(57)【要約】  オシレータは、第１および第２の電極を有するとともに、第１および第２の電極が同相信号を伝える第１の周波数と、第１および第２の電極が異相信号を伝える第２の周波数とで共振するように構成される共振器を含む。駆動回路は、共振器が第１の周波数または第２の周波数でそれぞれ選択的に共振するように第１および第２の電極での同相信号または第１および第２の電極での異相信号を選択的に維持するように構成される。関連するオシレータ動作方法も開示される。
2010539852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の電極を含むとともに、前記第１および第２の電極が同相信号を伝える第１の周波数と、前記第１および第２の電極が異相信号を伝える第２の周波数とで共振するように構成される共振器と、
前記共振器が前記第１の周波数または前記第２の周波数でそれぞれ選択的に共振するように前記第１および第２の電極での前記同相信号または前記第１および第２の電極での前記異相信号を選択的に維持するように構成される駆動回路と
を備えるオシレータ。
【請求項２】
前記共振器は、一次幅−縦共振モードおよび高次幅−縦共振モードをサポートする薄膜材料を備える、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項３】
前記第１および第２の電極は、前記駆動回路が前記同相信号または前記異相信号のそれぞれを維持するかどうかに応じて前記薄膜材料を前記一次幅−縦共振モードまたは前記高次幅−縦共振モードのいずれかで共振させるようにパターニングされる、請求項２に記載のオシレータ。
【請求項４】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項３に記載のオシレータ。
【請求項５】
前記共振器が基板上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）共振器を備える、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項６】
ＴＰｏＳ共振器は、
基板と、
前記基板から懸架される単結晶シリコンプレートと、
前記単結晶シリコンプレート上の薄膜圧電層と
を備えており、
前記第１および第２の電極が前記薄膜圧電層上にある、請求項５に記載のオシレータ。
【請求項７】
前記第１および第２の電極は、前記駆動回路が前記同相信号または前記異相信号のそれぞれを維持するかどうかに応じて、前記薄膜圧電層が単結晶シリコンプレートで一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードを励起するようにパターニングされる、請求項６に記載のオシレータ。
【請求項８】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項７に記載のオシレータ。
【請求項９】
前記共振器がマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）共振器を備える、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項１０】
前記駆動回路は、前記同相信号を維持するために前記第１および第２の電極間に直列に接続される第１および第２の反転増幅器と、前記異相信号を維持するために前記第１または第２の反転増幅器のうちの一方をバイパスするように構成されるスイッチとを備える、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項１１】
前記第１および第２の反転増幅器がそれぞれ単一の能動半導体デバイスを備える、請求項１０に記載のオシレータ。
【請求項１２】
前記異相信号は、位相が１８０°ずれている、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項１３】
マイクロ電子基板と、
前記マイクロ電子基板から懸架され、２つの異なる周波数で共振するように構成されるマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）共振器と
を備えるオシレータ。
【請求項１４】
前記ＭＥＭＳ共振器は、前記マイクロ電子基板から懸架され、一次幅−縦共振モードおよび高次幅−縦共振モードで共振するプレートを備える、請求項１３に記載のオシレータ。
【請求項１５】
第１および第２の電極を前記プレート上に更に備え、前記電極は、該電極が駆動されるときに前記プレートを前記一次幅−縦共振モードまたは前記高次幅−縦共振モードのいずれかで共振させるようにパターニングされる、請求項１４に記載のオシレータ。
【請求項１６】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項１５に記載のオシレータ。
【請求項１７】
ＭＥＭＳ共振器が、基板上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）共振器を備える、請求項１３に記載のオシレータ。
【請求項１８】
前記ＴＰｏＳ共振器は、
前記マイクロ電子基板から懸架される単結晶シリコンプレートと、
前記単結晶シリコンプレート上の薄膜圧電層と、
前記薄膜圧電層上の第１および第２の電極と
を備える、請求項１７に記載のオシレータ。
【請求項１９】
前記第１および第２の電極は、前記電極が駆動されるときに前記薄膜圧電層が前記単結晶シリコンプレートで一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードを励起するようにパターニングされる、請求項１８に記載のオシレータ。
【請求項２０】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項１９に記載のオシレータ。
【請求項２１】
マイクロ電子基板と、
前記マイクロ電子基板から懸架される単結晶シリコンプレートと、
前記単結晶シリコンプレート上の薄膜圧電層と、
前記薄膜圧電層上の第１および第２の電極と
を備えており、
前記第１および第２の電極は、前記電極が駆動されるときに前記薄膜圧電層が前記単結晶シリコンプレートを第１の周波数または第２の周波数のいずれかで共振させるように構成される、オシレータ。
【請求項２２】
前記第１および第２の電極は、前記薄膜圧電層が前記単結晶シリコンプレートを前記第１および第２の電極が同相信号を伝える第１の周波数と前記第１および第２の電極が異相信号を伝える第２の周波数とで共振させるように構成される、請求項２１に記載のオシレータ。
【請求項２３】
前記単結晶シリコンプレートが前記第１の周波数または前記第２の周波数でそれぞれ選択的に共振するように前記第１および第２の電極での前記同相信号または前記第１および第２の電極での前記異相信号を選択的に維持するように構成される駆動回路を更に備える、請求項２２に記載のオシレータ。
【請求項２４】
前記第１および第２の電極は、前記電極が駆動されるときに前記薄膜圧電層が前記単結晶シリコンプレートで一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードを励起するようにパターニングされる、請求項２１に記載のオシレータ。
【請求項２５】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項２４に記載のオシレータ。
【請求項２６】
駆動回路は、前記同相信号を維持するために前記第１および第２の電極間に直列に接続される第１および第２の反転増幅器と、前記異相信号を維持するために前記第１または第２の反転増幅器のうちの一方をバイパスするように構成されるスイッチとを備える、請求項２３に記載のオシレータ。
【請求項２７】
前記第１および第２の反転増幅器がそれぞれ単一の能動半導体デバイスを備える、請求項２６に記載のオシレータ。
【請求項２８】
前記異相信号は、位相が１８０°ずれている、請求項２２に記載のオシレータ。
【請求項２９】
第１および第２の電極が接続されてなる共振器を駆動する方法であって、
前記第１および第２の電極での同相信号または前記第１および第２の電極での異相信号を選択的に維持して、前記共振器を第１の周波数または第２の周波数でそれぞれ選択的に共振させることを含む、方法。
【請求項３０】
選択的に維持することは、前記第１および第２の電極での同相信号または前記第１および第２の電極での前記異相信号を選択的に維持して、前記共振器を一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードで選択的に共振させることを含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
この出願は、その開示内容の全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする、Ｓｉｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  Ｄｕａｌ−Ｍｏｄｅ  Ｄｕａｌ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒと題された２００７年９月１９日に出願された仮出願第６０／９７３，５８２号の利益を主張する。
【０００２】
［連邦政府支援の研究または開発に関する供述］
この発明は、米陸軍により与えられた契約Ｗ１５Ｐ７Ｔ−０６−Ｃ−Ｐ６３５号の下で政府支援によりなされた。政府は、本発明において特定の権利を有することができる。
【０００３】
［発明の分野］
この発明は、オシレータおよびその動作方法に関し、特に、マイクロ電子オシレータおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
オシレータは、例えばマイクロ電子デバイスのためのクロック周波数を確立するために、マイクロ電子デバイスで幅広く使用される。オシレータは、一般に、水晶共振器などの共振器と、共振器を共振駆動させる駆動回路とを含む。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の様々な実施形態に係るオシレータは、第１および第２の電極を有するとともに、第１および第２の電極が同相信号を伝える第１の周波数と、第１および第２の電極が異相信号を伝える第２の周波数とで共振するように構成される共振器を含む。駆動回路は、共振器が第１の周波数または第２の周波数でそれぞれ選択的に共振するように第１および第２の電極での同相信号または第１および第２の電極での異相信号を選択的に維持するように構成される。異相信号は、位相が１８０°ずれていてもよい。したがって、本発明の様々な実施形態によれば、二重周波数単一共振器オシレータが提供される。
【０００６】
幾つかの実施形態において、共振器は、一次幅−縦共振モードおよび高次（すなわち、一次よりも高い）幅−縦共振モードをサポートする薄膜材料を備える。他の実施形態において、第１および第２の電極は、駆動回路が同相信号または異相信号のそれぞれを維持するかどうかに応じて薄膜材料を一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードのいずれかで共振させるようにパターニングされる。第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備えていてもよく、所定数は高次共振モードに対応する。したがって、例えば、３つのインタディジタルフィンガによって三次共振が励起されてもよく、５つのインタディジタルフィンガによって五次共振が励起されるなどしてもよい。
【０００７】
他の実施形態では、共振器が基板上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）共振器を備える。幾つかの実施形態において、ＴＰｏＳ共振器は、基板と、基板から懸架される単結晶シリコンプレートと、単結晶シリコンプレート上の薄膜圧電層とを備え、第１および第２の電極が薄膜圧電層上にある。更なる他の実施形態において、第１および第２の電極は、駆動回路が同相信号または異相信号のそれぞれを維持するかどうかに応じて薄膜圧電層が単結晶シリコンプレートで一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードを励起するようにパターニングされる。更なる他の実施形態では、第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、所定数が高次共振モードに対応する。他の実施形態では、共振器がマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）共振器を備えてもよい。
【０００８】
幾つかの実施形態において、駆動回路は、同相信号を維持するために第１および第２の電極間に直列に接続される第１ならびに第２の反転増幅器と、異相信号を維持するために第１または第２の反転増幅器のうちの一方をバイパスするように構成されるスイッチとを備える。また、第１および第２の反転増幅器がそれぞれ単一の能動半導体デバイス、例えばコモンエミッタ形態を成す単一のバイポーラトランジスタを備えてもよい。
【０００９】
更なる他の実施形態に係るオシレータは、マイクロ電子基板と、マイクロ電子基板から懸架され、２つの異なる周波数で共振するように構成されるＭＥＭＳ共振器とを含んでもよい。幾つかの実施形態において、ＭＥＭＳ共振器は、マイクロ電子基板から懸架され、一次幅−縦共振モードおよび高次幅−縦共振モードで共振するプレートを備える。第１および第２の電極がプレート上に設けられてもよく、該電極は、該電極が駆動されるときにプレートを一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードのいずれかで共振させるようにパターニングされる。第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備えてもよく、所定数は高次共振モードに対応する。他の実施形態では、ＭＥＭＳ共振器が前述したようなＴＰｏＳ共振器を備える。
【００１０】
本発明の更なる他の実施形態に係るオシレータは、マイクロ電子基板と、マイクロ電子基板から懸架される単結晶シリコンプレートと、単結晶シリコンプレート上の薄膜圧電層と、薄膜圧電層上の第１および第２の電極とを含む。第１および第２の電極は、薄膜圧電層が単結晶シリコンプレートを第１の周波数または第２の周波数のいずれかで共振させるように構成される。電極は前述したように構成されてもよく、また、駆動回路が前述したように設けられてもよい。
【００１１】
更なる他の実施形態は、第１および第２の電極が接続されてなる共振器を駆動する方法を提供する。これらの方法は、第１および第２の電極での同相信号または第１および第２の電極での異相信号を選択的に維持して、共振器を第１の周波数または第２の周波数でそれぞれ選択的に共振させることを含む。本明細書中で説明される実施形態のいずれかに類似する方法が提供されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の様々な実施形態に係るオシレータのブロック図である。
【図２】本発明の様々な実施形態に係るＭＥＭＳ共振構造の断面図である。
【図３】本発明の様々な実施形態に係る共振器を駆動させるために実行されてもよい動作のフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の様々な実施形態に係るオシレータの斜視図とブロック図との組み合わせである。
【図４Ｂ】本発明の様々な実施形態に係る図４ＡのＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、一次モードおよび三次モードでそれぞれ共振する際にＦＥＭＬＡＢでシミュレートされる本発明の様々な実施形態に係る長方形シリコンプレートの共振モード形状を示している。
【図６】本発明の様々な実施形態に係るシリコン上窒化アルミニウムマイクロ共振器の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、図６のオシレータの空気中での一次周波数応答および三次周波数応答のそれぞれを図式的に示している。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、図６のオシレータの真空中での一次周波数応答および三次周波数応答のそれぞれを図式的に示している。
【図９】本発明の様々な実施形態に係る、−３３ｐｐｍ／℃および−２８ｐｐｍ／℃の周波数温度係数（ＴＣＦ）値を使用した、図７Ａ〜図８Ｂの２つの共振モードにおける正規化された周波数変化のパーセンテージを温度と共に図式的に示している。
【図１０】本発明の様々な実施形態に係る駆動回路の概略回路図である。
【図１１】本発明の様々な実施形態に係る空気中および真空中での３５ＭＨｚ振動数における測定波形および位相ノイズを図式的に示している。
【図１２】本発明の様々な実施形態に係る空気中での１０５．７ＭＨｚ振動数における測定波形および位相ノイズを図式的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態が示される添付図面を参照して、本発明について更に十分に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、また、本明細書中に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が完璧に完全であるように、また、本発明の範囲を当業者に対して十分に伝えるように与えられる。図中、層および領域のサイズおよび相対的サイズは、明確にするために誇張されている場合がある。
【００１４】
言うまでもなく、要素または層が他の要素または層「上にある」、「に接続される」、または、「に結合される」（および、その変形）と称される際には、それが他の要素または層上に直接にあってもよく、直接に接続されてもよく、または、直接に結合されてもよく、あるいは、介在する要素または層が存在してもよい。一方、要素が他の要素または層「上に直接ある」、「に直接に接続される」、または、「に直接に結合される」（および、その変形）と称される際には、介在する要素または層は存在しない。同様の参照符号は、全体にわたって同様の要素を示している。本明細書中で使用される用語「および／または」は、１つ以上の関連する挙げられた項目の任意のおよび全ての組み合わせを含み、「／」として短縮される場合がある。
【００１５】
言うまでもなく、第１、第２、第３などの用語は、本明細書中では、様々な要素、部品、領域、層、および／または、部分を表わすために使用される場合があるが、これらの要素、部品、領域、層、および／または、部分がこれらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、部品、領域、層、または、部分を他の領域、層、または、部分から区別するためだけに使用される。したがって、本発明の教示内容から逸脱することなく、後述する第１の要素、部品、領域、層、または、部分を第２の要素、部品、領域、層、または、部分と称することができる。
【００１６】
「よりも下側」、「よりも下方」、「下側」、「よりも上側」、「上側」などの空間的相対用語は、本明細書中では、説明を容易にするべく、図面に示されるような１つの要素または特徴の他の要素もしくは特徴に対する関係を表わすために使用される場合がある。言うまでもなく、空間的相対用語は、図面に描かれる方向に加えてデバイスの使用または動作時の様々な方向を包含しようとするものである。例えば、図中のデバイスが回転される場合には、他の要素または特徴「よりも下方」または「よりも下側」として説明される要素が他の要素または特徴「よりも上側」に向けられる。したがって、「よりも下方」という用語は、上方向および下方向の両方を包含し得る。デバイスが別の方法で方向付けられてもよく（９０度回転され、あるいは、他の方向で回転される）、また、本明細書中で使用される空間的相対記述子がそれにしたがって解釈される。
【００１７】
本明細書中で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とするものであり、本発明を限定しようとするものではない。本明細書中で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が他のことを明確に示唆していなければ複数形も同様に含もうとするものである。また、言うまでもなく、用語「備える」、「含む」、「有する」、およびその変形は、この明細書中で使用される場合、記載された特徴、ステップ、動作、要素、および／または、部品の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、ステップ、動作、要素、部品、および／または、そのグループの存在または付加を排除しない。一方、「からなる」という用語は、この明細書中で使用される場合、記載された特徴、ステップ、動作、要素、および／または、部品を特定するとともに、更なる特徴、ステップ、動作、要素、および／または、部品を排除する。
【００１８】
本明細書で、本発明の理想的な実施形態（および、中間構造）の概略図である断面図および斜視図を参照して本発明の実施形態を説明する。このように、例えば製造技術の結果としての図の形状からの変形および／または許容誤差が予期されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、本明細書で図示の領域の特定の形状に限定されるものと解釈されるべきではなく、例えば製造によって生じる形状のずれを含むものである。例えば、鋭角は、製造技術および／または許容誤差に起因して幾分丸みを帯びていてもよい。
【００１９】
他に規定されていなければ、本明細書中で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する当業者によって共通に理解される意味と同じ意味を有する。また、言うまでもなく、一般に使用される辞書で規定されるような用語は、関連技術の文脈での意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書中でそのように明確に規定されていなければ理想的な意味または過度に公式な意味で解釈されない。
【００２０】
図１は、本発明の様々な実施形態に係るオシレータのブロック図である。図１に示されるように、これらのオシレータ１００は、第１および第２の電極１１２、１１４をそれぞれ有する共振器１１０を含む。共振器１１０は、第１および第２の電極１１２、１１４が同相信号を伝える第１の周波数と、第１および第２の電極１１２、１１４が異相信号を伝える第２の周波数とで共振するように構成される。駆動回路１２０は、第１および第２の電極１１２、１１４での同相信号または第１および第２の電極１１２、１１４での異相信号を選択的に維持するように構成され、それにより、共振器１１０は、第１の周波数または第２の周波数でそれぞれ選択的に共振する。幾つかの実施形態において、共振器１１０は、一次幅−縦（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ）共振モードおよび高次（すなわち、一次よりも高い）幅−縦共振モードをサポートする薄膜材料を備える。幾つかの実施形態において、第１および第２の電極は、後述するように、一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードで薄膜材料を共振させるようにパターニングされる。以下で詳しく説明するように、共振器が基板上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）共振器を備えてもよい。
【００２１】
図２は、本発明の他の実施形態に係る共振構造の断面図である。これらの実施形態において、これらの共振構造２００は、マイクロ電子基板２２０と、例えば繋留体２１２を使用してマイクロ電子基板２２０から懸架され、２つの異なる周波数で共振するように構成されるマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）共振器２１０とを含む。ＭＥＭＳ共振器２１０は、マイクロ電子基板２２０から懸架され、一次幅−縦共振モードおよび高次幅−縦共振モードで共振するプレートを備えてもよい。マイクロ電子基板２２０は、単結晶シリコンを備える単一元素基板、例えばガリウムヒ素を備える化合物基板、および例えばシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板、ナノ結晶ダイヤモンドオンシリコン等を含む多層基板など、マイクロ電子デバイスを製造するために従来から使用される任意の基板であってもよい。また、本明細書中で使用される「ＭＥＭＳ」とは、センサ、アクチュエータ、共振器などの微小移動機械を形成するためにマイクロエレクトロニクス産業において開発されたツールおよび技術を使用するマイクロマシニング技術のことである。幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ共振器２１０が基板上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）共振器を備える。しかしながら、純然たる圧電共振器、酸化物上圧電共振器、および／または、その第１および第２の電極が同相信号を伝える第１の周波数と第１および第２の電極が異相信号を伝える第２の周波数とで共振するように構成されおよび／または一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードで動作できる任意の他の共振器など、他のＭＥＭＳ共振器が使用されてもよい。
【００２２】
図３は、電極１１２、１１４などの第１および第２の電極が接続されてなる図１の共振器１１０などの共振器を駆動させるために行なわれてもよい動作のフローチャートである。図３に示されるように、共振器をブロック３１０で示すように第１の周波数で駆動させることが望ましい場合には、ブロック３１２において、第１および第２の電極で同相信号が維持される。あるいは、共振器を第２の周波数で駆動させることが望ましい場合３２０には、ブロック３２２において、第１および第２の電極で同相信号が維持される。したがって、図３は、第１および第２の電極に対して同相信号または第１および第２の電極に対して異相信号を選択的に印加することにより共振器を駆動させて、共振器を第１の周波数または第２の周波数でそれぞれ選択的に共振させる方法を示している。
【００２３】
図４Ａは、本発明の様々な実施形態に係るオシレータの斜視図およびブロック図の組み合わせであり、図４Ｂは、本発明の様々な実施形態に係るＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。ここで、図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、これらのオシレータ４００は、図１の共振器１１０および／または図２のＭＥＭＳ共振器２１０の一実施形態と見なされてよいＴＰｏＳ共振器４１０と、図１の駆動回路１２０の一実施形態と見なされてもよい同相／異相駆動回路４２０とを含む。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、ＴＰｏＳ共振器４１０は、単結晶シリコンを備える単一元素基板、例えばガリウムヒ素を備える化合物基板、または、例えば半導体オンインシュレータ（ＳＯＩ）、ナノ結晶ダイヤモンドオンシリコン等を含む多層基板であってもよいマイクロ電子基板４４８を備える。マイクロ電子基板４４８からは、例えばそのキャビティ内で、繋留体１１２、１１４および／または他の従来の要素を使用して単結晶シリコンプレート４３４が懸架される。単結晶シリコンプレート４３４上には薄膜圧電層４３６がある。薄膜圧電層４３６上には、図１の第１および第２の電極１１２、１１４に対応してもよい第１の電極４４２および第２の電極４４４が設けられる。
【００２４】
幾つかの実施形態において、単結晶シリコンプレート４３４は、それ自体がシリコン基板などの基板上にある酸化物層などの絶縁層上の単結晶シリコン層４４６から製造され、それにより、単結晶シリコンプレート４３４を製造する単結晶シリコン層４４６とマイクロ電子基板４４８との組み合わせがシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を形成する。薄膜圧電層４３６と単結晶シリコンプレート４３４との間に接地電極４５２が設けられてもよい。また、単結晶シリコンプレート４３４と薄膜圧電層４３６との組み合わせは、電極４４２、４４４、および４５２などの１つ以上の電極と共に、シリコン上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）共振器を形成することができる。言うまでもなく、本発明の様々な実施形態によれば、単結晶シリコンプレート４３４、薄膜圧電層４３６、および電極４４２、４４４、および４５２がそれぞれ互いに対して様々な空間的配置を有してもよい。
【００２５】
更に図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、図５Ａに示されるように薄膜圧電層４３６がシリコンプレート４３４で一次幅−縦共振モードを励起し或いは図５Ｂに示されるように薄膜圧電層４３６がシリコンプレート４３４で三次幅−縦共振モードを励起するように第１および第２の電極４４２、４４４がそれぞれパターニングされる。また、幾つかの実施形態において、第１の電極４４２は、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、一対の離間したフィンガを薄膜圧電層４３６上に備え、また、第２の電極４４４は、同様に図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、一対の離間したフィンガ間で延びる１つのフィンガを薄膜圧電層４３６上に備える。幾つかの実施形態では、薄膜圧電層４３６が窒化アルミニウム薄膜層を備える。しかしながら、ＺｎＯ、ＰＺＴ、および／または、ＢａＴｉＯ３などの他の薄膜圧電材料が使用されてもよい。
【００２６】
より一般的には、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、第１および第２の電極４４２、４４４は、薄膜圧電層４３６によって単結晶シリコンプレート４３４で一次幅−縦共振モードまたは三次、五次等の高次幅−縦共振モードが励起されるようにパターニングされてもよい。また、第１および第２の電極４４２、４４４は、所定数のインタディジタルフィンガを備えてもよい。この場合、所定数は高次共振モードに対応する。したがって、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、３つのインタディジタルフィンガを使用して、単結晶シリコンプレート４３４を一次幅−縦共振モードまたは三次幅−縦共振モードで共振させてもよく、５つのインタディジタルフィンガを使用して、単結晶シリコンプレート４３４を一次幅−縦共振モードまたは五次幅−縦共振モードで共振させるなどしてもよい。このように、所定数のインタディジタルフィンガは、共振にとって望ましい高次モードに対応し得る。
【００２７】
再び図４Ａを参照すると、幾つかの実施形態に係る駆動回路４２０は、同相信号を維持するために第１および第２の電極４４２、４４４のそれぞれの間に直列に接続される第１および第２の反転増幅器４６２、４６４のそれぞれと、異相信号を維持するために第１の反転増幅器４４２または第２の反転増幅器４４４のうちの一方をバイパスするように構成されるスイッチ４６６、４６８などのスイッチとを含む。したがって、第１および第２の反転増幅器４６２、４６４は、一次周波数または高次周波数での振動を維持する共振器４１０と共にループを形成する。オシレータのための出力周波数は、図４Ａに示されるように、「出力部」によって得られてもよく、および／または、回路の他の場所で得られてもよい。
【００２８】
本発明の幾つかの実施形態において、反転増幅器４６２、４６４は、オペアンプ、インバータ、論理ゲート、および／または、他の増幅回路によって具現化されてもよい。しかしながら、以下で詳しく説明するように、他の実施形態では、第１および第２の反転増幅器４６４、４６６がそれぞれ、共通のエミッタ形態を成す単一のバイポーラトランジスタなどの単一の能動素子を備える。更に、本発明の様々な実施形態にしたがって１つ以上のバイパススイッチ４６６、４６８が多くの異なる形態および場所で設けられてもよい。図４Ａに示されるように、第１および第２の増幅器４６２、４６４は１８０°異相信号をサポートする。しかしながら、他の異相信号関係が与えられてもよい。
【００２９】
ここで、本発明の様々な実施形態の更なる説明を行なう。
【００３０】
特に、幾つかの実施形態は、ＡｌＮ−ｏｎ−Ｓｉマイクロ共振器の２つのｈｉｇｈ−Ｑ音響モードを利用するサブミリワット二重周波数オシレータを提供することができる。大気圧で動作する間、幾つかの実施形態は、３５．５ＭＨｚで７１００のＱｕｎｌｏａｄｅｄを示すことができるとともに、１０５．７ＭＨｚで４０００のＱｕｎｌｏａｄｅｄを示すことができ、これらは一次および三次幅−縦共振モードに対応する。測定されたＱｕｎｌｏａｄｅｄは、一次共振モードにおいて真空で１０１００まで増大する場合がある。キャリアから１ｋＨｚオフセットでこの共振器を使用する２トランジスタオシレータ回路の位相ノイズは、低周波モードおよび高周波モードにおいてそれぞれ−９４ｄＢｃ／Ｈｚおよび−８８ｄＢｃ／Ｈｚであり、−１４３ｄＢｃ／Ｈｚのキャリアから遠いノイズを伴う。
【００３１】
電子マイクロシステムの発展においては、Ｈｉｇｈ−Ｑ共振器を電子機器と一体化させることが望ましい場合がある。この一体化は、大幅なサイズおよび／またはコスト不利益を被る必要なく将来の製品に対して新たな特徴を付加する機会をシステム設計者に与えることができる。容量性マイクロ機械共振器の製造における最近の進展は、多くの用途で水晶振動子に取って代わることができる中−高周波小型共振器に期待を抱かせてきた。例えば、Ｓｕｎｄａｒｅｓａｎ  ｅｔ  ａｌ．，「Ａ  Ｌｏｗ  Ｐｈａｓｅ  Ｎｏｉｓｅ  １００ＭＨｚ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ＢＡＷ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ  Ｃｕｓｔｏｍ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｓｅｐｔ．２００６，ｐｐ．８４１−８４４；Ｈｏ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ＩＢＡＲ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」，Ｐｒｏｃ．１９ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ，（ＭＥＭＳ’０６），Ｉｓｔａｎｂｕｌ，Ｔｕｒｋｅｙ，Ｊａｎ．２００６，ｐｐ．９１０−９１３；および、Ｌｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｓｅｒｉｅｓ−Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ＶＨＦ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃ．２００４，ｐｐ．２４７７−２４９１に注目されたい。しかしながら、容量性共振器の動インピーダンスは、周波数と共に急速に増大する傾向がある。また、容量性共振器は、比較的大きいＤＣ分極電圧、サブミクロン深さの空隙、および動作における高価な真空包装を必要とする場合がある。更に、容量性共振器の絶対周波数精度および温度安定性は、高い周波数で低下し得る。この場合、周波数決定デバイス特徴は小さく、従来の同調機構が非効率的になる。
【００３２】
一方、圧電共振器は、高い周波数で容量性デバイスを超える利点を与え得る。圧電共振器の動インピーダンスは、大気圧で動作する間はかなり低い。圧電共振器は一般にＤＣ分極電圧を必要とせず、また、高次横モード設計は、Ｈｏ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｈｉｇｈ  Ｏｒｄｅｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」，Ｐｒｏｃ．２０ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ’０７），Ｋｏｂｅ，Ｊａｐａｎ，Ｊａｎ．２００７，ｐｐ．７９１−７９４において言及されているように、プロセス誘発臨界サイズ変動の影響をあまり受けない。また、Ａｂｄｏｌｖａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．，「Ａ  Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｓｔａｂｌｅ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」，Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  １４ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ．Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’０７），Ｌｙｏｎ，Ｆｒａｎｃｅ，Ｊｕｎｅ  ２００７，ｐｐ．５３−５６；および、Ａｂｄｏｌｖａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．，「Ａ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ＺｎＯ−ｏｎ−Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｍａｓｓ  Ｓｅｎｓｏｒ」，Ｐｒｏｃ．５ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，２００６，ｐｐ．１２９７−１３００において言及されているように、基板上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）共振器の共振構造中に酸化物層を含めることが、これらのデバイスの温度安定性を高めるのに有効であることも分かってきた。ＴＰｏＳ共振器における単結晶シリコンなどの低音響損失基板の使用は、空気中で高いＱ値をもたらすことができるとともに、共振器の電力処理を促進させることができ、それにより、オシレータのキャリアに近いおよびキャリアから遠い位相ノイズを改善することができる。
【００３３】
本発明の様々な実施形態は、マルチスタンダード無線トランシーバ、精密センサ、および高安定クロックジェネレータなどの多くの用途において魅力的となり得る高次ＴＰｏＳ共振器の新たな特徴を与えることができる。水晶共振器のデュアルモード励起は、Ｖｉｇ，「Ｄｕａｌ−ｍｏｄｅ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｃｌｏｃｋｓ  ａｎｄ  Ｓｅｎｓｏｒｓ」，Ｐｒｏｃｓ．ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．，１９９９，ｐｐ．８５９−８６８に記載されるように、環境干渉を的確に補償するために一般に使用される。デュアルハーモニック水晶オシレータは、市場で入手できる最も正確な温度補償オシレータのうちの１つである。動作の原理は、Ｓｃｈｏｄｏｗｓｋｉ，「Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  Ｓｅｌｆ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ａ  Ｄｕａｌ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｍｏｄｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」，Ｐｒｏｃ．Ｏｆ  ｔｈｅ  ４３ｒｄ  Ａｎｎｕａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｊｕｎ．１９８９，ｐｐ．２−７に記載されるように、単結晶プレートの２つの異なる共振モード、例えば第１高調波および第３高調波を使用することに基づいている。各モードにおける周波数温度係数（ＴＣＦ）は異なるため、オシレータ自体を非常に正確な温度センサとして使用できる。しかしながら、結晶を２つの周波数で励起するために、各振動ループにおいては、他のループで増幅される信号を減衰させるためにモード抑制回路が一般に必要とされる。明確な対照において、本発明の様々な実施形態に係る高次共振器は、電力消費量が少ない或いは最小の非常に簡単な方式を使用して２つの高調波モードで励起させることができる。本発明の幾つかの実施形態は、センサおよびクロックジェネレータとして使用されつつ、ＴＰｏＳオシレータに関して、より高いレベルの精度を得るための新たな機会を広げることができる。
【００３４】
幾つかの実施形態に係るＴＰｏＳ共振器は、図４Ａおよび図４Ｂに示されたように比較的厚い単結晶シリコンプレート４３４上に積層される電極４５２、４４２／４４４間に挟まれる薄膜圧電層４３６から構成される。しかしながら、ＴＰｏＳ共振器の他の形態が使用されてもよい。
【００３５】
単結晶シリコンプレートまたは層４３４は共振構造の主要な本体を形成し、また、金属電極４４２、４４４は、目標の共振モード形状で歪み場と適合するようにパターニングされる。注意深い電極構造を用いると、結合係数が向上され或いは最適化され、また、共振器の動インピーダンスが減少され或いは最小限に抑えられる。幾つかの実施形態において、上側電極は、３フィンガインタディジタルトランスデューサと似ている２つの電気的に絶縁された電極４４２／４４４へと分割される。このパターンは、図５Ｂに示されるその三次幅−縦共振モードで励起されるブロック構造の周期的な歪み場パターンと適合するように形成される。
【００３６】
共振器がこのモード形状で励起されると、２つの電極４４２／４４４上に反対の電荷が蓄積される。これは、歪み極性が１つのフィンガから他のフィンガへと変化しているからである。したがって、信号位相が共振で逆にされる。同じ電極パターンが一次共振モードを励起させることもできる。その場合、歪み場はデバイス全体にわたって均一である（図５Ａ）。しかしながら、このモード形状では、電極信号が共振で同相である。これは、全てのモードで同じゼロ信号位相シフトを示すそれらの奇数高調波で励起される水晶振動子等の他の厚さ−モード共振器とは対照的である。
【００３７】
本発明の幾つかの実施形態は、高次ＴＰｏＳ共振器の前述した特性を有効に利用して単一の共振器を有する二重周波数オシレータを実現できるという認識から生じ得る。幅−縦共振モードの次数に応じてこの同相／異相信号特性を示す他の共振器が他の実施形態で使用されてもよい。図４Ａに示されるように、各増幅ステージ４６２、４６４は１８０°の位相シフトをもたらす。したがって、オシレータループ内に１つの増幅ステージ４６４だけが含まれる場合、維持された振動周波数は、１８０°の位相シフトが共振器によってもたらされる三次共振モード（図５Ｂ）に対応する。一方、両方の増幅ステージ４６４、４６６がループ内に含まれる場合、入力信号および出力信号が共振で同位相である低周波一次モード（図５Ａ）が維持される。幾つかの実施形態では、第３高調波における更なる位相シフトの結果としてモード抑制のための予防措置をとる必要はない。更に、前述したように、多数のインタディジタル電極を使用して高次高調波がサポートされてもよい。
【００３８】
幾つかの実施形態にしたがって使用されるＴＰｏＳ共振器が図６のＳＥＭ写真に示されている。共振器は、１０μｍ厚シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板上に製造される。薄膜圧電層４３６は１μｍ厚スパッタＡｌＮ層であり、また、共振器は、例えばその開示内容の全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする、Ａｂｄｏｌｖａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．，「Ａ  Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｓｔａｂｌｅ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」，Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  １４ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ．Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’０７），Ｌｙｏｎ，Ｆｒａｎｃｅ，Ｊｕｎｅ  ２００７，ｐｐ．５３−５６に記載されるプロセスを使用して製造され得る。他のＭＥＭＳ製造技術が使用されてもよい。
【００３９】
図６の実施形態において、このデバイスにおける中心間フィンガピッチは４０μｍであり、また、電極に対する接続は、１５０μｍピッチサイズのグランド−シグナル−グランド（ＧＳＧ）形態を成す。本明細書での全ての周波数応答プロットは、加熱チャックを有するレイクショア真空プローブステーションにおいてＥ５０７１Ｃ  Ａｇｉｌｅｎｔネットワーク分析器により測定された。空気中でデバイスから測定される周波数応答プロットが図７Ａおよび図７Ｂに示されている。図７Ａは一次周波数応答を図式的に示し、また、図７Ｂは三次周波数応答を図式的に示している。
【００４０】
測定が真空中で繰り返され、また、一次周波数応答および三次周波数応答のそれぞれに関して結果が図８Ａおよび図８Ｂに示されている。予期されるように、測定される線質係数が改善されるとともに、動インピーダンスがＱと反比例して減少される。しかしながら、低周波モードにおける改善比率（１０１００／７２００）は、高周波モードにおいて観察されるもの（４５００／４０００）よりも大きく、このことは、高周波での主要な損失機構が空気制動でないことを示している。
【００４１】
２つのモードにおける共振器の周波数シフトが温度と共に測定されて、正規化された周波数変化のパーセンテージとして図９にプロットされた。図示のように、ＴＣＦは２つのモードに関して僅かに異なっている。この温度特性は、Ｓｃｈｏｄｏｗｓｋｉ，「Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  Ｓｅｌｆ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ａ  Ｄｕａｌ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｍｏｄｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」，Ｐｒｏｃ．Ｏｆ  ｔｈｅ  ４３ｒｄ  Ａｎｎｕａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｊｕｎ．１９８９，ｐｐ．２−７に記載されるように、共振器温度の正確な測定のために開発される技術において有用となり得る。
【００４２】
様々な実施形態に係る２段増幅器の概略図が図１０に示され、これは図４Ａの駆動回路４２０に対応してもよい。増幅器はマイクロ電子基板４４８上に組み込まれてもよい。第１のステージ４６２は、コモン−エミッタ形態を成す単一のＮＰＮトランジスタ（ｆｍａｘ〜７０ＧＨｚ）１０６２からなるトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）である。エミッタ変性レジスタ（１０Σ）は、キャリアから遠い位相ノイズの改善のために十分な電圧ヘッドルームを維持しつつ線形性を高めるために使用される。フィードバックレジスタ（１０ｋΩ）は、別個のバイアスネットワークの必要性を排除できるとともに、オシレータの位相ノイズ性能全体を向上させることができる。また、第２のステージ４６４は、コモンエミッタ形態を成す単一のＮＰＮトランジスタ１０６４からなる簡単な電圧増幅器である。各ステージは〜１８０°の位相シフトを引き起こし、また、レジスタの値は、電力消費量を減らす或いは最小にするように選択されてもよい。第２のステージにとって所望の電圧利得が大きい必要はない。これは、低周波共振モードの動インピーダンスが高周波共振モードの動インピーダンスよりもそれほど大きくないからである。
【００４３】
基本共振周波数でのオシレータの測定された波形および位相ノイズが図１１に示されている。測定は、Ａｇｉｌｅｎｔ  ＥＥ５５００位相ノイズ分析器を用いて行なわれた。オシレータを測定ユニットと接合するために外部５０Ωバッファが使用される。
【００４４】
空気中での３５．５ＭＨｚの振動が、２つのステージの組み合わせに関して、０．８６Ｖ供給電圧１０１０および３３０μＡの電流を用いて始まる。したがって、該振動（３５．５ＭＨｚ）での回路の電力消費量は＜３００μＷである。オシレータの測定された位相ノイズ密度プロットおよび波形が図１１に示されている。位相ノイズ測定は真空中で繰り返され、また、結果が図１１のプロット上に重ね合わされている。振動が真空中において低い供給電圧（０．８２Ｖ）１０１０で始まり、電力消費量が２００μＷまで減少される。真空中での共振器の線質係数の向上によって影響されて、キャリアに近い位相ノイズも、外部バッファによって制限され得るキャリアから遠い位相ノイズとは異なり、キャリアからの１ｋＨｚオフセットで〜４ｄＢｃ／Ｈｚだけ向上される。
【００４５】
回路が単一ステージ動作モードに切り換えられると、０．９８Ｖ供給電圧１０１０および３５０μＡ電流（Ｐｍｉｎ〜３４０μＷ）を用いて１０５．７ＭＨｚの振動が始まる。振動ループから第２の増幅ステージを排除した後は、電力消費量の増大が直観で分かるものではないように思われる。これは、大きなバイアス電流を必要とし得る高い所要帯域幅によって説明される。１０５．７ＭＨｚでのオシレータの測定された位相ノイズおよび波形が図１２に与えられている。
【００４６】
オシレータ用途においてＴＰｏＳ共振器を使用する１つの想定し得る利点は、ＴＰｏＳ共振器がそれらの小さいサイズにもかかわらず優れた電力処理を成すことができるという点である。したがって、前述した容量性マイクロ機械デバイスとは対照的に、線形領域における共振器の励起を保証するために自動レベル制御（ＡＬＣ）回路が必要とされなくてもよい。そのため、大きい信号レベルを本発明の様々な実施形態に対して適用することができ、また、簡単な解決策で電力消費量が少ない或いは最小の簡単なオシレータ回路を使用しつつキャリアから遠いノイズの良好な密度を結果として生じることができる。
【００４７】
したがって、幾つかの実施形態は、ＡｌＮ−ｏｎ−Ｓｉまたは他のマイクロ共振器のｈｉｇｈ−Ｑ一次および三次幅−縦共振モードを利用するサブミリワット二重周波数オシレータを提供することができる。このオシレータにおける高次モードでの信号位相反転の結果として、典型的なデュアルモード水晶オシレータとは異なり、モード抑制回路が必要とされなくてもよい。これらの簡単で低電力のオシレータは、温度および圧力などの環境干渉が正確に補償される共振センサとして使用することができる。オシレータ回路における電力消費量は、両方の動作周波数では３５０μＷ未満、真空中での第１のモードにおいては２００μＷ程度の低い電力消費量が測定される。
【００４８】
他の実施形態は、単一の音響成分を使用しつつ２つの異なる周波数で動作するＭＥＭＳベースのオシレータを提供できる。利用される共振器は、２つの異なるモード（例えば、一次および三次横縦共振モード）で励起され得るシリコン上薄膜圧電（ＴＰｏＳ）デバイスであってもよい。これらのモードまたは他のモードで励起され得る他の共振器が使用されてもよい。ＴＰｏＳ共振器は、比較的厚い単結晶シリコン層上に積層される２つの金属電極間に挟まれる薄膜圧電層を備えていてもよい。単結晶シリコン層は共振構造の主要な本体を形成する。金属電極は、目標の共振モード形状で歪み場と適合するようにパターニングされる。注意深い電極構造を用いると、結合係数が向上され或いは最適化され、また、利用される共振モードにおいて共振器の動インピーダンスが減少される。上側電極は、２つの電気的に絶縁された電極へと分割されてもよい。上側電極は、３つ或いはそれ以上のフィンガインタディジタル縦共振モードに似ていてもよい。この共振モードでは、２つの電極上に反対の電荷が蓄積される。これは、歪み極性が１つのフィンガから他のフィンガへと変化し、したがって、信号極性が共振で逆にされるからである。同じ電極パターンが一次共振モードを励起させることもできる。その場合、歪み場はデバイス全体にわたって均一であり、結果として、入力信号および出力信号が共振で同相である。２つのモードにおける１８０°の位相差は、望ましくないモードを減少させることができ、あるいは、維持回路が望ましくないモードへロックするのを防止することができ、そのため、安定した振動を各モードで与えることができる。２つのモードは、位相差基準が保たれる限り、前述したモードと異なってもよい。高次モードがサポートされてもよい。
【００４９】
したがって、本発明の様々な実施形態は、高次横−縦薄膜圧電共振器の独特の構造に基づくことができる。基本モードおよび高次モードは、２つの異なる（例えば、１８０°異なる）位相シフトを信号にもたらす。したがって、２つの特定のモードのうちの一方で振動を維持するために、通常はマルチモード水晶オシレータで使用されるモード抑制回路を必要としなくてもよい。
【００５０】
本明細書においては、先の説明および図面に関連して多くの異なる実施形態を開示してきた。言うまでもなく、これらの実施形態の全てのコンビネーションおよびサブコンビネーションをそのまま説明して図示すると、過度にくどくなって曖昧になる。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書中で説明した実施形態の全てのコンビネーションおよびサブコンビネーションやそれらを形成して使用する方法およびプロセスの完全な書面による明細を構成するように解釈されるべきであり、また、そのような任意のコンビネーションおよびサブコンビネーションの特許請求の範囲を裏付けるべきである。
【００５１】
図面および明細書では、本発明の実施形態が開示され、また、特定の用語が使用されているが、それらの用語は、包括的で記述的な意味でのみ使用され、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を限定する目的のものではない。
【図１】
2010539852.tif 000003
【図２】
2010539852.tif 000004
【図３】
2010539852.tif 000005
【図４Ａ】
2010539852.tif 000006
【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
2010539852.tif 000009
【図７】
2010539852.tif 000010
【図８】
2010539852.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2010539852.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2010539852.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月1日(2009.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の電極を含むとともに、前記第１および第２の電極が同相信号を伝える第１の周波数と、前記第１および第２の電極が異相信号を伝える第２の周波数とで共振するように構成される共振器と、
前記共振器が前記第１の周波数または前記第２の周波数でそれぞれ選択的に共振するように、前記第１および第２の電極での前記同相信号または前記第１および第２の電極での前記異相信号を選択的に維持するように構成される駆動回路と
を備えるオシレータ。
【請求項２】
前記共振器は、一次幅−縦共振モードおよび高次幅−縦共振モードをサポートする薄膜材料を備える、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項３】
前記第１および第２の電極は、前記駆動回路が前記同相信号または前記異相信号のそれぞれを維持するかどうかに応じて、前記一次幅−縦共振モードまたは前記高次幅−縦共振モードのいずれかで前記薄膜材料を共振させるようにパターニングされる、請求項２に記載のオシレータ。
【請求項４】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項３に記載のオシレータ。
【請求項５】
共振器は、
基板と、
前記基板から懸架される単結晶シリコンプレートと、
前記単結晶シリコンプレート上の薄膜圧電層と
を備えており、
前記第１および第２の電極が前記薄膜圧電層上にあり、
前記第１および第２の電極は、前記駆動回路が前記同相信号または前記異相信号のそれぞれを維持するかどうかに応じて前記薄膜圧電層が前記単結晶シリコンプレートで一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードを励起するようにパターニングされる、
請求項１に記載のオシレータ。
【請求項６】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項５に記載のオシレータ。
【請求項７】
前記駆動回路は、前記同相信号を維持するために前記第１および第２の電極間に直列に接続される第１および第２の反転増幅器と、前記異相信号を維持するために前記第１または第２の反転増幅器のうちの一方をバイパスするように構成されるスイッチとを備える、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項８】
前記第１および第２の反転増幅器がそれぞれ単一の能動半導体デバイスを備える、請求項７に記載のオシレータ。
【請求項９】
前記異相信号は、位相が１８０°ずれている、請求項１に記載のオシレータ。
【請求項１０】
マイクロ電子基板と、
前記マイクロ電子基板から懸架される単結晶シリコンプレートと、
前記単結晶シリコンプレート上の薄膜圧電層と、
前記薄膜圧電層上の第１および第２の電極と
を備えており、
前記第１および第２の電極は、前記薄膜圧電層が前記単結晶シリコンプレートを前記第１および第２の電極が同相信号を伝える第１の周波数と前記第１および第２の電極が異相信号を伝える第２の周波数とで共振させるように構成される、オシレータ。
【請求項１１】
前記単結晶シリコンプレートが前記第１の周波数または前記第２の周波数でそれぞれ選択的に共振するように、前記第１および第２の電極での前記同相信号または前記第１および第２の電極での前記異相信号を選択的に維持するように構成される駆動回路を更に備える、請求項１０に記載のオシレータ。
【請求項１２】
前記第１および第２の電極は、前記電極が駆動されるときに前記薄膜圧電層が前記単結晶シリコンプレートで一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードを励起するようにパターニングされる、請求項１０に記載のオシレータ。
【請求項１３】
前記第１および第２の電極が所定数のインタディジタルフィンガを備え、前記所定数が前記高次共振モードに対応する、請求項１２に記載のオシレータ。
【請求項１４】
前記駆動回路は、前記同相信号を維持するために前記第１および第２の電極間に直列に接続される第１および第２の反転増幅器と、前記異相信号を維持するために前記第１または第２の反転増幅器のうちの一方をバイパスするように構成されるスイッチとを備える、請求項１０に記載のオシレータ。
【請求項１５】
前記第１および第２の反転増幅器がそれぞれ単一の能動半導体デバイスを備える、請求項１４に記載のオシレータ。
【請求項１６】
前記異相信号は、位相が１８０°ずれている、請求項１０に記載のオシレータ。
【請求項１７】
第１および第２の電極が接続されてなる共振器を駆動する方法であって、
前記第１および第２の電極での同相信号または前記第１および第２の電極での異相信号を選択的に維持して、前記共振器を第１の周波数または第２の周波数でそれぞれ選択的に共振させることを含む、方法。
【請求項１８】
選択的に維持することは、前記第１および第２の電極での前記同相信号または前記第１および第２の電極での前記異相信号を選択的に維持して、前記共振器を一次幅−縦共振モードまたは高次幅−縦共振モードで選択的に共振させることを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
選択的に維持することは、
前記第１および第２の電極間に第１および第２の反転増幅器を直列に接続して前記同相信号を維持することと、
前記第１または第２の反転増幅器のうちの一方をバイパスして前記異相信号を維持することと
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記異相信号は、位相が１８０°ずれている、請求項１７に記載の方法。
【国際調査報告】
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