频率基准振荡器设备和稳定频率基准信号的方法
阅读：160发布：2020-05-08
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1.一种频率基准振荡器设备，包括
-第一振荡器，包括具有第一长期稳定性和第一频率-温度翻转温度的第一谐振器，所述第一振荡器能够提供第一频率信号，
-第二振荡器，包括具有逊于所述第一长期稳定性的第二长期稳定性和第二频率-温度翻转温度的第二谐振器，所述第二振荡器能够提供第二频率信号，
-恒温控制器，用于将所述第一谐振器的所述温度基本上调节到所述第一翻转温度并将所述第二谐振器的所述温度基本上调节到所述第二翻转温度，以及
-稳定性控制电路，被配置为使用所述第一频率信号来调节所述第二振荡器的所述频率，以提供温度稳定和长期稳定的输出频率信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述稳定性控制电路适于使用所述第一频率信号和利用所述第二频率信号的反馈回路来调节所述第二振荡器的所述频率，从而在所述第二振荡器的输出处获取稳定的所述输出频率信号和所述第二频率信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述稳定性控制电路在功能上独立于所述第一谐振器的所述温度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述恒温控制器在功能上独立于所述第一频率信号和所述第二频率信号。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述稳定性控制电路被配置为操作所述第一振荡器并间歇使用所述第一频率信号进行所述第二振荡器的所述调节。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一谐振器是简并掺杂的静电致动的单晶MEMS谐振器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第二谐振器是简并掺杂的压电致动复合的MEMS谐振器，诸如氮化铝薄膜致动的硅谐振器。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一振荡器和/或所述第二振荡器包括
-谐振器，包括平均掺杂浓度至少为9*1019cm-3的硅掺杂，
-致动器，用于将所述谐振器激发到具有特性频率-温度曲线的谐振模式，所述特性频率-温度曲线在85℃或更高的翻转温度处具有高温翻转点。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述谐振器的所述掺杂浓度至少为1.1*1020cm-3并且所述频率-温度曲线有两个翻转点，其中一个翻转点是所述高温翻转点，另一个翻转点可选择地是位于低于85℃的温度处的低温翻转点。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一翻转温度和所述第二翻转温度都是85℃或更高。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第二翻转温度与所述第一翻转温度相差很大，特别地，至少相差5℃。
12.根据权利要求1至8中的任一项所述的设备，其中所述第二翻转温度基本等于所述第一翻转温度，特别地，最多相差5℃，并且所述恒温控制器适于将所述第一谐振器和所述第二谐振器的所述温度基本上调节到相同的温度。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中当相应载波频率的所述频率偏移大于某一频率，诸如从所述相应载波频率偏移100Hz时，所述第二振荡器具有比所述第一振荡器更低的特性相位噪声。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一谐振器是适于以Lame模式振荡的板式谐振器或是适于以长度拉伸模式振荡的梁式谐振器。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一谐振器和/或所述第二谐振器是梁式元件或面内长宽比不同于1的板式元件，并且适于在方形拉伸/宽度拉伸、面内弯曲、面外弯曲或长度拉伸/Lamé模态分支中振荡。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一谐振器和/或所述第二谐
20 -3
振器是基于硅的谐振器，所述基于硅的谐振器被掺杂到平均浓度为1.1*10 cm 或更高，诸如1.3*1020cm-3或更高。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的振荡器，其中所述第二谐振器包括-具有n型掺杂浓度为1.3×1020cm-3或以上的硅基层，
-氮化铝换能器层和在所述基层顶部相互叠加的导电电极层，
并且其中所述谐振器的形状为板或梁，所述板或梁的几何形状使在所述谐振模式下的所述元件产生提供所述至少两个翻转点的基本为零的TCF1以及TCF2和TCF3特性。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述稳定性控制电路包括基于锁相环(PLL)的电路，诸如分数-N PLL电路或基于微控制器的电路。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述第一谐振器和所述第二谐振器是简并掺杂的适于在不同的谐振模式中谐振的硅谐振器。
20.一种稳定频率基准信号的方法，所述方法包括
-提供第一振荡器，所述第一振荡器包括具有第一长期稳定性和第一频率-温度翻转温度的第一谐振器，所述第一振荡器能够提供第一频率信号，
-提供第二振荡器，所述第二振荡器包括具有逊于所述第一长期稳定性的第二长期稳定性和第二频率-温度翻转温度的第二谐振器，所述第二振荡器能够提供第二频率信号，-使用恒温控制器，以将所述第一谐振器加热到所述第一翻转温度并将所述第二谐振器加热到所述第二翻转温度，
-使用所述第一频率信号来调节所述第二振荡器，以提供稳定的输出频率信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其中使用了根据权利要求1至19中的任一项所述的频率基准振荡器设备。
频率基准振荡器设备和稳定频率基准信号的方法
技术领域
背景技术
[0003] 若干尝试已经解决了将MEMS谐振器用作石英谐振器的备选、用作稳定的频率基准的问题。基于该方法实现实际的频率基准有两个主要的技术问题。第一，具有合适的谐振频率-温度特性的MEMS谐振器倾向于具有较低的功率处理能力。即使在适度的低的驱动水平下，MEMS谐振器也可能具有非线性的响应。这还意味着谐振频率的值很大程度上取决于驱动幅度。在另一方面，如Kaajakari V.等人在Journal of Microelectromechanical Systems 13第5期(2004年10月)：715-24所著的“Nonlinear Limits for Single-Crystal Silicon Microresonators”中所讨论的，达到良好的相位噪声要求足够高的驱动水平。因此同时实现稳定的输出频率和良好的相位噪声很困难。
[0004] 实现实际的基于MEMS的频率基准的另一个问题是要具有精确到百万分之几(ppm)的输出频率，因为MEMS谐振器的谐振频率中的变化可以轻易地达到1000ppm的量级。
[0005] 炉控石英和MEMS振荡器(OCXO和OCMO)的基本方法是在恒定的、较高的温度下操作其谐振器元件。选择该操作温度使得其能够为振荡器提供最大的稳定性。
[0006] US 7068125 B2,US 7427905 B2,US 7268646 B2公开了MEMS谐振器的各种实现方法，其通过使用在MEMS谐振器模具中形成的加热元件，在接近机械谐振结构的情况下在预定温度下被操作。
[0007] US 8669823 B1公开了一种侧面轮廓模式的炉控微电子机械系统(MEMS)谐振器和用于电子机械耦合的电极结构。尽管这种方法可以用于实现低功率温控振荡器，但是该方法在提供对环境温度变化和老化时的漂移不敏感的振荡器输出频率方面存在技术问题。
[0008] US 7248128 B2公开了一种MEMS基准振荡器，其包括一组MEMS谐振器和从该组谐振器选择所需的特性的电路。该方法中的一个缺点是其中的谐振器的谐振频率对于温度变化较敏感。为了补偿温度的影响，该文公开了一种涉及频率计的使用的方法，该频率计使用基准谐振器监测一个谐振器的频率，测量基准振荡器的温度，并在将振荡器的频率调节到所需的值时，考虑基准谐振器的温度。此外公开了一组具有不同谐振频率的多个谐振器的使用，其中一个谐振器由选择电路选择用于输出，以及涉及两个振荡器的频率求和的技术，其中一个振荡器是用于温度补偿目的可调低频振荡器，另一个振荡器是高频振荡器。
[0009] US 9191012 B2公开了另一种温度补偿的振荡器，包括一组MEMS谐振器，其中一个谐振器用于提供振荡器的输出频率，其中一个谐振器提供用于感测该组谐振器的温度的频率，以及加热设备、控制器和连接设备，基于两个谐振频率的差值通过控制加热器来提供温度不敏感的振荡器频率。US 2007/290763 A1公开了另一种方法，使用若干谐振器以提供具有温度补偿输出频率的振荡器。
[0010] 上述这些补偿方案具有相对较低的温度稳定性，因为它们依赖的谐振器，在-40…+85℃的标准温度范围内温度漂移通常几百或甚至几千ppm，甚至最好的也有几十ppm。除了各种补偿机制外，这一事实必然引起振荡器的输出频率的显著可变性。
[0011] 基于MEMS谐振器的高准确度、低温度漂移和时间稳定的频率基准的实现面临技术挑战，其不能基于上述公开而被解决。具体来说，为了使炉控MEMS振荡器(OCMO)能够广泛取代炉控石英振荡器(OCXO)作为频率基准，其稳定性还需要进一步提高。
发明内容
[0012] 本发明的目标是提供一种频率基准振荡器设备，其在稳定性，特别是长期的时间稳定性方面有提高。
[0013] 进一步的目标包括提供一种基于MEMS谐振器的、具有好的相位噪声性能和输出频率的准确定义的稳定的、温度不敏感的频率基准振荡器设备。
[0015] 根据第一方面，本发明提供了一种频率基准振荡器设备，包括
[0016] -第一振荡器，包括具有第一长期稳定性和第一频率-温度翻转温度的第一谐振器，该第一振荡器能够提供第一频率信号，
[0017] -第二振荡器，包括具有逊于第一长期稳定性的第二长期稳定性和第二频率-温度翻转温度的第二谐振器，该第二振荡器能够提供第二频率信号，
[0018] -恒温控制器，该恒温控制器用于将第一谐振器的温度基本上调节到所述第一翻转温度并将第二谐振器的温度基本上调节到所述第二翻转温度，以及
[0019] -稳定性控制电路，该稳定性控制电路被配置为使用第一频率信号来调节第二振荡器，以提供温度稳定和长期稳定的输出频率信号。
[0020] 根据本发明进一步的方面，提供了一种稳定频率基准信号的方法，该方法包括提供上述的第一和第二谐振器，使用恒温控制器来将第一谐振器加热到所述第一翻转温度，并将第二谐振器加热到第二翻转温度，以及使用第一频率信号来调节第二振荡器，以提供稳定的输出频率信号。
[0021] 本发明具有显著的优点。
[0022] 第一，提供了一种输出频率在时间上稳定且具有较低温度漂移的振荡器。提出的温度补偿不基于第一或第二谐振器的频率的测量，也不基于两个或更多谐振器的任何差频测量，从而不存在此类测量产生的误差。也就是说，在本设计中，第一谐振器的温度的恒温控制可以完全独立于第一和第二谐振器的频率。本文中时间稳定性包括长期稳定性和良好的回描特性。
[0023] 由于恒温控制，提出的振荡器还独立于环境温度。
[0024] 本发明允许将MEMS谐振器用作第一和第二谐振器。这意味着可以实现具有更小尺寸和更低功耗的振荡器。
[0025] 已经发现，可以通过本设计实现小于1ppm/年的长期稳定性。此外，所谓的振荡器的回描(即，如果20ppb或更小的频率，振荡器在断电一段时间后重复频率的效果如何)被发现可以实现。具体来说，这些数值通过将第一谐振器选择为例如静电致动的单晶MEMS谐振器而被实现，该谐振器被简并掺杂并且使用独立于第一和第二谐振器的频率的恒温器将第一谐振器加热到合适的温度，可以实现石英晶体量级的温度漂移和长期稳定，甚至更好。第一谐振器稳定了第二谐振器的操作，可以相对自由地选择。例如，第二谐振器可以是在振荡器的操作频率范围内具有低相位噪声特性的“快速”MEMS谐振器。具体来说，使用高掺杂压电致动谐振器作为第二谐振器在低噪声、高固有稳定性以及将谐振器的翻转点“推”到85℃以上的能力方面提供了优点。然而第二谐振器也有可能是石英谐振器。
[0027] 在一些实施例中，稳定性控制电路适于使用第一频率信号和利用第二频率信号的反馈回路来调节第二振荡器的频率。第一振荡器提供稳定的基本频率，而反馈回路允许频率变化的立即校正，这源于第二谐振器的特性和温度变化。因此，第二频率信号可以用作振荡器的稳定的输出信号。稳定性控制电路例如可以基于锁相环电路或微控制器。
[0028] 在一些实施例中，恒温控制器在功能上独立于第一和第二频率信号。也就是说，谐振器的温度不基于谐振器的输出频率的频率例如通过差分测量来确定或调节。相反，在谐振器附近可提供热敏电阻或类似的直接温度传感器。这允许振荡器输出频率的最大精度和最小漂移。
[0029] 在一些实施例中，稳定性控制电路在功能上独立于第一谐振器的温度。这意味着稳定性控制器不需要或不使用温度数据来基于第一振荡器输出执行其稳定第二谐振器的功能。换言之，稳定性控制电路“接受”第一频率信号作为诸如控制信号。
[0030] 在一些实施例中，稳定性控制电路被配置为操作第一谐振器并间歇使用第一频率信号进行第二谐振器的所述的调节。因此，第一振荡器不是一直打开的，只是在间隔打开，以便对第二振荡器进行校正调谐，随后关闭第一振荡器。这降低了设备的功耗。此外，第一谐振器的恒温加热可以与这些打开的期间同步以便进一步降低功耗。
[0031] 在一些实施例中，第一谐振器是简并掺杂的单晶MEMS谐振器，通常包括n型掺杂剂。具体来说，其可以是静电致动单晶硅谐振器。因此，第一振荡器可以包括简并掺杂单晶硅主体、与主体功能性耦合的静电换能电极以及与电极电连接的致动器，该致动器用于将所需的谐振模式激发到谐振器中。
[0032] 在一些实施例中，第二谐振器是简并掺杂的压电致动复合的MEMS谐振器。这种谐振器可以包括优选地具有1.3*1020cm-3或以上的n型掺杂剂浓度的硅主体、压电换能层(诸如主体上的氮化铝层)，以及压电层上的电极层。振荡器的致动器电连接到电极层和硅主体，以将所需的谐振模式激发到谐振器中。
[0033] 在一些实施例中，谐振器元件是板式元件，诸如平面内长宽比不同于1的矩形板式元件。
[0034] 在一些实施例中，第一振荡器、第二振荡器或者两个振荡器包括作为它们各自的谐振器的谐振器，谐振器包括平均掺杂浓度至少为9*1019cm-3的硅掺杂。此外，提供了致动器用于将谐振器激发为具有特性频率-温度曲线的谐振模式，该曲线在85℃或更高的翻转温度处具有高温翻转点。即已发现，硅谐振器的翻转点可以被“推”到足够高的温度，作为炉控温度以覆盖电子器件整个实际温度区域，同时使翻转点平坦，以提供在频率方面非常稳定的频率点。其关键是硅材料的超高掺杂浓度。下面将举例说明优选的材料、谐振器几何形状和谐振模式组合。具体来说，已经示出了频率-温度曲线在翻转点处的曲率的绝对值被变为20ppb/C2或更低，甚至是10ppb/C2或更低。这与传统的炉控谐振器形成了对比，在传统谐振器中曲率最好也只有在50ppb/C2的量级是平坦的，这比OCXO中使用的石英晶体要差10倍以上。该配置使曲率(并且因此使频率稳定性)接近石英性能。这降低了对炉温控制精度的要求。
[0035] 在进一步的实施例中，各个谐振器的掺杂浓度至少为1.1*1020cm-3并且频率-温度曲线有两个翻转点，其中一个翻转点是作为炉控点的高温翻转点。即已发现，一些先前被认为在相对较低的温度下具有频率-温度翻转点的谐振器，实际上在掺杂到这种水平时，会在较高的温度下呈现出另一个翻转点。重要的是，这另一个翻转点的曲率很低，这使其对于炉控是理想的，以稳定振荡器的输出频率。另一个翻转点还可以是高温点或者位于低于85℃的温度处的低温翻转点。
[0036] 在一些实施例中，第一和/或第二谐振器的谐振模式为方形拉伸/宽度拉伸模式分支(包括泛音)。在备选的实施例中，谐振模式是面内弯曲、面外弯曲或长度拉伸/Lamé模态分支(包括泛音)。这意味着在谐振器中产生的主要模式属于上述分支。
[0037] 通常，使用的谐振模式可以是拉伸模式，诸如宽度拉伸模式或方形拉伸模式、弯曲模式(诸如面内弯曲模式)、剪切模式、或具有这些模式的两种或多种的特性的模式。这些模式形状尤其被发现提供了所需的自由设计，特别是关于板的长宽比、板相对于硅晶体的角度，以及掺杂，以便能够在实践中实现具有所需特性的谐振器。
[0038] 上述谐振模式在与9*1019cm-3或更高(诸如1.1*1020cm-3或更高)的高硅掺杂水平结合时特别有益，因为其允许在炉控温度下实现频率-温度曲线的非常低的曲率。
[0039] 在一些实施例中，第一谐振器，通常还有第二谐振，具有85℃或更高的翻转温度。翻转温度可以被设置为相等，从而单个炉就足够，但它们也可以是不同的，从而此谐振器是分开炉热的。
[0040] 在一些实施例中，第二谐振器是复合的MEMS谐振器。例如其可以是氮化铝薄膜致动简并掺杂硅谐振器，其中硅晶体和AIN层，以及任何可选择的电极或其它层，形成复合。这种谐振器具有非常低的相位噪声、精确可调的中心频率和优越的频率稳定性特性。
[0041] 在一些实施例中，当各载波频率的频率偏移量大于某一频率，例如从各个载波频率偏移100Hz时，第二振荡器具有比第一振荡器更低的特性相位噪声。由于该配置，输出信号基本上具有第二振荡器的噪声特性和第一振荡器的稳定性特性。
[0042] 在一些实施例中，第二翻转温度与第一翻转温度相差很大，具体来说，至少相差5℃。谐振器可以放置在单个炉中，因此可以相对自由地选择两个谐振器的设计和最佳操作点。在备选的实施例中，谐振器被配置为使得第二翻转温度基本等于第一翻转温度，具体来说最多相差5℃，并且恒温控制器适于将第一和第二谐振器的温度调节到基本相同的温度。这样做的好处是谐振器可以放置在单个炉中。
附图说明
[0044] 图1示出了根据一个实施例的基于MEMS的频率基准振荡器的框图。
[0045] 图2A示出了根据一个实施例的具有分数-N PLL电路的基于MEMS的频率基准振荡器的框图，该电路用于稳定输出振荡器以防止长期老化。
[0046] 图2B示出了根据一个实施例的具有基于微控制器的频率计数器的基于MEMS的频率基准振荡器，该频率计数器用于稳定输出振荡器以防止长期老化。
[0047] 图3A示出了静电Lame模式MEMS谐振器的谐振频率的测量温度依赖关系图，其示出了高于85℃(TTO＝125℃)的翻转温度。
[0048] 图3B和图3C以俯视图和侧视图示出了适合作为第一谐振器的示例静电致动方板谐振器。
[0049] 图4A示出了耦合氮化铝薄膜的MEMS谐振器的谐振频率的测量温度依赖关系，其图示了高于85℃(TTO＝95℃)的翻转温度。
[0050] 图4B和图4C以俯视图和侧视图示出了适合作为第二谐振器的示例压电致动矩形板谐振器。
[0051] 图5示出了基于耦合AIN的MEMS谐振器的振荡器的测量相位噪声(与基于石英晶体的同一振荡器比较)。
[0052] 图6示出了基于静电Lame模式MEMS谐振器的振荡器的频率稳定性测量数据。
[0053] 图7示出了基于静电Lame模式MEMS谐振器的回描测量数据。
[0054] 图8A至图8C示出了MEMS谐振器的三个不同的频率-温度曲线的图，每个曲线都具有至少一个高温翻转点。
具体实施方式
[0055] 定义
[0056] 本文中“(频率基准)振荡器(设备)”是指整个设备，具体来说包括本文所述的第一和第二振荡器、恒温控制器和稳定性控制电路。
[0057] “第一/第二振荡器”是指包含在振荡器设备中的单独的子单元，包含单独的第一/第二谐振器和致动器。
[0058] 本文中“致动器”是指用于操作谐振器和感测谐振器的频率的必要的驱动和感应电路。
[0059] 本文中“谐振器(元件)”是指悬挂到支撑结构从而能够以谐振模式谐振的固态元件。具体来说谐振器可以是单晶谐振器或复合谐振器，复合谐振器包括例如具有不同材料组成的层，诸如例如压电致动所需的并悬挂于元件主体的层。
[0060] “长期稳定性”是指振荡器的输出频率随时间的变化。术语“老化”可以用作长期稳定性的同义词。感兴趣的时间的期间可以是一天、一个月、一年或几年，从而老化性能例如通常以ppb/天、ppb/月、ppb/年为单位，或者例如ppm/天、ppm/月、ppm/年。
[0061] “回描”表示振荡器在断电一段时间后重复频率的效果如何。回描通常以单位ppb或ppm来测量。
[0062] TCF1、TCF2和TCF3分别是指频率-温度曲线的一阶、二阶和三阶导数，通常在25℃的温度下评估。术语“斜率”和“曲率”在涉及翻转温度处的频率-温度曲线的一阶和二阶导数时被使用。
[0063] 这里“ppb”和“ppm”分别是指十亿分之一(10-9)或百万分之一(10-6)的相关单位。
[0064] “翻转点”是指特定谐振器的频率-温度曲线的局部极值。翻转温度(TTO)是翻转点的相应温度值。因此，在翻转温度处谐振器的频率-温度曲线的斜率为零，由此在翻转温度附近，温度的变化很少反映在谐振器的频率上。
[0066] 所选实施例的说明
[0067] 总体架构
[0068] 图1示出了基于MEMS谐振器的频率基准振荡器10在总体水平上的架构。第一振荡器11A和第二振荡器11B都功能性地连接到稳定性控制器电路20(“组合器”)。从第二振荡器11B的输出获取输出频率。稳定性控制电路的主要目的之一是将第二振荡器的长期稳定性提升到第一振荡器的稳定性水平。
[0069] 第一振荡器11A包含第一谐振器元件，第一谐振器元件被选为具有高的长期稳定性和TCF特性，其展示在振荡器的预期环境操作温度范围外的翻转温度TTO,1。第一振荡器，或者至少是其谐振器元件，与其周围环境热绝缘(图1中的虚线)，并使用恒温控制器110炉热到翻转温度TTO,1。然后，第一谐振器用合适的驱动电路进行激励，并且其谐振频率被感测并提供给稳定性控制电路。
[0070] 要注意的是恒温控制器110被布置为与第一和第二振荡器11A、11B的驱动电路和稳定性控制电路20分开操作。也就是说，它不使用振荡器11A、11B的任一频率来确定第一谐振器和可选择的第二谐振器的目标温度(如果炉热)。
[0071] 第一振荡器11A的长期稳定性优选为10ppb/天或更小，诸如5ppb或更小。这是可以实现的，例如使用炉热的简并掺杂的静电致动单晶MEMS谐振器。
[0072] 第一谐振器11A的谐振频率可以与所需的频率输出不同。
[0073] 从第二振荡器11B获取频率输出。稳定性控制电路使用第一振荡器11A的输出信号来控制第二振荡器11B的驱动电路以将第二振荡器11B的频率调至所需的值。温度不敏感的第一振荡器11A保持该值随时间变化而为最大的常量。
[0074] 第二振荡器11B也使用恒温控制器110进行热隔离和炉控。这提供了最大的热稳定性。
[0076] 在一个实施例中，包含在第二振荡器11B中的第二谐振器是简并掺杂的复合MEMS谐振器，该谐振器被炉控到其特定的翻转温度TTO,2。通常，TTO,2与TTO,1不同并且第二谐振器单独绝缘，即，谐振器位于分开的微型炉，以实现相互独立的目标温度。这也使得第二振荡器11B对温度不敏感，增加了整个振荡器的稳定性，并且允许使用具有更长的时间常数或调谐间隔的稳定性控制电路。
[0077] 第二谐振器可以是压电致动的，具体来说，可以是AIN耦合的复合谐振器。
[0078] 在一些实施例中，第二振荡器11B被选为具有比第一振荡器11A更低的相位噪声。这使得基准振荡器变得快速，即，缩短了对信号进行滤波或求平均值以确定输出频率所需的周期。AIN耦合的硅MEMS谐振器是这方面的一个研究热点。然而，当前，AIN耦合的MEMS谐振器的长期稳定性不如单晶静电致动的MEMS谐振器的长期稳定性好。然而，通过使用第一振荡器11A和稳定性控制电路20控制第二振荡器11B，可以实现具有最优属性的基于MEMS的基准振荡器。
[0079] 在一些实施例中，第一和/或第二振荡器11A、11B的驱动和传感电路(未示出)也由恒温控制加热到一个预定的恒温。这使振荡器11A、11B以及整个频率基准振荡器的输出频率的稳定性最大化。该用于驱动电路的加热炉不需要和第一和可选择的第二振荡器一样稳定。
[0080] 稳定性控制电路
[0081] 存在一些用于实现合适的稳定性控制电路的电路。图2A示出了电路采用分数-N锁相环(PLL)电路的频率基准。通过PLL电路，两个振荡器11A、11B的频率可以互锁。从第二振荡器11B到PLL电路的反馈回路被提供用于消除振荡器输出频率的长期老化。
[0082] 更详细地说，在分数-N PLL电路中，第一振荡器11A的频率信号被引导到第一相位检测器12A，其输出被连接到第一环路滤波器13A。滤波信号进一步被引导到压控振荡器(VCO)16，从压控振荡器16通过分数整数N N+1除法器17的内部反馈回路回到第一相位检测器12A上。模数控制17’被提供以控制除法器17。
[0083] VCO 16的输出通过一个整数M除法器18被引导到第二相位检测器12B，并且进一步被引导到第二环路滤波器13B，其被用作用于调谐第二振荡器11B频率的输入。第二振荡器11B的输出作为整个振荡器的频率输出。
[0084] 第二振荡器11B的长期老化由反馈回路最小化，该反馈回路将第二振荡器11B的输出连接回到第二相位检测器12B。然后，整个基准振荡器的长期稳定性由第一振荡器11A的稳定性确定。
[0085] 与传统分数-N PLL振荡器相比，图2A中所示的振荡器架构具有显著的优点。与这种振荡器相比，输出频率信号11B不受杂散噪声的影响并且相位噪声可以明显改善。
[0086] 关于长期稳定性，反馈回路通常可以非常慢，因为频率漂移是长期的现象。在短时间周期中，例如可用于第二振荡器11B的AIN耦合的MEMS谐振器的输出频率可以足够稳定。
[0087] 图2B示出了备选配置，其中基于微控制器单元的频率计数器14B和反馈回路用于稳定第二振荡器11B以防止长期老化。
[0088] 通过稳定性控制电路可以实现对第二振荡器11B的频率的调谐，例如通过为振荡器装载变抗器来产生“频率牵引”，类似于石英晶体产业中的做法，以及通过使用稳定性控制电路的反馈电压控制变抗器的电容。
[0089] 图2A和图2B中所示的架构的优点之一是不需要制造谐振频率在预定的窄频率范围内的第一谐振器11A。根据严格的频率规范的第二振荡器11B的制造至少在AIN耦合的MEMS谐振器的情况下显然更容易。
[0090] 如果第一振荡器11A和/或稳定性控制电路20、14A、14B只是间歇地打开以校准第二振荡器11B，那么可以降低基准振荡器的功耗。合适的打开间隔取决于两个振荡器11A和11B的频率漂移。目标是使校准足够频繁，使得第二振荡器11B的长期漂移可以降低到第一振荡器11A的低漂移水平。
[0091] 第一振荡器11A和稳定性控制电路20、14A、14B中大部分电路块以及恒温控制器110形成了频率校准器，该频率校准器用于校准第二振荡器11B频率，第二振荡器11B不如第一个振荡器11A稳定。校准的结果例如被存储在用于控制数模转换器的模拟电压的数字电路块中，该电压是确定第二振荡器11B的输出频率的调谐电压。
[0092] 在一些实施例中，打开的间隔是小时或天的数量级，诸如1小时至10天。打开的周期的持续时间例如可以是10秒至10分钟。
[0093] 在一些实施例中，第一振荡器和第二振荡器的频率由简单的等式f2＝(M/N)f1相互联系，其中M和N是整数。稳定性控制电路随后变为只有整数除法器的PLL电路。在最简单的情况下f2＝f1。在这种情况下本发明仍然保持基本的优点：整个频率基准振荡器的相位噪声由第二振荡器确定，同时长期稳定性由第一振荡器来确保。
[0094] 第一谐振器
[0095] 根据一个实施例，包含在第一振荡器11A中的第一谐振器是以Lame模式振荡的简并掺杂的静电致动的单晶MEMS板式谐振器或者是以LE(长度拉伸)模式振荡的梁式谐振器。通过适当地选择晶体的掺杂浓度和板式/梁式谐振器的主轴相对于晶体方向的方向，可以实现优选的高于85℃的翻转温度，诸如大于100℃。
[0096] 根据特定的示例，第一谐振器包括LE梁或Lame方形的n型谐振器，诸如4.1*1019cm-3或更高的磷掺杂剂浓度，和相对于[100]晶体方向0至45度的角度。
[0097] 可以用作第一谐振器的另一种MEMS谐振器几何形状可以是以宽度拉伸模式振荡的简并掺杂的静电致动的单晶MEMS板式谐振器。
[0098] 图3A示出了这种MEMS谐振器在高温下的谐振频率的测量温度依赖关系的示例。该曲线具有125℃的翻转点。谐振器所在的微型炉的温度被恒温控制器设置到该温度。因此温度的任何变化在谐振器的输出频率中引起最小的变化。
[0099] 图3B和图3C示出了示例方板谐振器板32，其在侧面安装有由间隙隔开的静电致动的电极34A、34B。对第一谐振器优选静电耦合，由于没有机械接触，因此谐振器的驱动或感应装置不会对晶体产生应力。通常，与机械耦合的谐振器相比较差的相位噪声在当前的配置中没有问题，因为振荡器的相位噪声是由第二谐振器的属性决定的。
[0100] 还存在其他的谐振器拓扑和谐振模式，可以用于实现具有合适的频率-温度特性的MEMS谐振器。
[0101] 在一些实施例中，第一谐振器是下面所述的与第二谐振器有关的那种谐振器，但是静电致动的以确保高稳定性(然而第二谐振器通常是压电致动的)。具体来说，第一谐振器可以掺杂到9*1019cm-3以上或1.1*1020cm-3以上以形成85℃以上的低曲率翻转点。
[0102] 图6示出了静电耦合的Lame模式的谐振器的频率测量和炉温(在120℃的翻转温度处恒定)。所示老化性能约为1ppb/天。图7示出了类似的谐振器的回描测量。所示回描性能约为20ppb。这些图表明当前工业适用性和良好的性能。
[0103] 第二谐振器
[0104] 根据一个实施例，包含在第二振荡器11B中的第二谐振器在其致动器和主谐振元件之间具有比第一谐振器更强的静电耦合，其中耦合优选地基于静电作用。这种方式，可以降低相位噪声。在实践中，当谐振器被用作振荡器的一部分时，在硅主体上叠加有薄膜致动器层的复合谐振器提供强耦合和低相位噪声。薄膜通常是压电AIN层，在其上有额外的电极层。硅主体可以作为另一个电极。
[0105] 图4A示出了从矩形板式谐振器测量的频率-温度曲线的示例。要注意的是本文所示的曲线具有两个翻转温度，一个位于大约40℃处并且一个位于大约95℃处。后者被选作目标炉温。
[0106] 图4B和图4C示出了示例矩形谐振器板42，其具有压电层44和叠加在其上的电极层42。该板具有垂直于长度的长/和宽w。在一些实施例中，在第二谐振器中还提供一个或多个附加的层。这种附加的层例如可以是一层钝化材料，当在其他层的上方处理时，其可以使底层材料化学失活。
[0107] 在制造过程中，可以采用类似于石英晶体谐振器产业实践的方法来调整AIN耦合MEMS谐振器的谐振频率。
[0108] 这样的压电致动讨论得更加广泛，例如在Jaakkola,A.等人在2008年IEEE Ultrasonics Symposium上所发表的“Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators”IUS 2008，717-20。
[0109] 谐振器例如可以是板形的，如矩形板或梁。板或梁的长度方向可以相对于硅材料的[100]晶体方向成0至45度的角度。这些几何参数，即长宽比和角度可以与材料参数和所使用的一个或多个模态分支一起调节，以产生高于85℃的翻转温度。
[0110] 该振荡器的设计和制造过程可以按任何相关顺序或在迭代过程中包括选择谐振器几何结构、选择包括掺杂硅的谐振器材料以及选择能够使谐振器以所选谐振模式振荡的致动装置的步骤。例如，可以先选择任意的谐振模式，这样就呈现出具有正TCF1的频率-温度曲线。在一个示例中，选择板形几何长度拉伸模式(第一阶或任何高阶LE模式)。接着，可以选择使TCF1为零或接近零的板材几何形状和/或板材材料(堆叠)。例如，可以选择板长宽比和/或相对于硅晶体的角度，和/或在硅板顶部的压电致动层的厚度。最后，选择使谐振器的二阶和三阶特性优于一阶特性的硅的掺杂浓度。具体来说，选择9*1019cm-3以上的浓度。
[0111] 然后，评估所选择的谐振器几何结构、谐振器材料、致动装置和谐振模式是否产生具有至少两个翻转点的频率-温度曲线，其中至少一个是在85℃或更高翻转温度处的高温翻转点。评估可以基于模拟或实验。在肯定的情况下，制作具有这种谐振器的振荡器，还向振荡器提供了恒温控制器，用于将谐振器元件的温度保持在高翻转温度处。
[0112] 在一些实施例中，选择谐振模式使得当板式谐振器的面内长宽比(即板式谐振器的长度与宽度之比)和/或其相对于硅材料的[100]晶体方向的角度变化时，谐振器的特性根据长宽比和/或角度而变化。感兴趣的特性例如是谐振频率和频率的温度系数，即TCF1、TCF2和高阶系数，以及用于激励和感测的换能器的机电耦合强度。在各种可能的长宽比或角度中，选择与其他设计参数一起产生高翻转温度的长宽比或角度。
[0113] 为了说明一些实际可行的示例，该谐振器可以是复合宽度拉伸/方形拉伸谐振器，其中长宽比或复合平面内弯曲/长度拉伸板式或梁式谐振器与其他参数一起选择，以产生高翻转温度。下面将更详细地讨论这些示例。
[0114] Jaakkola,Antti.于2016年在阿尔托大学的博士论文“Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications.”和US 2016/0099704大体上讨论了低于85℃的谐振器的二阶温度特性。当n型掺杂浓度大于1.1*1020cm-3时，硅谐振器的二阶温度系数TCF2可以在室温下达到正值。线性TCF(TCF1)和二阶温度系数TCF2可以在考虑掺杂水平和谐振器几何结构的某种配置下同时非常接近于零，并且当掺杂仍增加时，TCF2达到正值，这在-40…+85℃之间的频率-温度曲线中被看作是一个向上开口的抛物线。然而现在已经发现，在85℃以上的高温下，曲线偏离向上开口的抛物线并“向下弯曲”。换言之，频率-温度曲线并非完全由二阶多项式描述，而是具有相当大的三阶特性。如图4A所示，频率-温度曲线的这种三阶效应或“向下弯曲”导致85℃以上频率-温度曲线上出现低曲率局部最大值，使得谐振器适合于炉控，以使其频率稳定在各种电子产品的环境温度范围内。
[0115] 下文呈现了获取硅谐振器的具有两个翻转点的频率-温度特性曲线的示例性方法。因此，这些方法应用于具有平均掺杂浓度为1.1*1020cm-3或更高的谐振器，具体来说是1.3×1020cm-3或更高，并且这些谐振器可以或可能不具有诸如压电层和与压电致动有关的金属层之类的附加材料层。这些方法基于利用宽度拉伸/方形拉伸(WE/SE)和平面内弯曲(IFP1)、平面外弯曲(OPF1)或长度拉伸/Lame(LE/Lame)模态分支(如上述论文所述)的特性。
[0116] WE/SE分支：对于具有长度和宽度的板式谐振器，存在方形拉伸/宽度拉伸模式分支。通过将分支从长宽比1朝向更高的长宽比移动，可以找到TCF1接近于零的配置。根据本发明，使用该长宽比，不仅TCF1归零，而且剩余的(正)TCF2和(负)TCF3产生具有两个翻转温度的三阶频率-温度曲线，如图4A所示。
[0117] 图4A的示例是从通过上述方法创建的设备测量的。谐振器为SE-WE模态分支上的压电致动20MHz的谐振器，并且谐振器尺寸如下：复合谐振器由20微米厚的掺杂浓度大于1.3×1020cm-3的磷掺杂硅层和1微米厚的氮化铝层(AIN)组成，并以0.3微米的钼层为顶部电极。谐振器呈矩形，其宽度和长度分别为188和378微米。应该注意的是，通过缩放这种设计的平面内尺寸，并保持材料层厚度之间的比率恒定，可以产生任何频率的谐振器。
[0118] 已经发现，上述情况的压电致动的谐振器的最佳长宽比接近2(长比宽)。由于最佳长宽比取决于精确的掺杂浓度、谐振器的厚度以及可能添加的其他材料层，这些材料层增加了它们自身对TCF1的贡献，因此实际可用长宽比可能从2最大偏移为10％，通常最大偏移为5％。其他材料层对TCF2和TCF3的影响较小。通过实验测试具有不同长宽比、随小步变化的谐振器设计，或相应地通过模拟，可以找到每种情况下的最佳长宽比。
[0119] 对于使用静电致动的类似的谐振器(来自SE/WE模态分支)，作为压电致动的备选方案，除了硅之外不会有任何附加材料层，因此最佳长宽比将小于2，(即，介于1和2之间)。
[0120] 因此，在通常情况下，谐振器的长宽比与1不同。
[0121] 作为实验结果，图4A也证明了本发明用于工业的可行性。
[0122] 平面内弯曲(IFP1)、平面外弯曲(OPF1)或长度拉伸/Lamé(LE/Lamé)模态分支的特性可以以与上述WE/SE分支的特性类似的方式被利用。这里要改变的参数是梁式谐振器相对于[100]晶体方向的对准，而不是谐振器的长宽比。
[0123] 通过与[100]方向成角度对齐的情况下在IPF1、IPF2或LE模态分支上小步地移动，可以找到TCF1接近于零的配置。根据本发明，在该配置中，剩余的(正)TCF2和(负)TCF3引起具有两个翻转温度的三阶频率-温度曲线，如图4A所示。
[0124] 应该注意的是，谐振器的面内长宽比和角度对准方向二者都可以同时改变，以找到引起具有两个翻转温度的三阶频率-温度曲线的配置，与图4A所示的类似。
[0125] 梁的方向相对于[100]晶体方向的准确偏差取决于谐振器的厚度，以及可能添加的其他材料层，它们增加了其自身对TCF1的贡献。其他材料层对TCF2和TCF3的影响较小。
[0126] 综上所述，在一些实施例中，谐振器元件包括具有1.3×1020cm-3或以上的n型掺杂浓度的硅基层、氮化铝换能器层和彼此叠加的导电电极层。该元件的形状为板或梁，其几何形状产生基本为零的TCF1、正的TCF2和负的TCF3，将谐振器的频率-温度曲线的一个翻转点带到高温范围。
[0128] 准确的翻转温度可以根据需要通过设计和制造工艺进行调节。通常，通过在模态分支上移动，诸如在SE-WE模态分支上向更高的长宽比移动，可以使翻转温度更高。类似地，通过在平面内弯曲(IFP1)、平面外弯曲(OPF1)或向与[100]方向紧密对齐的长度拉伸/Lamé模态分支上移动，可以使翻转温度更高。此外，具有负TCF1的更薄附加材料层导致更高的翻转温度。这种层例如可以是压电层或顶部电极层。对于本振荡器的工业生产而言，调节翻转温度的可能性是有益的。
[0129] 取决于精确的设计选择，可以实现如图8A所示(掺杂浓度c＝9*1019-1.3*1020cm-3)的在频率-温度曲线中的单个高温转变点，可以实现如图8B所示的(c>1.1*1020cm-3)在频率-温度曲线中具有两个高温翻转点的曲线，或具可以实现如图8C所示(c>1.1*1020cm-3)的具有一个高温翻转点和一个低温翻转点的曲线。这些情况下的浓度限制是重叠的，因为例如，尽管频率-温度曲线的大多数特性由掺杂的硅属性决定，但是添加的材料层可以为频率-温度曲线带来它们自己的贡献。在每种情况下，可以在高温翻转点实现20ppb/C2的低曲率或更低的低曲率。
[0130] 谐振器板可以是复合结构，例如，包括第一层顶部的第二层、具有不同TCF特性的层。在一个实施例中，第一层结构和第二层结构的线性TCF具有相反的符号。
[0131] 图5示出了与传统石英晶体相比，使用宽度拉伸模式AIN致动的矩形板式谐振器的振荡器的测量相位噪声特性，证明了谐振器作为非常低噪声频率源的潜在可能性。
[0132] 恒温控制
[0133] 本文中的恒温控制器优选地包括加热器，诸如电阻加热器，其放置在温度要被稳定的谐振器附近。此外，还有温度传感器，诸如热敏电阻，以用于测量要进行温度调节的每个谐振器的温度，以及能够使用加热器将谐振器的温度设置为预定值的控制电路。
[0134] 温度传感器可以是单点或多点传感器，在这种情况下，可以从多个位置平均温度值。
[0135] 要进行恒温控制的每个谐振器被放置在微型炉中，这意味着热隔离空间包含上述加热器和传感器。在两个谐振器具有相同或基本相同的翻转温度的情况下，它们可以被放置在单个炉中，尽管通常需要单独的炉。
[0136] 如果需要，谐振器的驱动电路和/或热稳定性电路和/或甚至恒温控制电路可以放置在一个或多个炉中，该炉也可以与谐振器炉相同。这可以进一步提高振荡器的精度和稳定性。
[0137] 第一和第二谐振器可以包括单独的恒温控制单元或使用单个控制单元。这两个选项都包含在术语恒温控制器中。
[0138] 参考标号列表
[0139] 10 频率基准振荡器
[0140] 11A/11B 第一/第二谐振器
[0141] 12A/12B 第一/第二相位检测器
[0142] 13A/13B 第一/第二环路滤波器
[0143] 14A 基于PLL的稳定性控制电路
[0144] 14B 基于MCU的稳定性控制电路
[0145] 16 压控振荡器
[0146] 17 整数M除法器
[0147] 17’ 模数控制
[0148] 18 整数N N+1除法器
[0149] 19 频率输出
[0150] 20 稳定性控制电路
[0151] 34A/34B 静电致动电极
[0152] 42 矩形板式谐振器
[0153] 44 压电薄膜
[0154] 46 电极
[0155] 引用列表
[0156] 专利文献
[0157] US 7068125 B2
[0158] US 7427905 B2
[0159] US 7268646 B2
[0160] US 8669823 B1
[0161] US 9191012 B2
[0162] US 7248128 B2
[0163] US 2016/0099704 A1
[0164] 非专利文献
[0165] Kaajakari,V.,T.等《，单晶硅微谐振器的非线性极限》(““Nonlinear Limits for Single-Crystal Silicon Microresonators”)，微电子机械系统期刊，第13卷，第五期(2004年10月)：715–24.doi:10.1109/JMEMS.2004.835771Jaakkola,A.等，《压电换能的单晶硅板式谐振器》(“Piezoelectrically Transduced Single-Crystal-Silicon Plate Resonators”)，2008年IEEE超声学研讨会.IUS 2008,717–20,2008.
[0166] Jaakkola,Antti《. 用于定时和频率参考应用的压电换能器温度补偿硅谐振器》(“Piezoelectrically Transduced Temperature Compensated Silicon Resonators for Timing and Frequency Reference Applications”)，博士论文,阿尔托大学,2016。
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