CN104180919A - 基于微谐振器的高精度温度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微谐振器的高精度温度测量系统，包括微谐振器、驱动电路、测频电路和温度标定电路，微谐振器由双端固支音叉、平板电容和基底组成，驱动电路与微谐振器形成闭环回路，保证微谐振器产生稳定的振荡信号，测频电路测量随温度变化的信号频率，并通过温度标定电路，转化为当前环境温度值；本发明的微谐振器中，双端固支音叉采用平板电容驱动，灵敏度高，线性度好，具有非常高的测量精度。

Description

基于微谐振器的高精度温度测量系统

技术领域

本发明属于一种温度测量领域，特别是一种基于微谐振器的高精度温度测量系统。

背景技术

随着科学技术的发展，对温度的测定和控制要求越来越高，特别是对高精度，高分辨率的测温仪器的需求量越来越大。虽然目前市场上的温度传感器，如热电偶、热电阻及辐射温度计等的技术已经十分成熟，但这些传统的测温仪器仍然不能满足某些领域的测温精度要求。

微谐振器是一种典型的微系统(MEMS)器件，应用领域广阔。其具有体积小、成本低、抗冲击、可大批量加工等特点。中国专利CN101859155A公开了一种基于微谐振器的温度控制系统，该温度控制系统中的测温原理是基于梳齿式微谐振器品质因数Q的温度特性；温度变化引起品质因数Q的变化，从而引起驱动电路中驱动电压幅值的变化，通过测量该驱动电压幅值来反映环境温度的变化。该专利中的驱动电容和检测电容采用梳齿式电容，梳齿式电容量较小，而谐振器的寄生电容较大，从而信噪比较低，导致测量精度低，约为0.01℃。此外，梳齿式电容易受加工误差的影响，当活动梳齿两侧的间隙误差较大时，在静电力的作用下，会使得谐振器的动静梳齿发生贴合，从而造成结构失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功耗低、体积小、精度高的基于微谐振器的温度测量系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于微谐振器的高精度温度测量系统，包括微谐振器、驱动电路、测频电路和温度标定电路，其中驱动电路与微谐振器构成闭环回路，驱动电路的输出端与测频电路的输入端相连，测频电路的输出端与温度标定电路的输入端相连；所述微谐振器包括双端固支音叉、平板电容和基底，其中双端固支音叉和平板电容设置在基底上；所述驱动电路驱动微谐振器使其稳定工作在固有频率点处，驱动电路输出的微谐振器驱动交流信号为驱动微谐振器工作的交流信号，驱动电路输出的直流偏置电压为驱动微谐振器工作的直流偏置电压信号，从而驱动电路驱动微谐振器自激振荡，稳定输出微谐振器检测电流信号，微谐振器检测电流信号为驱动电路的输入信号；驱动电路将微谐振器检测电流信号转化为检测电压信号，测频电路对检测电压信号进行频率测量后输出频率锁定电压，温度标定电路将测频电路输出的频率锁定电压转化为环境温度值。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明利用微谐振器谐振频率的温度特性，通过测量微谐振器电路中的电信号频率间接测量环境温度，由频率的平方表征温度，具有很好的线性度；(2)本发明采用的微谐振器由双端固支音叉和平板电容组成，双端固支音叉固有频率具有较高的温度系数，与高精度测频电路组合，可实现高分辨率的温度测量，达0.0001℃以上；(3)在小位移振动情况下，平板电容具有很好的线性特点，可获得较大的驱动电容和检测电容，从而提高了信噪比，有利于实现高精度测量；(4)本发明采用的平板电容结构简单，尺寸精度易得到保证，易实现批量生产；(5)本发明的微谐振器的频率变化对外界温度的响应快，测温系统响应时间短；(6)本发明的驱动电路采用自动增益控制方式，使得微谐振器驱动电路自动控制、调节微谐振器工作在恒定振幅的共振状态，相比限幅驱动电路方式，微谐振器的振动更加稳定，受环境影响小；(7)本发明的微谐振器中双端固支音叉的驱动方式为平板电容驱动，与梳齿电容驱动相比，其在相同尺寸条件下，灵敏度较高，且电场边缘效应减小，提高了振动线性度，能取得更高的测温精度与温度分辨率；(8)本发明将微谐振器、驱动电路和频率测量电路加工在同一单晶硅晶片上并采用晶圆级封装技术真空封装，其体积小，功耗一般在几十毫瓦左右，便于批量生产。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的基于微谐振器的高精度温度测量系统的原理示意图。

图2为本发明的微谐振器结构示意图。

图3为本发明的驱动电路示意图。

图4为本发明的测频电路示意图。

图5为本发明的温度标定电路示意图。

图6为本发明的基于微谐振器的高精度温度测量系统的封装示意图。

具体实施方式

结合图1，一种基于微谐振器的高精度温度测量系统，包括微谐振器200、驱动电路300、测频电路400和温度标定电路500，其中驱动电路300与微谐振器200构成闭环回路，驱动电路300的输出端与测频电路400的输入端相连，测频电路400的输出端与温度标定电路500的输入端相连；所述微谐振器200包括双端固支音叉202、平板电容和基底210，其中双端固支音叉202和平板电容设置在基底210上；所述驱动电路300驱动微谐振器200使其稳定工作在固有频率点处，驱动电路300输出的微谐振器驱动交流信号314为驱动微谐振器200工作的交流信号，驱动电路300输出的直流偏置电压315为驱动微谐振器200工作的直流偏置电压信号，从而驱动电路300驱动微谐振器200自激振荡，稳定输出微谐振器检测电流信号310，微谐振器检测电流信号310为驱动电路300的输入信号；驱动电路300将微谐振器检测电流信号310转化为检测电压信号311，测频电路400对检测电压信号311进行频率测量后输出频率锁定电压411，温度标定电路500将测频电路400输出的频率锁定电压411转化为环境温度值。

所述微谐振器200中的平板电容包括第一平板电容、第二平板电容、第三平板电容、第四平板电容、第五平板电容和第六平板电容，其中第一平板电容、第二平板电容、第三平板电容和第四平板电容为驱动平板电容，第五平板电容和第六平板电容为检测平板电容，第一固定极板203a与第一活动极板204a组成第一平板电容，第二固定极板203b与第二活动极板204b组成第二平板电容，第三固定极板203c与第一活动极板204a组成第三平板电容，第四固定极板203d与第二活动极板204b组成第四平板电容，第五固定极板205a与第一活动极板204a组成第五平板电容，第六固定极板205b与第二活动极板204b组成第六平板电容；其中第一固定极板203a、第二固定极板203b、第三固定极板203c、第四固定极板203d、第五固定极板205a和第六固定极板205b设置在基底210上；所述双端固支音叉202通过第一锚点201a和第二锚点201b固定在基底210上；基底210上还设置有第一检测电极206a、第二检测电极206b、第一驱动电极206c和第二驱动电极206d，第一驱动电极206c的输入端与驱动电路300相连，第一驱动电极206c的输出端同时与第一固定极板203a、第三固定极板203c相连，第二驱动电极206d的输入端与驱动电路300相连，第二驱动电极206d的输出端同时与第二固定极板203b、第四固定极板203d相连；第一检测电极206a和第二检测电极206b分别与第五固定极板205a和第六固定极板205b相连。

所述驱动电路300包括跨阻放大器301、幅度检测电路302、PI控制电路303、乘法器304和直流偏置电路305，其中PI控制电路303为比例积分控制电路；微谐振器200的第一检测电极206a和第二检测电极206b连接到跨阻放大器301的输入端，跨阻放大器301的输出端同时与幅度检测电路302和乘法器304的输入端相连，幅度检测电路302的输出端与PI控制电路303的输入端相连，PI控制电路303的输出端与乘法器304的输入端相连，乘法器304的输出端与微谐振器200的第一驱动电极206c和第二驱动电极206d相连；直流偏置电路305与微谐振器200的第一驱动电极206c和第二驱动电极206d相连；

跨阻放大器301将微谐振器检测电流信号310转化为检测电压信号311，幅度检测电路302将检测电压信号311转换为相应的电压有效值信号312，与参考电压Vref一起作为PI控制电路303的输入，乘法器304将PI控制电路303输出的调节电压信号313与检测电压信号311相乘后输出微谐振器驱动交流信号314；直流偏置电路305输出直流偏置电压315，为微谐振器200提供直流偏置电压。

所述测频电路400包括鉴相器401、环路滤波器402和压控振荡器403，驱动电路300的跨阻放大器301连接到鉴相器401的输入端，鉴相器401的输出端与环路滤波器402的输入端相连，环路滤波器402的输出端与压控振荡器403的输入端相连，压控振荡器403的输出端与鉴相器401相连；

驱动电路300的检测电压信号311输入至鉴相器401，鉴相器401比较压控振荡器403输出的反馈频率信号412与检测电压信号311的相位，输出相位敏感电压410至环路滤波器402，环路滤波器402输出频率锁定电压411至压控振荡器403，压控振荡器403输出反馈频率信号412，构成负反馈环路。

所述温度标定电路500包括平方电路501和增益控制电路502；平方电路501的输入端与环路滤波器402的输出端相连，平方电路501的输出端与增益控制电路502的输入端相连；测频电路400输出的频率锁定电压411作为平方电路501的输入，平方电路501对频率锁定电压411进行平方计算后输出表征频率平方的直流电压510至增益控制电路502，增益控制电路502根据标准温度值对为平方电路501的输出进行标定，输出环境温度值。

微谐振器200的材料为单晶硅且采用集成加工工艺使微谐振器200、驱动电路300、测频电路400加工在同一单晶硅晶片上。

所述温度测量系统采用晶圆级封装技术真空封装后安装在外壳610中。

所述温度标定电路500还包括显示器503，显示器503与增益控制电路502相连，用于显示环境温度值。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

结合图1，一种基于微谐振器的高精度温度测量系统，由微谐振器200、驱动电路300、测频电路400以及温度标定电路500组成。微谐振器200由双端固支音叉202、平板电容和基底210组成，双端固支音叉202和平板电容均设置在基底210上；驱动电路300采用自动增益控制方式。微谐振器200与驱动电路300构成闭环回路，微谐振器200的微谐振器检测电流信号310为驱动电路300的输入信号，驱动电路300输出微谐振器驱动交流信号314，直流偏置电压315为微谐振器的直流偏置电压信号，当整个闭环回路满足幅值相位条件时，微谐振器200自激振荡，并输出稳定的微谐振器检测电流信号310。由于材料的杨氏模量系数与残余应力的影响，温度变化时微谐振器200的谐振频率发生变化，导致驱动电路300中的检测电压信号311的频率随之改变，测频电路400基于锁相环原理测量检测电压信号311的频率，表征频率信息的频率锁定电压411为温度标定电路500的输入，温度标定电路500对该信号进行平方计算并进行标定，最后输出环境温度值。

结合图2，微谐振器200的双端固支音叉202通过第一锚点201a和第二锚点201b固定在基底210上。第一固定极板203a与第一活动极板204a组成第一平板电容，第二固定极板203b与第二活动极板204b组成第二平板电容，第三固定极板203c与第一活动极板204a组成第三平板电容，第四固定极板203d与第二活动极板204b组成第四平板电容，第一平板电容、第二平板电容、第三平板电容和第四平板电容为驱动平板电容，第一固定极板203a、第二固定极板203b、第三固定极板203c、第四固定极板203d固定设置在基底210上；第五固定极板205a与第一活动极板204a组成第五平板电容，第六固定极板205b与第二活动极板204b组成第六平板电容，第五平板电容、第六平板电容为检测平板电容，第五固定极板204ba、第六固定极板204b通过锚点固定在基底210上。通过第一驱动电极206c和第二驱动电极206d分别在第一固定极板203a、第二固定极板203b和第三固定极板203c、第四固定极板203d上施加驱动电路300的直流偏置电压315(幅值为+5V)以及微谐振器驱动交流信号314，从而产生与微谐振器驱动交流信号314同频率的驱动力，使得双端固支音叉202产生简谐振动，从而引起检测平板电容的变化。在第一活动极板204a和第二活动极板204b上施加直流偏置电压315(幅值为-5V)，并通过第一检测电极206a和第二检测电极206b输出微谐振器检测电流信号310，并作为驱动电路300的输入信号。

结合图3，驱动电路300由跨阻放大器301、幅度检测电路302、PI控制电路303、乘法器304以及直流偏置电路305组成，其中PI控制电路303为比例积分控制电路；跨阻放大器301将微谐振器检测电流信号310转化为检测电压信号311，幅度检测电路302将检测电压信号311转换为相应的电压有效值信号312，其与参考电压Vref一起作为PI控制电路303的输入，乘法器304将PI控制电路303输出的调节电压信号313与检测电压信号311相乘，输出的微谐振器驱动交流信号314作为微谐振器200的交流驱动电压。幅度检测电路302、PI控制电路303与乘法器304组成AGC自动增益控制电路，当电压有效值信号312与参考电压Vref相等时，整个闭环回路实现稳定振荡，即微谐振器200以恒定振幅振荡在固有频率点处。直流偏置电路305输出直流偏置电压315，为微谐振器的驱动与检测提供直流偏置电压。

结合图4，测频电路400利用锁相环的原理，其由鉴相器401、环路滤波器402和压控振荡器403组成。驱动电路300的检测电压信号311输入至鉴相器401，鉴相器401比较反馈频率信号412与检测电压信号311的相位，其输出的相位敏感电压410与两者的相位差成比例。相位敏感电压410进入具有低通滤波特性的环路滤波器402后，输出频率锁定电压411，其控制着压控振荡器403输出的反馈频率信号412。整个环路根据负反馈的基本原理进行搭建，最终反馈频率信号412的频率与检测电压信号311的频率一致，实现频率的锁定，此时的频率锁定电压411表征了检测电压信号311的频率值，即表征了当前的环境温度值。

结合图5，温度标定电路500由平方电路501，增益控制电路502以及显示器503组成。测频电路400输出的频率锁定电压411为温度标定电路500的输入。平方电路501实现频率锁定电压411的平方计算，而增益控制电路502的作用是根据温度的标定，实现对温度电压信号511的控制，确保其数值与环境温度值一致，并通过显示器503显示环境温度值。

结合图6，微谐振器200、驱动电路300和测频电路400加工在同一单晶硅晶片上，且采用晶圆级封装技术真空封装。真空封装后的温度测量系统晶片220通过基底601安装在外壳610内，外界环境通过外壳610，以及基底601传热，影响微谐振器的谐振频率，从而敏感温度变化。

本发明利用微谐振器谐振频率的温度特性，实现温度的高精度测量。双端固支音叉202的谐振频率公式为

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{16.55\mathrm{Eh}{\left(\frac{w}{L}\right)}^3+\frac{4.85}{L}{\mathrm{\σ}}_c\mathrm{wh}}{0.397\mathrm{\ρwhL}+m}}---\left(1\right)$

式中，f为双端固支音叉202的谐振频率，L为振梁的长度，w为振梁的宽度，h为振梁的厚度，m为结构总质量，E为硅材料杨氏模量，ρ为硅材料密度，σ_c为轴向应力。

杨氏模量E与轴向应力σ_c具有一定的温度特性，根据式(1)可知，频率的平方与频率呈线性关系，则温度可表示为

T＝K₁f²+K₀                  (2)

式中，T为温度，K₁为温度系数，K₀为温度偏值，f为双端固支音叉202的谐振频率。

根据加工工艺中残余应力的大小，K₁取值范围约为4e-7℃/Hz²，双端固支音叉谐振频率为25kHz，测频电路400的测频精度为5mHz时，频率平方的精度为250Hz²，则本发明的温度分辨率为

△T＝4e-7*250＝0.0001℃

即本发明的测温系统的测温精度可达0.0001℃。

本发明的谐振器由双端固支音叉、平板电容和基底组成，双端固支音叉固有频率具有较高的温度系数，与高精度测频电路组合，可实现高分辨率的温度测量，达0.0001℃以上；微谐振器的频率变化对外界温度的响应快，测温系统响应时间短；本发明将微谐振器、驱动电路和频率测量电路加工在同一单晶硅晶片上并采用晶圆级封装技术真空封装，其体积小，功耗低，便于批量生产。

本发明既可以作为高精度温控系统的测温模块，适用于对测温单元体积有限制，精度要求高的场合，也可以在温度标定电路中加入显示器，作为高精度温度仪使用。

Claims (8)

1.一种基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，包括微谐振器[200]、驱动电路[300]、测频电路[400]和温度标定电路[500]，其中驱动电路[300]与微谐振器[200]构成闭环回路，驱动电路[300]的输出端与测频电路[400]的输入端相连，测频电路[400]的输出端与温度标定电路[500]的输入端相连；所述微谐振器[200]包括双端固支音叉[202]、平板电容和基底[210]，其中双端固支音叉[202]和平板电容设置在基底[210]上；所述驱动电路[300]驱动微谐振器[200]使其稳定工作在固有频率点处，驱动电路[300]输出的微谐振器驱动交流信号[314]为驱动微谐振器[200]工作的交流信号，驱动电路[300]输出的直流偏置电压[315]为驱动微谐振器[200]工作的直流偏置电压信号，从而驱动电路[300]驱动微谐振器[200]自激振荡，稳定输出微谐振器检测电流信号[310]，微谐振器检测电流信号[310]为驱动电路[300]的输入信号；驱动电路[300]将微谐振器检测电流信号[310]转化为检测电压信号[311]，测频电路[400]对检测电压信号[311]进行频率测量后输出频率锁定电压[411]，温度标定电路[500]将测频电路[400]输出的频率锁定电压[411]转化为环境温度值。

2.根据权利要求1所述的基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，所述微谐振器[200]中的平板电容包括第一平板电容、第二平板电容、第三平板电容、第四平板电容、第五平板电容和第六平板电容，其中第一平板电容、第二平板电容、第三平板电容和第四平板电容为驱动平板电容，第五平板电容和第六平板电容为检测平板电容，第一固定极板[203a]与第一活动极板[204a]组成第一平板电容，第二固定极板[203b]与第二活动极板[204b]组成第二平板电容，第三固定极板[203c]与第一活动极板[204a]组成第三平板电容，第四固定极板[203d]与第二活动极板[204b]组成第四平板电容，第五固定极板[205a]与第一活动极板[204a]组成第五平板电容，第六固定极板[205b]与第二活动极板[204b]组成第六平板电容；其中第一固定极板[203a]、第二固定极板[203b]、第三固定极板[203c]、第四固定极板[203d]、第五固定极板[205a]和第六固定极板[205b]设置在基底[210]上；所述双端固支音叉[202]通过第一锚点[201a]和第二锚点[201b]固定在基底[210]上；基底[210]上还设置有第一检测电极[206a]、第二检测电极[206b]、第一驱动电极[206c]和第二驱动电极[206d]，第一驱动电极[206c]的输入端与驱动电路[300]相连，第一驱动电极[206c]的输出端同时与第一固定极板[203a]、第三固定极板[203c]相连，第二驱动电极[206d]的输入端与驱动电路[300]相连，第二驱动电极[206d]的输出端同时与第二固定极板[203b]、第四固定极板[203d]相连；第一检测电极[206a]和第二检测电极[206b]分别与第五固定极板[205a]和第六固定极板[205b]相连。

3.根据权利要求2所述的基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，所述驱动电路[300]包括跨阻放大器[301]、幅度检测电路[302]、PI控制电路[303]、乘法器[304]和直流偏置电路[305]，微谐振器[200]的第一检测电极[206a]和第二检测电极[206b]连接到跨阻放大器[301]的输入端，跨阻放大器[301]的输出端同时与幅度检测电路[302]和乘法器[304]的输入端相连，幅度检测电路[302]的输出端与PI控制电路[303]的输入端相连，PI控制电路[303]的输出端与乘法器[304]的输入端相连，乘法器[304]的输出端与微谐振器[200]的第一驱动电极[206c]和第二驱动电极[206d]相连；直流偏置电路[305]与微谐振器[200]的第一驱动电极[206c]和第二驱动电极[206d]相连；

跨阻放大器[301]将微谐振器检测电流信号[310]转化为检测电压信号[311]输出给幅度检测电路[302]，幅度检测电路[302]将检测电压信号[311]转换为相应的电压有效值信号[312]，与参考电压Vref一起作为PI控制电路[303]的输入，乘法器[304]将PI控制电路[303]输出的调节电压信号[313]与检测电压信号[311]相乘后输出微谐振器驱动交流信号[314]；直流偏置电路[305]输出直流偏置电压[315]，为微谐振器[200]提供直流偏置电压。

4.根据权利要求3所述的基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，所述测频电路[400]包括鉴相器[401]、环路滤波器[402]和压控振荡器[403]，驱动电路[300]的跨阻放大器[301]连接到鉴相器[401]的输入端，鉴相器[401]的输出端与环路滤波器[402]的输入端相连，环路滤波器[402]的输出端与压控振荡器[403]的输入端相连，压控振荡器[403]的输出端与鉴相器[401]的输入端相连；

驱动电路[300]的检测电压信号[311]输入至鉴相器[401]，鉴相器[401]对压控振荡器[403]输出的反馈频率信号[412]与检测电压信号[311]的相位进行比较，输出相位敏感电压[410]至环路滤波器[402]，环路滤波器[402]输出频率锁定电压[411]至压控振荡器[403]，压控振荡器[403]输出反馈频率信号[412]，构成负反馈环路。

5.根据权利要求4所述的基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，所述温度标定电路[500]包括平方电路[501]和增益控制电路[502]；平方电路[501]的输入端与环路滤波器[402]的输出端相连，平方电路[501]的输出端与增益控制电路[502]的输入端相连；测频电路[400]输出的频率锁定电压[411]作为平方电路[501]的输入，平方电路[501]对频率锁定电压[411]进行平方计算后输出表征频率平方的直流电压[510]至增益控制电路[502]，增益控制电路[502]根据标准温度值对为平方电路[501]的输出进行标定，输出环境温度值。

6.根据权利要求1所述的基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，微谐振器[200]的材料为单晶硅且采用集成加工工艺使微谐振器[200]、驱动电路[300]、测频电路[400]加工在同一单晶硅晶片上。

7.根据权利要求6所述的基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，所述温度测量系统采用晶圆级封装技术真空封装后安装在外壳[610]中。

8.根据权利要求5所述的基于微谐振器的高精度温度测量系统，其特征在于，所述温度标定电路[500]还包括显示器[503]，显示器[503]与增益控制电路[502]相连，用于显示环境温度值。