JP2008066799A

JP2008066799A - Oscillator

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Publication number: JP2008066799A
Application number: JP2006239445A
Authority: JP
Inventors: Akira Egawa; 明江川; Fumio Kimura; 文雄木村; Hiroshi Takahashi; 寛高橋; Yoko Shinohara; 陽子篠原; Kazunari Oka; 一成岡; Yoshifumi Yoshida; 宜史吉田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-21
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: JP5105345B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oscillator using a compact and inexpensive MEMS vibrator whose temperature-dependency characteristics of frequencies can be corrected with high precision. <P>SOLUTION: The oscillator comprises a vibrator for output which mechanically vibrates, a vibrator for temperature detection which mechanically vibrates, an oscillation circuit for temperature detection which oscillates at the resonance frequency of the vibrator for temperature detection to output an oscillation signal for temperature detection, a temperature compensating circuit which outputs a correction signal based upon the frequency of the oscillation signal for temperature detection, a frequency varying means of varying the resonance frequency of the vibrator for output according to the correction signal, and an oscillation circuit for output which oscillates at the resonance frequency of the vibrator for output to output an oscillation signal. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、MEMS技術を用いた発振器に関するものである。 The present invention relates to an oscillator using MEMS technology.

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。 While the demand for miniaturization and high precision of electronic devices such as wireless portable devices such as mobile phones and personal computers is increasing, such electronic devices require a small and stable high-frequency signal source. It is essential. A typical electronic component for satisfying this requirement is a crystal resonator. A quartz resonator is known to have a very high resonance sharpness (ie, Q value), which is an index of the quality of an oscillation element, and exceeds 10,000 because of good crystal stability. This is the reason why crystal resonators are widely used as stable high-frequency signal sources for wireless portable devices and personal computers. However, it has become clear that this quartz crystal resonator cannot sufficiently satisfy the recent demand for further downsizing.

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。 Therefore, in recent years, a MEMS oscillator using a small MEMS vibrator formed by MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) technology using a silicon substrate instead of a quartz vibrator has been reported (Non-Patent Document 1). ). MEMS oscillators can be downsized compared to crystal oscillators and are easy to cope with high frequencies, so that they are expected to spread especially to small devices such as mobile phones. In addition, since the MEMS vibrator can be manufactured using a silicon substrate, it can be integrated into a single chip with the peripheral circuit.

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、 FIG. 6 is a principle diagram showing a MEMS vibrator. As shown in this figure, the MEMS vibrator includes a capacitive element between electrodes having a gap. In the figure, 501 is a spring, 502 is a weight, 503 is a substrate, 504 is an electrode, and 505 is a power source. The MEMS vibrator is driven by electrostatic force by applying a voltage. At that time, by applying a DC bias voltage in addition to the AC signal, the same electrical characteristics (for example, Q value) as the quartz vibrator are obtained. It can be used as a vibrator of an oscillator with the same configuration as a crystal oscillator.
The resonance angular frequency ω ₀ of this MEMS vibrator is obtained by using the DC bias voltage v ₀ , the distance between electrodes d, the mass m of the weight, the spring constant k of the spring, and the capacitance C ₀ of the electrode part before voltage application,

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。
T.Mattila et al., “14MHz Micromechanical Oscillator”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 2001 It can be expressed as, it can be seen that the DC bias voltage v ₀ is decreased in accordance with increase.
T. Mattila et al., “14MHz Micromechanical Oscillator”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 2001

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。 However, the MEMS oscillator according to the above-described prior art has a problem that the temperature dependency characteristic of the oscillation frequency is poor because the temperature dependency characteristic of the resonance frequency of the MEMS resonator is poor as compared with the crystal resonator. A temperature sensor is required to correct the temperature-dependent characteristics. However, if a separate temperature sensor is built in the oscillator, there is a problem that the size of the oscillator increases and the cost also increases. Further, when the temperature sensor is arranged at a position away from the vibrator, there is a problem that the temperature detection error becomes large and the correction accuracy is deteriorated.

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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an oscillator using a small and inexpensive MEMS vibrator capable of correcting the temperature dependence characteristic of the frequency with high accuracy.

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。 The oscillator according to the present invention outputs a mechanically oscillating output vibrator, a mechanically oscillating temperature detecting vibrator, and a temperature detecting oscillating signal by oscillating at a resonance frequency of the temperature detecting vibrator. An oscillation circuit for detecting temperature, a temperature compensation circuit for outputting a correction signal based on the frequency of the oscillation signal for temperature detection, and a frequency changing means for changing the resonance frequency of the output vibrator according to the correction signal; An output oscillation circuit that oscillates at the resonance frequency of the output vibrator and outputs an oscillation signal.

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。 In the oscillator according to the invention, the output vibrator is disposed to face a support layer that is a semiconductor substrate, and at least a part of the output vibrator is fixed to an insulating layer on the support layer, and the temperature detection The vibrator for operation is disposed at a position adjacent to the output vibrator so as to face the support layer, and at least a part of the vibrator is fixed to an insulating layer on the support layer.

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。 The oscillator according to the present invention is characterized in that a resonance frequency of the temperature detecting vibrator is different from a resonance frequency of the output vibrator.

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。 The oscillator according to the present invention is characterized in that a resonance frequency of the temperature detecting vibrator is higher than a resonance frequency of the output vibrator.

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。 The oscillator according to the present invention includes the output vibrator, the temperature detection vibrator, the output oscillation circuit, the temperature detection oscillation circuit, the temperature compensation circuit, and the frequency fluctuation unit. Are formed on the same substrate.

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。 According to the present invention, since the temperature detecting vibrator is newly installed so as to be adjacent to the output vibrator, the oscillation frequency of the oscillator can be corrected with high accuracy by accurately reflecting the temperature of the output vibrator. Can do. In addition, since these vibrators can be manufactured on the same substrate in the same process, an oscillator using a small and inexpensive MEMS vibrator can be provided.

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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of an oscillator according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the oscillator 100, the temperature detection oscillation circuit 103, the temperature compensation circuit 104, the frequency variation means 105, and the output oscillation circuit 106 are configured. The vibrator 100 includes an output vibrator 101 and a temperature detection vibrator 102.

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。 The output oscillation circuit 106 oscillates at the resonance frequency of the output vibrator 101. The temperature detection oscillation circuit 103 oscillates at the resonance frequency of the temperature detection vibrator 102. The temperature compensation circuit 104 is connected to the output of the temperature detection oscillation circuit 103. The frequency variation means 105 is connected to the output of the temperature compensation circuit 104 and also to the output vibrator 101.

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。 Next, the operation of the oscillator according to this embodiment will be described in detail.
First, the output oscillation circuit 106 oscillates at the resonance frequency of the output vibrator 101 and outputs an output oscillation signal.
In parallel with the above operation, the temperature detection oscillation circuit 103 oscillates at the resonance frequency of the temperature detection vibrator 102 and outputs a temperature detection oscillation signal.

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。 FIG. 5 is a temperature dependence characteristic diagram of the resonance frequency of the MEMS resonator. As shown in the figure, since the resonance frequency of the temperature detecting vibrator, which is a MEMS resonator, changes depending on the temperature, the frequency of the temperature detecting oscillation signal also changes depending on the temperature. Further, the temperature detecting vibrator 102 is disposed adjacent to the output vibrator 101. As a result, the temperature detecting vibrator 102 is placed at a temperature position substantially the same as the temperature of the output vibrator 101.

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。 Next, the temperature compensation circuit 104 obtains a temperature one-to-one corresponding to the frequency of the temperature detection oscillation signal, calculates a correction signal corresponding to the temperature from a correction parameter stored in advance, and outputs it.

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。 Next, the frequency changing means 105 adjusts the resonance frequency of the output vibrator 101 in accordance with the correction signal. As a method for adjusting the resonance frequency, for example, the voltage applied to the output vibrator 101 is electrically adjusted. Alternatively, the resonance frequency may be adjusted mechanically. As a result of this adjustment, the resonance frequency of the output vibrator 101 is kept constant even when there is a temperature change. Accordingly, the frequency at which the output oscillation circuit 106 oscillates is constant and does not change, and an output oscillation signal having no frequency temperature dependence characteristic can be obtained.
As described above, this oscillator compensates the temperature of the output oscillation signal based on the frequency of the temperature detection oscillation signal.

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。 Next, an example of each component of the oscillator according to the present embodiment described above will be described in detail.
First, an example of the configuration of the vibrator 100 will be described with reference to FIG.
As shown in the figure, the vibrator 100 includes an output vibrator (cantilever) 201, an output vibrator electrode pad 202, a temperature detection vibrator (cantilever) 203, a temperature detection vibrator electrode pad 204, and a fixed electrode. A pad 205, a support layer 206, an insulating layer 207, and a fixing part 210 are included.

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。 In the vibrator 100, a fixing portion 210 is fixed to the upper surface of the support layer 206 via an insulating layer 207.
The temperature detecting vibrator (cantilever) 203 is provided at the same height as the fixed portion 210, and the insulating layer 207 does not exist between the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 and the support layer 206, resulting in a gap. ing. Accordingly, the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 can mechanically vibrate. The temperature detecting vibrator electrode pad 204 is provided on the fixed portion 210 and is electrically connected to the temperature detecting vibrator (cantilever) 203.

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。 The output vibrator (cantilever) 201 is provided at the same height as the fixed portion 210, and there is no insulating layer 207 between the output vibrator (cantilever) 201 and the support layer 206, which is a gap. . Thereby, the output vibrator (cantilever) 201 can vibrate mechanically. The output vibrator electrode pad 202 is provided on the fixed portion 210 and is electrically connected to the output vibrator (cantilever) 201.

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。 The vibrator 100 is formed by MEMS technology using an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate. The SOI substrate includes an active layer, an insulating layer 207, and a support layer 206. Of these layers, the active layer (silicon) is used to form an output vibrator (cantilever) 201 and a temperature detection vibrator (cantilever) 203. These vibrators are formed by etching and facing the support layer 206 and adjacent to each other. In order to make these vibrators function as movable electrodes, the resistance of the active layer is lowered in advance by impurity doping or the like.

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。 Further, by removing the insulating layer 207 on the lower surface other than the fixed portion 210 of the two vibrators by etching after the processing of the active layer, a gap (gap) is formed between the two vibrators and the support layer 206. To do. The insulating layer 207 on the lower surface of the fixing portion 210 that remains without being etched electrically insulates the support layer 206 and the two vibrators and fixes them through the fixing portion 210. With such a configuration, the two vibrators can vibrate independently with the fixed portion 210 as a fulcrum.
The support layer 206 is a semiconductor (silicon) substrate, which mechanically fixes the two vibrators and functions as a fixed electrode.

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。 Further, an output vibrator electrode pad 202 is formed on the upper surface of the fixing portion 210 of the output vibrator (cantilever) 201 by vapor deposition of aluminum (Al), and the temperature detection vibrator electrode pad 204 is formed by the temperature detection vibrator. It is formed on the upper surface of the fixing part 210 of the (cantilever) 203. In addition, fixed electrode pads 205 are formed on the upper surface of the support layer 206, and each pad is electrically connected to the oscillation circuit using wire bonding (not shown).

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。 Here, since the output vibrator (cantilever) 201 determines a frequency to be output as an oscillator, the size is determined so as to obtain a desired resonance frequency. Further, the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 has a shape smaller than that of the output vibrator (cantilever) 201 so that the resonance frequency is higher than the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201. . The reason why the resonance frequencies are different in such a magnitude relationship is that, when the resonance frequencies of the two vibrators are close, mechanical interference may occur between the two vibrators and the vibration state may become unstable. is there. Both vibrators are sized so as not to interfere with each other, including not only the first-order mode but also the higher-order mode.

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。 Further, when the resonance frequency of the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 is higher, the time constant of a circuit (for example, a frequency-voltage converter described later) that performs subsequent signal processing can be reduced, so that temperature correction is performed. There is also an advantage that the processing speed can be improved.
If it is not necessary to improve the speed of the temperature correction process, the resonance frequency of the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 may be set lower than the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201.

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。 Since the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 is formed adjacent to the output vibrator (cantilever) 201, it can detect substantially the same temperature as the output vibrator. Further, since the vibrator 100 can be integrally formed by the same process, it can be very miniaturized and the cost can be reduced.

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。 Next, the operation of the vibrator 100 will be described.
The vibrator 100 is used in combination with two oscillation circuits (the temperature detection oscillation circuit 103 and the output oscillation circuit 106 shown in FIG. 1). Then, each oscillation circuit oscillates independently at the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201 and the resonance frequency of the temperature detection vibrator (cantilever) 203.

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。 In order to perform the above-described operation, a DC bias voltage is applied between the fixed electrode pad 205 and the output vibrator electrode pad 202, and as a result, between the support layer 206 and the output vibrator (cantilever) 201. When the voltage is applied, the output vibrator (cantilever) 201 can be driven by electrostatic force, and the resonance frequency is determined by mechanical factors such as the DC voltage value and the size and weight of the output vibrator (cantilever) 201. Indicates.

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。 Similarly, a DC bias voltage is applied between the fixed electrode pad 205 and the temperature detection vibrator electrode pad 204, and as a result, a voltage is applied between the support layer 206 and the temperature detection vibrator (cantilever) 203. Thus, the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 can be driven by electrostatic force, and the resonance frequency determined by mechanical factors such as the DC voltage value and the size and weight of the temperature detecting vibrator (cantilever) 203 is set. Show.

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。 In this way, by applying a DC bias voltage in addition to an AC voltage to the vibrator, it is possible to have the same characteristics (for example, Q value) as the crystal vibrator.
The resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201 can be changed by adjusting the DC bias voltage. This functions as a frequency variation means in the present invention.
The temperature detecting vibrator (cantilever) 203 detects a temperature based on a change in the resonance frequency, and functions as a temperature sensor. Since it is necessary to detect a temperature change, the DC bias voltage is fixed.

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。 Next, an example of an oscillation circuit will be described with reference to FIG.
The oscillation circuit shown in the figure is an example of a circuit common to the temperature detection oscillation circuit 103 and the output oscillation circuit 106 described with reference to FIG. 1, and changes the constant of each circuit element. This oscillation circuit is a circuit to which a Colpitts oscillation circuit generally used in a crystal oscillator is applied.

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。 As shown in the figure, the oscillation circuit includes a vibrator 300, DC component cutting capacitors 302 and 303, load capacitors 304 and 305, load resistors 308, current suppressing resistors 306 and 307, inverters (amplifiers) 310 and 311, A DC bias voltage 309 and an oscillation signal output terminal 320 are included. In the case of the temperature detection oscillation circuit 103, the vibrator 300 uses the temperature detection vibrator (cantilever) 203 shown in FIG. 2, and in the case of the output oscillation circuit 106, the output vibrator (cantilever) 201. Is used.

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。 One end of each of the current suppressing resistors 306 and 307 is connected to both ends of the vibrator 300. Both ends of the DC bias voltage 309 are connected to the other ends of the current suppressing resistors 306 and 307, respectively. Further, one ends of DC component cutting capacitors 302 and 303 are respectively connected to both ends of the vibrator 300.

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。 The other end of the direct current component cutting capacitor 302 is connected to one end of a load capacitor 304 and to the input end of an inverter (amplifier) 310 and one end of a load resistor 308. The other end of the DC component cutting capacitor 303 is connected to one end of a load capacitor 305, and the output end of the inverter (amplifier) 310, the input end of the inverter (amplifier) 311, and the other end of the load resistor 308. Connected.
The other ends of the load capacitors 304 and 305 are grounded. The output of the inverter (amplifier) 311 is connected to the oscillation signal output terminal 320.

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。 Next, the operation of this oscillation circuit will be described.
The DC bias voltage 309 is applied to both ends of the vibrator 300 as described above, and the resonance frequency of the vibrator 300 is determined according to the equation (1). In order to apply the DC bias voltage 309 in this way, current suppression resistors 306 and 307 are inserted for the purpose of preventing inflow and outflow of a large current to the vibrator 300. Further, DC component cutting capacitors 302 and 303 are inserted so that a DC voltage is not applied to the input / output terminal of the inverter (amplifier) 310 and the input terminal of the inverter (amplifier) 311.

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。 The oscillation circuit oscillates at the resonance frequency of the vibrator 300 and outputs an oscillation signal. Here, in the case of the output oscillation circuit 106, the oscillation frequency can be changed by changing the resonance frequency of the vibrator 300 by changing the DC bias voltage 309. This functions as a frequency variation means in the present invention.
In the case of the temperature detecting oscillation circuit 103, the DC bias voltage 309 is fixed and the fluctuation of the oscillation frequency due to the temperature change is detected.

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。 Next, an example of the temperature compensation circuit will be described with reference to FIG.
As shown in the figure, the temperature compensation circuit 104 includes a frequency-voltage converter 400, a temperature converter 401, a correction signal output unit 402, and an adder 403.

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。 The frequency-voltage converter 400 receives the output of the temperature detection oscillation circuit 103 (temperature detection oscillation signal) and converts the frequency of the signal into a DC voltage. The temperature converter 401 receives the output of the frequency-voltage converter 400 and outputs a temperature signal corresponding to the DC voltage value. The correction signal output unit 402 receives the output of the temperature converter 401, calculates and outputs a correction signal corresponding to the temperature using the correction parameters obtained and stored in advance.
The correction parameter is obtained in advance by measuring the temperature-dependent characteristic of the resonance frequency of the output vibrator 101.

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。 The adder 403 receives the output of the correction signal output unit 402 and the reference bias voltage, and outputs a bias voltage obtained by adding both.
The bias voltage controlled in accordance with the temperature in this manner is used as the bias voltage shown in FIG. 3, and is applied to both ends of the output vibrator 101 so as to maintain a constant resonance frequency without depending on the temperature. It is.

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。 With the configuration described above, this oscillator can be formed by integrating all the components on the same substrate. Further, for example, other integrated circuits that perform various signal processing using the oscillation signal of the present oscillation circuit can be formed on the same substrate.

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。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, the structure of the vibrator is not limited to the structure shown in FIG. 2, and may be a structure using lateral vibration, or a structure in which both ends of the vibrator are supported. Further, the configurations of the oscillation circuit and the temperature compensation circuit are not limited to the configurations shown in FIGS.

本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。It is a block diagram of the oscillator concerning the embodiment of the present invention. 同上の振動子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a vibrator | oscillator same as the above. 同上の発振回路の回路図である。It is a circuit diagram of an oscillation circuit same as the above. 同上の温度補償回路のブロック図である。It is a block diagram of a temperature compensation circuit same as the above. 同上のMEMS共振子の共振周波数の温度依存特性図である。It is a temperature dependence characteristic figure of the resonant frequency of a MEMS resonator same as the above. 従来技術に係るMEMS振動子を表す原理図である。It is a principle figure showing the MEMS vibrator concerning a prior art.

Explanation of symbols

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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100; vibrator | oscillator 101; output vibrator | oscillator 102; temperature detection vibrator | oscillator 103; temperature detection oscillation circuit 104; temperature compensation circuit 105; frequency fluctuation means 106; output oscillation circuit 201; output Vibrator for output (cantilever), 202; vibrator electrode pad for output, 203; vibrator for temperature detection (cantilever), 204; vibrator electrode pad for temperature detection, 205; fixed electrode pad, 206; support layer, 207; Insulating layer, 210; fixed part, 300; vibrator, 302, 303; DC component cutting capacity, 304, 305; load capacity, 306, 307; current suppression resistance, 308; load resistance, 309; DC bias voltage, 310, 311; inverter (amplifier), 320; oscillation signal output terminal, 400; frequency-voltage converter, 401; temperature converter, 402; Power unit, 403; adders.

Claims

An output vibrator that vibrates mechanically;
A temperature detecting vibrator that vibrates mechanically;
A temperature detection oscillation circuit that oscillates at a resonance frequency of the temperature detection vibrator and outputs a temperature detection oscillation signal;
A temperature compensation circuit that outputs a correction signal based on the frequency of the temperature detection oscillation signal;
Frequency variation means for varying the resonance frequency of the output vibrator according to the correction signal;
An oscillator comprising: an output oscillation circuit that oscillates at a resonance frequency of the output vibrator and outputs an oscillation signal.

The output vibrator is disposed to face a support layer that is a semiconductor substrate, and at least a part of the vibrator is fixed to an insulating layer on the support layer.
The temperature detection vibrator is disposed opposite to the support layer at a position adjacent to the output vibrator, and at least a part of the temperature detection vibrator is fixed to an insulating layer on the support layer. The oscillator according to claim 1.

3. The oscillator according to claim 1, wherein a resonance frequency of the temperature detecting vibrator is different from a resonance frequency of the output vibrator.

The oscillator according to claim 1 or 2, wherein a resonance frequency of the temperature detecting vibrator is higher than a resonance frequency of the output vibrator.

The output vibrator, the temperature detection vibrator, the output oscillation circuit, the temperature detection oscillation circuit, the temperature compensation circuit, and the frequency variation unit are formed on the same substrate. The oscillator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that: