(57)【要約】本発明は、周波数基準発振器デバイス、および周波数基準信号を提供する方法に関する。前記発振器デバイスは第１発振器を備え、前記第１発振器は、第１長期安定度と第１周波数対温度頂点温度とを有する第１共振器を備え、第１周波数信号を提供することが可能である。また、前記デバイスは第２発振器を備え、前記第２発振器は、前記第１長期安定度より低い第２長期安定度と、第２周波数対温度頂点温度とを有する第２共振器を備え、第２周波数信号を提供することが可能である。さらに、前記第１共振器の温度を基本的に前記第１頂点温度に調整し、前記第２共振器の温度を基本的に前記第２頂点温度に調整する自動調温コントローラと、安定した温度と、長期間安定した出力周波数信号を提供するために、前記第２発振器を調整するために前記第１周波数信号を用いるように構成された安定度制御回路と、が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１長期安定度と第１周波数対温度頂点温度とを有する第１共振器を備え、第１周波数信号を提供することが可能である、第１発振器と、
前記第１長期安定度より低い第２長期安定度と、第２周波数対温度頂点温度とを有する第２共振器を備え、第２周波数信号を提供することが可能である、第２発振器と、
前記第１共振器の温度を基本的に前記第１頂点温度に調整し、前記第２共振器の温度を基本的に前記第２頂点温度に調整する、自動調温コントローラと、
安定した温度と、長期間安定した出力周波数信号とを提供するために、前記第２発振器の周波数を調整するために前記第１周波数信号を用いるように構成された安定度制御回路と、
を備える周波数基準発振器デバイス。
【請求項２】
前記安定度制御回路は、前記第１周波数信号と、前記第２発振器の周波数を調整するために前記第２周波数信号を用いるフィードバックループと、を用いるように適合され、これにより、前記第２発振器の出力において、前記安定した出力周波数信号と前記第２周波数信号とが得られる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記安定度制御回路は、前記第１共振器の温度から機能的に独立している、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記自動調温コントローラは、前記第１周波数信号および前記第２周波数信号から機能的に独立している、請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
前記安定度制御回路は、前記第１発振器を動作させ、前記第２発振器の前記調整のために前記第１周波数信号を間欠的に用いるように構成される、請求項１から４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１共振器は、縮退ドーピングされた静電駆動式の単結晶ＭＥＭＳ共振器である、請求項１から５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２共振器は、窒化アルミニウム薄膜によって駆動されるシリコン共振器などの、縮退ドーピングされた圧電駆動式の複合ＭＥＭＳ共振器である、請求項１から６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１発振器および／または前記第２発振器は、
少なくとも９×１０１９ｃｍ−３の平均ドーピング濃度でドープされたシリコンを含む共振器と、
８５℃以上の頂点温度において高温頂点を有する固有の周波数対温度曲線を有する共振モードで、前記共振器を励起するアクチュエータと、
を備える、請求項１から７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
前記共振器のドーピング濃度は少なくとも１．１×１０２０ｃｍ−３であり、前記周波数対温度曲線は２つの頂点を有し、そのうち一方は前記高温頂点であり、他方は任意で、８５℃未満の温度における低温頂点である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１頂点温度および前記第２頂点温度は両方とも８５℃以上である、請求項１から９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第２頂点温度は第１頂点温度と実質的に異なり、具体的には少なくとも５℃異なる、請求項１から１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第２頂点温度は、前記第１頂点温度と実質的に同じ、具体的には差異が最大でも５℃であり、前記自動調温コントローラは、前記第１共振器および前記第２共振器の温度を基本的に同じ温度に調整するように適合される、請求項１から８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】
対応するキャリア周波数からの周波数オフセットが、対応するキャリアからの所定の周波数オフセット、例えば１００Ｈｚより大きい場合、前記第２発振器は、前記第１発振器よりも小さい固有位相雑音を有する、請求項１から１２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１共振器は、ラーメモードで発振するように適合されるプレート共振器であるか、長さ伸張モードで発振するように適合されるビーム共振器である、請求項１から１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１共振器および／または前記第２共振器は、面内アスペクト比が１ではないプレート素子、またはビーム素子であり、面積伸張／幅伸張、面内屈曲、面外屈曲、または長さ伸張／ラーメモード分枝で発振するように適合される、請求項１から１４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１共振器および／または前記第２共振器は、１．１×１０２０ｃｍ−３以上、例えば１．３×１０２０ｃｍ−３以上の平均濃度でドープされたシリコンベース共振器である、請求項１から１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第２共振器は、
１．３×１０２０ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を有するシリコンベース層と、
前記ベース層の上に積層された窒化アルミニウム変換器層および導電電極層と、
を含み、
前記共振器はプレートまたはビームとして成形され、その形状により、共振モードにおける素子に、ほぼゼロのＴＣＦ１と、前記少なくとも２つの頂点をもたらすＴＣＦ２およびＴＣＦ３特性が得られる、請求項１から１６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１８】
前記安定度制御回路は、分数Ｎ型ＰＬＬ回路またはマイクロコントローラベース回路などの位相同期ループ（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）ベース回路を備える、請求項１から１７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第１共振器および前記第２共振器は、異なる共振モードで共振するように適合される縮退ドーピングされたシリコン共振器である、請求項１から１８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２０】
周波数基準信号を安定させる方法であって、
第１長期安定度と第１周波数対温度頂点温度とを有する第１共振器を備え、第１周波数信号を提供することが可能である、第１発振器を設けることと、
前記第１長期安定度より低い第２長期安定度と、第２周波数対温度頂点温度とを有する第２共振器を備え、第２周波数信号を提供することが可能である、第２発振器を設けることと、
前記第１共振器を前記第１頂点温度に加熱し、前記第２共振器を前記第２頂点温度に加熱するために自動調温制御を使用することと、
安定した出力周波数信号を提供するために、前記第２発振器の周波数を調整するために前記第１周波数信号を用いることと、
を含む方法。
【請求項２１】
請求項１から１９のいずれかに記載の周波数基準発振器デバイスが用いられる、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は周波数基準発振器に関する。そのような発振器は、様々な電子機器に用いられ、例えばクロック信号を提供したり、当該機器の動作周波数を安定させたりする。具体的には、本発明は恒温槽付微少電子機械システム（Microelectromechanical System：ＭＥＭＳ）発振器（Oven-Controlled MEMS Oscillator：ＯＣＭＯ）に関する。
【発明の背景】
【０００２】
従来、周波数基準発振器は、出力信号の周波数とその他の性質を主に決定する共振素子として水晶を含む。水晶は安定しているが、比較的サイズが大きいことや、消費電力が大きいことなどの欠点がいくつかある。
【０００３】
いくつかの試みにおいて、安定した周波数基準として、水晶共振器の代わりにＭＥＭＳ共振器を用いることに関する問題が対処されてきた。この手法に基づいて実用的な周波数基準を実現するには、主要な技術的問題が２つある。１つ目の問題として、適切な共振周波数対温度特性を有するＭＥＭＳ共振器は、電力処理能力が低い傾向がある。ＭＥＭＳ共振器は、適度に低い駆動レベルにおいても非線形の反応を示す場合がある。これは、共振周波数の値が駆動振幅に大きく依存することも意味している。一方、位相雑音を改善するには、例えばKaajakari, V., et al.,「Nonlinear Limits for Single-Crystal Silicon Microresonators（単結晶シリコン微小共振器の非線形限界）」Journal of Microelectromechanical Systems 13, no. 5 (October 2004): 715-24に記載されているような、十分に高い駆動レベルが必要である。このため、安定した出力周波数と良好な位相雑音とを同時に達成することが困難である。
【０００４】
実用的なＭＥＭＳベース周波数基準の達成におけるもう１つの問題は、数百万分の一（parts-per-million：ｐｐｍ）単位の正確な出力周波数を得ることである。ＭＥＭＳ共振器の共振周波数は、容易に約１０００ｐｐｍ単位で変動するからである。
【０００５】
恒温槽付水晶発振器（Oven-Controlled Crystal Oscillator：ＯＣＸＯ）および恒温槽付ＭＥＭＳ発振器（ＯＣＭＯ）の基本的な考え方は、それらの共振器素子を一定の高温で動作させることである。動作温度は、発振器の安定度を最大にするように選択される。
【０００６】
米国登録特許公報第７０６８１２５号、米国登録特許公報第７４２７９０５号、米国登録特許公報第７２６８６４６号は、機械的共振構造に近接して、ＭＥＭＳ共振器ダイに形成された加熱素子を用いて所定の温度で作動されるＭＥＭＳ共振器の様々な具現化例を開示している。
【０００７】
米国登録特許公報第８６６９８２３号は、横輪郭モードオーブン加熱微少電子機械システム（ＭＥＭＳ）共振器と、電気機械結合用の電極構造とを開示している。そのような手法を用いて低電力の温度制御発振器を実現することはできるが、この手法には、環境温度の変化や、経時変化におけるドリフトに影響されない発振器出力周波数の提供において技術的な問題がある。
【０００８】
米国登録特許公報第７２４８１２８号は、一群のＭＥＭＳ共振器と、それらの共振器から所望の性質を選択する回路とを備えるＭＥＭＳ基準発振器を開示している。この手法の欠点は、発振器内の共振器の共振周波数が温度変化に影響されることである。温度の影響を補償するために、この文献では、基準共振器を用いて１つの共振器の周波数を監視し、基準発振器の温度を測定し、発振器の周波数を所望の値に調整する際に基準共振器の温度を考慮する、周波数計を使用する方法を開示している。また、異なる共振周波数を有するいくつかの共振器の一群を用いて、そのうち１つが選択回路によって出力用に選択されることを開示している。さらに、温度補償を目的とする調整可能な低周波数発振器と、高周波数発振器と、の２つの発振器の周波数加算に関わる技術も開示している。
【０００９】
米国登録特許公報第９１９１０１２号は、別の温度補償型発振器を開示している。当該発振器は一群のＭＥＭＳ共振器を備え、そのうち１つの共振器は、発振器の出力周波数を提供するために用いられ、１つの共振器は、当該一群の共振器の温度を検知するために用いられる周波数を提供する。当該発振器はさらに、加熱デバイスと、コントローラと、接続デバイスと、を備え、２つの共振周波数の差に基づいてヒータを制御することで、温度に影響されない発振器周波数を提供する。米国出願公開特許公報第２００７／２９０７６３号は、複数の共振器を用いて、温度補償出力周波数を有する発振器を設ける別の方法を開示している。
【００１０】
前述したような補償方式は、比較的低温における安定度を欠点としている。これらの方式は、−４０℃から＋８５℃の標準温度範囲における温度ドリフトが一般的に数百ｐｐｍから数千ｐｐｍ、最善でも数十ｐｐｍである共振器に依存しているからである。そのため、様々な補償機構にかかわらず、発振器の出力周波数が必然的に大幅に変動する。
【００１１】
ＭＥＭＳ共振器に基づいて、高精度で、温度ドリフトが少なく、時間的に安定した周波数基準を実現することには、前述の開示に基づいて対処できない技術的な問題がある。具体的には、周波数基準として、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）の代わりに恒温槽付ＭＥＭＳ発振器（ＯＣＭＯ）を普及させるには、ＯＣＭＯの安定度をさらに改善する必要がある。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の目的は、安定度、特に長期の時間的安定度が改善された周波数基準発振器デバイスを提供することである。
【００１３】
さらなる目的には、位相雑音性能が良く出力周波数の定義が正確なＭＥＭＳ共振器に基づく、安定した、温度に影響されない周波数基準発振器デバイスを提供することが含まれる。
【００１４】
これらの目的は、本明細書および請求の範囲に記載するとおりに達成される。
【００１５】
一態様によると、本発明は周波数基準発振器デバイスを提供する。前記周波数基準発振器デバイスは、
第１長期安定度と第１周波数対温度頂点温度とを有する第１共振器を備え、第１周波数信号を提供することが可能である、第１発振器と、
前記第１長期安定度より低い第２長期安定度と、第２周波数対温度頂点温度とを有する第２共振器を備え、第２周波数信号を提供することが可能である、第２発振器と、
前記第１共振器の温度を基本的に前記第１頂点温度に調整し、前記第２共振器の温度を基本的に前記第２頂点温度に調整する、自動調温コントローラと、
安定した温度と、長期間安定した出力周波数信号とを提供するために、前記第２発振器を調整するために前記第１周波数信号を用いるように構成された安定度制御回路と、
を備える。
【００１６】
本発明のさらなる態様によると、周波数基準信号を安定させる方法が提供される。前記方法は、前述のような第１共振器と第２共振器とを設けることと、前記第１共振器を前記第１頂点温度に加熱し、前記第２共振器を前記第２頂点温度に加熱するために前記自動調温コントローラを用いることと、安定した出力周波数信号を提供するために前記第２発振器を調整するために前記第１周波数信号を用いることと、を含む。
【００１７】
本発明は大きな利点をもたらす。
【００１８】
まず、出力周波数が時間的に安定しており、温度ドリフトが少ない発振器が提供される。提案される温度補償は、第１共振器または第２共振器の周波数測定値にも、２つ以上の共振器のいかなる周波数測定値の差分にも基づかないため、そのような測定に起因する誤差を生じない。すなわち、本設計において、第１共振器の温度の自動調温制御は、第１共振器および第２共振器の周波数から完全に独立させることができる。本明細書における時間的安定度は、高い長期安定度と良好な再現性特性の両方を含む。
【００１９】
自動調温制御により、提案される発振器は周囲温度にも左右されない。
【００２０】
本発明により、第１共振器と第２共振器の両方にＭＥＭＳ共振器を用いることができる。つまり、よりサイズが小さく消費電力が低い発振器を実現することができる。
【００２１】
本設計により、１ｐｐｍ／年未満の長期安定度を達成できることが分かっている。また、発振器のいわゆる再現性、すなわち、発振器が一定期間電源オフされた後に周波数を再現する性能として、２０ｐｐｂ以下を達成可能であることが分かっている。これらの値は、具体的には、例えば縮退ドーピングされた静電駆動式の単結晶ＭＥＭＳ共振器を第１共振器として選択することで達成可能であり、第１共振器および第２共振器の周波数に依存しない自動調温器を用いて第１共振器を適切な温度に加熱することで、水晶と同程度、またはそれより良好な温度ドリフトと長期安定度を達成することができる。第１共振器は第２共振器の動作を安定させる。第２共振器は比較的自由に選択することができる。例えば、第２共振器は、発振器の動作周波数範囲において低い位相雑音特性を有する「高速な」ＭＥＭＳ共振器にすることができる。具体的には、高濃度にドープされた圧電駆動式共振器を第２共振器として用いると、低雑音と、高い固有安定度と、共振器の頂点を８５℃超へと「押し上げる」能力とに関して有利である。ただし、第２共振器は水晶共振器であってもよい。
【００２２】
従属請求項は、前述の態様における選択された実施形態に対するものであり、さらなる利点を提供する。
【００２３】
いくつかの実施形態において、前記安定度制御回路は、前記第１周波数信号と、前記第２発振器の周波数を調整するために前記第２周波数信号を用いるフィードバックループと、を用いるように適合される。前記第１発振器は安定した基本周波数を提供し、前記フィードバックループは、前記第２共振器の性質と温度変化とによって生じる周波数変動を直ちに修正することを可能にする。これにより、前記第２周波数信号を、前記発振器の安定した出力信号として用いることができる。前記安定度制御回路は、例えば位相同期ループ回路またはマイクロコントローラに基づくことができる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、前記自動調温コントローラは、前記第１周波数信号および前記第２周波数信号から機能的に独立している。すなわち、前記共振器の温度は、例えば差分測定により、前記共振器における出力周波数の周波数に基づいて決定されることも調整されることもない。その代わり、前記共振器の近傍に、サーミスタなどの直接温度センサを設けてもよい。これにより、前記発振器の出力周波数の精度を最大にし、ドリフトを最小にすることができる。
【００２５】
いくつかの実施形態において、前記安定度制御回路は、前記第１共振器の温度から機能的に独立している。つまり、前記安定度制御回路は、前記第１発振器の出力に基づいて前記第２共振器を安定させる機能を実行するために、温度データを必要とすることも用いることもない。言い換えると、前記安定度制御回路は前記第１周波数信号を制御信号としてそのまま「受け入れる」。
【００２６】
いくつかの実施形態において、前記安定度制御回路は、前記第１共振器を動作させ、前記第２共振器の前記調整のために前記第１周波数信号を間欠的に用いるように構成される。したがって、前記第１発振器は常時ではなく間隔をおいてのみスイッチオンされ、前記第２発振器の修正的調整が行われる。その後、前記第１発振器がスイッチオフされる。これにより、前記デバイスの消費電力が低減される。また、消費電力をさらに低減するために、前記第１共振器の自動調温加熱をこれらのスイッチオン期間と同期させることができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、前記第１共振器は、一般的にｎ型ドープ剤を含む、縮退ドーピングされた単結晶ＭＥＭＳ共振器である。具体的には、静電駆動式の単結晶シリコン共振器であってもよい。したがって、前記第１発振器は、縮退ドーピングされた単結晶シリコン成形体と、前記成形体に機能的に結合された静電変換電極と、前記共振器を所望の共振モードで励起するために前記電極に電気的に接続されたアクチュエータと、を備えてもよい。
【００２８】
いくつかの実施形態において、前記第２共振器は、縮退ドーピングされた圧電駆動式の複合ＭＥＭＳ共振器である。そのような共振器は、好ましくはｎ型ドーパント濃度が１．３×１０２０ｃｍ−３以上であるシリコン成形体と、前記成形体上の窒化アルミニウム層などの圧電変換層と、前記圧電層上の電極層とを備えてもよい。前記発振器の前記アクチュエータは、前記共振器を所望の共振モードで励起するために、前記電極層および前記シリコン成形体に電気的に接続される。
【００２９】
いくつかの実施形態において、前記共振器の素子は、矩形プレート素子などの、面内アスペクト比が１ではないプレート素子である。
【００３０】
いくつかの実施形態において、前記第１発振器、前記第２発振器、または両方の発振器は、それぞれの共振器として、少なくとも９×１０１９ｃｍ−３の平均ドーピング濃度でドープされたシリコンを含む共振器を備える。さらに、８５℃以上の頂点温度において高温頂点を有する固有の周波数対温度曲線を有する共振モードで、前記共振器を励起するアクチュエータが設けられる。すなわち、シリコン共振器の頂点は、電子機器の実用温度域全体を網羅するオーブン加熱温度として十分な高さの温度まで「押し上げる」ことができ、同時に、当該頂点を平坦にして、周波数に関して極めて安定した領域を設けることができることが分かっている。この鍵となるのは、シリコン材料の超高濃度ドーピングである。好ましい材料、共振器形状、および共振モードの組合せ例については後述する。具体的には、頂点における周波数対温度曲線の曲率の絶対値は、２０ｐｐｂ／Ｃ２以下、さらには１０ｐｐｂ／Ｃ２以下のレベルになることが示されている。これは従来のオーブン加熱共振器とは対照的である。従来のオーブン加熱共振器における曲率は最善でも約５０ｐｐｂ／Ｃ２であり、ＯＣＸＯに用いられる水晶のものより１０倍以上高い。本構成により、曲率、すなわち周波数安定度が水晶の性能に近づく。これにより、オーブン温度制御の精度に対する要件が緩和される。
【００３１】
さらなる実施形態において、各共振器のドーピング濃度は少なくとも１．１×１０２０ｃｍ−３であり、前記周波数対温度曲線は２つの頂点を有し、そのうち一方は前記高温頂点であり、オーブン加熱点となる。すなわち、比較的低温において周波数対温度頂点を有すると信じられていたいくつかの共振器が、実際には、そのようなレベルでドープされると高温において別の頂点を示すことが分かっている。ここで重要なことは、この別の頂点の曲率が低いことであり、発振器の出力周波数を安定させるためのオーブン加熱に最適になる。もう一方の頂点も高温点であってもよく、８５℃未満の温度における低温頂点であってもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態において、前記第１共振器および／または前記第２共振器の前記共振モードは、面積伸張／幅伸張モード分枝（オーバートーンを含む）である。別の実施形態において、前記共振モードは面内屈曲、面外屈曲、または長さ伸張／ラーメモード分枝（オーバートーンを含む）である。つまり、前記共振器内で生じる主要モードは、前述の分枝に属する。
【００３３】
一般的に、用いられる共振モードは、幅伸張モードや面積伸張モードなどの伸張モード、面内屈曲モードなどの屈曲モード、せん断モード、またはこれらモードの２つ以上の特性を有するモードにすることができる。特に、これらのモードの形状により、所望の設計項目、具体的にはプレートのアスペクト比、シリコン結晶に対するプレートの角度、およびドーピングに関して設計の自由が得られ、実用上で所望の性質を有する共振器を実現できることが分かっている。
【００３４】
前述の複数の共振モードは、９×１０１９ｃｍ−３以上、例えば１．１×１０２０ｃｍ−３以上の高いシリコンドーピングレベルと組み合わせると特に有利である。これにより、オーブン加熱温度において、周波数対温度曲線の極めて低い曲率を達成できるからである。
【００３５】
いくつかの実施形態において、前記第１共振器と、一般的に前記第２共振器も、それぞれ８５℃以上の頂点温度を有する。前記頂点温度は同じ温度に設定してもよく、その場合は１つのオーブンで十分である。また、前記頂点温度は異なってもよく、その場合は前記共振器はそれぞれ個別にオーブン加熱される。
【００３６】
いくつかの実施形態において、前記第２共振器は、複合ＭＥＭＳ共振器である。例えば、窒化アルミニウム薄膜によって駆動される縮退ドーピングされたシリコン共振器であって、シリコン結晶とＡｌＮ層、および任意の電極またはその他の層により複合体が形成される共振器であってもよい。この種の共振器は、極めて小さい位相雑音と、正確に調整可能な中心周波数と、有利な周波数安定度という特性を有する。
【００３７】
いくつかの実施形態において、対応するキャリア周波数からの周波数オフセットが、対応するキャリアからの所定の周波数オフセット、例えば１００Ｈｚより大きい場合、前記第２発振器は、前記第１発振器よりも小さい固有位相雑音を有する。本構成により、出力信号は基本的に第２発振器の雑音特性と、第１発振器の安定度特性とを有する。
【００３８】
いくつかの実施形態において、前記第２頂点温度は前記第１頂点温度と実質的に異なり、具体的には少なくとも５℃異なる。２つの共振器は別々のオーブン内に配置できるため、これらの共振器の設計および最適な動作点を比較的自由に選択することができる。別の実施形態において、前記共振器は、前記第２頂点温度が前記第１頂点温度と実質的に同じになるように、具体的には差異が最大でも５℃になるように構成され、前記自動調温コントローラは、前記第１共振器および前記第２共振器の温度を基本的に同じ温度に調整するように適合される。この場合、これらの共振器を１つのオーブン内に配置できるという利点がある。
【００３９】
次に、本発明の実施形態のいくつか、およびそれらの利点を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、一実施形態によるＭＥＭＳベース周波数基準発振器のブロック図である。
【図２】図２Ａは、一実施形態による、長期経時変化に対して出力発振器を安定させるために分数（フラクショナル）Ｎ型ＰＬＬ回路を備えるＭＥＭＳベース周波数基準発振器のブロック図である。図２Ｂは、一実施形態による、長期経時変化に対して出力発振器を安定させるためにマイクロコントローラベース周波数カウンタを備えるＭＥＭＳベース周波数基準発振器を示す図である。
【図３】図３Ａは、静電式ラーメモードＭＥＭＳ共振器の共振周波数において測定された温度依存性を示すグラフであり、８５℃より高い頂点温度（ＴＴＯ＝１２５℃）を示している。図３Ｂおよび図３Ｃは、第１共振器として適した、例示的な静電駆動式の方形プレート共振器を示す上面図および側面図である。
【図４】図４Ａは、窒化アルミニウム薄膜結合ＭＥＭＳ共振器の共振周波数において測定された温度依存性を示すグラフであり、８５℃より高い頂点温度（ＴＴＯ，ｈ＝９５℃）を示している。図４Ｂおよび図４Ｃは、第２共振器として適した、例示的な圧電駆動式の矩形プレート共振器を示す上面図および側面図である。
【図５】図５は、ＡｌＮ結合ＭＥＭＳ共振器に基づく発振器において測定された位相雑音を示す図である（水晶に基づく同じ発振器と比較）。
【図６】図６は、静電式ラーメモードＭＥＭＳ共振器に基づく発振器における周波数安定度の測定データを示す図である。
【図７】図７は、静電式ラーメモードＭＥＭＳ共振器に基づく発振器における再現性の測定データを示す図である。
【図８】図８Ａから図８Ｃは、ＭＥＭＳ共振器の３つの異なる周波数対温度曲線であって、それぞれ少なくとも１つの高温頂点を有する曲線のグラフである。
【実施形態の詳細説明】
【００４１】
〔定義〕
「（周波数基準）発振器（デバイス）」は、本明細書においてデバイス全体を意味し、具体的には、本明細書で説明する第１発振器および第２発振器と、自動調温コントローラと、安定度制御回路と、を備えるデバイス全体を意味する。
【００４２】
「第１／第２発振器」は、発振器デバイスに含まれる個別のサブユニットを意味し、個別の第１／第２共振器と、共振器用のアクチュエータとを含む。
【００４３】
「アクチュエータ」は、本明細書において、共振器の動作と共振器の周波数の検知に必要な駆動および検知回路を意味する。
【００４４】
「共振器（素子）」は、本明細書において、共振モードで共振可能であるように支持構造に懸架される固体素子を意味する。共振器は、具体的には単結晶共振器であっても、例えば、圧電駆動により必要とされる層などの、材料組成の異なる複数の層を含み、素子体によって懸架される複合共振器であってもよい。
【００４５】
「長期安定度」は、発振器の出力周波数の経時的な変化を意味する。長期安定度の同義語として、「経時変化」という用語を用いることができる。対象の期間は、日、月、年、複数年にすることができ、経時変化性能は一般的に、ｐｐｂ／日、ｐｐｂ／月、ｐｐｂ／年などの単位、または、ｐｐｍ／日、ｐｐｍ／月、ｐｐｍ／年などの単位で提示される。
【００４６】
「再現性」は、発振器が一定期間電源オフされた後に、その周波数を再現する性能を意味する。再現性は、一般的にｐｐｂまたはｐｐｍ単位で測定される。
【００４７】
ＴＣＦ１、ＴＣＦ２、およびＴＣＦ３はそれぞれ、一般的に２５℃の温度で評価された周波数対温度曲線の一次微分係数、二次微分係数、および三次微分係数を意味する。頂点温度における周波数対温度曲線の一次微分係数および二次微分係数を指すとき、「傾き」および「曲率」という用語が用いられる。
【００４８】
ここで「ｐｐｂ」および「ｐｐｍ」はそれぞれ、相対単位である十億分の一（parts per billion（１０−９）：ｐｐｂ）および百万分の一（parts per million（１０−６）：ｐｐｍ）を意味する。
【００４９】
「頂点」は、特定の共振器における周波数対温度曲線の極値を意味する。頂点温度（ＴＴＯ）は、頂点に対応する温度値である。したがって、頂点温度において、当該共振器の周波数対温度曲線の傾きはゼロであり、頂点温度周辺では、温度変化による共振器の周波数への影響は最小である。
【００５０】
「縮退ドーピング」は、本明細書において、不純物濃度が１０１８ｃｍ−３以上、具体的には９×１０１９ｃｍ−３以上、さらには１．１×１０２０ｃｍ−３以上のドーピングを意味する。ドープ剤は、例えばリンまたはその他のｎ型ドープ剤であってよい。
【００５１】
［ある実施形態の説明］
〔全体構造〕
図１は、ＭＥＭＳ共振器に基づく周波数基準発振器１０の全体的な構造を示している。第１発振器１１Ａおよび第２発振器１１Ｂはいずれも、安定度コントローラ回路２０（「コンバイナ」）に機能的に接続されている。出力周波数は第２発振器１１Ｂの出力から得られる。安定度制御回路の主な目的の１つは、第２発振器の長期安定度を第１発振器の安定度レベルまで改善することである。
【００５２】
第１発振器１１Ａは、高い長期安定度と、当該発振器の意図される周囲動作温度範囲外において頂点温度ＴＴＯ，１を示すＴＣＦ特性とを有するように選択された第１共振器素子を備える。第１発振器、または少なくともその共振器素子は周囲から熱的に分離され（図１の点線）、自動調温コントローラ１１０を用いて頂点温度ＴＴＯ，１までオーブン加熱される。その後、第１共振器は適切な駆動回路によって励起され、その共振周波数が検知され、安定度制御回路に提供される。
【００５３】
自動調温コントローラ１１０は、第１発振器１１Ａ、第２発振器１１Ｂ、および安定度制御回路２０の駆動回路とは個別に動作するように配置されることに注目されたい。すなわち、自動調温コントローラ１１０は、発振器１１Ａ、１１Ｂのいずれの周波数も用いることなく、第１共振器の、および任意で第２共振器（オーブン加熱されている場合）の目標温度を決定する。
【００５４】
第１発振器１１Ａの長期安定度は好ましくは１０ｐｐｂ／日以下であり、５ｐｐｂ以下などである。これは例えば、オーブン加熱され、縮退ドーピングされた静電駆動式の単結晶ＭＥＭＳ共振器を用いて達成される。
【００５５】
第１発振器１１Ａの共振周波数は、所望の周波数出力とは異なってもよい。
【００５６】
周波数出力１９は、第２発振器１１Ｂから得られる。安定度制御回路は、第１発振器１１Ａの出力信号を用いて第２発振器１１Ｂの駆動回路を制御し、第２発振器１１Ｂの周波数を所望の値に調整する。温度に影響されない第１発振器１１Ａは、経時的に、この値を最大限に一定に維持する。
【００５７】
第２発振器１１Ｂも熱的に分離され、自動調温コントローラ１１０を用いてオーブン加熱される。これにより最大限の熱的な安定度が得られる。
【００５８】
小型のＭＥＭＳ共振器により、消費電力の極めて低い微小オーブンを実現することができる。したがって、２つの恒温槽付ＭＥＭＳ共振器を備えながら、水晶に基づく従来の恒温槽付水晶発振器より大幅に低い消費電力を達成する基準発振器を実現することができる。
【００５９】
一実施形態において、第２発振器１１Ｂに含まれる第２共振器は縮退ドーピングされた複合ＭＥＭＳ共振器であり、特定の頂点温度ＴＴＯ，２までオーブン加熱される。一般的に、ＴＴＯ，２はＴＴＯ，１とは異なり、第２共振器は個別に分離される。すなわち、２つの共振器は異なる微小オーブン内に配置され、互いに個別の目標温度に達する。これにより、第２発振器１１Ｂも温度に影響されなくなり、発振器全体の安定度が向上し、時間定数または調整間隔がより長い安定度制御回路を用いることができる。
【００６０】
第２共振器は、圧電駆動式の、具体的にはＡｌＮ結合の複合共振器であってもよい。
【００６１】
いくつかの実施形態において、第２発振器１１Ｂは第１発振器１１Ａより位相雑音が少なくなるように選択される。これにより、基準発振器が高速になる。すなわち、出力周波数を決定するために必要な信号のフィルタリングまたは平均化にかかる期間が短くなる。この点において、ＡｌＮ結合シリコンＭＥＭＳ共振器は特に注目される。ただし、ＡｌＮ結合ＭＥＭＳ共振器の長期安定度は現在、静電駆動式の単結晶ＭＥＭＳ共振器の長期安定度ほど高くない。しかしながら、第１発振器１１Ａおよび安定度制御回路２０を用いて第２発振器１１Ｂを制御することにより、最適な性質を有するＭＥＭＳベース基準発振器を実現できる。
【００６２】
いくつかの実施形態において、第１発振器１１Ａおよび／または第２発振器１１Ｂの駆動および検知回路（図示しない）も、自動調温制御によって所定の一定温度に加熱される。これにより、発振器１１Ａ、１１Ｂにおける、さらには周波数基準発振器全体における出力周波数の安定度が最大になる。駆動回路の単数または複数の加熱オーブンは、第１発振器の、および任意で第２発振器の加熱オーブンほど安定していなくてもよい。
〔安定度制御回路〕
【００６３】
適切な安定度制御回路を実装するための電気回路はいくつかある。図２Ａは、回路において分数（フラクショナル）Ｎ型位相同期ループ（Phase-Locked-Loop：ＰＬＬ）回路を用いる周波数基準を示している。ＰＬＬ回路により、２つの発振器１１Ａ、１１Ｂの周波数を互いに同期させることができる。発振器の出力周波数における長期経時変化を解消するために、第２発振器１１Ｂの出力からＰＬＬ回路へのフィードバックループが設けられる。
【００６４】
より具体的には、分数Ｎ型ＰＬＬ回路において、第１発振器１１Ａの周波数信号は第１位相検出器１２Ａへと導かれる。第１位相検出器１２Ａの出力は第１ループフィルタ１３Ａに接続されている。フィルタされた信号は、さらに電圧制御発振器（Voltage-Controlled Oscillator：ＶＣＯ）１６へと導かれ、そこから、小数Ｎ／Ｎ＋１分周器１７を通って第１位相検出器１２Ａへと戻る内部フィードバックループが存在する。分周器１７を制御するために弾性係数制御１７'が設けられている。
【００６５】
ＶＣＯ１６の出力は、整数Ｍ分周器１８を通って第２位相検出器１２Ｂへ、さらに第２ループフィルタ１３Ｂへと導かれ、第２発振器１１Ｂにおける周波数調整のための入力として用いられる。第２発振器１１Ｂの出力は、発振器全体の周波数出力となる。
【００６６】
第２発振器１１Ｂの長期経時変化は、第２発振器１１Ｂの出力を第２位相検出器１２Ｂへと戻すフィードバックループによって最小限に抑えられる。したがって、基準発振器全体の長期安定度は、第１発振器１１Ａの安定度によって決定される。
【００６７】
図２Ａに示す発振器構造は、従来の分数Ｎ型ＰＬＬ発振器より大幅に有利である。従来の発振器と比べて、出力周波数信号にスプリアス雑音の欠点がなく、位相雑音が大幅に改善しうる。
【００６８】
長期安定度については、周波数ドリフトは長期にわたる現象であるため、フィードバックループは通常は極めて低速になりうる。短期間において、例えば第２発振器１１Ｂで使用可能なＡｌＮ結合ＭＥＭＳ共振器の出力周波数は、十分に安定しうる。
【００６９】
図２Ｂは、マイクロコントローラユニット（Microcontroller Unit：ＭＣＵ）ベースの周波数カウンタ１４Ｂおよびフィードバックループにより、第２発振器１１Ｂを長期経時変化に対して安定させる別の構成を示している。
【００７０】
安定度制御回路により第２発振器１１Ｂの周波数を調整することは、例えば、水晶産業において行うように発振器にバラクタを搭載して「周波数プリング」を発生させ、安定度制御回路のフィードバック電圧を用いてバラクタの静電容量を制御することによって行うことができる。
【００７１】
図２Ａおよび図２Ｂに示す構造の利点の１つは、共振周波数が所定の狭い周波数範囲内に収まるように第１発振器１１Ａを作成する必要がないことである。厳しい周波数仕様に従って第２発振器１１Ｂを作成するほうが、少なくともＡｌＮ結合ＭＥＭＳ共振器の場合は大幅に容易である。
【００７２】
基準発振器の消費電力は、第１発振器１１Ａおよび／または安定度制御回路２０、１４Ａ、１４Ｂが間欠的にのみスイッチオンされて第２発振器１１Ｂを較正する場合に低減することができる。適切なスイッチオン間隔は、２つの発振器１１Ａおよび１１Ｂの周波数ドリフト特性に応じて異なる。目標は、第２発振器１１Ｂの長期にわたるドリフトを、第１発振器１１Ａの低いドリフトレベルまで低減できるような十分な頻度で較正を行うことである。
【００７３】
第１発振器１１Ａと、安定度制御回路２０、１４Ａ、１４Ｂの回路ブロックの大部分と、自動調温コントローラ１１０とは、周波数較正器を形成する。この周波数較正器は、第１発振器１１Ａより安定度の低い第２発振器１１Ｂの周波数の較正に用いられる。較正の結果は、例えば、デジタル・アナログ変換器のアナログ電圧の制御に用いられるデジタル回路ブロックに保存される。このアナログ電圧は、第２発振器１１Ｂの出力周波数を決定する調整電圧である。
【００７４】
いくつかの実施形態において、スイッチオン間隔は、１時間から１０日などの時間または日単位である。スイッチオン期間の長さは、例えば１０秒から１０分であってもよい。
【００７５】
いくつかの実施形態において、第１発振器および第２発振器の周波数は、ｆ２＝（Ｍ／Ｎ）ｆ１という単純な方程式で関係づけられる。ここでＭおよびＮは整数である。これにより、安定度制御回路は、整数分周器のみを備えるＰＬＬ回路になる。最も単純なケースはｆ２＝ｆ１である。本発明の基本的な利点はこのケースにおいても有効である。すなわち、周波数基準発振器全体の位相雑音が第２発振器によって決定され、長期安定度が第１発振器によって保証される。
〔第１共振器〕
【００７６】
一実施形態によると、第１発振器１１Ａに含まれる第１共振器は、ラーメモードで発振する、縮退ドーピングされた静電駆動式の単結晶ＭＥＭＳプレート共振器であるか、長さ伸張（Length Extensional：ＬＥ）モードで発振するビーム共振器である。結晶のドーピング濃度と、結晶方向に対するプレート／ビーム共振器の主軸の向きとを適切に選択することで、好ましい頂点温度である８５℃超（例えば１００℃超）が達成される。
【００７７】
特定の例によると、第１共振器は、例えば、リンドーパント濃度が４．１×１０１９ｃｍ−３以上であり、［１００］結晶方向に対して０から４５度の角度を有する、ｎ型のＬＥビームまたはラーメ方形共振器である。
【００７８】
第１共振器として用いることができる別のタイプのＭＥＭＳ共振器形状は、幅伸張（Width Extensional：ＷＥ）共振モードで発振する、縮退ドーピングされた静電駆動式の単結晶ＭＥＭＳプレート共振器である。
【００７９】
図３Ａは、前述のようなＭＥＭＳ共振器の高温での共振周波数において測定された温度依存性の例を示している。この曲線の頂点は１２５℃である。共振器が配置されている微小オーブンの温度は、自動調温コントローラによってこの温度に設定される。したがって、温度がいかに変化しても、共振器の出力周波数の変化は最小限に抑えられる。
【００８０】
図３Ｂおよび図３Ｃは、例示的な方形プレート共振器プレート３２を示している。方形プレート共振器プレート３２は、側方に、隙間によって離間された静電アクチュエータ電極３４Ａ、３４Ｂを備えている。静電結合は、機械的接点がなく、共振器の駆動または検知手段によるストレスが結晶にかからないため、第１共振器に好適である。一般的に、機械的に結合された共振器と比べて位相雑音に劣ることは、本構成では問題にならない。この発振器の位相雑音は第２共振器の性質によって決まるからである。
【００８１】
適切な周波数対温度特性を有するＭＥＭＳ共振器を実現するために用いることができる共振器の形状や共振モードは他にもある。
【００８２】
いくつかの実施形態において、第１共振器は、第２共振器を参照して以下に説明するような種類であるが、高い安定度を確保するために静電駆動される（第２共振器は一般的に圧電駆動される）。具体的には、第１共振器は、８５℃超において低曲率の頂点を形成するために、９×１０１９ｃｍ−３超または１．１×１０２０ｃｍ−３超でドープしたものとすることができる。
【００８３】
図６は、静電結合されたラーメモード共振器の周波数測定値とオーブン温度（１２０℃の頂点温度で一定）とを示している。約１ｐｐｂ／日の経時変化性能が示されている。図７は、同様の共振器における再現性測定値を示している。約２０ｐｐｂの再現性が示されている。これらの図は、本発明の産業上の利用可能性と良好な性能を示している。
〔第２共振器〕
【００８４】
一実施形態によると、第２発振器１１Ｂに含まれる第２共振器は、そのアクチュエータと主共振素子との間に、第１共振器のものより強い電気機械結合を有するものであり、この結合は、好ましくは静電相互作用に基づく。これにより、位相雑音を低減することができる。実際には、シリコン成形体上に薄膜アクチュエータ層を積層した複合共振器は、発振器の一部として用いられる場合に強い結合と低い位相雑音をもたらす。この薄膜は一般的には圧電ＡｌＮ層であり、その上に電極層が追加される。シリコン成形体はもう１つの電極として機能することができる。
【００８５】
図４Ａは、矩形プレート共振器から測定した周波数対温度曲線の例を示している。ここに示す曲線は、約４０℃と約９５℃の２つの頂点温度を有していることに注目されたい。後者の頂点温度がオーブンの目標温度として選択される。
【００８６】
図４Ｂおよび図４Ｃは、圧電層４４と電極層４６とが積層された例示的矩形共振器プレート４２を示している。このプレートは、長さｌと、長さに垂直の幅ｗを有している。いくつかの実施形態において、第２共振器に１つ以上の追加の層も設けられる。そのような追加の層は、例えば不動態化材料の層であってもよい。この層は別の層上に加工された場合、その下の材料を化学的に不活性化することができる。
【００８７】
水晶共振器産業において行うものと同様の方法で、製造中にＡｌＮ結合ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を低減することができる。
【００８８】
そのような圧電駆動については、例えば、Jaakkola, A. et al.,「Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators（圧電変換式単結晶シリコンプレート共振器）」IEEE Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008, 717-20, 2008においてより広範に論じられている。
【００８９】
この共振器は、例えば、矩形プレートなどのプレートやビームとして成形することができる。プレートまたはビームの長さ方向は、シリコン材料の［１００］結晶方向に対して０から４５度の角度にしてもよい。これら両方の形状パラメータ、すなわちアスペクト比と角度は、材料パラメータおよび用いられる単数または複数のモード分枝と共に、８５℃より高い頂点温度を得るように調整することができる。
【００９０】
本発振器の設計と作成のプロセスは、任意の適切な順序で、または反復的なプロセスとして、共振器の形状を選択するステップと、ドープされたシリコンを含む共振器材料を選択するステップと、選択された共振モードで共振器を発振させることができる駆動手段を選択するステップとを含んでもよい。例えば、最初に、正のＴＣＦ１を有する周波数対温度曲線を示す任意の共振モードを選択することができる。一例において、プレート形状ＬＥモード（一次またはそれより高次のＬＥモード）が選択される。その後、ＴＣＦ１をゼロまたはほぼゼロにするようなプレート形状および／またはプレート材料（積層）を選択することができる。例えば、プレートのアスペクト比および／またはシリコン結晶に対する角度、および／またはシリコンプレート上の圧電駆動層厚さを選択できる。最後に、共振器の一次挙動よりも二次挙動および三次挙動を優位にするような、シリコンのドーピング濃度が選択される。具体的には、９×１０１９ｃｍ−３より高い濃度が選択される。
【００９１】
次に、選択された共振器形状、共振器材料、駆動手段、および共振モードにより、少なくとも２つの頂点を有し、２つの頂点の少なくとも一方は８５℃以上の高い頂点温度における高温頂点である、周波数対温度曲線が作成されるかが評価される。評価はシミュレーションまたは実験に基づいてもよい。評価が肯定的である場合、そのような共振器を備える発振器が作成され、共振器素子の温度を高い頂点温度に保つ自動調温コントローラも発振器内に設けられる。
【００９２】
いくつかの実施形態において、プレート共振器の面内アスペクト比（すなわち、プレート共振器の長さと幅の比）および／またはシリコン材料の［１００］結晶方向に対する角度が変化する場合、アスペクト比および／または角度の関数として共振器の特性が変化するように共振モードが選択される。対象の特性は、例えば、共振周波数と、周波数の温度係数、すなわちＴＣＦ１、ＴＣＦ２、およびより高次の係数と、励起および検知に用いられる変換器の電気機械結合の強さなどである。可能な種々のアスペクト比または角度のうち、他の設計パラメータと共に高い頂点温度を達成するものが選択される。
【００９３】
実際に実現可能ないくつかの例を挙げると、共振器は、高い頂点温度を達成するようにアスペクト比および他のパラメータが選択される複合幅伸張／面積伸張（Square Extensional：ＳＥ）共振器、または複合面内屈曲／長さ伸張プレートまたはビーム共振器にすることができる。これらの例については以下の文献でより詳細に説明されている。
【００９４】
Jaakkola, Antti.,「Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications（タイミングおよび周波数基準用途のための圧電変換式温度補償シリコン共振器）」アールト大学２０１６年度博士論文、および米国出願公開特許第２０１６／００９９７０４号では、８５℃未満における共振器の二次温度挙動を一般的に説明している。シリコン共振器の二次温度係数ＴＣＦ２は、ｎ型ドーパント濃度が約１．１×１０２０ｃｍ−３より高い場合、室温において正の値に達することができる。線形ＴＣＦ（ＴＣＦ１）および二次温度係数ＴＣＦ２は、ドーピングレベルおよび共振器形状に関する特定の構成により、同時に極めてゼロに近くすることができ、ドーピングがさらに増加される場合、ＴＣＦ２は正の値に達する。これは、周波数対温度曲線の−４０から＋８５℃の間において上方向に開いた放物線として示される。しかしながら現在は、８５℃より高い高温において、曲線は上方向に開いた放物線からそれて、「下折れ」することが分かっている。言い換えれば、周波数対温度曲線は二次多項式では十分に説明されず、かなりの三次特性を有している。この三次効果、または周波数対温度曲線の「下折れ」により、図４Ａに示すように８５℃超の周波数対温度曲線において低曲率の局所極大が得られ、共振器が、様々な電子製品の周囲温度範囲において周波数を安定させるためのオーブン加熱に適切となる。
【００９５】
シリコン共振器において、２つの頂点を有する周波数対温度特性曲線を得るための例示的手法を以下に示す。これらの手法は、平均ドーパント濃度１．１×１０２０ｃｍ−３以上、具体的には１．３×１０２０ｃｍ−３以上であり、圧電駆動に関連する圧電層や金属層などの追加の材料層を有しても有しなくてもよい、共振器に適用可能である。これらの手法は、幅伸張／面積伸張（ＷＥ／ＳＥ）および面内屈曲（In-Plane Flexural：ＩＦＰ１）、面外屈曲（Out-of-Plane Flexural：ＯＰＦ１）、または長さ伸張／ラーメ（ＬＥ／ラーメ）モード分枝（前述の論文で参照される）の特性を利用することに基づいている。
【００９６】
ＷＥ／ＳＥ分枝：長さと幅を有するプレート共振器の面積伸張／幅伸張モード分枝がある。アスペクト比１からより高いアスペクト比へと分枝上を移動させることにより、ＴＣＦ１がほぼゼロになる構成を見つけることができる。本発明によると、このアスペクト比を用いると、ＴＣＦ１がゼロになるだけでなく、残りの（正の）ＴＣＦ２および（負の）ＴＣＦ３により、図４Ａに示すような、２つの頂点温度を有する三次周波数対温度曲線が得られる。
【００９７】
図４Ａの例は、前述の手法を用いて作成したデバイスから測定したものである。共振器はＳＥ−ＷＥモード分枝における圧電駆動式の２０ＭＨｚ共振器であり、共振器寸法は以下のとおりである。複合共振器は、１．３×１０２０ｃｍ−３より高いドーパント濃度による厚さ２０マイクロメータのリンドープシリコン層と、厚さ１マイクロメータの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層と、上部電極として厚さ０．３マイクロメータのモリブデン層とを含む。共振器は矩形形状であり、幅１８８マイクロメータ、長さ３７８マイクロメータである。この設計の面内寸法を拡縮し、材料層の厚さ間の比率を一定にすることで、任意の周波数を有する共振器を作成できることに注目されたい。
【００９８】
前述のケースの圧電駆動式共振器に最適なアスペクト比は、約２（長さ対幅）であることが分かっている。最適なアスペクト比は、正確なドーピング濃度と、共振器厚さと、場合によってはＴＣＦ１に寄与する追加の他の材料層と、によって決まるため、実際に使用可能なアスペクト比は２から最大１０％、一般的には最大５％の誤差があってよい。ＴＣＦ２およびＴＣＦ３への他の材料層の影響は小さい。ケースごとに最適なアスペクト比は、異なるアスペクト比を有する共振器設計を、小さいステップで変化させながら、または同様にシミュレーションを用いて、実験的にテストすることによって見つけることができる。
【００９９】
圧電駆動の代わりに静電駆動を用いる（ＳＥ／ＷＥモード分枝からの）同様の共振器に対しては、シリコン以外の材料層は追加されないため、最適なアスペクト比は２未満、すなわち１と２の間のいずれかの値である。
【０１００】
したがって、一般的なケースでは、共振器のアスペクト比は１とは異なる。
【０１０１】
実験の結果として、図４Ａは、産業用途における本発明の実現可能性を示している。
【０１０２】
面内屈曲（ＩＦＰ１）、面外屈曲（ＯＰＦ１）、または長さ伸張／ラーメ（ＬＥ／ラーメ）モード分枝の特性は、前述のＷＥ／ＳＥ分枝の特性と同様に利用することができる。ここで変化させるべきパラメータは、共振器のアスペクト比ではなく、［１００］結晶方向に対するビーム形状共振器の配向である。
【０１０３】
ＩＰＦ１、ＩＰＦ２、またはＬＥモード分枝上を小さいステップで［１００］方向の角度配向に移動させることで、ＴＣＦ１がほぼゼロになる構成を見つけることができる。本発明によると、この構成において、残りの（正の）ＴＣＦ２および（負の）ＴＣＦ３により、図４Ａに示すような、２つの頂点温度を有する三次周波数対温度曲線が得られる。
【０１０４】
図４Ａに示すような２つの頂点温度を有する三次周波数対温度曲線を描く構成を見つけるために、共振器の面内アスペクト比と、角度配向との両方を同時に変化させることができることに注目されたい。
【０１０５】
［１００］結晶方向に対するビーム方向の正確な誤差は、共振器の厚さと、場合によってはＴＣＦ１に寄与する追加の他の材料層と、によって決まる。ＴＣＦ２およびＴＣＦ３への他の材料層の影響は小さい。
【０１０６】
前述の説明を要約すると、いくつかの実施形態において、共振器素子は、１．３×１０２０ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を有するシリコンベース層と、その上に積層された窒化アルミニウム変換器層と、その上に積層された導電電極層とを含む。この素子はプレートまたはビームとして成形され、その形状により、共振器の周波数対温度曲線における１つの頂点を高温範囲へと移動させる、ほぼゼロのＴＣＦ１と、正のＴＣＦ２と、負のＴＣＦ３とが得られる。
【０１０７】
一具体例によると、共振器は、未公開のフィンランド特許出願第２０１６５５５３号に開示されている共振器の特性を有する。
【０１０８】
正確な頂点温度は、設計および製作工程によって希望どおりに調整できる。通常、ＳＥ−ＷＥモード分枝などのモード分枝上をより高いアスペクト比へと移動させることで、頂点温度をより高くすることができる。同様に、面内屈曲（ＩＦＰ１）、面外屈曲（ＯＰＦ１）、または長さ伸張／ラーメモード分枝上を、［１００］方向により揃う方向へと移動させることで、頂点温度をより高くすることができる。また、負のＴＣＦ１を有するより薄い材料層を追加することで、頂点温度がより高くなる。そのような層は、例えば、圧電層または上部電極層であってもよい。頂点温度を調整できることは、本発振器の工業生産に関して有利である。
【０１０９】
設計項目を正確に選択することによって、図８Ａに示すような周波数対温度曲線における単一の高温頂点（ドーピング濃度ｃ＝９×１０１９−１．３×１０２０ｃｍ−３）、または図８Ｂに示すような２つの高温頂点を有する曲線（ｃ＞１．１×１０２０ｃｍ−３）、または図８Ｃに示すような１つの高温頂点と１つの低温頂点とを有する曲線（ｃ＞１．１×１０２０ｃｍ−３）を得ることができる。周波数対温度曲線の特性の大部分はドープされたシリコンの性質によって決まるが、例えば、追加された材料層が周波数対温度曲線に寄与する場合があるため、これらのケースの濃度制限値は重複している。各ケースで、高温頂点において２０ｐｐｂ／Ｃ２以下の低曲率を達成することができる。
【０１１０】
共振器プレートは、例えば、第１層の上に第２層を有し、これらの層は異なるＴＣＦ特性を有する複合構造にすることができる。一実施形態において、第１層構造と第２層構造それぞれの線形ＴＣＦは正負が逆になっている。
【０１１１】
図５は、幅伸張モードのＡｌＮ駆動矩形プレート共振器を用いる発振器において測定された位相雑音特性を、従来の水晶と比較して図示し、この共振器が極めて低雑音の周波数源として機能する可能性を示している。
〔自動調温制御〕
【０１１２】
本明細書における自動調温コントローラは、好ましくは、温度を安定させる共振器の近傍に配置された抵抗ヒータなどのヒータを備える。また、温度調整される各共振器の温度を測定するサーミスタなどの温度センサと、共振器の温度を所定の値に設定するためにヒータを用いることができる制御回路と、を備える。
【０１１３】
温度センサは、シングルポイントセンサまたはマルチポイントセンサであってもよく、マルチポイントセンサの場合、複数の場所からの温度値を平均することができる。
【０１１４】
自動調温制御される各共振器は微小オーブン、すなわち前述のヒータおよびセンサを含む熱的に分離された空間内に配置される。通常は別々のオーブンが必要であるが、２つの共振器が同じまたはほぼ同じ頂点温度を有する場合、それらを１つのオーブン内に配置してもよい。
【０１１５】
所望される場合、共振器の駆動回路、および／または熱安定化回路、および／または自動調温制御回路を、１つ以上のオーブン内に配置してもよい。このオーブンは共振器のオーブンと同じであってもよい。これによって、発振器の精度と安定度をさらに改善することができる。
【０１１６】
第１共振器および第２共振器は、別々の自動調温制御ユニットを備えても、単一の制御ユニットを用いてもよい。いずれのユニットも、本明細書において自動調温コントローラという用語に含まれる。
【符号の説明】
【０１１７】
１０    周波数基準発振器
１１Ａ／１１Ｂ    第１／第２共振器
１２Ａ／１２Ｂ    第１／第２位相検出器
１３Ａ／１３Ｂ    第１／第２ループフィルタ
１４Ａ    ＰＬＬベース安定度制御回路
１４Ｂ    ＭＣＵベース安定度制御回路
１６    電圧制御発振器
１７    小数Ｎ／Ｎ＋１分周器
１７'    弾性係数制御
１８    整数Ｍ分周器
１９    周波数出力
２０    安定度制御回路
３２    方形プレート共振器
３４Ａ／３４Ｂ    静電アクチュエータ電極
４２    矩形プレート共振器
４４    圧電薄膜
４６    電極
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１８】
米国登録特許公報第７０６８１２５号
米国登録特許公報第７４２７９０５号
米国登録特許公報第７２６８６４６号
米国登録特許公報第８６６９８２３号
米国登録特許公報第９１９１０１２号
米国登録特許公報第７２４８１２８号
米国出願公開特許公報第２０１６／００９９７０４号
【非特許文献】
【０１１９】
Kaajakari, V., T. et al.,「Nonlinear Limits for Single-Crystal Silicon Microresonators（単結晶シリコン微小共振器の非線形限界）」Journal of Microelectromechanical Systems 13, no. 5 (October 2004): 715-24. doi:10.1109/JMEMS.2004.835771
Jaakkola, A. et al.,「Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators（圧電変換式単結晶シリコンプレート共振器）」IEEE Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008, 717-20, 2008
Jaakkola, Antti.,「Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications（タイミングおよび周波数基準用途のための圧電変換式温度補償シリコン共振器）」アールト大学２０１６年度博士論文
【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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【国際調査報告】
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