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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung, die
wenigstens eine vollständig integrierte Zeitbasis umfaßt, und insbesondere eine
elektronische Vorrichtung, bei der auf ein und demselben Substrat eine einen
Oszillator und einen Resonator enthaltende Zeitbasis integriert ist, die mit
integrierten Schaltungen in CMOS-Technologie verbunden ist, wobei die elektronische
Vorrichtung in einem Zeitmeßgerät verwendet werden kann.
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Die Zeitbasis eines Zeitmeßgeräts enthält im allgemeinen einen Oszillator,
der einen Quarzresonator und eine Unterhaltungsschaltung umfaßt, die den
Resonator schwingen läßt, um eine mehr oder weniger stabile Schwingungsfrequenz
zu liefern, eine Teilerkette und gegebenenfalls eine Schaltung zum Einstellen der
Frequenz, die das Teilungsverhältnis der Teilerkette modifiziert. Die
Unterhaltungsschaltung, die Teilerkette sowie die Schaltung zum Einstellen der Frequenz
sind üblich in CMOS-Technologie verwirklicht und auf einem einzigen Substrat
integriert. Hingegen ist der Quarzresonator eine externe Komponente, die eigens
an die integrierte Schaltung angeschlossen werden muß und demnach einen
besonderen Montagevorgang sowie Kosten, die mit diesem Arbeitsgang
verbunden sind, impliziert. Das Interesse an einer Zeitbasis, die auf demselben Substrat
wie die Schaltung, die diese Zeitbasis verwendet, vollständig integriert werden
kann, ist folglich gut zu verstehen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, unter Verwendung einer Kapazität,
die von einem Referenzstrom gespeist wird, einen rein elektronischen Oszillator
zu verwirklichen. Ein Beispiel dafür ist etwa von Robert A. Blauschild anläßlich der
Konferenz ISSCC 1994 unter dem Titel "An Integrated Time Reference" gegeben
worden. Wenn eine solche Lösung integrierbar ist, so erlaubt sie jedoch nicht die
Erfüllung der Bedingungen, die an zeitmeßtechnische Anwendungen gestellt
werden, nämlich: eine hohe Präzision und einen sehr geringen Verbrauch.
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Das amerikanische Patent US-A-4 890 370 beschreibt ein Verfahren zur
Strukturierung eines Silicium-Wafers im Hinblick auf die Herstellung eines auf
diesem Wafer integrierten Resonators. Dieses Dokument erwähnt nur, ohne ihn zu
beschreiben, einen dünnen hochfrequenten Resonator (mehrere Zehn MHz), der
in einem Dickenschwingungsmodus schwingt. Ein derartiger Resonator wäre für
zeitmeßtechnische Anwendungen nicht geeignet.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung der erwähnten
Probleme des Standes der Technik herbeizuführen, indem eine elektronische
Vorrichtung geschaffen wird, die wenigstens eine Zeitbasis mit einem integrierten
Resonator enthält.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige
Vorrichtung zu schaffen, die kostengünstig und leicht zu verwirklichen ist.
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Ein nochmals weiteres Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung, die auf
demselben Substrat eine Zeitbasis, ihren integrierten Resonator sowie Mittel zum
Regeln der Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur enthält.
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Die Erfindung hat folglich eine integrierte elektronische Vorrichtung zum
Gegenstand, die auf demselben Substrat aus Silicium einen Resonator, eine
Unterhaltungsschaltung und eine Frequenzteilerkette umfaßt, wobei die
Unterhaltungsschaltung wie auch die Teilerkette in CMOS-Technologie hergestellt sind,
wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Resonator ein
integrierter Resonator ist, der aus einem Körper, der aus einem abgeschrägten,
begrenzten Oberflächenabschnitt des Substrats ausgeschnitten ist, aus einer dünnen
Schicht aus piezoelektrischem Material, die auf wenigstens einem Teil des
Körpers aufgebracht ist, um eine Elektrode zu bilden, gebildet ist.
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Vorzugsweise ist der integrierte Resonator aus einem langgestreckten
Mittelabschnitt gebildet, dem zwei Endabschnitte zugeordnet sind, so daß
insgesamt ein Stab gebildet wird, der mit zwei Abschlußmassen belastet ist. Die
piezoelektrische Schicht ist auf dem Mittelabschnitt abgelagert. Über einen Arm, der mit
der Mitte des Stabes verbunden ist, ist der Resonator am Substrat befestigt. Es ist
vorgesehen, daß er in einem Längsschwingungsmodus schwingt, wodurch eine
hohe piezoelektrische Kopplung erhalten wird.
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Die besondere Struktur des Resonator ermöglicht ein
Herstellungsverfahren in der Nachbehandlung, d. h. daß das Verfahren zur Herstellung des
Resonators mit dem CMOS-Fertigungsverfahren der elektronischen Vorrichtung gemäß
der Erfindung vereinbar ist und nur wenige zusätzliche Schritte erfordert. Die
spezifische Form des Resonators und der gewählte Schwingungsmodus ermöglichen
außerdem, einen hohen Gütefaktor zu erzielen; seine Abmessungen können
angepaßt werden, um die gewünschte Frequenz bei reduziertem Verbrauch und
Raumbedarf zu erhalten.
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Vorteilhaft ermöglicht die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Lieferung
einer sehr stabilen Frequenz, wobei sie eine integrierte Temperaturmeßschaltung
enthält, um die temperaturabhängigen Schwankungen der Resonatorfrequenz zu
kompensieren.
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Nachstehend wird lediglich als Beispiel eine Ausführungsform des
Gegenstands der Erfindung beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug
genommen wird, worin
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- Fig. 1 in schematischer Weise eine integrierte elektronische
Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
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- Fig. 2 in schematischer Weise die Form eines integrierten Resonators
zeigt, der zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bestimmt ist;
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- Fig. 2a eine schematische Schnittansicht entlang der Linie IIa-IIa von
Fig. 2 ist, die die Struktur des integrierten Resonators zeigt.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine integrierte elektronische
Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 1 enthält ein Substrat 2 aus
monokristallinem Silicium. In diesem Substrat 2 ist eine integrierte Schaltung 3
ausgebildet, die eine Unterhaltungsschaltung und eine Teilerkette einer Zeitbasis
enthält. Diese integrierte Schaltung 3 besteht in Wirklichkeit aus den verschiedenen
Komponenten einer Zeitbasis ohne Resonator. Es handelt sich um eine integrierte
Schaltung, die auf dem Substrat mittels eines CMOS-Fertigungsverfahrens
hergestellt worden ist, um die verschiedenen Komponenten dieser integrierten
Schaltung 3 in einem Oberflächenbereich 12 des Substrats 2 zu schaffen. Dies kann in
einer dem Fachmann bekannten Weise bewerkstelligt werden und wird hier nicht
mehr ausführlich beschrieben. Die Zeitbasis 3 umfaßt eine
Unterhaltungsschaltung und ist so beschaffen, daß sie eine Ausgangsfrequenz liefert, die dazu
bestimmt ist, beispielsweise eine Schaltung zur Steuerung der Anzeige eines (nicht
gezeigten) Zeitmeßgerätes zu versorgen.
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Dazu umfaßt die integrierte Schaltung 3 außerdem in bekannter Weise
eine Tellerkette, um die von dem Oszillator gelieferte Frequenz zu teilen.
Vorteilhaft ist eine Regelschaltung, beispielsweise eine Sperrschaltung, vorgesehen, um
die Frequenz genau einzustellen und den Temperatureinfluß zu kompensieren.
Eine solche Schaltung ist dem Fachmann ebenfalls bekannt und wird nachstehend
nicht ausführlich beschrieben. Die Unterhaltungsschaltung ist einem integrierten
Resonator 4 zugeordnet, der auf demselben Substrat 2 wie die integrierte
Schaltung 3 hergestellt ist.
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Fig. 2 zeigt in schematischer Weise die Form des integrierten Resonators
4. Der Resonator 4 ist in einem abgedünnten Teil des Substrats 2 ausgebildet.
Dieser abgedünnte Teil kann durch Ätzen des Wafers in einem begrenzten
Bereich 14 erhalten werden. Die verbleibende Dicke dieses abgedünnten Teils wird
in der Größenordnung von 50 um liegen; dieser Wert ist jedoch nicht kritisch.
Vorzugsweise ist der Resonator 4 aus einem langgestreckten Mittelabschnitt in
Form eines Stabes 6 gebildet, der an jedem seiner Enden mit einer
Abschlußmasse 7, 7' belastet ist. Diese Massen 7, T sind dazu bestimmt, die Frequenz des
Resonators 4 zu dämpfen. Der Stab, oder der Mittelabschnitt 6, ist über einen
Entkopplungsbereich 9 mit dem Substrat 2 verbunden. Es ist außerdem ein
Bereich 8 vorgesehen, der nur das Sicherstellen der Gesamtsymmetrie des
Resonators zur Aufgabe hat.
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In Fig. 2a ist zu sehen, daß der Resonator 4 eine dünne Schicht 10 aus
piezoelektrischem Material enthält, die nur auf dem Mittelteil 6 des Resonators 4
abgelagert ist. Auf die piezoelektrische Schicht 10 ist eine dünne Metallschicht 11
aufgebracht, um eine Elektrode zu bilden, während die zweite Elektrode aus dem
Resonatorkörper aus dotiertem Silicium gebildet ist. Nur die gesamte Oberfläche
der Ablagerung der piezoelektrischen Schicht bestimmt die piezoelektrische
Kopplung, so daß die Form der Ablagerung nicht kritisch ist.
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Die Auswahl eines Materials unter den verschiedenen piezoelektrischen
Materialien bestimmt unter anderem den Energieverbrauch des Resonators. Das
Material soll zudem stabil sein, damit die Frequenz des Oszillators nicht zu stark
beeinflußt wird. Außerdem soll dieses Material auf dem Resonator in einer Weise
abgelagert werden können, die mit den herkömmlichen
CMOS-Fertigungsverfahren vereinbar ist.
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Es ist experimentell festgestellt worden, daß die Verwendung von
Aluminiumnitrid AIN als piezoelektrisches Material besonders günstig ist. Obwohl es sich
um ein halbleitendes Material handelt, ist nämlich die Widerstandsfähigkeit
gegenüber der Umgebungstemperatur und folglich auch die Stabilität hoch.
Außerdem ermöglicht dieses Material, das mit den herkömmlichen Materialien der
Mikroelektronik vereinbar ist, eine Ablagerung mittels eines
Katodenzerstäubungsverfahrens (unter dem englischen Begriff "sputtering" bekannt) bei Temperaturen,
die mit den CMOS-Fertigungsverfahren, die für die Herstellung der Vorrichtung 1
gemäß der Erfindung vorgesehen sind, verträglich sind.
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Die Geometrie des soeben beschriebenen Resonators ermöglicht, eine
sehr gute Entkopplung in bezug auf das Substrat 2 sowie einen hohen Gütefaktor
Q zu erhalten. Es sei daran erinnert, daß der Gütefaktor gleich 2π mal das
Verhältnis von innerer Energie des Resonators (kinetische und potentielle Energie)
zur Verlustenergie dieses letzteren pro Schwingungsperiode ist. Vorteilhaft kann
diese Entkopplung noch durch ein geringfügiges Verschieben der
Symmetrieachse der Abschlußmassen 7, 7' in bezug auf den sie verbindenden
Mittelabschnitt 6 optimiert werden. Für die Abmessungen des Resonators 4 wird folgendes
Beispiel gegeben: eine Länge in der Größenordnung von 2,1 mm, eine Breite in
der Größenordnung von 0,7 mm und eine Dicke in der Größenordnung von
mehreren Zehn Mikrometern (10&supmin;&sup6; m).
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Die Funktionsweise des integrierten Resonators 4 ist folgende: Bei
Anlegen einer Wechselspannung zwischen Metallschicht 11 und Substrat 2 wird die
piezoelektrische Schicht 10 das Schwingen des Mittelabschnitts 6 des Resonators
4 herbeiführen.
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Für den Resonator der Erfindung ist eine Frequenz von 2²&sup0; Hz
( 1,05 MHz) gewählt worden. Die piezoelektrische Schicht 10 wird so angeregt,
daß der Resonator 4 im Grundmode der Längs-Dehnungsschwingung in der
Ebene schwingt. Der Mittelabschnitt 6 dehnt sich in seiner Ebene abwechselnd in
Richtung des Endabschnitts 7 und in Richtung des Endabschnitts 7'.
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Außerdem ist experimentell festgestellt worden, daß der thermische
Koeffizient eines derartigen Resonators aus Silicium in der Größenordnung von
-30 ppm/ºC liegt. Es ist dann sehr erstrebenswert, auf dasselbe Substrat 2 eine
Temperaturmeßschaltung aufzunehmen, deren Ausgangssignal zur Kompensation
dieser Schwankung benutzt werden kann, indem es die Frequenzregelschaltung
der Zeitbasis steuert.
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Dazu umfaßt die elektronische Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung
vorteilhaft außerdem eine integrierte Temperaturmeßschaltung 5. Die Meßschaltung 5
kann aus vertikal angeordneten Bipolartransistoren gebildet sein, um die
temperaturabhängigen Schwankungen der Frequenz des Resonators 4 zu
kompensieren. Ein Beispiel einer derartigen Meßschaltung ist in dem Artikel "Smart
Temperature Sensor in CMOS Technology" von mm. P. Krumenacher und H. Oguey, der
in "Sensors and Actuators", A21-A23 (1990), S. 626-638 erschienen ist,
beschrieben.
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Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des Resonators 4 ist
nachstehend gegeben. Die Rückseite des Substrats 2 kann chemisch geätzt werden,
um einen abgegrenzten Teil 14 mit reduzierter Dicke zu definieren. Dann
kann ein strukturierendes Ätzen der davor liegenden Fläche ausgeführt werden,
um die Geometrie des Resonators 4 festzulegen. Anschließend genügt eine
einzige zusätzliche Maske, um die piezoelektrische Schicht 10 abzulagern und zu
metallisieren.
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Aufgrund seiner besonderen Struktur wie auch seiner spezifischen Form
kann der Resonator leicht in eine Zeitbasis eingegliedert werden, die eine
integrierte Schaltung 3 enthält, um eine integrierte Zeitbasis zu bilden. Dieser
Resonator ist hinsichtlich des Energieverbrauchs mit der integrierten Schaltung 3 in
CMOS-Technologie verträglich. Außerdem ist diese integrierte Zeitbasis, die einen
derartigen Resonator enthält, stabiler und präziser als die bekannten integrierten
Zeitbasen.
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Obwohl weiter oben eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese
besondere Ausführungsform beschränkt, die lediglich als nicht beschränkendes
Beispiel der Erfindung angegeben worden ist.