CN104811186B - 温度补偿微机电振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种温度补偿微机电振荡器。此温度补偿微机电振荡器包含微机电(Micro Electro Mechanical Systems;MEMS)振荡子组、加热器、连接体以及控制器。微机电振荡子组包含第一微机电振荡子以及第二微机电振荡子。第一微机电振荡子是用以输出主要振荡频率。第二微机电振荡子是用以根据第二微机电振荡子的温度来输出辅助振荡频率。加热器是用以提高微机电振荡子组的温度。连接体是连接于加热器以及微机电振荡子组之间,以将加热器的热能传送至微机电振荡子组,且电性隔离加热器与微机电振荡子组。控制器是用以根据主要振荡频率与辅助振荡频率间的差值来控制加热器。
Description
技术领域
本发明是有关于一种振荡器,特别是有关于一种温度补偿微机电(Micro ElectroMechanical Systems;MEMS)振荡器。
背景技术
振荡器为一种用来产生周期性信号(例如方波或弦波)的电子装置。现今常见的电子电路,例如信号产生器、频率合成器或锁相回路,都会应用振荡器来提供工作所需的周期性信号。
目前常用的振荡器为石英振荡器。因为石英振荡器具有构造简单、成本低廉的优点,故石英振荡器被广泛地应用于各式电子产品中。然而,石英水晶加工中,机械切割与研磨制程的技术限制,不易制作高频与微小型的元件,因此,MEMS振荡器有逐渐取代石英振荡器的趋势。
MEMS振荡器是利用半导体制程技术来制造出振荡子结构,接着再利用系统级封装(SiP)方式,将控制器与振荡子结构整合于单一晶片封装中。由于MEMS振荡子是以硅作为材料,相容于半导体制程,且拥有许多不同振荡模态,所以可制作出高频与微小型化的元件。然而,MEMS振荡子的自然频率受其结构材料本身杨氏系数对温度的变化系数(TemperatureCoefficient of Young’s Modulus,TCE)、热膨胀系数(Coefficient of ThermalExpansion,CTE)等因素影响,会随着温度变化产生漂移,因此需要温度补偿设计来增加MEMS振荡子频率的稳定性。
发明内容
本发明的一方面是在提供一种温度补偿微机电振荡器,其是利用MEMS振荡子来感测温度,以据此来控制加热器的工作状态,进而将MEMS振荡子的温度维持在预设的温度值。
根据本发明的一实施例,此温度补偿微机电振荡器包含微机电振荡子组、加热器、连接体以及控制器。微机电振荡子组包含第一微机电振荡子以及第二微机电振荡子。第一微机电振荡子是用以输出主要振荡频率。第二微机电振荡子是用以根据第二微机电振荡子的温度来输出辅助振荡频率。加热器是用以提高微机电振荡子组的温度。连接体是连接于加热器以及微机电振荡子组之间,以将加热器的热能传送至微机电振荡子组,且电性隔离加热器与微机电振荡子组。控制器是用以根据主要振荡频率与辅助振荡频率间的差值来控制加热器。
由上述说明可知,本发明实施例的温度补偿微机电振荡器包含两个振荡子,其中第一微机电振荡子是用以输出使用者所需的主要振荡频率,而第二微机电振荡子是用以感测温度变化,并相应地输出辅助振荡频率。通过主要振荡频率和辅助振荡频率的差值,控制器可根据振荡子的温度变化来驱动或维持加热器,以使第一微机电振荡子操作在预设的工作温度下。然而,当控制器提供控制电压于加热器时,振荡子会受到此控制电压影响,因此需利用连接体来隔离此控制电压。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂,上文特举数个较佳实施例,并配合所附附图,作详细说明如下:
图1是绘示根据本发明实施例的温度补偿微机电振荡器的功能方块示意图;
图2是绘示根据本发明实施例的温度补偿微机电振荡器的俯视结构示意图;
图3是绘示根据本发明实施例的微机电振荡子组的温度与输出频率值的关系示意图;
图4A是绘示根据本发明实施例的温度补偿微机电振荡器的功能方块示意图;
图4B是绘示根据本发明实施例的微机电振荡子组的温度与输出频率值的关系示意图。
具体实施方式
请参照图1,其是绘示根据本发明实施例的温度补偿微机电振荡器100的功能方块示意图。温度补偿微机电振荡器100包含微机电振荡子组110、加热器120、控制器130以及连接体CN。在本发明的实施例中,加热器120是用以提高微机电振荡子组110的温度,而控制器130则根据微机电振荡子组110所输出的频率差值来控制加热器120的工作状态。连接体CN是设置于加热器120以及微机电振荡子组110之间,以将加热器120的热能传送至微机电振荡子组110,且电性隔离加热器120与微机电振荡子组110。
微机电振荡子组110包含第一微机电振荡子112以及第二微机电振荡子114。第一微机电振荡子112是用以根据控制信号来输出第一周期信号,此第一周期信号具有一主要振荡频率f1。第二微机电振荡子114则用以感测环境温度的变化并相应地输出第二周期信号,此第二周期信号具有一辅助振荡频率f2。在本实施例中,振荡器100为温度补偿MEMS振荡器,故第一微机电振荡子112与第二微机电振荡子114是根据内部驱动电路所提供的电压信号来维持主要振荡频率f1以及辅助振荡频率f2的稳定性。然而,本发明的实施例不受限于此。
一般而言,微机电振荡子的主要材料为硅,其频率温度系数(temperaturecoefficient of frequency;TCF)为负值。为了降低主要振荡频率f1对温度变化的敏感度,所以利用复合材料制作,嵌入正频率温度系数材料,例如二氧化硅等,但本发明的实施例并不受限于此。
虽然第一微机电振荡子112包含正频率温度系数材料,第一微机电振荡子112的温度变化仍会对主要振荡频率f1产生小幅度的影响。因此,本实施例利用加热器120来将第一微机电振荡子112的温度控制于一预设工作温度下(例如摄氏85度),再利用第二微机电振荡子114来感测温度,以根据感测结果来控制加热器120调整温度。
请参照图2,其是绘示根据本发明实施例的温度补偿微机电振荡器100的俯视结构示意图。加热器120包含第一接触垫122、第二接触垫124以及电阻器126。第一接触垫122是用以提供第一控制电压V1。第二接触垫124是用以提供第二控制电压V2。电阻器126是电性连接于第一接触垫122与第二接触垫124之间,以利用第一控制电压V1与第二控制电压V2之间的电压差来提供热能至微机电振荡子组110。
在本实施例中,电阻器126所产生的热能可利用连接体CN来传送至微机电振荡子组110的支架116,再通过支架来传送热能至微机电振荡子组110。连接体CN是连接于电阻器126以及微机电振荡子组110之间,且以电绝缘材料制成,例如二氧化硅等。在本实施例中,连接体CN是以二氧化硅制成,但本发明的实施例并不受限于此。本实施例的电阻器126、连接体CN、第一微机电振荡子112以及第二微机电振荡子114是悬浮于半导体基板(未绘示)上,如此可提供良好的热隔离环境,以方便控制第一微机电振荡子112的温度。在温度补偿微机电振荡器100的封装体中,可将封装体的空气抽出,使得封装体内部成为真空状态,以提高更好的热隔离效果。
另外,本发明实施例的温度补偿微机电振荡器100还包含体电压(proof massvoltage)供应线路140,以提供体电压VP至第一微机电振荡子112与第二微机电振荡子114,帮助第一微机电振荡子112与第二微机电振荡子114起振。
请参照图3,其是绘示根据本发明实施例的微机电振荡子组110的温度与输出频率值的关系示意图,其中曲线C1是代表第一微机电振荡子112的温度与输出频率值的关系,曲线C2是代表第二微机电振荡子114的温度与输出频率值的关系。如之前所述,第一微机电振荡子112包含正频率温度系数材料,以降低主要振荡频率f1对温度变化的敏感度。因此,相较于第一微机电振荡子112的曲线C1,第二微机电振荡子114的曲线C2具有较高的斜率,以利于温度变化的感测。
在本实施例中,控制器130是接收第一微机电振荡子112所输出的主要振荡频率f1以及第二微机电振荡子114所输出的辅助振荡频率f2,并根据主要振荡频率f1与辅助振荡频率f2的频率差值Δf来进行加热操作。如图3所示,当差值Δf变大时,代表温度上升,而当差值Δf变小时代表温度下降。因此,在本实施例中,可先测得对应至预设工作温度的频率差值,并以此作为频差的标准值,接着再利用此标准值来作为加热操作的依据。例如,当主要振荡频率f1与辅助振荡频率f2的差值大于频差标准值时,代表温度过高,故控制器130降低加热器120的控制电压差值来减少加热器120所提供的热能。又例如,当主要振荡频率f1与辅助振荡频率f2的差值小于频差标准值时,代表温度过低,故控制器130提高加热器120的控制电压差值来增加加热器120所提供的热能。另外,在本发明的其他实施例中,亦可建立频率差值Δf与微机电振荡子组110温度的关系曲线,如此即可利用频率差值Δf来动态地控制微机电振荡子组110的温度。
由以上说明可知,本发明实施例的温度补偿微机电振荡器100是利用第一微机电振荡子112与第二微机电振荡子114之间的频率差值来判断温度是否上升或下降,并据此来将微机电振荡子组110的温度控制在预设工作温度下。由于第二微机电振荡子114和第一微机电振荡子112可在相同的制程中制造,因此本发明实施例的温度补偿微机电振荡器100具有制程简单、成本低廉的优点。
请同时参照图4A和图4B,图4A是绘示根据本发明实施例的温度补偿微机电振荡器400的功能方块示意图,图4B是绘示根据本发明实施例的微机电振荡子组410的温度与输出频率值的关系示意图,其中曲线C3是代表第二微机电振荡子414的温度与输出频率值的关系。本实施例的温度补偿微机电振荡器400是类似于前述的温度补偿微机电振荡器100,但不同之处在于温度补偿微机电振荡器400包含微机电振荡子组410以及控制器430。
微机电振荡子组410是类似于微机电振荡子组110。微机电振荡子组410包含第一微机电振荡子112以及第二微机电振荡子414。第二微机电振荡子414是用以输出辅助振荡频率f3,且包含正频率温度系数材料。如图4B所示,在本实施例中,第二微机电振荡子414所包含的正频率温度系数材料使得曲线C3的斜率大于第一微机电振荡子112的曲线C1的斜率。如此,当频率差值Δf变大时,代表微机电振荡子组410的温度下降,而当频率差值Δf变小时,代表微机电振荡子组410的温度上升。
控制器430是类似于控制器130,但不同之处在于控制器430控制加热器120的规则不同,例如当主要振荡频率f1与辅助振荡频率f3的差值大于频差标准值时,代表温度过过低,故控制器430增加加热器120的控制电压差值来提高温度。又例如,当主要振荡频率f1与辅助振荡频率f3的差值小于频差标准值时,代表温度过高,故控制器430减少加热器120的控制电压差值来降低温度。
由以上说明可知,在本发明的实施例中,当第一微机电振荡子和第二微机电振荡子所对应的温度-频率关系曲线的斜率不同时,本发明实施例的振荡器即可利用微机电振荡子的频差来判断温度是否上升或下降,并据此来控制加热器。
虽然本发明已以数个实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,在本发明所属技术领域中任何具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种温度补偿微机电振荡器,其特征在于,包含:
一微机电振荡子组,包含:一第一微机电振荡子,用以根据一控制信号来输出一主要振荡频率;以及一第二微机电振荡子,用以根据该第二微机电振荡子的温度来输出一辅助振荡频率;
一加热器,用以提高该微机电振荡子组的温度;
一连接体,其中该连接体是连接于该加热器以及该微机电振荡子组之间,以将该加热器的热能传送至该微机电振荡子组,且电性隔离该加热器与该微机电振荡子组;以及
一控制器,用以根据该主要振荡频率与该辅助振荡频率间的差值来控制该加热器。
2.根据权利要求1所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,该主要振荡频率对应该微机电振荡子组温度的一第一关系曲线具有一第一斜率,该辅助振荡频率对应该微机电振荡子组温度的一第二关系曲线具有一第二斜率,该第一斜率不等于该第二斜率。
3.根据权利要求2所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,该第一斜率和该第二斜率为正值,且该第一斜率是小于该第二斜率。
4.根据权利要求3所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,当该主要振荡频率与该辅助振荡频率间的差值大于一预设频差标准值时,该控制器开启该加热器。
5.根据权利要求4所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,当该主要振荡频率与该辅助振荡频率间的差值小于该预设频差标准值时,该控制器关闭该加热器。
6.根据权利要求1所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,该加热器为一电阻器式加热器。
7.根据权利要求6所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,该加热器包含:
一第一接触垫,用以提供一第一电压;
一第二接触垫,用以提供一第二电压;以及
一电阻器,电性连接于该第一接触垫与该第二接触垫之间,以根据该第一电压与该第二电压间的电压差来提供热能。
8.根据权利要求7所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,该连接体是连接于该电阻器以及该微机电振荡子组之间。
9.根据权利要求8所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,该连接体是由电绝缘材料所构成。
10.根据权利要求1所述的温度补偿微机电振荡器,其特征在于,该第一微机电振荡子包含具有正频率温度系数的材料。
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