ES2610991T3 - Estabilización de frecuencia de un oscilador de referencia - Google Patents

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ES2610991T3 ES05708148.1T ES05708148T ES2610991T3 ES 2610991 T3 ES2610991 T3 ES 2610991T3 ES 05708148 T ES05708148 T ES 05708148T ES 2610991 T3 ES2610991 T3 ES 2610991T3
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Tomi Mattila
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Olli Jaakkola
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Abstract

Un método para estabilizar la frecuencia de un oscilador de referencia basado en MEMS (Sistemas Micro Electro Mecánicos), caracterizado por que el oscilador de referencia basado en MEMS comprende al menos un primer oscilador MEMS y un segundo oscilador MEMS, y el método comprende: - generar, con al menos el primer oscilador MEMS, una señal de salida de bajo ruido de fase; - generar, con al menos el segundo oscilador MEMS, una señal de corrección para ajustar la señal de salida de al menos el primer oscilador MEMS; y - sintetizar una señal de salida de frecuencia estabilizada basándose en la señal de salida de al menos el primer oscilador MEMS y la señal de corrección.

Description

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DESCRIPCION
Estabilizacion de frecuencia de un oscilador de referencia Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo para estabilizar la frecuencia de un oscilador de referencia. Mas espedficamente, la presente invencion se refiere a un metodo para estabilizar la frecuencia de un oscilador de referencia MEMS (Sistemas Micro Electro Mecanicos). La presente invencion tambien se refiere a un oscilador de referencia, especialmente a un oscilador de referencia MEMS.
Antecedentes de la invencion
Los osciladores de referencia se usan como referencias de frecuencia precisas y estables en innumerables aplicaciones. Se usan para obtener una referencia de frecuencia precisa y/o para obtener una referencia de tiempo precisa. Tales osciladores de referencia son necesarios, por ejemplo, en dispositivos que comunican usando enlaces de radiofrecuencia, o usan de otra manera frecuencias definidas de manera precisa. Los osciladores de referencia son necesarios tambien en relojes y circuitos de temporizacion precisos.
Los requisitos criticos para un oscilador de referencia son (1) alta estabilidad a largo plazo (baja desviacion / envejecimiento), (2) bajo ruido de fase, (3) alta estabilidad termica, por ejemplo, bajo coeficiente termico, y (4) valor preciso para la frecuencia del oscilador de referencia. En muchas aplicaciones de alto volumen, las siguientes caracteristicas son tambien importantes: (5) pequeno tamano, (6) bajo consumo de potencia, (7) alto nivel de integracion entre el resonador, la electronica del oscilador y el paquete del dispositivo, y (8) bajo coste.
Los cristales de cuarzo se usan normalmente para resonadores en osciladores de referencia de alta calidad. Las desventajas de estos cristales son su gran tamano e incompatibilidad para integracion monolitica con la electronica.
La micromecanizacion moderna hace posible fabricar resonadores mecanicos miniaturizados (Sistemas Micro Electromecanicos = MEMS) con frecuencias de resonancia que varian desde varios kHz hasta el rango de GHz. Ejemplos de tales micro-resonadores basandose en el micromecanizado en superficie o volumen de silicio se presentan en H. J. De Los Santos, “RF MEMS Circuit Design for Wireless Communications", Artech House, Boston/Londres, 2002. Las ventajas de los micro-resonadores incluyen pequeno tamano, bajo consumo de potencia, y posiblemente el nivel de integracion aumentado entre el resonador, la electronica del oscilador, y el paquete del dispositivo. Tanto la integracion monolitica como el enfoque de sistema en chip son soluciones viables para aumentar el nivel de integracion de un oscilador de referencia, la integracion monolitica de los resonadores micromecanizados y circuitos integrados facilitara tambien circuitos micro-electro-mecanicos mas complicados.
Sin embargo, existen varias complicaciones relacionadas con realizar un oscilador de referencia basado en MEMS, (i) una estabilidad a largo plazo de referencia-calidad es desafiante de conseguir usando resonadores de microtamano, en particular cuando se ha de obtener buen rendimiento de ruido de fase desde el mismo dispositivo. (II) El coeficiente termico para la frecuencia de resonancia de los micro-resonadores esta normalmente en el rango de [-10, - 40] ppm/K y por lo tanto esta bastante lejos para aplicaciones de oscilador de referencia tipicas. (Las soluciones propuestas a compensacion de dependencia a temperatura incluyen ajustar la tension de polarizacion, vease por ejemplo la Patente de Estados Unidos 5 640 133, MacDonald et al, ajustar la anchura del hueco de acoplamiento capacitivo, vease por ejemplo la Solicitud de Patente de Estados Unidos 20030051550, Nguyen y Hsu, o utilizar estres mecanico, vease por ejemplo la Solicitud de Patente de Estados Unidos 20020069701, Hsu y Nguyen). (III) Las pequenas dimensiones en resonadores de microtamano presentan desafios considerables a las tolerancias de fabricacion para obtener frecuencias de resonador precisas. En resumen, se demuestra que un oscilador de referencia MEMs que tenga simultaneamente todas las propiedades deseadas (1)-(4), resulta ser dificil.
El documento WO0235699 se refiere a un oscilador controlado por tension, especialmente para dispositivos de radiotelefono moviles, que comprenden un circuito de oscilacion, que se forma mediante componentes electronicos y que puede ajustarse mediante un elemento de ajuste. Para realizar facilmente un rango de frecuencia de banda ancha y un bajo ruido de fase en un oscilador controlado por tension del tipo anteriormente mencionado, el elemento de ajuste se proporciona con un sistema microelectromecanico de respaldo de condensador.
El documento WO0182467 desvela metodos y se proporcionan arquitecturas basadas en MEMS que utilizan resonadores micromecanicos de vibracion en circuitos para implementar funciones de filtrado, mezcla, referencia de frecuencia y amplificacion. Se muestra un metodo y aparato para generar una senal que tiene al menos una frecuencia de salida deseada tal como la frecuencia LO en un subsistema de RF en respuesta a una tension de ajuste y sin la necesidad de un circuito de bloqueo de fase. Uno de los beneficios principales del uso de tales arquitecturas es un ahorro en consumo de potencia intermediando potencia para alta selectividad (es decir, alta Q). En consecuencia, se basan en el uso de un gran numero de enlaces micromecanicos en redes SSI para implementar funciones de procesamiento de senal con consumo de potencia de CC basicamente cero.
La Publicacion de Patente de Estados Unidos US6094102 muestra un PLL que usa un filtro de bucle MEMS.
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La presente invencion
Es por lo tanto un objetivo de la presente invencion eliminar las desventajas de la tecnica anterior y proporcionar un oscilador de referencia MEMS que tiene las propiedades mejoradas (1)-(4).
Es un objetivo adicional de la presente invencion proporcionar un metodo para estabilizar la frecuencia de un oscilador basandose en componentes MEMS usando tecnicas que puedan adoptarse para fabricacion de osciladores de referencia altamente integrados de bajo ruido de fase.
La presente invencion proporciona una solucion a las desventajas de la tecnica anterior mediante una combination selectiva de las propiedades deseadas de dos o mas componentes MEMS.
Cada componente de oscilador MEMS esta caracterizado por un conjunto de propiedades, normalmente distintas entre si. Un combinador o similar sintetiza la salida deseada mediante una combinacion selectiva de las propiedades en los componentes. Para conseguir esto, el combinador puede usar varias tecnicas, por ejemplo procesamiento de las senales de los osciladores, ajuste de realimentacion de los dos osciladores y utilizar entradas adicionales tales como la temperatura medida de las
Se presentan en detalle rasgos caracteristicas de la presente invencion en las reivindicaciones adjuntas.
El uso de dos o mas componentes MEMS es tecnologicamente factible y una solucion racional puesto que los procesos de micromecanizacion e IC son intrinsecamente escalables para la fabricacion de varios componentes en paralelo y la combinacion de su operation.
Breve descripcion de los dibujos
Los anteriores y adicionales objetivos, caracteristicas y ventajas de la presente invencion se entenderan de manera mas evidente a partir de la siguiente descripcion detallada de realizaciones preferidas de la presente invencion, tomadas en conjunto con los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 es una descripcion esquematica del oscilador de referencia inventado que consiste en dos o mas osciladores micromecanizados y la combinacion selectiva de sus propiedades.
La Figura 2 es un diagrama de bloques del oscilador de referencia que consiste en un oscilador de bajo ruido de fase ajustable y un medidor de frecuencia que estabiliza la frecuencia del oscilador usando la conexion de realimentacion.
La Figura 3 es un diagrama de bloques del oscilador de referencia de acuerdo con el esquema de la Figura 1 en el que el medidor de frecuencia esta basado en un oscilador que contiene un resonador de silicio micromecanizado que opera en el modo volumen-acustico.
La Figura 4 es un diagrama de bloques del oscilador de referencia de acuerdo con el esquema de la Figura 1 en el que el medidor de frecuencia esta basado en una linea de retardo acustico micromecanizada.
La Figura 5 es un diagrama de bloques del oscilador de referencia de acuerdo con el esquema de la Figura 1 en el que el medidor de frecuencia esta basado en un circuito formado a partir de resistencias y condensadores muy estables.
La Figura 6 ilustra como puede realizarse compensation de temperatura en el esquema de la Figura 1 usando un conjunto de resonadores con frecuencias de resonancia ligeramente diferentes en el caso de que un unico oscilador no pueda ajustarse lo suficiente.
La Figura 7 es un diagrama de bloques del oscilador de referencia que consiste en dos osciladores. Un oscilador es un oscilador de alta frecuencia fhigh con una capacidad ajustable de frecuencia electrica pequena o no existente Afhigh. El otro oscilador es un oscilador de baja frecuencia flow con una capacidad de ajuste de frecuencia electrica significativamente mayor Afiow >> Afhigh. La frecuencia de salida del oscilador de referencia se sintetiza anadiendo o restando las dos frecuencias fhigh y fiow.
La Figura 8 es un diagrama de bloques del oscilador de referencia que consiste en un oscilador estable basandose en un resonador micromecanico, un oscilador controlado por tension de baja frecuencia, un mezclador de imagen-rechazo y un filtro basandose en un resonador micromecanico.
La Figura 9 es una vista esquematica de un resonador MEMS de extension cuadrada que muestra el modo de vibration y polarization y ajuste de control.
Descripcion detallada de la invencion
La invencion se ilustra esquematicamente en la Figura 1 usando la combinacion de osciladores como un ejemplo (un oscilador indica en este punto un componente micromecanizado de frecuencia selectiva generalizado). Cada oscilador micromecanizado i (i = 1,2, ..., n-1, n) esta caracterizado por un conjunto de propiedades i (i = 1,2, ... , n-1, n), normalmente distintas entre si. El combinador COMBINADOR10 sintetiza la salida deseada SALIDA10 mediante una combinacion selectiva de las propiedades i de los n componentes. Para conseguir esto, el combinador puede usar varias tecnicas descritas a continuation en los metodos 1 y 2.
Metodo 1
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En el metodo 1, ilustrado en la Figura 2, un oscilador ajustable TUNOSC20 basandose en un resonador micromecanizado crea la senal de salida de bajo ruido de fase. La estabilidad a largo plazo para el oscilador se proporciona mediante un medidor de frecuencia FREQMETER20 que monitoriza la frecuencia del oscilador y ajusta la frecuencia al valor de referencia deseado. El medidor de frecuencia esta tambien basado en el componente micromecanizado como se describe en detalle a continuacion. Como el oscilador ajustable no tiene que proporcionar la estabilidad a largo plazo por si mismo, puede utilizar disenos que permiten mas facilmente (i) suficiente capacidad de ajuste para compensation de temperatura y error de fabrication y (ii) buena estabilidad a corto plazo (ruido de fase). Por otra parte, como el medidor de frecuencia no tiene que proporcionar capacidad de ajuste o buen ruido de fase, pueden usarse disenos que unicamente tienen por objeto alta estabilidad a largo plazo.
La operation del componente que proporciona la estabilidad a largo plazo esta basada en propiedades electricas o electromecanicas estables. En la realization A (Figura 3) la referencia de frecuencia estable esta basada en un oscilador de modo acustico de volumen. La operacion de medidor de frecuencia esta basada en este caso en comparar la frecuencia creada por el oscilador de onda acustica de volumen con la frecuencia de salida del oscilador ajustable TUNOSC30. En la realizacion B (Figura 4) la referencia de frecuencia estable se obtiene midiendo la diferencia de fase de la onda acustica de volumen de propagation en una guia de onda de sonido micromecanizada a posiciones fijas (tecnica de linea de retardo). En la realizacion C (Figura 5) el medidor de frecuencia esta basado en condensadores estables Ca, Cb y resistencias de pelicula fina micromecanizadas estables Ra, Rb que se usan para crear la topologia del oscilador Wien. La red condensador-resistencia, que es parte del circuito oscilador Wien, puede usarse tambien como un medidor de frecuencia en el que los condensadores y resistencias forman un circuito puente el equilibrio del cual depende de la frecuencia de la frecuencia entrante.
El requisito de buen ruido de fase para el oscilador ajustable puede realizarse usando varios tipos de resonador micromecanizados, en particular el requisito de estabilidad a largo plazo relajado permite el uso de resonadores de modo de flexion ademas de resonadores de onda acustica de volumen. En caso de que se haga dificil obtener un rango de capacidad de ajuste suficiente para compensacion de temperatura usando un unico resonador, se puede utilizar un banco de dos o mas osciladores basandose en resonadores que tienen frecuencias de resonancia ligeramente diferentes para reducir el rango de capacidad de ajuste como se muestra en la Figura 6.
La Figura 2 es un diagrama de bloques de un oscilador de referencia que consiste en un oscilador ajustable TUNOSC20 y un medidor de frecuencia FREQMETER20 que estabiliza (a largo plazo) la frecuencia del oscilador usando la conexion de realimentacion.
Se describiran tres realizaciones del medidor de frecuencia:
En la realizacion A (Figura 3) se crea el medidor de frecuencia de alta estabilidad (largo plazo) mediante un oscilador basandose en el resonador de silicio micromecanizado operado en modo acustico de volumen (indicado por “BAWOSC30”).
La frecuencia del oscilador ajustable TUNOSC30 se compara con la frecuencia BAW OSC, por ejemplo, usando un mezclador seguido por un filtro paso bajo (LPF30) y un contador de frecuencia CONTADOR30 y la diferencia de frecuencia detectada se procesa (“L6GICA30”) para crear una tension ajustable para ajustar el oscilador ajustable TUNOSC30 a la frecuencia correcta. Es importante observar que la diferencia de frecuencia contada permanece no constante pero depende de la temperatura puesto que la frecuencia BAWOSC30 es una funcion de la temperatura. Sin embargo, puesto que la frecuencia BAW OSC es una funcion conocida de manera precisa y estable de la temperatura, puede usarse como una referencia de frecuencia midiendo la temperatura (“TMEAS30”). El desplazamiento de referencia inducido por temperatura entonces se tiene en cuenta en la circuiteria creando la tension de ajuste.
En la realizacion B (Figura 4) el medidor de frecuencia esta basado en una medicion de la fase de una senal acustica que se propaga en una linea de retardo acustico micromecanizada LiNEA_DE_RETARDO40. La senal del oscilador a medirse se usa para generar una onda de sonido en un extremo de una linea de retardo acustico. Un electrodo de tipo cuerno exponencial en el final de la linea de retardo reduce la impedancia acustica de la linea. El otro extremo de la linea se ha disenado para terminar la senal acustica a una carga disipativa adaptada de modo que no habra reflejos (no ondas estacionarias). La fase de la senal acustica unidireccional se sonda en dos puntos a lo largo de la linea de retardo, indicados por A y B en la Figura 4. La senal acustica que se propaga en la linea se detecta midiendo el movimiento de la superficie de linea de retardo usando dos electrodos polarizados de CC micromecanizados, indicados por Ca y Cb. Es conveniente, por ejemplo, ajustar la longitud de la linea de retardo
entre los puntos A y B (Lab) de modo que ~ ^ ^ (^°)’ cuando c es la velocidad de sonido en la linea de retardo de silicio micromecanizado, y fo es el valor nominal de la frecuencia del oscilador de referencia. Entonces la diferencia de fase entre las senales de sonido a los puntos A y B es 90 grados. Entonces las corrientes de movimiento que fluyen a traves de los electrodos Ca y Cb debido a que el sonido recorre en la linea de retardo tienen una diferencia de fase de 90 grados, dando como resultado tension de salida de CC cero del mezclador usado como un detector de fase (el componente 2/0 se supone que esta filtrado con el modulo “INT40” que puede usarse tambien para promediar la senal para mejorar la relation de senal a ruido si fuera necesario). Cualquier desviacion A f de A/0
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se propaga directamente en una tension de CC distinta de cero de la salida del mezclador que se mide a continuacion y actua como la informacion de medidor de frecuencia.
Es importante observar que la realizacion A esta basada en la operacion de onda estacionaria, mientras que la realizacion B esta basada en una onda de volumen de propagacion. La ventaja en la operacion de onda estacionaria es la capacidad de utilizar la resonancia para reducir el nivel de impedancia y reducir consumo de potencia. Por otra parte, la estructura de onda de propagacion es menos susceptible a efectos de punto final (por ejemplo contaminacion que cambia la longitud acustica en la operacion de onda estacionaria).
En la realizacion C (Figura 5) el medidor de frecuencia esta basado en un puente de CA que realiza una medicion sensible a fase de impedancias de condensadores estables y resistencias estables. El puente esta disenado de modo que su tension de salida es proporcional al desplazamiento de frecuencia desde su valor nominal. Un simple calculo ilustra la operacion del puente. Suponiendo que los dos condensadores tienen ambos el valor n
y ambas resistencias tienen el valor Ra = Rb = R. La frecuencia angular a la que el puente esta en equilibrio se determina mediante
2nf0 CR = 1
La frecuencia a medirse es f = fo + Af y Af/fo es pequena. Es facil mostrar que
V A- V B ~ -jVin - (Af/fo) Vin (2)
donde los terminos del orden de (Af/fo)2 o superior se han despreciado, Vn es la senal de entrada y j indica la unidad imaginaria. Midiendo el componente de la diferencia de tension Va - Vb, es decir en la misma fase que Vn se puede determinar la desviacion de la frecuencia de entrada desde fo.
La estabilidad a largo plazo de la frecuencia de resonancia para los resonadores de onda acustica de volumen resulta basicamente del hecho de que la dimension de determination de frecuencia caracteristica (longitud acustica L) es una gran dimension para un resonador micromecanico, normalmente un cuarto de longitud de onda corresponde a varios cientos de micrometros para 13 MHz. En comparacion, para un resonador de modo de flexion de tipo haz tipico, la frecuencia de resonancia fundamental se determina mediante el espesor, o mediante la anchura del haz que es normalmente unos pocos micrometros (dos ordenes de magnitud menos) a la misma frecuencia. La gran dimension de determinacion de frecuencia de resonadores BAW es tambien beneficiosa al reducir los desplazamientos de frecuencia debido a tolerancias de fabrication.
Otra aplicacion importante para el circuito de ajuste de frecuencia es la compensation para las variaciones de parametros de los componentes que tienen lugar durante la fabricacion. La variation de dispositivo a dispositivo se refiere especialmente al valor absoluto de la frecuencia de resonancia. Los datos de calibration de un oscilador de referencia individual pueden almacenarse en un circuito de memoria, que es parte de la circuiteria del oscilador, y estos datos pueden usarse para establecer la frecuencia de salida de manera precisa al valor deseado.
El OSCILADOR AJUSTABLE en las Figuras 3 - 5 puede tener varias diferentes realizaciones basandose en resonadores micromecanizados. Posibles geometrias de resonador incluyen los resonadores de modo de flexion [por ejemplo palanca, puente y el denominado de doble horquilla finalizado (DETF)] asi como resonadores de modo acustico de volumen. Tanto los resonadores como los osciladores derivados se han analizado extensivamente en la bibliografia reciente. Los beneficios de resonadores de modo de flexion en aplicacion de OSCILADOR AJUSTABLE incluyen buena estabilidad a corto plazo (es decir bajo ruido de fase) y, en algunos casos, mejor capacidad de ajuste que las estructuras BAW.
El ajuste de frecuencia puede conseguirse, por ejemplo, mediante un ajuste electroestatico convencional (ajustar la tension de polarization) del resonador micromecanico o usando un componente que crea una reactancia ajustable (por ejemplo varactor). Existen resonadores de silicio de modo de flexion con frecuencias de resonancia que varian desde 3 a 45 MHz. Las frecuencias de resonancia podrian desplazarse el 1 % aplicando una tension de polarizacion adecuada. Este rango de ajuste fue significativamente mayor que el 0,15 % del cambio en la frecuencia de resonancia tras la variacion de temperatura de 25 °C a 85 °C. Si obtener un rango de capacidad de ajuste suficientemente grande supone un problema, puede usarse un banco de dos o mas resonadores OSC AJUSTABLE 1 ... OSC AJUSTABLE n con frecuencia de resonancia mecanica ligeramente diferente para estrechar el rango de capacidad de ajuste requerido para un unico resonador (Figura 6).
Metodo 2
(V
Ca - Cb
En el metodo 2, ilustrado en la Figura 7, la frecuencia de salida del oscilador se sintetiza desde las frecuencias de dos osciladores HFOSC70 y TUNLFOSC70, ambos de los cuales estan basados en resonadores micromecanizados. Las propiedades de la senal de salida de derivan predominantemente del oscilador de alta
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frecuencia que proporciona la estabilidad a largo plazo y el bajo ruido de fase. Las propiedades del oscilador de alta frecuencia pueden realizarse usando dos o mas componentes micromecanizados de manera similar que en el metodo 1. La diferencia crucial del metodo 1 es que la frecuencia de salida del oscilador de alta frecuencia se deja no ajustada, y la compensacion para desplazamientos de temperatura y fabricacion se realiza usando suma de frecuencia en FREQSUM70: para obtener la senal de salida de frecuencia constante y precisa de la frecuencia desde un oscilador ajustable de baja frecuencia sumada con la salida del oscilador de alta frecuencia. La frecuencia de operation del oscilador de baja frecuencia se elige para permitir el rango de ajuste requerido para la compensacion requerida para el oscilador de alta frecuencia. Por ejemplo, para compensar un desplazamiento de frecuencia de 3000 ppm para un oscilador de 13 MHz, se necesita como minimo un oscilador de baja frecuencia de 39 kHz. Las ventajas criticas del metodo 2 son: (i) puesto que el oscilador de alta frecuencia se deja no ajustado, esto proporciona grados de libertad adicionales en diseno para obtener la estabilidad a largo plazo y bajo ruido de fase requeridos, (ii) ya que unicamente una pequena parte de la estabilidad a largo y a corto plazo de la senal se deriva desde el oscilador de baja frecuencia, sus requisitos de estabilidad a largo plazo y ruido de fase son menos exigentes, (iii) a bajas frecuencias es factible usar disenos que permiten un gran rango de ajuste, por ejemplo resonadores de modo de flexion. La suma de frecuencia se consigue por ejemplo multiplicando las dos senales de oscilador usando un mezclador y sucesivo filtrado para seleccionar la suma o diferencia de las dos frecuencias. Normalmente es critico para el rendimiento el filtrado del otro de los dos componentes de frecuencia en la salida del mezclador. Una tecnica de mezclador de imagen-rechazo convencional puede usarse al seleccionar una de las dos frecuencias. En caso necesario, puede crearse un filtro de banda estrecha adicional usando estructura de resonador micromecanizado como se muestra en la Figura 8.
En el metodo 2 (Figura 7) el oscilador de alta frecuencia puede realizarse usando uno o mas resonadores micromecanizados. Puede obtenerse buena estabilidad a largo plazo y bajo ruido de fase a partir de un unico resonador de onda acustica de volumen ya que la capacidad de ajuste no es necesaria en este caso, pero para un mejor rendimiento la estabilidad a largo plazo y el bajo ruido de fase pueden derivarse de dos o mas componentes como en el metodo 1. La compensacion de tolerancia de temperatura y fabricacion en el metodo 2 (Figura 7) se realiza usando un oscilador de baja frecuencia ajustable, cuya salida se suma en frecuencia con el oscilador de alta frecuencia. Ya que el rango de capacidad de ajuste requerido normalmente es menor del 1 % (compensacion T requerida normalmente el 0,3 %) la frecuencia de resonancia del oscilador de baja frecuencia puede ser normalmente de dos ordenes de magnitud mas pequena que para el oscilador de alta frecuencia. Por ejemplo, en el caso del oscilador de alta frecuencia /High = 13 MHz, el oscilador de baja frecuencia opera a fi_ow~unos pocos cientos de kHz y se realiza mejor usando un resonador de tipo de flexion. La estabilidad a largo y a corto plazo de la senal de salida se origina predominantemente desde el oscilador de alta frecuencia: el oscilador de baja frecuencia contribuye unicamente en un factor /low/High. Por lo tanto, la estabilidad a largo plazo reducida de un resonador de modo de flexion es suficiente para mantener la alta estabilidad requerida de la senal de salida del oscilador.
La Figura 8 muestra una posible realization para suma de frecuencia en el metodo 2. La frecuencia de salida del oscilador de referencia es four = feAw - fFLEx. El mezclador MEZCLADOR80 es un mezclador de imagen-rechazo que rechaza la frecuencia de imagen feAw + fFLEx. Como alternativa, el mezclador de imagen-rechazo puede disenarse para rechazar \baw - fflex de modo que la frecuencia de salida del oscilador de referencia es four = feAw + fFLEx.
Puede obtenerse mejora adicional en el rechazo de imagen-frecuencia filtrando la senal de salida del oscilador de referencia usando un filtro basandose en un resonador con una frecuencia central cerca de la frecuencia del oscilador de referencia W. El filtro esta disenado de modo que su factor de calidad mecanica se modera unicamente de modo que la variation en su frecuencia central, Afo, que incluye posibles desviaciones durante el tiempo de vida designado del filtro, es menor que fo /Q. El filtro puede realizarse como un filtro de alto orden que comprende varios resonadores micromecanicos para mejorar adicionalmente la selectividad de frecuencia. Todos los componentes micromecanizados requeridos en el metodo 1 y 2 pueden fabricarse por ejemplo usando un proceso basandose en grabado de iones reactivo profundo (DRIE) de obleas de silicio sobre aislante (SOI). Otro proceso de fabricacion que podria emplearse para fabricar resonadores de modo acustico de volumen es el descrito en la Patente de Estados Unidos N. ° 5.119.073 (Solicitud de Patente con N. ° de Serie 08/312.797), titulada “Microstructures and Single Mask, Single-Crystal Process for Fabrication Thereof", de Shaw et al, presentada el 27 septiembre 1994. Los componentes similares a friction pueden fabricarse tambien mediante varios otros proceso a los basados usando silicio monocristalino o silicio policristalino.
Un componente MEMS ventajoso para el oscilador de referencia de acuerdo con la presente invention se representa en la Figura 9. La Figura 9 presenta un resonador de silicio de modo acustico de volumen (BAW) de 13,1 MHz micromecanico, que comprende una placa cuadrada PLACA90, electrodos ELECTRODO1 - ELECTRODO4 para acoplamiento capacitivo en todos los lados de la placa, fuentes de tension Uin y Ubias conectadas a los electrodos y tension de salida Uout. El modo de vibration esta caracterizado como una expansion de placa 2-D que conserva la forma cuadrada original. El componente puede fabricarse mediante grabado de iones reactivo profundo de oblea de silicio sobre aislante (SOI). El contacto electrico al resonador se hace con anclaje de esquinas (anclaje de esquinas de tipo T) de modo que todo el dispositivo puede fabricarse con una mascara. La Figura 9 muestra el modo de vibracion y polarization y configuration de control. Las lineas discontinuas y de puntos indican formas expandidas y contraidas.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para estabilizar la frecuencia de un oscilador de referencia basado en MEMS (Sistemas Micro Electro Mecanicos), caracterizado por que el oscilador de referencia basado en MEMS comprende al menos un primer oscilador MEMS y un segundo oscilador MEMS, y el metodo comprende:
    - generar, con al menos el primer oscilador MEMS, una senal de salida de bajo ruido de fase;
    - generar, con al menos el segundo oscilador MEMS, una senal de correccion para ajustar la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS; y
    - sintetizar una senal de salida de frecuencia estabilizada basandose en la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS y la senal de correccion.
  2. 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por sintetizar la senal de salida de frecuencia estabilizada ajustando el primer oscilador MEMS con dicha senal de correccion.
  3. 3. El metodo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por
    controlar dicho segundo oscilador MEMS para medir la frecuencia de al menos el primer oscilador MEMS; y
    ajustar la senal de salida del primer oscilador MEMS con dicha senal de correccion a la frecuencia estabilizada
    deseada.
  4. 4. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por
    sintetizar la senal de salida de frecuencia estabilizada combinando la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS con la senal de correccion.
  5. 5. El metodo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 4, caracterizado por que
    la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS esta no ajustada, comprendiendo adicionalmente el metodo:
    sumar las senales de salida de al menos el primer oscilador MEMS y el segundo oscilador MEMS.
  6. 6. Un oscilador de referencia basado en MEMS (Sistemas Micro Electro Mecanicos) con frecuencia estabilizada, caracterizado por que el oscilador comprende:
    - al menos dos osciladores MEMS, en donde al menos un primer oscilador MEMS esta dispuesto para proporcionar una senal de salida de bajo ruido de fase y al menos un segundo oscilador MEMS esta dispuesto para generar una senal de correccion para ajustar la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS; y
    - un combinador para sintetizar una senal de salida de frecuencia estabilizada basandose en la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS y la senal de correccion.
  7. 7. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con la reivindicacion 6, caracterizado por que
    el combinador esta dispuesto para sintetizar la senal de salida de frecuencia estabilizada ajustando el primer oscilador MEMS con dicha senal de correccion.
  8. 8. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado por que
    el combinador esta dispuesto para controlar dicho segundo oscilador MEMS para medir la frecuencia de al menos el primer oscilador MEMS y para ajustar la senal de salida del primer oscilador MEMS a la frecuencia estabilizada deseada.
  9. 9. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con la reivindicacion 6, caracterizado por que
    el combinador esta dispuesto para sintetizar la senal de salida de frecuencia estabilizada combinando la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS con la senal de correccion.
  10. 10. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con las reivindicaciones 6 o 9, caracterizado por que
    la senal de salida de al menos el primer oscilador MEMS esta no ajustada y el combinador esta dispuesto para operar como una unidad de suma de frecuencias dispuesta para sumar las senales de salida de al menos el primer oscilador MEMS y el segundo oscilador MEMS.
  11. 11. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 - 10, caracterizado por que al menos uno de los osciladores MEMS es un resonador de silicio de onda acustica de volumen micromecanico con una placa cuadrada y electrodos para acoplamiento capacitivo dispuestos en todos los lados de la placa, en donde el modo de vibracion esta caracterizado como una expansion de placa 2-D que conserva la forma cuadrada original.
  12. 12. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 - 11, caracterizado por que el tipo de al menos un oscilador MEMS es diferente de los tipos del otro oscilador MEMS.
  13. 13. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 - 11, caracterizado por que los osciladores MEMS son identicos pero sus parametros de control, tal como la tension de polarizacion, son diferentes.
    5 14. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que el
    segundo oscilador MEMS esta adaptado para utilizar una referencia de frecuencia estable basandose en un oscilador de onda acustica de volumen y una operacion de medidor de frecuencia basandose en comparar la frecuencia creada por el oscilador de onda acustica de volumen con la frecuencia de salida del oscilador ajustable.
    10 15. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con la reivindicacion 10, caracterizado por que el
    segundo oscilador MEMS esta adaptado para utilizar una referencia de frecuencia estable obtenida midiendo una diferencia de fase de onda acustica de volumen de propagacion en una guia de onda de sonido micromecanizada en posiciones fijas.
    15 16. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con la reivindicacion 10, caracterizado por que el
    segundo oscilador MEMS esta adaptado para utilizar un medidor de frecuencia basandose en condensadores estables y resistencias de pelicula fina micromecanizadas estables que se usan para crear la topologia de oscilador Wien.
    20 17. El oscilador de referencia basado en MEMS de acuerdo con las reivindicaciones 9 o 10, caracterizado por
    al menos dicho primer oscilador MEMS esta dispuesto para operar como un oscilador de alta frecuencia que proporciona una senal de salida no ajustada con la estabilidad a largo plazo y el bajo ruido de fase, proporcionando predominantemente las propiedades de estabilidad a largo plazo y de bajo ruido de fase de la senal de salida del oscilador de referencia basado en MEMS; y
    25 la unidad de suma de frecuencias esta dispuesta para realizar compensacion para desviaciones de temperatura y fabrication.
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