CN107246923A - 一种基于TPoS谐振器的温度计及温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于TPoS谐振器的温度计及温度测量方法。目前基于石英晶体传感器的温度测量系统稳定性不高、传感器尺寸较大。本发明的温度计包括两个TPoS谐振器、三个运算放大器、混频器、低通滤波器、频率电压转换器、负载电阻。本发明通过两个不同晶向的TPoS谐振器表现出不同的频率温度特性曲线，在校准温度下频率相同，当温度发生变化，两个TPoS谐振器会产生频率差，根据该频率差得到温度的变化量，实现温度测量。本发明优点在于TPoS谐振器工作频率可以在数百MHz，因此具有更高的温度分辨率，并且两个谐振器的位置相邻，且可以与外围电路实现通过PCB电路实现或通过单芯片集成，因此整体面积较小，温度一致性更高。
Description
技术领域
本发明属于射频通信技术领域，具体是微机电系统(MEMS)中的元器件，涉及一种基于TPoS(thin-film piezoelectric on substrate)谐振器的温度计及温度测量方法。
背景技术
温度传感器是指将温度信号转换成易于传递和处理的电信号的器件。随着材料科学的发展和科技的进步，越来越多的测温方法涌现，应用在不同的场合，每种测温方法都要面对精度、功耗、体积、分辨率、使用寿命、工作温度范围、安装可靠性等问题。高精度、高可靠性的测量在各个领域都有意义，工业上精确稳定的温度控制会使得生产出的产品质量更优、一致性更好。
目前广泛用于电路系统中的是基于石英晶体传感器的温度测量系统。由于石英晶体对温度敏感的切型很多，石英晶体的各向异性使得每种切型极其细微改动都是独特的，使得温频特性不相同，这些切型的石英晶体的固有谐振频率是随温度的变化而变化的。因此，根据石英晶体固有频率随温度的变化率，可以得到温度的变化量，从而测量出当前环境的温度。但是，石英晶体的温频特性曲线与很多因素有关，石英内部的有切割角度、外型尺寸、振荡模态、表面处理；石英外部的有负载电容、驱动功率，这些因素都会影响到温频特性。因此石英晶体温度传感器的温度稳定性不高，同时，由于石英晶体的固有频率不高，造成其测量温度的分辨率有限。此外，石英温度传感器需要使用两片独立的不同切割的石英晶体，每个晶体需独立封装，因此石英温度传感器尺寸较大，且石英与CMOS电路难以实现单芯片集成，无法实现尺寸微型化。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的不足，提供了一种基于TPoS谐振器的温度计，同时提供相应的温度测量方法。该方法采用在同一硅基片上两个不同晶向制造的TPoS谐振器，搭配外围电路形成一个系统，通过该方法测量环境温度，提高了温度测量的稳定性和分辨率，将TPoS谐振器与外围CMOS电路单芯片集成制造，从而实现整体微型化封装。
为实现上述目的，本发明是这样实现的：
一种双TPoS谐振器温度计，包括两个TPoS谐振器、三个运算放大器、混频器、低通滤波器、频率电压转换器、负载电阻。
第一TPoS谐振器的一端接第一运算放大器的输入端，第一TPoS谐振器的另一端和第一运算放大器的输出端接混频器的一个输入端；第二TPoS谐振器的一端接第二运算放大器的输入端，第二TPoS谐振器的另一端和第二运算放大器的输出端接混频器的另一个输入端；混频器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接频率电压转换器的输入端，频率电压转换器的输出端接第三运算放大器的输入端，负载电阻的一端接地，第三运算放大器的输出端与负载电阻的另一端相接，作为温度示数输出端。第一运算放大器和第二运算放大器采用相同的运算放大器，电压放大特性一致。两个TPoS谐振器搭配使用相同的运算放大器，构成两个振荡器。
所述的第一TPoS谐振器和第二TPoS谐振器处于同一硅基片上；两个TPoS谐振器的准静止中轴的夹角为θ，0°＜θ＜90°；两个TPoS谐振器的单晶硅谐振块长度分别为L1和L2，L1≠L2。
所述的第一TPoS谐振器和第二TPoS谐振器均工作在侧向扩张-收缩的振动模态，且两个TPoS谐振器除了单晶硅谐振块长度不同以外，其余结构尺寸完全相同。
所述的第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、混频器、低通滤波器、频率电压转换器和负载电阻组成的外围匹配电路，由分立元器件通过PCB(印刷电路板)电路实现，或通过CMOS技术与TPoS谐振器集成在同一芯片上。
具体温度测量方法如下：
在设定温度T0下，两个谐振器方向上的杨氏模量分别为E1(T0,α)和E2(T0,β)，其中α为第一TPoS谐振器与硅基片基准角度(<001>晶向)的夹角，β为第二TPoS谐振器与硅基片基准角度的夹角，|α-β|＝θ。
设定在温度T0时两个振荡器的振荡频率相同，即
f1(L1,T0)＝f2(L2,T0)，即
即
其中ρ为材料密度。
根据两个谐振器在温度T0时的杨氏模量确定两个谐振器的单晶硅谐振块长度。
两个振荡器输出电压信号分别为V1(T,t)和V2(T,t)，T和t分别表示温度和时间；
V1(T,t)＝A1cos(2π·f1(T)·t)，V2(T,t)＝A2cos(2π·f2(T)·t)；
A1、A2分别为两个振荡器的振荡幅度，f1(T)、f2(T)分别为两个振荡器的振荡频率。
当温度变化时，即被测温度T＝T0+ΔT，两个TPoS谐振器的频率-温度曲线为两条曲率不相等的曲线，两个振荡器的振荡频率变量Δf1(ΔT)和Δf2(ΔT)不同，两个振荡器输出电压信号分别为：
V1(T,t)＝A1cos(2π·f1(T)·t)＝A1cos(2π·[f1(T0)+Δf1(ΔT)]·t)，
V2(T,t)＝A2cos(2π·f2(T)·t)＝A2cos(2π·[f2(T0)+Δf2(ΔT)]·t)。
将两个振荡器输出电压信号作为混频器的输入信号，混频后输出得到输出信号Vo(t)：
其中K为混频器输出端的幅度衰减因子。
经过低通滤波器滤波后得到差频信号项cos(2π·(Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT))·t)，差频信号项cos(2π·(Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT))·t)输入频率电压转换器，根据输出的直流电压值，得到差频信号的频率flow(ΔT)；
flow(ΔT)＝Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT)
＝Δf1(ΔT)+f1(T0)-Δf2(ΔT)-f2(T0)。
＝f1(T)-f2(T)
根据ΔT＝g(flow)、T＝T0+ΔT得到被测温度T，达到温度测量的目的；其中函数g(·)为正比例函数，通过模拟测试取得。
本发明通过两个不同晶向的TPoS谐振器表现出不同的频率温度特性曲线，在校准温度下频率相同，当温度发生变化，两个谐振器会产生频率差，根据该频率差得到温度的变化量。本发明提供的一种双TPoS谐振器温度测量方法，优点在于TPoS谐振器工作频率可以在数百MHz，因此具有更高的温度分辨率，并且两个谐振器的位置相邻，且可以与外围电路实现通过PCB电路实现或通过单芯片集成，因此整体面积较小，温度一致性更高。
附图说明
图1为本发明的基于TPoS谐振器的温度计的结构示意图；
图2为图1中两个TPoS谐振器位置关系示意图；
图3为测温中两个TPoS谐振器与温度曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于TPoS谐振器的温度计包括两个TPoS谐振器、三个运算放大器、混频器、低通滤波器、频率电压转换器、负载电阻。
第一TPoS谐振器11的一端接第一运算放大器21的输入端，第一TPoS谐振器11的另一端和第一运算放大器21的输出端接混频器3的一个输入端；第二TPoS谐振器12的一端接第二运算放大器22的输入端，第二TPoS谐振器12的另一端和第二运算放大器22的输出端接混频器3的另一个输入端；混频器3的输出端接低通滤波器4的输入端，低通滤波器4的输出端接频率电压转换器5的输入端，频率电压转换器5的输出端接第三运算放大器23的输入端，负载电阻6的一端接地，第三运算放大器23的输出端与负载电阻6的另一端相接，作为温度示数输出端。第一运算放大器21和第二运算放大器22采用相同的运算放大器，电压放大特性一致，均可在谐振器频率漂移范围内形成稳定振荡，保证两路输出的信号频率仅由谐振器振动频率决定。
由运算放大器、混频器、低通滤波器、频率电压转换器和负载组成的外围匹配电路，可以通过CAD软件将各个分立元器件设计在PCB版上，通过PCB实现该系统。或者，通过集成电路制造技术将外围匹配电路设计成CMOS电路，将其与两个TPoS谐振器一同集成在同一片SOI上，最后经封装完成制作。
如图2所示，第一TPoS谐振器11和第二TPoS谐振器12处于同一硅基片上；两个TPoS谐振器的准静止中轴的夹角为θ，0°＜θ＜90°；两个TPoS谐振器的单晶硅谐振块长度分别为L1和L2，L1≠L2。
第一TPoS谐振器11和第二TPoS谐振器12均工作在侧向扩张-收缩的振动模态，且两个TPoS谐振器除了单晶硅谐振块长度不同以外，其余结构尺寸完全相同。
在根据晶向确定谐振器摆放位置后，首先在SOI硅片上按传统集成电路加工方法完成CMOS电路制作，再在SOI硅片表面生长一层压电薄膜，压电薄膜的材料可以是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或者锆钛酸铅(PZT)等压电材料的任意选择，再利用湿法刻蚀得到形状，然后在压电薄膜上表面通过磁控溅射的方式生长金属薄膜，刻蚀得到输入输出换能器上电极及金属走线；再利用反应离子硅深刻蚀技术在单晶硅结构层上刻蚀出谐振器主要形状；此后再次利用反应离子硅深刻蚀技术从底部将基底刻蚀得到悬空的谐振器，引出金属连接线，最后经封装完成制作。
具体温度测量方法如下：
在设定温度T0下，两个谐振器方向上的杨氏模量分别为E1(T0,α)和E2(T0,β)，其中α为第一TPoS谐振器与硅基片基准角度的夹角，β为第二TPoS谐振器与硅基片基准角度的夹角，|α-β|＝θ。
设定在温度T0(一般选0℃)时两个振荡器的振荡频率相同，即
f1(L1,T0)＝f2(L2,T0)，即
即
其中ρ为材料密度。
根据两个谐振器在温度T0时的杨氏模量确定两个谐振器的单晶硅谐振块长度。
由于两个TPoS谐振器的晶向和单晶硅谐振块的长度不同，基片材料的杨氏模量在晶向上为各向异性，因此两个TPoS谐振器频率温度特性曲线不同，搭配使用相同的运算放大器，实现两个振荡器。
两个振荡器输出电压信号分别为V1(T,t)和V2(T,t)，T和t分别表示温度和时间；
V1(T,t)＝A1cos(2π·f1(T)·t)，V2(T,t)＝A2cos(2π·f2(T)·t)；
A1、A2分别为两个振荡器的振荡幅度，f1(T)、f2(T)分别为两个振荡器的振荡频率。
如图3所示，当温度变化时，即被测温度T＝T0+ΔT，两个TPoS谐振器的频率-温度曲线为两条曲率不相等的曲线，两个振荡器的振荡频率变量Δf1(ΔT)和Δf2(ΔT)不同，两个振荡器输出电压信号分别为：
V1(T,t)＝A1cos(2π·f1(T)·t)＝A1cos(2π·[f1(T0)+Δf1(ΔT)]·t)，
V2(T,t)＝A2cos(2π·f2(T)·t)＝A2cos(2π·[f2(T0)+Δf2(ΔT)]·t)。
将两个振荡器输出电压信号作为混频器3的输入信号，混频后输出得到输出信号Vo(t)：
其中K为混频器输出端的幅度衰减幅度。
经过低通滤波器4滤波后得到差频信号项cos(2π·(Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT))·t)，差频信号项cos(2π·(Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT))·t)输入频率电压转换器5，根据输出的直流电压值，得到差频信号的频率flow，
flow(ΔT)＝Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT)
＝Δf1(ΔT)+f1(T0)-Δf2(ΔT)-f2(T0)。
＝f1(T)-f2(T)
根据ΔT＝g(flow)、T＝T0+ΔT得到被测温度T，达到温度测量的目的。如图3，函数g(·)接近正比例函数，通过模拟测试取得。模拟测试采用标定的方法，选取不同温度点，测得对应的差频信号的频率flow值，确定比例函数的系数。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (4)
1.一种基于TPoS谐振器的温度计，包括两个TPoS谐振器、三个运算放大器、混频器、低通滤波器、频率电压转换器、负载电阻；其特征在于：
第一TPoS谐振器(11)的一端接第一运算放大器(21)的输入端，第一TPoS谐振器(11)的另一端和第一运算放大器(21)的输出端接混频器(3)的一个输入端；第二TPoS谐振器(12)的一端接第二运算放大器(22)的输入端，第二TPoS谐振器(12)的另一端和第二运算放大器(22)的输出端接混频器(3)的另一个输入端；混频器(3)的输出端接低通滤波器(4)的输入端，低通滤波器(4)的输出端接频率电压转换器(5)的输入端，频率电压转换器(5)的输出端接第三运算放大器(23)的输入端，负载电阻(6)的一端接地，第三运算放大器(23)的输出端与负载电阻(6)的另一端相接，作为温度示数输出端；
所述的第一运算放大器(21)和第二运算放大器(22)采用相同的运算放大器电压放大特性一致；
所述的第一TPoS谐振器(11)和第二TPoS谐振器(12)处于同一硅基片上；两个TPoS谐振器的准静止中轴的夹角为θ，0°＜θ＜90°；两个TPoS谐振器的单晶硅谐振块长度分别为L1和L2，L1≠L2。
2.如权利要求1所述的一种基于TPoS谐振器的温度计，其特征在于：所述的第一TPoS谐振器(11)和第二TPoS谐振器(12)均工作在侧向扩张-收缩的振动模态，且两个TPoS谐振器除了单晶硅谐振块长度不同以外，其余结构尺寸完全相同。
3.如权利要求1所述的一种基于TPoS谐振器的温度计，其特征在于：所述的第一运算放大器(21)、第二运算放大器(22)、第三运算放大器(23)、混频器(3)、低通滤波器(4)、频率电压转换器(5)和负载电阻(6)组成的外围匹配电路，由分立元器件通过印刷电路板电路实现，或通过CMOS技术与TPoS谐振器集成在同一芯片上。
4.如权利要求1所述温度计的温度测量方法，其特征在于：
在设定温度T0下，两个谐振器方向上的杨氏模量分别为E1(T0,α)和E2(T0,β)，其中α为第一TPoS谐振器与硅基片基准角度的夹角，β为第二TPoS谐振器与硅基片基准角度的夹角，|α-β|＝θ；
设定在温度T0时两个振荡器的振荡频率相同f1(L1,T0)＝f2(L2,T0)，得到：
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确定两个谐振器的单晶硅谐振块长度；
两个振荡器输出电压信号分别为V1(T,t)和V2(T,t)，T和t分别表示温度和时间：V1(T,t)＝A1cos(2π·f1(T)·t)，V2(T,t)＝A2cos(2π·f2(T)·t)；
A1、A2分别为两个振荡器的振荡幅度，f1(T)、f2(T)分别为两个振荡器的振荡频率；
当温度变化时，即被测温度T＝T0+ΔT，两个TPoS谐振器的频率-温度曲线为两条曲率不相等的曲线，两个振荡器的振荡频率变量Δf1(ΔT)和Δf2(ΔT)不同，两个振荡器输出电压信号分别为：
V1(T,t)＝A1cos(2π·f1(T)·t)＝A1cos(2π·[f1(T0)+Δf1(ΔT)]·t)，
V2(T,t)＝A2cos(2π·f2(T)·t)＝A2cos(2π·[f2(T0)+Δf2(ΔT)]·t)；
将两个振荡器输出电压信号作为混频器的输入信号，混频后输出得到输出信号Vo(t)：
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其中K为混频器输出端的幅度衰减因子；
经过低通滤波器滤波后得到差频信号项cos(2π·(Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT))·t)，差频信号项cos(2π·(Δf1(ΔT)-Δf2(ΔT))·t)输入频率电压转换器，根据输出的直流电压值，得到差频信号的频率flow(ΔT)；
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根据ΔT＝g(flow)、T＝T0+ΔT得到被测温度T，达到温度测量的目的；其中函数g(·)为正比例函数，通过模拟测试取得。
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