JP2007500478A - 積層共振器及び前記共振器を内蔵するタイムベース - Google Patents

Abstract

この発明は、単結晶シリコン基板（１）に積層され、温度安定性に優れたタイムベースを作製することのできる１組の共振器であって、異なるタイプのモードで、かつ、それらの周波数差における少なくとも一次熱係数αがゼロ又はゼロに近くなるような寸法で、振動するように設計された第１の共振器（２）と第２の共振器（３）とを少なくとも含むことを特徴とする１組の共振器に関する。二次熱係数βは大きく減少されてもよい。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般に、共振器に関し、より詳細には、温度安定性に優れたタイムベースを作製可能な単結晶シリコン製の積層共振器、及び、このような共振器で作製されるタイムベースに関する。

石英は、共振器の切断角を適切に決定することで、室温において、周波数の一次熱係数を相殺することを可能にする公知の稀な結晶のうちの１つであるので、確かに、共振器の製造に最も広く使用される材料である。加えて、これらの共振器の配置を適切に合わせることによって、石英は、より高次元の係数を有しているため、熱ドリフトを補償することも可能である。最後に、石英は、圧電性であり、したがって、選択された振動モードを直接励起することも可能である。石英は、共鳴構造を作製する場合に、依然として、選択される材料ではあるが、しかし、このような構造をシリコン基板に積層するという高まる需要がある。このシリコン基板は、集積回路及びＭＥＭＳ（マイクロマシン技術）タイプにおける増えつつある構造に利用される材質である。

単結晶シリコン基板に積層された共振器の例は、欧州特許出願（出願番号ＥＰ０，７９５，９５３号）に見られる。このような共振器における周波数の熱係数はそれぞれ、一次熱係数αが約−３０ｐｐｍ（百万分の一、又は１０^−６）／℃であり、二次熱係数βが約−１３ｐｐｂ（十億分の一、又は１０^−９）／℃である。これらの係数を補償するために、同じ基板に積層され、周波数調整回路として機能する温度計を使用することが提案されてきた。このような補償方法は、作製後に、共振器／発振器の結合における校正を含むだけではなく、加えて、理想には程遠いが、その補償方法における精度は、特に劣化効果が検討される場合には、積層された温度計の精度に依存する。

したがって、この発明の目的は、単結晶シリコン基板に積層され、熱ドリフトを簡易かつ正確な方法で補償することが可能な共振器を作製することにある。

この発明の１つの主題は、単結晶シリコン基板に積層され、温度安定性に優れたタイムベースを作製することのできる１組の共振器であって、異なるタイプのモードで、かつ、それらの周波数差における少なくとも一次熱係数がゼロ又はゼロに近くなるような寸法で、振動するように設計された第１の共振器と第２の共振器とを少なくとも含むことを特徴とする１組の共振器である。

この発明の他の特徴によれば、周波数差における二次熱係数もまた、前記シリコン基板における前記共振器が方向付けられることによって、ゼロに近くに設定される。

これらの特徴によれば、熱補償は、異なるタイプのモードで振動する２つの共振器における周波数差によって、達成され、そして、これによって、この周波数差は温度に対して独立とされることができる。

この発明における１組の共振器はまた、以下の特徴のすべて又はいくつかを有する。
・前記第１の共振器は、伸長モードで振動するように設計されている；
・前記第２の共振器は、表面剪断モードで振動するように設計されている；
・前記第１の共振器及び前記第２の共振器それぞれは、２つの方形プレートを結合する中心アームによって組織された対称構造を有し、前記中心アームの中央部に保持可能とされる；
・前記共振器は、前記圧電励起手段を含んでいる；
・前記圧電励起手段は、前記中心アーム上に堆積されたＡｌＮ層、及び、前記ＡｌＮ層に結合する電極を含んでいる；
・前記シリコン基板は、ドープされ、前記圧電励起手段用の電極の１つを構成している。

この発明における他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と共に、特に限定されない例によって示された以下の明細書を読むことによって、明らかになるであろう。

図１に示される２つの共振器２及び３は、「等高線モード（ｃｏｎｔｏｕｒ ｍｏｄｅｓ）」といわれるモードで振動する。このことは、これら共振器がその平面で振動する薄いプレート状をなし、これら共振器の振動数が前記薄いプレートの厚さと独立していることを意味する。これら共振器の構造は、連結アーム２４、３４を介して単結晶シリコン基板１にそれ自身接続された中心アーム２３、３３に結合された２つの方形プレート２１、２２、３１、３２に、対応している。連結アームの反対側に延在した方形領域２５、３５は、各共振器全体を対称にし、その結果、嵌め込まれた領域における消失を相殺することによって、そのゆがみを対称にすることを目的とする。そうすることによって、高質係数を達成することを目的とする。記載した例では、共振器２は、プレート２１及び２２に接した方形の対角線に沿って剪断波を伝達する「ラメモード（Ｌａｍｅ ｍｏｄｅ）」で振動するように、設計されている。また、共振器２は、構造体の＜１１０＞方向に沿って配置されている。一方、構造体の＜１００＞方向に配列された長軸を有する共振器３は、伸長モード（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）で中心アーム３３と共に振動するように、設計されている。

この発明によれば、熱補償は、２つの共振器における各モードでの周波数が異なることによって、達成される。共振器２の周波数は、下記式によって、表すことができる。

上記式において、Ｆ_１０は共振器２の固有周波数、ΔＴは温度変化、並びに、α_１、β_１及びγ_１はそれぞれ周波数Ｆ_１における一次熱係数、二次熱係数及び三次熱係数である。

同様に、共振器３の周波数は、下記式によって、表すことができる。

上記式において、Ｆ_２０は共振器３の固有周波数、ΔＴは温度変化、並びに、α_２、β_２及びγ_２はそれぞれ周波数Ｆ_２における一次熱係数、二次熱係数及び三次熱係数である。

したがって、周波数差Ｆ_１２は、以下のように表すことができる。

一次熱係数は、Ｆ_１０α_１−Ｆ_２０α_２＝０、すなわち、

に設定することよって、補償され、したがって、二次熱係数は、下記式に等しくなる。

この等式は、βがより適切に制御されるほど、α_１とα_２との差が大きくなることを表す。周波数差Ｆ_１２における一次熱係数αの相殺を制御する方法を最適化するには、共振器２及び３の振動モードを、共振器２及び３にそれぞれ関連付けられた一次熱係数が互いに可能な限り異なるように、選択する。その結果、この発明における有利な変形によれば、第１の共振器の振動モードは、ラメモードに含まれる表面剪断モードであり、一方、第２の共振器の振動モードは、伸長モードである。一次熱係数αの精度は、２つの共振器における周波数比、すなわち、共振器の寸法比によって、決まり、共振器における絶対的な寸法の比によって決まるのではない。２つの共振器は、同じ基板上に形成されているので、この一次熱係数は、事実、アンダーエッジ効果（ｕｎｄｅｒｅｔｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）又はカッティングエラ（ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒｓ）に対して非常に感度が悪い。

周波数差Ｆ_１２における二次熱係数βに関する式は、比β_１／β_２を、比α_１／α_２と同じ値に、又は、比α_１／α_２に接近した値に選択することによって、二次熱係数βは、相殺され、又は、著しく減少されることを、を示している。この状態は、２つの共振器の配列方向を賢明に選択することによって、満たされることができる。図２ａ及び２ｂには、選択された２つの振動モードについて、一次熱係数α_１及びα_２、並びに、二次熱係数β_１及びβ_２それぞれの変動が、共振器の配列方向における関数として、示されている。一次熱係数は配列方向に対してほとんど変動しないのに対して、同じことは二次熱係数には当てはまらない。共振器の配列方向が互いに約４５°の角度をなす場合に、上述の条件を満たし、次いで、剪断波及び伸長波が方向＜１００＞に沿って伝播すると考えられる。

均衡を保った消失領域を有する平面構造、及び、共振器の予想される振動モードによって、高質係数を得ることが可能になる。これにより、低消費量のタイムベース（共振器及び発振器）を作製することが可能になる。さらに、低周波数の振動モードとの結合を著しく減少させるため、共振器２は、ラメモードにおける周波数を修正せずに、（少なくとも２つの）方形プレートを積層した形態である主要部２１及び２２を有することによって、作製されてもよい。これは、共振器／発振器の結合における効率を向上させるために、利点を有するラメモードの特徴の１つである。

公知の方法で、静電式又は圧電式の結合によって、共振器は振動される。この発明における有利な変形によれば、共振器は圧電効果、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層によって振動される。例えば、図３に示される共振器３のように、圧電式結合は、伸長変形が最も高くなる地点であるアームの中心領域に堆積されたＡｌＮ層４０を介して、達成される。約２２５μｍ×９５０μｍの大きさを持つこの方形領域は、薄いストリップ４１を用いて、連結アーム２４に沿って、約１２０μｍの面を有し、結合線が半田付けされた結合領域４２まで、延在する。図３における軸線Ａ−Ａに沿った図４の断面図に示されるように、窒化アルミニウム層４０はアルミニウム層４３に覆われている。このアルミニウム層４３もまた、埋め板４５を形成し、基板に接続するために、基板上に直接堆積されている。基板を形成しているシリコンがドープされていなければ、基板と窒化アルミニウム層との間に第２の電極を設ける必要がある。この第２の電極は、好ましくは、白金、窒化アルミニウムの成長に特によく寄与する物質により作製される。図４には、基板１０が実際には酸化ケイ素からなる下面を有するシリコンウェハ１０であることが示されている。このようなウェハ、いわゆるＳＯＩ（ｓｉｌｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハは、所望の厚さを有している。前述したように、共振器の厚さは、用途に応じて決定される比較的自由に設定できる変数である。したがって、その厚さを厚くすると、強い衝撃強さを実現可能にし、平面外の他の振動モードに結合することを減少させる。一方、その厚さを薄くすると、強い圧電結合が可能になり、したがって、発振器の消費量を低減することができる。特に限定されない例によれば、共振器は約５０μｍの厚さを有している。

共振器の製造における工程を、特に限定されない例を用いて、以下に説明する。
・シリコン基板の上面（Ａ）上に、約１００ｎｍの厚さを有する白金（Ｐｔ）膜のスパッタリングによる堆積
・第１の電極を形成する手段として、フォトリソグラフィー及びプラズマエッチングによる白金膜の構築
・窒化アルミニウム層（厚さ数μｍ）のスパッタリングによる堆積
・第２の電極を形成する手段として、アルミニウム層（厚さ約１００ｎｍ）のスパッタリングによる堆積及びこのアルミニウム層の選択的な機械加工
・圧電励起領域を区画する手段として、窒化アルミニウム層のスパッタリング
・共振器の配列を決定する手段として、表面Ａの急速プラズマエッチング（又は深堀り反応性イオンエッチング）
・所望により、のこ引きによる共振器の切断、及び、
・真空の創出及び関連付けられた回路への共振器の結合

指示によれば、共振器における各変数は、以下に示される。
共振器２：
・プレートの寸法：２×１ｍｍ；
・中心アームの長さ：１ｍｍ；
・周波数：４ＭＨｚにほぼ等しい。
共振器３：
・全長：２．５ｍｍ；
・中心アームの長さ：１．２ｍｍ；
・周波数：１ＭＨｚにほぼ等しい。

上述の共振器を利用した、温度安定性周波数を伝達する回路の例は、図５に概略的に示されている。区画２００は共振器２とそれと共に関連付けられた発振器との結合を表し、区画３００は共振器３とそれと共に関連付けられた発振器との結合を表す。区画２００は周波数Ｆ_１において信号を送信し、区画３００は周波数Ｆ_２において信号を送信する。同様の寸法を有する２つの共振器を備えた上述の例においては、周波数Ｆ_１は周波数Ｆ_２よりも高く（約４倍高く）設定される。したがって、周波数Ｆ_１は周波数分割器回路４００によって分割され、この周波数分割器回路４００は周波数Ｆ_１／Ｎの信号を送信する。ここで、Ｎは、整数（前記例では４）であり、分割器回路４００の分割比を表す。区画３００及び分割器回路４００により出力される信号は回路５００に送信され、この回路は、差Ｆ_２−Ｆ_１／Ｎを送信する。このように、この周波数差は、温度変化に依存せず、したがって、正確で、安定な積層タイムベースを作製するのに使用されることができる。その結果、このタイムベースは、種々の用途、特に携帯用途に使用することができる。

この発明は特定の実施形態に関して説明されているが、その範囲内から逸脱しない範囲において修正又は変形も可能であると理解される。したがって、この発明の説明において、シリコンが採用されているが、この発明の共振器においては、他の単結晶で形成されてもよい。同様に、選択された振動モードは、特に限定されない例として、単に検討されているに過ぎない。

図１は、単結晶シリコンウェハの［００１］方向に形成されたこの発明における２つの共振器からなる１組の共振器を示す図である。 図２ａは、図１に示された共振器の配列方向の関数として、これらの共振器の一次熱係数及び二次熱係数それぞれにおける変動を示す図である。 図２ｂは、図１に示された共振器の配列方向の関数として、これらの共振器の一次熱係数及び二次熱係数それぞれにおける変動を示す図である。 図３は、図１における共振器３上に堆積されたＡｌＮ層及び電極の配置を示す図である。 図４は、図３における共振器の断面を示す断面図である。 図５は、この発明の共振器における周波数差を抽出する回路の例を示す図である。

Claims (11)

1. 単結晶（１）に積層され、温度安定性に優れたタイムベースを作製することのできる１組の共振器であって、異なるタイプのモードで、かつ、それらの周波数差における少なくとも一次熱係数αがゼロ又はゼロに近くなるような寸法で、振動するように設計された第１の共振器（２）と第２の共振器（３）とを少なくとも含むことを特徴とする１組の共振器。
2. 前記単結晶は、シリコン単結晶であることを特徴とする請求項１に記載の１組の共振器。
3. 前記第１の共振器（２）及び前記第２の共振器（３）は、前記周波数差における二次熱係数βがゼロ又はゼロに近くなるような角度に方向付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の１組の共振器。
4. 前記第１の共振器（２）は、伸長モードで振動するように設計されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の１組の共振器。
5. 前記第２の共振器（３）は、ラメモードで振動するように設計されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の１組の共振器。
6. 前記第１の共振器及び前記第２の共振器それぞれは、２つの方形プレート（２１、２２及び３１、３２）を結合する中心アーム（２３、３３）によって形成された対称構造を有し、前記中心アームの中央部（２４、３４）に保持可能とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の１組の共振器。
7. 前記共振器は、前記圧電励起手段を含んでいることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の１組の共振器。
8. 前記圧電励起手段は、前記中心アーム上に堆積されたＡｌＮ層（４０）と、一方が前記ＡｌＮ層に結合し、他方がシリコン基板に結合する電極（４３、４５）とを含んでいることを特徴とする請求項７に記載の１組の共振器。
9. 前記シリコン基板は、ドープされ、前記圧電励起手段用の電極の１つを構成していることを特徴とする請求項８に記載の１組の共振器。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の１組の共振器と、前記共振器の振動を励起し、維持する手段（２００、３００）と、前記共振器における振動周波数の差を代表する温度安定性信号を発生する手段（４００、５００）とを含むことを特徴とする温度安定性に優れたタイムベース。
11. 前記２つの共振器の一方は、他方の共振器よりも非常に高い振動周波数を有し、かつ、温度安定性信号を発生する前記手段は、さらに、前記振動周波数の差が得られる前に、前記高い周波数を減少させる周波数分割器回路（４００）を含んでいることを特徴とする請求項１０に記載のタイムベース。
    
    
    

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