Система отсчета времени, содержащая интегрированный микромеханический кольцевой резонатор
Система отсчета времени содержит резонатор и электронную схему для возбуждения колебаний резонатора и для создания сигнала, имеющего заданную частоту. Резонатор является интегрированным микромеханическим кольцевым резонатором, опирающимся на подложку. Резонатор выполнен с возможностью колебаний вокруг оси вращения, перпендикулярной подложке. Резонатор содержит центральную стойку, проходящую от подложки вдоль оси вращения, и свободностоящую колебательную структуру. Колебательная структура включает наружное кольцо, соосное с осью вращения, и множество пружинных элементов, расположенных симметрично вокруг центральной стойки и соединяющих наружное кольцо с центральной стойкой. Конструкция имеет высокую добротность и подходит для применения в часовом деле, где существенным является стабильность частоты и низкое потребление энергии. 2 н. и 24 з. п. ф-лы, 12 ил., 1 табл.
Данное изобретение относится к системе отсчета времени, т.е. к устройству, содержащему резонатор и интегральную электронную схему для возбуждения колебаний резонатора и создания в соответствии с этими колебаниями сигнала, имеющего заданную частоту.
Системы отсчета времени или эталоны частоты необходимы в различных электронных устройствах, начиная с наручных часов и других хронометров и заканчивая сложными телекоммуникационными устройствами. Такие системы отсчета времени обычно содержат генератор, включающий кварцевый резонатор и электронную схему для приведения резонатора в колебательное состояние. Может использоваться дополнительная делительная цепь для деления частоты сигнала, образованного генератором, для получения более низкой частоты. Другие части схемы могут служить для регулирования частоты, например, путем регулирования степени деления делительной цепи. Компоненты электронной схемы предпочтительно интегрируются на одной полупроводниковой подложке с использованием КМОП-технологии (комплементарные маталлооксидные полупроводники). На той же подложке могут быть интегрированы другие компоненты, выполняющие функции, не относящиеся непосредственно к обработке частоты.
Преимуществами кварцевых резонаторов являются их высокая добротность Q, обеспечивающая хорошую стабильность частоты и низкое потребление энергии, а также их хорошая температурная стабильность. Однако недостатки обычных систем отсчета времени, использующих кварцевые резонаторы, обуславливаются тем фактом, что необходимы два компонента, а именно кварцевый резонатор и интегральная электронная схема для обеспечения высокой точности частоты. Для отдельного кварцевого резонатора необходимо место на плате, которое во многих случаях является ограниченным. Например, стандартный кварцевый резонатор для применения в ручных часах требует пространство порядка 2×2×6 мм3. Кроме того, дополнительные расходы возникают при сборке и соединении двух компонентов. Однако пространство и стоимость сборки являются главными факторами, особенно в области переносных электронных устройств.
Таким образом, принципиальной целью данного изобретения является обеспечение решения указанных выше проблем путем создания системы отсчета времени, содержащей интегрированный резонатор.
Другой целью данного изобретения является создание системы отсчета времени, которую можно полностью интегрировать на единственной подложке, которая подходит для массового производства и которая совместима с КМОП-технологией.
Еще одной целью данного изобретения является создание системы отсчета времени, содержащей резонатор, имеющий улучшенную добротность Q и поэтому более высокую стабильность частоты и низкое потребление энергии.
Еще одной целью данного изобретения является создание такой системы отсчета времени, которая имеет низкую стоимость и требует лишь очень небольшой площади поверхности на полупроводниковом кристалле.
В соответствии с этим создана система отсчета времени, содержащая резонатор и интегральную электронную схему для приведения резонатора в колебательное состояние и для создания в соответствии с указанными колебаниями сигнала, имеющего заданную частоту, характеризующаяся тем, что указанный резонатор является интегрированным микромеханическим кольцевым резонатором, установленным на подложку и выполненным с возможностью колебаний согласно первому виду колебаний вокруг оси вращения, по существу перпендикулярной указанной подложке, при этом указанный кольцевой резонатор содержит:
- центральную стойку, проходящую от указанной подложки вдоль указанной оси вращения;
- свободностоящую колебательную структуру, соединенную с центральной стойкой и включающую:
- наружное кольцо, соосное с указанной осью вращения; и
множество пружинных элементов, расположенных симметрично вокруг центральной стойки и соединяющих наружное кольцо с центральной стойкой; и
по меньшей мере, одну пару диаметрально противоположных электродных структур, расположенных вокруг наружного кольца и соединенных с интегральной электронной схемой.
Преимущество системы отсчета времени согласно данному изобретению состоит в том, что микромеханический кольцевой резонатор имеет высокую добротность Q. Были измерены величины добротности вплоть до 2×105. Для сравнения, кварцевые резонаторы камертонного типа имеют обычно величину добротности от 5×104 до 1×105 после лазерной чистовой обработки боковых сторон пьезоэлемента. Различные признаки конструкции, способствующие получению высокой добротности Q, являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения и будут подробно описаны ниже.
Дополнительно к этому для заданной резонансной частоты площадь поверхности, необходимая на подложке для образования кольцевого резонатора, является небольшой по сравнению с другими резонаторами.
Согласно одному аспекту изобретения электронная схема предпочтительно интегрирована на подложке вместе с микромеханическим кольцевым резонатором, что обеспечивает получение системы отсчета времени с низкой стоимостью. Низкая стоимость обеспечивается также за счет пакетирования резонатора на уровне пластины с использованием технологии сращивания пластин.
Необходимо отметить, что кольцевые резонаторы, имеющие аналогичные признаки, применяются в таких датчиках, как датчики угловой скорости, акселерометры и гироскопы. Например, в патенте США №5 450 751, выданном Putty и др., и в патенте США №5 547 093, выданном Sparks, раскрыт микромеханический кольцевой резонатор для вибрационного гироскопа, содержащий кольцо с металлизированным гальваническим покрытием и пружинную систему, опирающуюся на кремниевую подложку. В патенте США №5 872 313, выданном Zarabadi и др., раскрыт вариант указанного датчика, который выполнен с возможностью обеспечения минимальной чувствительности к изменениям температуры. В патенте США №5 025 346 также раскрыт кольцевой резонатор для использования в качестве микродатчика в гироскопе или в датчике угловой скорости.
Ни в одном из этих документов не указывается и не упоминается использование такого типа кольцевого резонатора в колебательном контуре в качестве эталона частоты или системы отсчета времени. Кроме того, многие признаки конструкции (например, форма и количество пружинных элементов) кольцевых резонаторов, раскрытых в этих документах, таковы, что они не подходят для применения в часовом деле, где существенными являются стабильность частоты и низкое потребление энергии. Например, резонансные структуры, раскрытые в патенте США № 5 025 346, имеют добротность в диапазоне от 20 до 140, что слишком мало для использования в высокоточной системе отсчета времени при применении в часах, в то время как кварцевые резонаторы, используемые в часах, имеют добротность порядка 1×104-1×105.
Согласно данному изобретению раскрыты различные признаки конструкции, которые обеспечивают высокую добротность, высокую стабильность частоты колебаний при изменении амплитуды питающего напряжения и изменении допусков в процессе изготовления. Действительно, одной из главных причин применения в качестве генератора является высокая добротность. Высокая добротность Q обеспечивает стабильные колебания с низким фазовым шумом и низким потреблением энергии, что необходимо при применении в часовом деле.
Согласно другому аспекту данного изобретения предложены различные механизмы для существенной компенсации воздействия температуры на резонансную частоту кольцевого резонатора.
Согласно другому аспекту данного изобретения на подложку можно дополнительно интегрировать схему измерения температуры с целью компенсации воздействия температуры на частоту сигнала, создаваемого системой отсчета времени. Такую компенсацию температурного воздействия на резонатор можно легко осуществить, поскольку кольцевой резонатор согласно данному изобретению обеспечивает по существу линейные температурные характеристики.
Согласно еще одному аспекту данного изобретения на подложке можно образовать второй микромеханический кольцевой резонатор с целью обеспечения температурной компенсации. Согласно другому аспекту данного изобретения температурная компенсация обеспечивается также при использовании одного микромеханического кольцевого резонатора, который работает одновременно в двух режимах колебаний, имеющих разные резонансные частоты.
Другие аспекты, признаки и преимущества данного изобретения следуют из приведенного ниже подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает систему отсчета времени согласно первому варианту выполнения данного изобретения, содержащую микромеханический кольцевой резонатор и интегральную электронную схему, на виде сверху;
фиг.2 - центральную стойку микромеханического кольцевого резонатора и ее соединения с пружинными элементами;
фиг.3 - часть наружного кольца с его соединениями с пружинными элементами;
фиг.4 - разрез микромеханического кольцевого резонатора по линии А-А' на фиг.1;
фиг.5 - идеализированный прямой пружинный элемент с частью наружного кольца;
фиг.6 - систему отсчета времени согласно второму варианту выполнения данного изобретения, на виде сверху;
фиг.7а - 7с - три разные конструкции, предназначенные для предотвращения заклинивания кольцевого резонатора на электродных структурах;
фиг.8 - улучшенный первый вариант выполнения изобретения, показанный на фиг.1, на виде сверху;
фиг.9 - разрез по линии А-А' на фиг.8;
фиг.10а и 10b - два варианта механизма для изменения момента инерции кольцевого резонатора в зависимости от температуры с целью существенной компенсации воздействия температуры на резонансную частоту кольцевого резонатора;
фиг.11а и 11b - резонатор в режиме выполнения наклонных колебаний соответственно на виде сверху и в разрезе; и
фиг.12 а и 12b - резонатор в режиме выполнения вертикальных колебаний перпендикулярно плоскости подложки соответственно на виде сверху и в разрезе.
На фиг.1 схематично показана на виде сверху система отсчета времени согласно первому варианту выполнения данного изобретения, обозначенная в целом позицией 1, содержащая резонатор 4 и интегральную электронную схему 3 для приведения резонатора в колебательное состояние и создания в соответствии с этими колебаниями сигнала, имеющего заданную частоту. На фиг.4 показан резонатор 4 в разрезе по линии А-А' на фиг.1.
Интегральная электронная схема 3 не показана подробно, поскольку эта схема может быть легко сконструирована специалистами в данной области техники. Как интегральная электронная схема 3, так и резонатор 4 реализованы и интегрированы на одной подложке 2, как показано на фиг.1. Предпочтительным материалом подложки является кремний, однако можно использовать также другие материалы, известные для специалистов в данной области техники, для реализации системы отсчета времени согласно данному изобретению.
Согласно данному изобретению резонатор 4 реализован в виде монолитного микромеханического резонаторного кольца, называемого впоследствии микромеханическим кольцевым резонатором, который по существу опирается на подложку 2 и выполнен с возможностью колебания вокруг оси О вращения, по существу перпендикулярной подложке 2. Кольцевой резонатор 4 содержит по существу центральную стойку 5, проходящую из подложки 2 вдоль оси О вращения, и свободностоящую колебательную структуру, обозначенную в целом позицией 6, соединенную с центральной стойкой 5.
Свободностоящая колебательная структура 6 включает наружное кольцо, соосное с осью О вращения, и множество пружинных элементов 62, расположенных симметрично вокруг центральной стойки 5 и соединяющих наружное кольцо 60 с центральной стойкой 5. Пружинные элементы 62 выполнены по существу в виде изогнутых штыревых пружинных элементов. Можно видеть, что центральная стойка 5 образует единственное механическое соединение кольцевого резонатора 4 с подложкой 2 и что колебания резонатора происходят в плоскости, по существу параллельной поверхности подложки 2.
Кольцевой резонатор 4 согласно данному изобретению дополнительно содержит пару диаметрально противоположных электродных структур, окружающих наружное кольцо 60 и обозначенных позицией 9 на фиг.1. Согласно первому варианту выполнения на наружном кольце 60 свободностоящей колебательной структуры 6 предусмотрены гребенчатые элементы 8. Эти гребенчатые элементы 8 образуют часть электродной структуры кольца и каждый из них включает основной элемент 80, проходящий радиально из наружного кольца 60, и первый и второй боковые элементы, обозначенные соответственно позициями 82 и 84, которые проходят по существу перпендикулярно из обеих сторон основного элемента 80.
Электродные структуры 9 содержат первую и вторую гребенчатую электродные структуры 91 и 93, окружающие наружное кольцо 60 так, что они входят в ответные гребенчатые элементы 8 свободностоящих колебательных структур. А именно, согласно варианту выполнения изобретения первая гребенчатая электродная структура 91 включает первые электроды 92, выполненные по форме гребенчатого элемента 8, при этом первые электроды 92 находятся между первыми боковыми элементами 82. Аналогичным образом вторая гребенчатая электродная структура 93 (расположенная противоположно первой гребенчатой электродной структуре 91) включает вторые электроды 94, выполненные по форме гребенчатого элемента 8, так что вторые электроды 94 находятся между вторыми боковыми элементами 84. Как показано на фиг.1, боковые элементы 82, 84 и электроды 92, 94 первой и второй гребенчатых структур 91, 93 предпочтительно выполнены так, что они имеют форму дуги окружности, концентричной наружному кольцу 60.
В этом варианте выполнения первые гребенчатые электродные структуры 91 служат для электростатического приведения кольцевого резонатора 4 в колебательное состояние, а вторые гребенчатые электродные структуры 93, которые расположены на другой стороне основных элементов 80, служат для емкостного восприятия колебаний резонатора. Первые электродные структуры 91, окружающие резонатор 4, соединены вместе через первый проводник 11, образованный на подложке 2, и аналогичным образом вторые электродные структуры 93 соединены вместе через второй проводник 12, образованный на подложке 2. Эти проводники 11, 12, а также третий проводник 13, обеспечивающий электрический контакт с кольцом через центральную стойку 5, соединены с соответствующими контактами электронной схемы 3.
На фиг.4 показан кольцевой резонатор 4 в разрезе по линии А-А' на фиг.1. Толщина и другие размеры показаны не в масштабе. При этом резонатор (4) включает подложку 2, центральную стойку 5, расположенную вдоль оси О вращения кольцевого резонатора, свободностоящую колебательную структуру 6, включая наружное кольцо 60 и пружинные элементы 62, боковые элементы 82 гребенчатых элементов 8, электроды 92 первых гребенчатых электродных структур 91, первый и второй проводники 11, 12, которые соединяют соответственно электродные структуры 91 и 93, окружающие наружное кольцо 60. Кроме того, на фиг.4 показан первый изоляционный слой 20, такой как слой оксида кремния, образованный над поверхностью подложки 2 ниже кольцевого резонатора 4 и на котором сформированы первый и второй проводники 11, 12. Второй изоляционный слой 21, такой как другой слой оксида или слой нитрида кремния, образован над первым слоем 20 под кольцевым резонатором.
Резонаторная кольцевая структура предпочтительно изготовлена с помощью технологии микрообработки поверхности кремния, которая известна для специалистов в данной области техники и поэтому ее описание не приводится. В одной из этих технологий используется поликремневый слой, нанесенный сверх так называемого "расходуемого" слоя, с целью образования свободностоящих структур резонатора. В другой технологии используется заглубленный слой оксида, такой, например, как пластина типа "кремний на изоляторе" (SOI), в качестве расходуемого слоя, и в результате получают свободностоящую структуру, выполненную из монокристаллического кремния. Однако можно также использовать другие материалы и технологии обработки для реализации микромеханического кольцевого резонатора согласно данному изобретению.
Одним из основных факторов применения в качестве системы отсчета времени или эталона частоты является высокая добротность Q резонатора. Высокая добротность Q обеспечивает стабильные колебания с низким фазовым шумом и низким потреблением энергии, что необходимо для применения в часовом деле. Добротность Q микромеханического кольцевого резонатора согласно данному изобретению является очень высокой благодаря нескольким преимущественным признакам конструкции, описание которых будет приведено ниже. Как указывалось выше, для этих структур были измерены добротности вплоть до 2×105. Для сравнения, кварцевые резонаторы камертонного типа обычно имеют величину добротности от 5×104 до 1×105 после лазерной тонкой обработки боковых сторон пьезоэлемента.
Форма пружинных элементов 62, соединяющих наружное кольцо 60 с центральной стойкой 5, оптимизирована так, чтобы обеспечить высокую добротность Q. В противоположность прямым пружинным элементам в данном случае напряжения равномерно распределены вдоль изогнутой линии пружинного элемента. Форма изгиба такова, что потери энергии за период колебаний являются минимальными.
Дополнительно к этому соединения 63 пружинных элементов 62 с центральной стойкой 5 являются по существу перпендикулярными, как показано на фиг.2. На соединениях 63 предусмотрены закругления 63а. Эти закругления 63а предотвращают возникновение местных напряжений во время колебаний, что способствует высокой добротности Q, поскольку по существу не происходит рассеяния энергии в центральной стойке 5 во время колебаний. Кроме того, в центральной стойке 5 по существу не возникает напряжений, что опять способствует высокой добротности Q. На фиг.3 показано соединение 64 пружинного элемента 62 с наружным кольцом 60. В данном случае также предпочтительными являются по существу перпендикулярные соединения 64 и закругления 64а.
Предпочтительно использовать больше трех пружинных элементов 62, минимально необходимых для правильной опоры, что повышает добротность Q. Вследствие того, что небольшие геометрические вариации (например, в результате пространственных флюктуаций при обработке), а также неоднородности материала усредняются в множестве пружинных элементов, добротность Q увеличивается с увеличением числа пружинных элементов. Верхний предел задается геометрическими ограничениями, обусловленными техническими условиями микроструктурного процесса. Поэтому число пружинных элементов составляет от четырех до пятидесяти и предпочтительно равно двадцати.
Другим фактором, способствующим высокой добротности Q кольцевого резонатора, является симметричность вращения структуры, когда центр тяжести всей структуры остается неподвижным. За счет этого по существу устраняются нелинейные эффекты, присутствующие в большинстве других конструкций резонаторов.
Резонансную частоту кольцевого резонатора можно регулировать в широком диапазоне путем изменения геометрических размеров устройства. Кольцевой резонатор можно рассматривать как множество пружинных элементов, соединенных с сегментом наружного кольца. В качестве приближения нулевого порядка и для получения приближенного алгебраического выражения резонансной частоты можно рассматривать случай прямого пружинного элемента 22 с сегментом 27 наружного кольца 60, как показано на фиг.5. Резонансная частота fr этой структуры выражается формулой:
где J=dw3/12 является моментом инерции структуры, Е обозначает модуль упругости, d, w и l - толщину, ширину и длину прямого пружинного элемента 22 соответственно, и mr, ms являются массами кольцевого сегмента 27 и пружинного элемента 22 соответственно. Из приведенной выше формулы следует, что резонансную частоту можно изменять путем изменения ширины и/или длины пружинных элементов или путем изменения массы наружного кольца (включая массу гребенчатых элементов 8) снова через изменение его геометрических размеров. Масштабирование всей структуры дополнительно расширяет доступный диапазон частот.
Для массового производства таких кольцевых резонаторов важно удерживать резонансную частоту чипов в пределах небольших допусков. Отклонения резонансной частоты из-за небольшого изменения параметров процесса можно значительно сократить за счет повышения точности размеров кольца и пружин. Это можно показать на примере, представленном на фиг.5. Резонансная частота будет меньше предусмотренной частоты, если ширина пружинных элементов 22, обозначенная позицией 26, после обработки будет меньше, например, из-за избыточного травления, чем желаемая ширина 25. Однако, если учесть, что одновременно уменьшается масса кольца 60 (так же, как масса основных элементов 80 и боковых элементов 83, 84) из-за того же избыточного травления, то уменьшение резонансной частоты будет компенсироваться за счет уменьшения массы. Отверстия в кольце и в пластинах (не изображены на фигурах), которые могут быть необходимы для обработки структуры, способствуют этому эффекту.
Площадь поверхности, необходимая для микромеханического кольцевого резонатора, согласно данному изобретению является очень небольшой относительно получаемой резонансной частоты. Например, для кольцевого резонатора согласно данному изобретению, рассчитанному на довольно низкую частоту 32 кГц, необходима поверхность значительно меньше 1 мм2. Для получения такой низкой частоты для обычных структур необходимы относительно большие размеры структуры. Для заданных геометрических форм размеры и частота находятся в обратной зависимости, т.е. чем больше геометрические размеры, тем меньше частота. Для сравнения, в ЕР 0 795 953 описан кремниевый резонатор, для которого необходима поверхность около 1,9 мм2 для более высокой частоты 1 МГц. Очевидно, что площадь поверхности подложки, необходимая для резонатора, прямо пропорциональна цене интегрированной системы отсчета времени.
Резонансная частота кольцевого резонатора в диапазоне температур от 0 до 60°С является, с хорошим приближением, линейной функцией температуры. При резонансной частоте 45 кГц было установлено, что температурный коэффициент резонансной частоты составляет порядка - 25 млн-1/°C. Таким образом, желательно включить в ту же подложку 2 схему измерения температуры, выходной сигнал которой можно использовать для компенсирования изменений частоты посредством адекватного регулирования частоты сигнала, создаваемого системой отсчета времени.
С этой целью система отсчета времени согласно данному изобретению может предпочтительно содержать интегрированную схему измерения температуры (не изображена). Пример такой интегрированной схемы измерения температуры описан в статье Р. Krumenacher и Н. Oquey "Интеллектуальные датчики температуры в технологии КМОП" в "Sensors and Actuators", A21-A23 (1990), страницы 636-638. В этом случае температурная компенсация обеспечивается за счет изменения коэффициента деления делительной цепи, например, с использованием техники запрещения, хорошо известной для специалистов в данной области техники.
В качестве альтернативного решения можно на одном кристалле интегрировать два кольцевых резонатора с разными резонансными частотами, при этом такая система позволяет точно определять температуру кристалла посредством измерения разности частот двух резонаторов (оба кольцевых резонатора имеют одинаковый температурный коэффициент, поскольку они изготовлены из одного и того же материала).
Использование интегрированных систем отсчета времени согласно данному изобретению обеспечивает двойное преимущество: во-первых, зависимость от температуры кольцевого резонатора является линейной, что облегчает обработку электронных сигналов, необходимую для компенсации влияния температуры. Во-вторых, и что более важно, небольшой размер и монолитная интеграция кольцевого резонатора обеспечивает создание второго резонатора со слегка увеличенным размером кристалла и без дополнительных внешних соединений.
В качестве альтернативного решения согласно особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения можно использовать единственный кольцевой резонатор, который работает одновременно в двух режимах колебаний. В первом из этих режимов выполняются описанные выше вращательные колебания. Во втором режиме выполняются наклонные колебания, при этом свободностоящая структура 6 выполняет наклонные колебания относительно плоскости подложки. Эти наклонные колебания можно возбуждать электростатически и воспринимать емкостным образом за счет использования дополнительных электродов на подложке под кольцом. Выбираются два режима колебаний с разными частотами, так что температурная компенсация обеспечивается посредством измерения разницы частот. Схематическая иллюстрация указанного типа наклонных колебаний показана на фиг.11а и 11b. Как показано на этих фигурах, два комплекта электродов 100 и 120 (в данном случае использованы четыре электрода), имеющих по существу форму дуги окружности, расположены на подложке под кольцом 60, так что первый комплект электродов 100 возбуждает наклонные колебания структуры 6, а второй комплект электродов 120 воспринимает наклонные колебания. Комплект возбуждающих электродов 120 расположен на противоположных сторонах структуры 6 относительно центральной стойки 5 (соответственно на левой и правой сторонах на фиг.11а).
Во втором режиме колебаний могут осуществляться вертикальные колебания, при этом свободностоящая структура 6 выполняет вертикальные колебания перпендикулярно плоскости подложки, т.е. свободностоящая структура 6 колеблется в направлении, параллельном оси О вращения. Схематичная иллюстрация указанного выше перпендикулярного типа колебаний показана на фиг.12а и 12b. Как показано на этих фигурах, два комплекта электродов 130 и 150 расположены на подложке под кольцом 60, так что первый комплект электродов 130 возбуждает колебания структуры 6, перпендикулярные плоскости подложки, а второй комплект электродов 150 воспринимает эти колебания. В противоположность наклонному виду комплекты возбуждающих и воспринимающих электродов 130, 150 расположены симметрично вокруг центральной стойки 5, т.е. каждый из комплектов электродов содержит диаметрально противоположные электроды.
Как указывалось выше, гребенчатые электродные структуры 91, показанные в варианте выполнения на фиг.1, служат для электростатического приведения кольцевого резонатора в колебательное состояние, а противоположные гребенчатые электродные структуры 93 служат для емкостного восприятия механических колебаний. Сигнал переменного напряжения подается на электродную структуру 91, в результате чего электростатические силы воздействуют на кольцо и приводят его в колебания, которые, в свою очередь, наводят переменный сигнал в противоположном комплекте электродных структур 93, когда резонатор работает. Следует понимать, что электродные структуры 91 и 93 являются взаимозаменяемыми.
Поскольку имеется параболическая зависимость между напряжением, приложенным к электродам, и силой, воздействующей на кольцо, то желательно добавлять постоянное напряжение к переменному напряжению для получения по существу линейной зависимости между силой и напряжением. Как показано схематично на фиг.1, имеется три сигнальных линии или проводника 11-13, которые соответственно соединены с электродными структурами 91, электродными структурами 93 и центральной стойкой 5. Эти линии служат для возбуждения колебаний кольцевого резонатора и для восприятия этих колебаний с помощью соответствующих электродных структур.
Согласно первому варианту выполнения проводник 13 можно использовать для приложения постоянного напряжения к кольцевому резонатору через центральную стойку 5, в то время как переменное напряжение прикладывается к электродным структурам 91 через проводник 11, при этом проводник 12 используется для восприятия полученного сигнала. Согласно второму варианту выполнения переменное напряжение возбуждения и постоянное напряжение можно подавать с наложением друг на друга на электродные структуры 91 через проводник 11, в то время как кольцевой резонатор находится под постоянным потенциалом, например он заземлен через проводник 13. В этом случае проводник 12 используется для восприятия сигнала. Понятно, что электродные структуры 91 и 93 являются взаимозаменяемыми и что в качестве альтернативного решения электродные структуры 93 можно использовать для возбуждения, в то время как электродные структуры 91 используются для восприятия.
В качестве альтернативного решения восприятие можно осуществлять посредством измерения изменения полного сопротивления при резонансе. Как показано на фиг.6, такое решение требует наличия только двух проводников 11 и 13 и одной электродной структуры 9*, содержащей единственный комплект гребенчатых электродных структур 91, соединенных с проводником 11 (при этом гребенчатые элементы 8* также модифицируются соответствующим образом и содержат только первые боковые элементы 82). Согласно первому варианту выполнения переменное напряжение возбуждения подается через проводник 11 на единственный комплект электродных структур 91, а постоянное напряжение подается на кольцо через проводник 13. Согласно другому варианту выполнения сумма переменного и постоянного напряжений возбуждения подается на электродные структуры 91 через проводник 11, при этом на кольцо в данном случае прикладывается постоянный потенциал через проводник 13, например, посредством заземления.
Вариант с двумя проводниками имеет два преимущества, а именно (i) уменьшение диаметра всей структуры, поскольку второй проводник и второй комплект электродных структур, окружающих кольцо, больше не требуются, и (ii) возможность обеспечения большего количества гребенчатых электродных структур 91 по периферии наружного кольца 60, что приводит к увеличению сигнала.
Различные режимы работы кольцевого резонатора сведены в следующую таблицу. Можно видеть, что в любом из указанных вариантов выполнения сигналы, прикладываемые к возбуждающим электродам и к кольцу, а именно переменное напряжение возбуждения и постоянное напряжение являются полностью взаимозаменяемыми.
| Электроды 91 | Кольцо | Электроды 93 | Примечания | |
| 3 проводника | Переменное | Постоянное | Восприятие | Электроды 91 и 93 являются взаимозаменяемыми |
| Переменное + постоянное | Пост. потенциал, например заземление | Восприятие | ||
| Постоянное | Переменное | Восприятие | ||
| Пост. потенциал, например заземление | Переменное + постоянное | Восприятие | ||
| 2 проводника | Переменное | Постоянное | - | Восприятие осуществляется посредством обнаружения изменения полного сопротивления при резонансе |
| Переменное + постоянное | Пост. потенциал, например, заземление | - | ||
| Постоянное | Переменное | - | ||
| Пост. потенциал, например заземление | Переменное + постоянное | - |
Тот факт, что боковые элементы 82, 84 и электроды 92, 94 имеют изогнутую форму и являются концентричными с наружным кольцом 60, уменьшает нелинейности в электромеханических связях, что приводит, с одной стороны, к высокой добротности Q и, с другой стороны, к резонансной частоте кольцевого резонатора, которая по существу не зависит от амплитуды переменного и постоянного напряжений возбуждения. Кроме того, микромеханический кольцевой резонатор согласно данному изобретению можно возбуждать напряжениями, не превышающими 1,5 В, что является главным преимуществом при применении в переносных электронных устройствах.
Дополнительно к этому, за счет электростатического возбуждения и емкостного восприятия и за счет высокой добротности Q, определяемой конструкцией, потребление энергии кольцевым резонатором от десяти до ста раз меньше, чем кварцем, что особенно важно для применения в переносных электронных устройствах.
На фиг.7а-7с показаны три разных предпочтительных конструкции, предусмотренные для предотвращения заклинивания кольцевого резонатора в случае удара. Согласно первому варианту выполнения, показанному на фиг.7а, на наружных концах 80а основных элементов 80 предусмотрены стопорные структуры 28, расположенные на подложке 2. Эти стопорные структуры 28 выполнены так, чтобы ограничивать угловое перемещение кольцевой структуры 6 и тем самым предотвращать застревание свободностоящей колебательной структуры 6 на электродных структурах 9, когда выполняются слишком большие угловые перемещения, например, вследствие механических ударов.
В качестве альтернативного решения, как показано на фиг.7b, концы 82а, 84а боковых элементов 82, 84 и/или концы 92а, 94а электродов 92, 94 могут быть выполнены так, что они имеют заостренную форму или по меньшей мере подходящую небольшую площадь поверхности для предотвращения заклинивания.
Наконец, как показано в варианте выполнения на фиг.7с, один элемент 82*, 84* из боковых элементов 82, 84 может быть выполнен более длинным, чем другие, что уменьшает силы сцепления, когда гребенчатые структуры 8 и гребенчатые электродные структуры 91, 93 приходят в соприкосновение друг с другом. Очевидно, что тот же эффект может быть достигнут, когда один из электродов 92 и 94 является более длинным, чем другие.
На фиг.8 и 9 показано улучшение микромеханического кольцевого резонатора 4 согласно данному изобретению, показанного на фиг.1. На фиг.9 показан разрез по линии А-А' на фиг.8. На поверхности (или под ней) подложки 2, по меньшей мере, под частью свободностоящей колебательной структуры 6, т.е. под пружинными элементами 62, наружным кольцом 60, а также под гребенчатыми элементами 8 предусмотрена проводящая структура 31, при этом форма проводящей структуры 31 по существу является проекцией свободностоящей колебательной структуры 6 на поверхность подложки 2. Приложение к проводящей структуре 31 такого же потенциала, что и к свободностоящей колебательной структуре 6, подавляет силы, перпендикулярные подложке 2, возникающие между кольцевым резонатором 4 и поверхностью подложки 2, что приводит к независимости резонансной частоты от постоянного напряжения.
На фиг.10а и 10b показаны другие улучшения микромеханического кольцевого резонатора 4 согласно данному изобретению, которые обеспечивают уменьшение температурного коэффициента резонансной частоты до величины, близкой к нулю. Два главных фактора определяют температурные характеристики кольцевого резонатора. Во-первых, модуль Е упругости материала, используемого для реализации колебательной структуры, уменьшается с увеличением температуры, что приводит к уменьшению жесткости пружинных элементов 62 и тем самым к более низкой резонансной частоте. Во-вторых, за счет теплового расширения увеличивается диаметр кольца при увеличении температуры, что приводит к увеличению момента инерции структуры, что в свою очередь также уменьшает резонансную частоту.
Можно использовать разные коэффициенты теплового расширения различных материалов для механизма 65 компенсации, как схематично показано на фиг.10а и 10b. Как показано на фиг.10а и 10b, к наружному кольцу 60 присоединено множество механизмов 65 компенсации воздействия тепла (только один показан на фигурах). Эти элементы 65 компенсации воздействия тепла выполнены так, что они изменяют момент инерции свободностоящей колебательной структуры 6 в зависимости от температуры, так чтобы по существу компенсировать воздействие температуры на резонансную частоту кольцевого резонатора 4. Для этого элементы 65 содержат противовес 66, соединенный с наружным кольцом 60 с помощью соединительного элемента 67, содержащего первый и второй слои 68, 69, выполненные соответственно из первого и второго материалов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Материалы выбраны так, что коэффициент αth1 теплового расширения первого слоя 68 меньше коэффициента αth2 теплового расширения второго слоя 69. В предпочтительном варианте выполнения первым материалом является кремний, а вторым материалом - металл, предпочтительно алюминий.
Конструкция механизма 65, согласно фиг.10а, такова, что при увеличении температуры соединительный элемент 67 выпрямляется вследствие разного теплового расширения первого и второго слоев 68, 69. В результате, противовес 66 перемещается к центру кольца, т.е. ближе к оси О вращения колебательной структуры 6, уменьшая тем самым момент инерции кольцевого резонатора, что приводит к увеличению резонансной частоты, которое существенно противодействует воздействию изменения модуля упругости и теплового расширения кольца на резонансную частоту. Такие механизмы компенсации воздействия тепла можно в качестве альтернативного решения присоединять к наружной стороне кольца 60, как показано на фиг.10b, или к другой части свободностоящей колебательной структуры 6, чтобы изменять момент инерции в зависимости от температуры. Конструкцию и выполнение механизмов 65 необходимо осуществлять так, чтобы противовесы 66 перемещались в направлении оси О вращения кольцевого резонатора при увеличении температуры.
Хотя изобретение описано применительно к определенным специфическим вариантам выполнения, следует понимать, что эти варианты выполнения не ограничивают объем изобретения. Действительно, различные модификации и/или изменения могут быть очевидными для специалистов в данной области техники без отхода от прилагаемой формулы изобретения.
1. Система отсчета времени, содержащая резонатор (4) и интегральную электронную схему (3) для возбуждения колебаний резонатора (4) и формирования в соответствии с указанными колебаниями сигнала, имеющего заданную частоту, отличающаяся тем, что резонатор является интегрированным микромеханическим кольцевым резонатором (4), установленным на подложку (2) и выполненным с возможностью колебаний в первом режиме вокруг оси (О) вращения, по существу, перпендикулярной подложке (2), при этом кольцевой резонатор (4) содержит центральную стойку (5), проходящую от подложки (2) вдоль указанной оси (О) вращения, свободностоящую колебательную структуру (6), соединенную с указанной центральной стойкой (5) и включающую наружное кольцо (60), расположенное соосно с осью (О) вращения, и множество пружинных элементов (62), имеющих изогнутую форму, расположенных симметрично вокруг центральной стойки (5) и присоединенных, по существу перпендикулярно ей с помощью первых соединений (63), при этом каждый из пружинных элементов (62) проходит от центральной стойки (5) в направлении радиальной линии, пересекающей указанную ось (О) вращения, и соединяет наружное кольцо (60) с центральной стойкой (5), по меньшей мере, одну пару диаметрально противоположных электродных структур (9; 9*), расположенных вокруг наружного кольца (60) и соединенных с интегральной электронной схемой (3).
2. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что электронная схема (3) интегрирована на подложке (2) вместе с микромеханическим кольцевым резонатором (4).
3. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что пружинные элементы (62), по существу, перпендикулярно присоединены к наружному кольцу (60) с помощью вторых соединений (64).
4. Система отсчета времени по п.1 или 3, отличающаяся тем, что соединения (63, 64) имеют скругления (63а, 64а).
5. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что число пружинных элементов (62) составляет от 4 до 50 и предпочтительно равно 20.
6. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что свободностоящая колебательная структура (6) дополнительно содержит по меньшей мере одну пару диаметрально противоположных гребенчатых элементов (8), которые расположены вокруг наружного кольца (60) и включают основной элемент (80), проходящий радиально от наружного кольца (60), по меньшей мере, первый (82) боковой элемент, проходящий, по существу, перпендикулярно из первой стороны основного элемента (80), и по меньшей мере второй (84) боковой элемент, проходящий, по существу, перпендикулярно из второй стороны основного элемента (80), противоположной первой стороне, причем каждая из электродных структур (9) содержит первую гребенчатую электродную структуру (91), выполненную по форме гребенчатого элемента (8) и содержащую первые электроды (92), расположенные между первыми боковыми элементами (82), и вторую гребенчатую электродную структуру (93), выполненную по форме гребенчатого элемента (8) и содержащую вторые электроды (94), расположенные между вторыми боковыми элементами (84).
7. Система отсчета времени по п.6, отличающаяся тем, что первая гребенчатая электродная структура (91) выполнена с возможностью возбуждения колебаний кольцевого резонатора (4), при этом центральная стойка (5) выполнена с возможностью приложения через нее фиксированного потенциала на свободностоящую колебательную структуру (6) и вторая гребенчатая электродная структура (93) выполнена с возможностью восприятия сигнала, получающегося в результате колебаний кольцевого резонатора (4), причем первая гребенчатая электродная структура (91), или свободностоящая колебательная структура (6), или обе эти структуры выполнены с возможностью дополнительного приложения к ним постоянного напряжения.
8. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что свободностоящая колебательная структура (6) дополнительно содержит, по меньшей мере, одну пару диаметрально противоположных гребенчатых элементов (8*), которые расположены вокруг наружного кольца (60) и включают основной элемент (80), проходящий радиально от наружного кольца (60), по меньшей мере, первый (82) боковой элемент, проходящий, по существу, перпендикулярно из первой стороны основного элемента (80), причем каждая из электродных структур (9*) содержит гребенчатую электродную структуру (91), выполненную по форме гребенчатого элемента (8) и включающую первые электроды (92), расположенные между первыми боковыми элементами (82).
9. Система отсчета времени по п.8, отличающаяся тем, что гребенчатые электродные структуры (91) выполнены с возможностью возбуждения колебаний кольцевого резонатора (4), при этом центральная стойка (5) выполнена с возможностью приложения через нее фиксированного потенциала на свободностоящую колебательную структуру (6), а первая гребенчатая электродная структура (91), или свободностоящая колебательная структура (6), или обе эти структуры выполнены с возможностью дополнительного приложения к ним постоянного напряжения, и восприятие осуществляется посредством измерения изменения полного сопротивления при резонансе.
10. Система отсчета времени по п.6 или 8, отличающаяся тем, что боковые элементы (82, 84) и электроды (92, 94) имеют форму дуги окружности, концентричной наружному кольцу (60).
11. Система отсчета времени по п.6 или 8, отличающаяся тем, что на подложке (2) смежно с наружным концом (80а) по меньшей мере одного основного элемента (80) установлена, по меньшей мере, одна стопорная структура (28) с возможностью ограничения угловых и/или наклонных перемещений и предотвращения заклинивания свободностоящей колебательной структуры (6) в случае удара.
12. Система отсчета времени по п.6 или 8, отличающаяся тем, что концы (82а, 84а) боковых элементов (82, 84) и/или концы (92а, 94а) электродов (92, 94) выполнены заостренными или имеют небольшую площадь поверхности для предотвращения заклинивания свободностоящей колебательной структуры (6) при ударе.
13. Система отсчета времени по п.6 или 8, отличающаяся тем, что один из боковых элементов (82, 84) и/или один из электродов (92, 94) выполнен более длинным, чем другие, для предотвращения заклинивания свободностоящей колебательной структуры (6) в случае удара.
14. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности подложки (2) под, по меньшей мере, частью свободностоящей колебательной структуры (6) предусмотрена проводящая структура (31), имеющая, по существу, форму свободностоящей колебательной структуры (6), при этом к проводящей структуре приложен тот же потенциал, что и к свободностоящей структуре.
15. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что свободностоящая колебательная структура (6) дополнительно содержит, по меньшей мере, первую пару диаметрально противоположных термокомпенсирующих элементов (65), расположенных вокруг наружного кольца (60), выполненных с возможностью изменения момента инерции свободностоящей колебательной структуры (6) в зависимости от температуры для компенсации воздействия температуры на резонансную частоту кольцевого резонатора (4).
16. Система отсчета времени по п.15, отличающаяся тем, что каждый из термокомпенсирующих элементов (65) содержит противовес (66), присоединенный к наружному кольцу (60) с помощью соединительного элемента (67), содержащего первый и второй слои (68, 69), выполненные соответственно из первого и второго материалов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения, при этом соединительный элемент (67) выполнен с возможностью постепенного приближения противовеса (66) к оси (О) вращения, когда температура увеличивается, уменьшая тем самым момент инерции свободностоящей колебательной структуры (6).
17. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит интегрированную схему измерения температуры, выполненную с возможностью компенсации воздействия температуры на частоту сигнала, создаваемого системой отсчета времени.
18. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит второй микромеханический кольцевой резонатор, опирающийся на подложку (2) и выполненный с возможностью колебаний с резонансной частотой, которая отличается от резонансной частоты первого резонатора, при этом разница частот между обеими резонансными частотами используется для компенсации воздействия температуры на частоту сигнала, создаваемого системой отсчета времени.
19. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что под свободностоящей колебательной структурой (6) расположены электроды (100, 120; 130, 150) с возможностью возбуждения и восприятия колебаний во втором режиме и имеющих резонансную частоту, отличную от резонансной частоты колебаний в первом режиме, при этом разница между резонансными частотами колебаний в обоих режимах используется для компенсации воздействия температуры на частоту сигнала, создаваемого системой отсчета времени.
20. Система отсчета времени по п.19, отличающаяся тем, что колебания во втором режиме являются наклонными колебаниями.
21. Система отсчета времени по п.19, отличающаяся тем, что колебания во втором режиме являются вертикальными колебаниями, происходящими параллельно оси (О) вращения.
22. Система отсчета времени по п.1, отличающаяся тем, что подложка (2) и кольцевой резонатор (4) выполнены из кремниевого материала.
23. Интегрированный микромеханический кольцевой резонатор (4) для системы отсчета времени, установленный на подложку (2) и выполненный с возможностью колебаний вокруг оси (О) вращения, по существу, перпендикулярной подложке (2), содержащий центральную стойку (5), проходящую от подложки (2) вдоль указанной оси (О) вращения, свободностоящую колебательную структуру (6), соединенную с центральной стойкой (5) и включающую наружное кольцо (60), расположенное соосно с осью (О) вращения, и множество пружинных элементов (62), имеющих изогнутую форму, расположенных симметрично вокруг центральной стойки (5) и присоединенных, по существу, перпендикулярно ей с помощью первых соединений (63), при этом каждый из пружинных элементов (62) проходит от центральной стойки (5) в направлении радиальной линии, пересекающей указанную ось (О) вращения, и соединяет наружное кольцо (60) с центральной стойкой (5), по меньшей мере, одну пару диаметрально противоположных электродных структур (9; 9*), расположенных вокруг наружного кольца (60) и соединенных с интегральной электронной схемой (3).
24. Кольцевой резонатор по п.23, отличающийся тем, что пружинные элементы (62), по существу, перпендикулярно присоединены к наружному кольцу (60) с помощью вторых соединений (64).
25. Кольцевой резонатор по п.23 или 24, отличающийся тем, что соединения (63, 64) имеют округления (63а, 64а).
26. Кольцевой резонатор по любому из пп.23-25, отличающийся тем, что число пружинных элементов (62) составляет от 4 до 50 и предпочтительно равно 20.
