(57)【要約】【課題】周波数の温度依存特性を高精度に補正できる小型で安価なMEMS振動子を用いた発振器を提供する。【解決手段】機械的に振動する出力用振動子と、機械的に振動する温度検出用振動子と、前記温度検出用振動子の共振周波数で発振して温度検出用発振信号を出力する温度検出用発振回路と、前記温度検出用発振信号の周波数に基づく補正信号を出力する温度補償回路と、前記補正信号に応じて前記出力用振動子の共振周波数を変動させる周波数変動手段と、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的に振動する出力用振動子と、
機械的に振動する温度検出用振動子と、
前記温度検出用振動子の共振周波数で発振して温度検出用発振信号を出力する温度検出用発振回路と、
前記温度検出用発振信号の周波数に基づく補正信号を出力する温度補償回路と、
前記補正信号に応じて前記出力用振動子の共振周波数を変動させる周波数変動手段と、
前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路と
を備える発振器。
【請求項２】
前記出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されており、
前記温度検出用振動子は、前記出力用振動子に隣接する位置に前記支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されている事を特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記温度検出用振動子の共振周波数は、前記出力用振動子の共振周波数と異なる事を特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
【請求項４】
前記温度検出用振動子の共振周波数は、前記出力用振動子の共振周波数よりも高い事を特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
【請求項５】
前記出力用振動子と、前記温度検出用振動子と、前記出力用発振回路と、前記温度検出用発振回路と、前記温度補償回路と、前記周波数変動手段とが同一の基板上に形成された事を特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、MEMS技術を用いた発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等に代表される無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、この様な電子機器には小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させる為の代表的な電子部品が水晶振動子である。水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子の品質の指標である共振先鋭度（即ちＱ値）が極めて大きく、１００００を超える事が知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広く水晶振動子が利用されている理由である。しかし、この水晶振動子は、近年のより一層の小型化の要求を十分に満足させる事ができない事も明らかになってきている。
【０００３】
そこで近年、水晶振動子の代わりに、シリコン基板を用いたMEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術により形成された小型のMEMS振動子を用いたMEMS発振器が報告されている（非特許文献１）。MEMS発振器は水晶発振器に比べて小型化が可能であり、また高周波への対応が容易である事から、特に携帯電話などの小型機器への普及が見込まれている。また、MEMS振動子はシリコン基板を用いて作製できる事から、周辺回路とワンチップ化する事も可能である。
【０００４】
図６は、MEMS振動子を表す原理図である。この図に示す様に、MEMS振動子は空隙を有する電極間の静電容量素子を含んでいる。同図において、５０１はバネ、５０２は錘、５０３は基板、５０４は電極、５０５は電源である。MEMS振動子は電圧を印加して静電力による駆動を行うが、その際、交流信号に加えて直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同じ電気的特性（例えばＱ値）となるので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。
このMEMS振動子の共振角周波数ω0は、直流バイアス電圧v0、電極間距離d、錘の質量m、バネのバネ定数k、電圧印加前の電極部の静電容量C0を用いて、
【０００５】
【数１】
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【０００６】
と表すことができ、直流バイアス電圧v0が上昇するに従って低下する事が分かる。
【非特許文献１】T.Mattila et al., “14MHz Micromechanical Oscillator”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の従来技術に係るMEMS発振器によれば、水晶振動子と比較してMEMS共振子の共振周波数の温度依存特性が悪いために、発振周波数の温度依存特性が悪いという問題があった。その温度依存特性を補正するためには温度センサが必要であるが、発振器内に別体の温度センサを内蔵すると発振器のサイズが大きくなると共にコストも増加するという問題があった。また、振動子と離れた位置に温度センサを配置した場合には温度検出の誤差が大きくなり補正の精度が悪くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、周波数の温度依存特性を高精度に補正できる小型で安価なMEMS振動子を用いた発振器を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る発振器は、機械的に振動する出力用振動子と、機械的に振動する温度検出用振動子と、前記温度検出用振動子の共振周波数で発振して温度検出用発振信号を出力する温度検出用発振回路と、前記温度検出用発振信号の周波数に基づく補正信号を出力する温度補償回路と、前記補正信号に応じて前記出力用振動子の共振周波数を変動させる周波数変動手段と、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する出力用発振回路とを備える。
【００１０】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子が、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されており、前記温度検出用振動子は、前記出力用振動子に隣接する位置に前記支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定されている事を特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る発振器は、前記温度検出用振動子の共振周波数が、前記出力用振動子の共振周波数と異なる事を特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る発振器は、前記温度検出用振動子の共振周波数が、前記出力用振動子の共振周波数よりも高い事を特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子と、前記温度検出用振動子と、前記出力用発振回路と、前記温度検出用発振回路と、前記温度補償回路と、前記周波数変動手段とが同一の基板上に形成された事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、温度検出用振動子を出力用振動子に隣接するように新たに設置したので、出力用振動子の温度を正確に反映して発振器の発振周波数を高精度に補正する事ができる。また、それらの振動子を同一の工程で同一基板上に作製できるので、小型で安価なMEMS振動子を用いた発振器が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。同図に示すように、振動子１００、温度検出用発振回路１０３、温度補償回路１０４、周波数変動手段１０５、出力用発振回路１０６から構成される。また、振動子１００は、出力用振動子１０１、温度検出用振動子１０２から構成される。
【００１６】
出力用発振回路１０６は、出力用振動子１０１が有する共振周波数で発振を行う。温度検出用発振回路１０３は、温度検出用振動子１０２が有する共振周波数で発振を行う。また、温度補償回路１０４は温度検出用発振回路１０３の出力に接続される。また、周波数変動手段１０５は温度補償回路１０４の出力に接続されると共に、出力用振動子１０１にも接続される。
【００１７】
次に、本実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
まず、出力用発振回路１０６は、出力用振動子１０１の共振周波数で発振して出力用発振信号を出力する。
上記動作と並行して、温度検出用発振回路１０３は温度検出用振動子１０２の共振周波数で発振して温度検出用発振信号を出力する。
【００１８】
図５は、MEMS共振子の共振周波数の温度依存特性図である。同図に示すように、MEMS共振子である温度検出用振動子の共振周波数は温度に依存して変化するため、温度検出用発振信号の周波数も温度に依存して変化する。また、温度検出用振動子１０２は出力用振動子１０１に隣接して配置する様にする。これにより、温度検出用振動子１０２は、出力用振動子１０１の温度とほぼ同じ温度の位置に置かれる。
【００１９】
次に、温度補償回路１０４は温度検出用発振信号の周波数に一対一に対応する温度を求め、予め記憶されている補正パラメータからその温度に対応する補正信号を計算して出力する。
【００２０】
次に、周波数変動手段１０５は、上記補正信号に従って出力用振動子１０１の共振周波数を調整する。共振周波数を調整する方法は、例えば出力用振動子１０１に印加される電圧を電気的に調整する。あるいは、共振周波数を機械的に調整しても良い。この調整の結果、出力用振動子１０１の共振周波数は、温度変化があった場合でも一定の周波数に保たれる。従って、出力用発振回路１０６が発振する周波数も一定で変化せず、周波数の温度依存特性がない出力用発振信号が得られる。
上記の様に本発振器は、温度検出用発振信号の周波数に基づいて出力用発振信号の周波数を温度補償するものである。
【００２１】
次に、以上に説明した本実施形態に係る発振器の各構成要素の一例について詳述する。
まず、図２を参照して上記振動子１００の構成の一例を説明する。
同図に示すように、振動子１００は、出力用振動子（カンチレバー）２０１、出力用振動子電極パッド２０２、温度検出用振動子（カンチレバー）２０３、温度検出用振動子電極パッド２０４、固定電極パッド２０５、支持層２０６、絶縁層２０７、固定部２１０から構成される。
【００２２】
振動子１００は、支持層２０６の上面に絶縁層２０７を介して固定部２１０が固定されている。
温度検出用振動子（カンチレバー）２０３は固定部２１０と同じ高さに設けられており、温度検出用振動子（カンチレバー）２０３と支持層２０６の間には絶縁層２０７が存在せず空隙となっている。これにより、温度検出用振動子（カンチレバー）２０３は、機械的に振動し得る。温度検出用振動子電極パッド２０４は、固定部２１０の上に設けられており、温度検出用振動子（カンチレバー）２０３に電気的に接続されている。
【００２３】
出力用振動子（カンチレバー）２０１は固定部２１０と同じ高さに設けられており、出力用振動子（カンチレバー）２０１と支持層２０６の間には絶縁層２０７が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子（カンチレバー）２０１は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド２０２は、固定部２１０の上に設けられており、出力用振動子（カンチレバー）２０１に電気的に接続されている。
【００２４】
振動子１００は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層２０７、支持層２０６を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）は出力用振動子（カンチレバー）２０１と温度検出用振動子（カンチレバー）２０３を形成するために用いられる。これらの振動子はエッチングによって、支持層２０６に対向すると共に互いに隣接して形成される。これらの振動子を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００２５】
また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記２つの振動子の固定部２１０以外の下面の絶縁層２０７を除去することで、２つの振動子と支持層２０６との間にギャップ（空隙）を形成する。エッチングされずに残った固定部２１０下面の絶縁層２０７が、支持層２０６と２つの振動子とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部２１０を介して固定する。このような構成により、２つの振動子は固定部２１０を支点としてそれぞれ独立に振動する事が可能となる。
また、支持層２０６は半導体（シリコン）基板であり、２つの振動子を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
【００２６】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などにより出力用振動子電極パッド２０２が出力用振動子（カンチレバー）２０１の固定部２１０の上面に形成され、温度検出用振動子電極パッド２０４が温度検出用振動子（カンチレバー）２０３の固定部２１０の上面に形成される。また、固定電極パッド２０５が支持層２０６の上面に形成され、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが発振回路に電気的に接続される。
【００２７】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）２０１は発振器として出力したい周波数を決定するので、所望の共振周波数が得られる様に大きさを決定する。また、温度検出用振動子（カンチレバー）２０３は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の大きさと比較して小さい形状にして、共振周波数を出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数よりも高くする。このような大小関係にして異なった共振周波数にする理由は、２つの振動子の共振周波数が近い場合、両者に機械的な干渉が発生して振動状態が不安定になる可能性があるためである。なお、両振動子は、１次モードだけでなく高次モードも含んで干渉しない大きさにする。
【００２８】
また、温度検出用振動子（カンチレバー）２０３の共振周波数がより高い周波数である方が、その後の信号処理を行う回路（例えば後述の周波数−電圧変換器）の時定数を小さくできるので、温度補正処理の速度を向上できるという利点もある。
なお、上記温度補正処理の速度を向上する必要がない場合には、温度検出用振動子（カンチレバー）２０３の共振周波数を出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数よりも低くしても良い。
【００２９】
温度検出用振動子（カンチレバー）２０３は出力用振動子（カンチレバー）２０１に隣接して形成されるため、出力用振動子とほぼ同一の温度を検出できる。また、振動子１００は同一プロセスで一体に形成できるため、非常に小型化する事が出来るとともに、低コスト化も可能となる。
【００３０】
次に、振動子１００の動作を説明する。
振動子１００は、２つの発振回路（図１に示した温度検出用発振回路１０３、出力用発振回路１０６）と組み合わせて使用される。そして、出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数と温度検出用振動子（カンチレバー）２０３の共振周波数とでそれぞれの発振回路が独立に発振する。
【００３１】
上述の動作をさせるために、固定電極パッド２０５と出力用振動子電極パッド２０２との間に直流バイアス電圧が印加され、その結果、支持層２０６と出力用振動子（カンチレバー）２０１との間に電圧が印加されて出力用振動子（カンチレバー）２０１は静電力による駆動が可能となり、直流電圧値及び出力用振動子（カンチレバー）２０１の大きさや重さなどの機械的要因で決定される共振周波数を示す。
【００３２】
同様に、固定電極パッド２０５と温度検出用振動子電極パッド２０４との間に直流バイアス電圧が印加され、その結果、支持層２０６と温度検出用振動子（カンチレバー）２０３との間に電圧が印加されて温度検出用振動子（カンチレバー）２０３は静電力による駆動が可能となり、直流電圧値及び温度検出用振動子（カンチレバー）２０３の大きさや重さなどの機械的要因で決定される共振周波数を示す。
【００３３】
このように、振動子に交流電圧に加えて直流バイアス電圧を印加することで、水晶振動子と同じ特性（例えばQ値）を持たせる事ができる。
出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数は、直流バイアス電圧の調整により変更が可能である。これは、本発明における周波数変動手段として機能する。
温度検出用振動子（カンチレバー）２０３は、その共振周波数の変化により温度を検出し、温度センサとして機能する。なお、温度変化を検出する必要があるため、直流バイアス電圧は固定しておく。
【００３４】
次に、図３を参照して発振回路の一例を説明する。
同図に示した発振回路は、図１を用いて説明した温度検出用発振回路１０３と出力用発振回路１０６に共通する回路例であり、それぞれで各回路素子の定数を変更する。なお、本発振回路は、水晶発振器で一般に用いられているコルピッツ発振回路を応用した回路である。
【００３５】
同図に示すように、発振回路は、振動子３００、直流成分カット用容量３０２，３０３、負荷容量３０４，３０５、負荷抵抗３０８、電流抑制用抵抗３０６，３０７、インバータ（アンプ）３１０，３１１、直流バイアス電圧３０９、発振信号出力端子３２０から構成される。温度検出用発振回路１０３の場合には、振動子３００は図２に示した温度検出用振動子（カンチレバー）２０３を用い、出力用発振回路１０６の場合には、出力用振動子（カンチレバー）２０１を用いる。
【００３６】
振動子３００の両端には、電流抑制用抵抗３０６，３０７の一端がそれぞれ接続される。電流抑制用抵抗３０６，３０７の他端には、それぞれ直流バイアス電圧３０９の両端が接続される。また、振動子３００の両端には、直流成分カット用容量３０２，３０３の一端がそれぞれ接続される。
【００３７】
直流成分カット用容量３０２の他端は、負荷容量３０４の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）３１０の入力端と負荷抵抗３０８の一端が接続される。また、直流成分カット用容量３０３の他端は、負荷容量３０５の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）３１０の出力端とインバータ（アンプ）３１１の入力端と負荷抵抗３０８の他端とが接続される。
また、負荷容量３０４、３０５の他端は、それぞれ接地される。インバータ（アンプ）３１１の出力は、発振信号出力端子３２０に接続される。
【００３８】
次に、本発振回路の動作を説明する。
振動子３００の両端には、上述のように直流バイアス電圧３０９が印加され、振動子３００の共振周波数が式（１）に従って決定される。このように直流バイアス電圧３０９を印加するため、振動子３００への大電流の流入と流出を防ぐ目的で電流抑制用抵抗３０６，３０７が挿入されている。また、インバータ（アンプ）３１０の入出力端子とインバータ（アンプ）３１１の入力端子に直流電圧が印加されないように、直流成分カット用容量３０２，３０３が挿入されている。
【００３９】
そして、発振回路は、振動子３００の共振周波数で発振して発振信号を出力する。ここで、出力用発振回路１０６の場合には、直流バイアス電圧３０９を変化させる事により振動子３００の共振周波数を変化させて発振周波数を変更できる。これは、本発明における周波数変動手段として機能する。
温度検出用発振回路１０３の場合には、直流バイアス電圧３０９は固定しておき温度の変化による発振周波数の変動を検出する。
【００４０】
次に、図４を参照して温度補償回路の一例を説明する。
同図に示すように、温度補償回路１０４は、周波数−電圧変換器４００、温度換算器４０１、補正信号出力器４０２、加算器４０３から構成される。
【００４１】
周波数−電圧変換器４００は、温度検出用発振回路１０３の出力（温度検出用発振信号）が入力され、その信号の周波数を直流電圧に変換する。温度換算器４０１は、周波数−電圧変換器４００の出力が入力され、直流電圧値に対応する温度の信号を出力する。補正信号出力器４０２は、温度換算器４０１の出力が入力され、予め求められて記憶されている補正用パラメータを用いて温度に対応する補正信号を計算して出力する。
上記補正用パラメータは、予め出力用振動子１０１の共振周波数の温度依存特性を測定して求めておく。
【００４２】
加算器４０３は、補正信号出力器４０２の出力と基準バイアス電圧が入力され、両者を加算したバイアス電圧を出力する。
このようにして温度に応じて制御されたバイアス電圧が図３に示したバイアス電圧として用いられ、出力用振動子１０１の両端に印加される事により温度に依存せず一定の共振周波数に保たれる。
【００４３】
上述してきた構成とする事で、本発振器は同一の基板上にすべての構成要素を一体化して形成する事が可能である。また、例えば本発振回路の発振信号を利用して各種信号処理を行うその他の集積回路を同一基板上に形成する事も可能である。
【００４４】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、振動子の構造は図２に示した構造に限定されず、横振動を用いる構造でも良く、または振動子の両端が支持された構造でも良い。また、発振回路と温度補償回路の構成も、図３、図４に示した構成に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図２】同上の振動子の構成を示す斜視図である。
【図３】同上の発振回路の回路図である。
【図４】同上の温度補償回路のブロック図である。
【図５】同上のMEMS共振子の共振周波数の温度依存特性図である。
【図６】従来技術に係るMEMS振動子を表す原理図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００；振動子、１０１；出力用振動子、１０２；温度検出用振動子、１０３；温度検出用発振回路、１０４；温度補償回路、１０５；周波数変動手段、１０６；出力用発振回路、２０１；出力用振動子（カンチレバー）、２０２；出力用振動子電極パッド、２０３；温度検出用振動子（カンチレバー）、２０４；温度検出用振動子電極パッド、２０５；固定電極パッド、２０６；支持層、２０７；絶縁層、２１０；固定部、３００；振動子、３０２，３０３；直流成分カット用容量、３０４，３０５；負荷容量、３０６，３０７；電流抑制用抵抗、３０８；負荷抵抗、３０９；直流バイアス電圧、３１０，３１１；インバータ（アンプ）、３２０；発振信号出力端子、４００；周波数−電圧変換器、４０１；温度換算器、４０２；補正信号出力器、４０３；加算器。
【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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