異なる基板４１０上に構築される。タイミング発振器１００および追加デバイス４０４は、シングルチップ・モジュール４００に集積されることができる。装置のための基板の選択は、使用される装置タイプに依存する。タイミング発振器が一揃いの機械共振器を備える場合、各機械共振器は、異なる基板上に設けられることが可能である。
【００４７】
本発明の別の実施形態では、タイミング発振器の構成要素は、別個のチップとしてパッケージ化および製造され、また、タイミング発振器と共に単一の多チップ・モジュールに集積されることができる。この実施形態によれば、図４Ｃに示されるように、タイミング発振器１００は、追加装置（パッケージ化装置４０６Ｂ）とは別個に設計およびパッケージ化４０６Ａされ、また、多チップ・モジュール４１２上に埋め込まれることができる。この実施形態では、タイミング発振器およびデバイスは、同一の基板に設けられることができる。
【００４８】
これに代えて、図４Ｄに示されるように、本発明の別の実施形態では、タイミング発振器１００および追加デバイス４０４は、異なる基板４０８および４１０に設けられることができ、別々に４０６Ａおよび４０６Ｂとしてパッケージ化され、また、依然として単一の多チップ・モジュール４１２に集積される。先に述べたように、追加デバイスは、フィルタ、スイッチ、電気または電気機械デバイスなどの任意の素子であることが可能であり、それは、設計または性能目的を達成するのを助ける。
【００４９】
本発明の別の実施形態によれば、タイミング発振器は、図５に示されるようなフリップチップ配置で２つの基板上に製造されることができる。これらの実施形態では、タイミング発振器の一又は複数の構成要素は、第１基板上に形成され、一又は複数の構成要素は、第２基板上に形成されることが可能である。１つの基板上の構成要素は、例えば、２つの基板の間に延びる電導路によって、他の基板上の構成要素に電気的に接続されることが可能である。
【００５０】
図５に示されるように、第１基板５０２は、上方へ延びるバンプ５０６を備えた複数のボンディング部位を有している。第２基板５０４もまた、複数のボンディング部位を有するが、第２基板上にはエッチングにより孔５０８が設けられている。第２基板５０４は、反転され、第１および第２基板の対応するボンディング部位５０６および５０８は、２つの基板が互いに接合可能であるように位置合わせされる。第１基板５０２および／または第２基板５０４の例は、装置ウェハと、キャップ・ウェハを備え、それらのウェハは、シリコン、シリコンゲルマニウム、または他のドープしたもしくはドープしていない半導体材料を含むことが可能である。両方の基板は、当業者には周知のパッケージング方法を使用して設けられるパッケージング層５１６および５１８を有している。
【００５１】
本発明の一実施形態では、機械共振器または一揃いの機械共振器５１０は、第１基板５０２上に位置することが可能である。追加回路５１２は、第２基板上に位置することが可能である。追加回路５１２の例は、補償回路、ＰＬＬ、フィルタ、または第２基板５０４上で物理的且つ機能的に実装されることが可能な任意の電子部品もしくはデバイスを含むが、これらに限定されるものではない。機械共振器５１０は、相互接続部５１４またはボンディング部位５０６および５０８を使用して追加回路５１２に電気的に結合されることが可能である。本発明の一実施形態によれば、その結合は、導体材料で充填されたビアを使用して達成されることが可能である。一般に、ビアは、デバイスの複数の相互接続層の間の相互接続を可能にする要素とも考えられる。
【００５２】
このように本発明の幾つかの実施形態について記述したが、当然のことながら、本発明に対する様々な交換、修正、および改良が容易に当業者に思い浮かぶであろう。そのような交換、修正、および改良は、この開示の一部であるように意図され、本発明の精神および範囲内にあるように意図されている。従って、先の記述および図面は、単なる例である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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