CN117526887A - 一种温度控制装置及相关设备 - Google Patents

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CN117526887A CN202210912613.7A CN202210912613A CN117526887A CN 117526887 A CN117526887 A CN 117526887A CN 202210912613 A CN202210912613 A CN 202210912613A CN 117526887 A CN117526887 A CN 117526887A
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冯志宏
徐景辉
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Abstract

本申请实施例公开了一种温度控制装置及相关设备，能够有效抑制环境温度波动对内部器件的影响，可以提高测温精度。温度控制装置包括：第一固定结构、第二固定结构、两个第一支撑梁、两个第二支撑梁、固定框架和目标器件。第一固定结构和目标器件位于固定框架内侧，第二固定结构位于固定框架外侧。第一固定结构分别通过两个第一支撑梁与固定框架连接，第二固定结构分别通过两个第二支撑梁与固定框架连接，目标器件与第一固定结构固定连接。固定框架上分别连接两个第一支撑梁的第一连接位置和第二连接位置的温度差值小于第一预设值。

Description

一种温度控制装置及相关设备
技术领域
本申请涉及控温结构领域，尤其涉及一种温度控制装置及相关设备。
背景技术
微机电系统(Micro-electro-mechanical Systems,MEMS)器件是基于半导体微加工工艺制造出来的具有可动机械结构、能实现机械运动和电信号相互转换的一类微型器件，具有体积小、易集成、功耗低，灵敏度高和价格低等优点。MEMS器件被广泛运用于传感器、无线通信和智能系统等领域，比如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS微镜以及MEMS振荡器。其中，MEMS振荡器作为一种新型时钟器件，正在手机、汽车以及无线通信等各领域逐步地替代传统的石英振荡器。
温控MEMS振荡器(Oven-controlled MEMS oscillator，OCMO)是用于对输出频率精度要求很高的场景的一类MEMS振荡器。OCMO由MEMS谐振器、温度传感器、加热器以及反馈电路组成。MEMS谐振器通过机械振荡产生周期性时钟信号，温度传感器实时捕捉MEMS谐振器的温度，后通过反馈电路控制加热器的功率来将谐振器的温度稳定在恒定值上，从而抑制谐振器的频率温漂。
当前，OCMO的主流测温方案是使用谐振器模态频率测温或者电阻值作为测温指标测温，但在现有的方案中这些测温指标易受环境温度波动的干扰，难以真实反映MEMS谐振器的温度，导致测温精度低。
发明内容
本申请实施例提供了一种温度控制装置及相关设备，能够有效抑制环境温度波动对内部器件的影响，可以提高测温精度。
第一方面，本申请实施例提供了一种温度控制装置。该温度控制装置包括：第一固定结构、第二固定结构、两个第一支撑梁、两个第二支撑梁、固定框架和目标器件。其中，第一固定结构和目标器件位于固定框架内侧，第二固定结构位于固定框架外侧。第一固定结构分别通过两个第一支撑梁与固定框架连接，第二固定结构分别通过两个第二支撑梁与固定框架连接。目标器件与第一固定结构固定连接。固定框架上分别连接两个第一支撑梁的第一连接位置和第二连接位置的温度差值小于第一预设值。
在该实施方式中，提供了一种双层结构设计用于隔离目标器件与外界环境，起到了更好地热隔离作用。其中，位于外层的固定框架直接与外界环境接触，外界环境引入的温度梯度分布主要存在于固定框架上。位于内层的固定结构通过两个支撑梁与固定框架连接，固定框架上分别连接两个支撑梁的两个位置之间温差小于第一预设值，在最优选的实施方式中两个位置的温度完全相等。也就是说，固定结构与固定框架上的两个等温位置连接，因此固定结构的受热更为均匀，可以使得固定结构以及与其连接的目标元件保持相对均衡的温度，减小目标器件受外界环境温度波动的影响，可以提高测温精度。
在一些可能的实施方式中，固定框架上的第三连接位置和第四连接位置分别连接两个第二支撑梁。固定框架包括第一子区域、第二子区域、第三子区域和第四子区域。第一子区域位于第一连接位置与第三连接位置之间，第二子区域位于第二连接位置与第三连接位置之间，第三子区域位于第一连接位置与第四连接位置之间，第四子区域位于第二连接位置与第四连接位置之间。第一子区域的热阻与第三子区域的热阻的比值为第一比值，第二子区域的热阻与第四子区域的热阻的比值为第二比值，第一比值与第二比值的差值小于第二预设值，满足该条件即可保证第一连接位置与第二连接位置的温度差值小于第一预设值。在最优选的实施方式中，要求第一比值等于第二比值，以保证第一连接位置和第二连接位置的温度完全相等。在该实施方式中，提供了一种确定固定框架上等温位置的具体实现方式，进一步保证了目标器件不受外界环境温度波动的影响。
在一些可能的实施方式中，温度控制装置还包括温度调节元件。温度调节元件用于调节固定框架、第一固定结构和目标元件的温度。在该实施方式中，通过温度调节元件主动调节温度，以使得目标器件可以工作在指定的温度环境中，从而便于实现特定的功能。例如，目标器件具体是谐振器，通过控温可以让谐振器输出频率稳定的时钟信号。
在一些可能的实施方式中，温度调节元件位于第二支撑梁上，且温度调节元件与第二支撑梁之间设置有导热绝缘层。和/或，温度调节元件位于第一支撑梁上，且温度调节元件与第一支撑梁之间设置有导热绝缘层。在该实施方式中，提供了多种温度调节元件的设计位置，提高了本方案的灵活性。并且，增加了导热绝缘层，提供了向下的散热渠道，也即增加了有效导热系数，从而提升了加热温度分辨率。同时，以温度调节元件是加热电阻为例，多层结构的设计允许在保证结构刚度不变的情况下将加热电阻做的很薄，阻值做得很大，该方案在同等温升下能减小功耗。
在一些可能的实施方式中，温度调节元件上通过加载第一电压进行加热，第一支撑梁和/或第二支撑梁上加载的第二电压传导至目标器件，第一电压与第二电压电隔离。在该实施方式中，导热绝缘层可以实现热传导但却是电隔离的，因此，在保证了温度调节功能正常的基础上，对温度调节元件上加载的加热电压和目标器件上加载的电压进行了分离，可以提升加热电压分辨率从而实现更高的加热温度分辨率，且不影响目标器件的功能。
在一些可能的实施方式中，温度控制装置还包括测温元件，测温元件位于固定框架内侧且与第一固定结构固定连接，测温元件用于检测目标器件的温度。在该实施方式中，可以通过测温元件来检测目标器件的温度，以便于实时监控目标器件的温度变化。
在一些可能的实施方式中，目标器件为第一谐振器，第一谐振器包括时钟工作模态和测温工作模态。当第一谐振器处于时钟工作模态且第一谐振器的温度处于目标范围时，第一谐振器输出频率稳定的时钟信号。当第一谐振器处于测温工作模态时，第一谐振器输出的测温信号用于表示第一谐振器的温度。在该实施方式中，第一谐振器可以同时工作在时钟工作模态和测温工作模态，通过测温工作模态输出的信号来反馈温度，进而通过控温使得第一谐振器的温度处于目标范围，以通过时钟工作模态输出频率稳定的时钟信号。利用了谐振器自身的特性实现了温度反馈和时钟信号的输出，并且无需设置测温元件，实用效果更好。
在一些可能的实施方式中，温度控制装置还包括第二谐振器，第二谐振器位于固定框架内侧且与第一固定结构固定连接。第一谐振器处于时钟工作模态，第二谐振器处于测温工作模态，或者，第一谐振器处于测温工作模态，第二谐振器处于时钟工作模态。在该实施方式中，也可以设置两个谐振器，并让两个谐振器分别处于不同的工作模态，通过配合实现温度反馈和时钟信号的输出，增强了本方案的扩展性。
在一些可能的实施方式中，第一谐振器的类型包括微机电系统(Micro-electro-mechanical Systems,MEMS)谐振器、石英谐振器和石英MEMS谐振器，扩展了本方案的应用场景。
在一些可能的实施方式中，第二支撑梁包括连接梁和连接框架，固定框架位于连接框架内侧且与连接框架连接，连接梁的一端与第二固定结构连接，连接梁的另一端与连接框架连接，连接框架上与固定框架连接的两个连接位置的温度差值小于第一预设值。在该实施方式中，连接框架可以视为外层结构，固定框架可以视为中间层结构，固定结构可以视为内层结构，从而形成了一种三层隔温结构，隔热效果更好。
在一些可能的实施方式中，第一固定结构为框架结构，使得结构的稳定性更好。
在一些可能的实施方式中，温度控制装置还包括衬底层。第二固定结构固定在衬底层上，固定框架、第一固定结构和目标器件悬挂在衬底层上。在该实施方式中，提供了一种对温度控制装置进行加工和固定的具体实现方式，增加了本方案的实用性。
在一些可能的实施方式中，温度控制装置还包括衬底层和底座。第一固定结构、第二固定结构和固定框架各自的一部分结构位于衬底层，第二固定结构固定在底座上，固定框架、第一固定结构和目标器件悬挂在底座上。在该实施方式中，提供了另一种对温度控制装置进行加工和固定的具体实现方式，扩展了本方案的应用场景。
第二方面，本申请实施例提供了一种温补振荡器。该温补振荡器包括：温度补偿模块和如上述第一方面任一实施方式介绍的温度控制装置。其中，温度控制装置中的目标器件为谐振器。具体地，谐振器用于向温度补偿模块输出原始时钟信号。温度补偿模块用于获取谐振器的温度，并根据温度对原始时钟信号进行调节以得到频率稳定的目标时钟信号。
在一些可能的实施方式中，谐振器还用于向温度补偿模块输出测温信号。温度补偿模块具体用于根据测温信号获取谐振器的温度。
在一些可能的实施方式中，温度控制装置包括测温元件。测温元件用于检测谐振器的温度。温度补偿模块具体用于通过测温元件获取谐振器的温度。
第三方面，本申请实施例提供了一种温控振荡器。该温控振荡器包括：控制器和如上述第一方面任一实施方式介绍的温度控制装置。其中，温度控制装置中的目标器件为谐振器，温度控制装置包括温度调节元件。具体地，控制器用于获取谐振器的原始温度，并根据原始温度控制温度调节元件以将原始温度调节到目标温度。当第一谐振器处于时钟工作模态且第一谐振器处于目标温度时，第一谐振器输出频率稳定的时钟信号。
在一些可能的实施方式中，谐振器用于向控制器输出测温信号。控制器具体用于根据测温信号获取谐振器的原始温度。
在一些可能的实施方式中，温度控制装置包括测温元件，测温元件用于检测谐振器的原始温度。控制器具体用于通过测温元件获取谐振器的原始温度。
本申请实施例中，提供了一种双层结构设计用于隔离目标器件与外界环境，起到了更好地热隔离作用。其中，位于外层的固定框架直接与外界环境接触，外界环境引入的温度梯度分布主要存在于固定框架上。位于内层的固定结构通过两个支撑梁与固定框架连接，固定框架上分别连接两个支撑梁的两个位置之间温差小于第一预设值。也就是说，固定结构与固定框架上的两个等温位置连接，因此固定结构的受热更为均匀，可以使得固定结构以及与其连接的目标元件保持相对均衡的温度，减小目标器件受外界环境温度波动的影响，可以提高测温精度。
附图说明
图1为本申请实施例中温度控制装置的第一种结构示意图；
图2为本申请实施例中温度控制装置的一种温度分布示意图；
图3(a)为本申请实施例中温度控制装置的第二种结构示意图；
图3(b)为本申请实施例中温度控制装置的第三种结构示意图；
图4为本申请实施例中温度控制装置的第四种结构示意图；
图5为采用不同材料的加热方案的仿真对比示意图；
图6为本申请实施例中温度控制装置的第五种结构示意图；
图7为本申请实施例中谐振器的两种工作模态示意图；
图8(a)为本申请实施例中温度控制装置的第六种结构示意图；
图8(b)为本申请实施例中温度控制装置的第七种结构示意图；
图8(c)为本申请实施例中温度控制装置的第八种结构示意图；
图8(d)为本申请实施例中温度控制装置的第九种结构示意图；
图9为本申请实施例中温度控制装置的第十种结构示意图；
图10(a)为本申请实施例中温度控制装置的第十一种结构示意图；
图10(b)为本申请实施例中温度控制装置的第十二种结构示意图；
图10(c)为本申请实施例中温度控制装置的第十三种结构示意图；
图10(d)为本申请实施例中温度控制装置的第十四种结构示意图；
图11为本申请实施例中温控振荡器的一种结构示意图；
图12为本申请实施例中温补振荡器的一种结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种温度控制装置及相关设备，能够有效抑制环境温度波动对内部器件的影响，可以提高测温精度。本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本申请实施例中温度控制装置的第一种结构示意图。如图1所示，温度控制装置包括：目标器件10、固定结构20、固定框架30、固定结构40、支撑梁50和支撑梁60。应理解，固定框架30是中间镂空的封闭式结构，本申请不限定固定框架30的具体形状。固定结构20和目标器件10位于固定框架30内侧，固定结构40位于固定框架30外侧。固定结构20分别通过两个支撑梁50与固定框架30连接，固定结构40分别通过两个支撑梁60与固定框架30连接。目标器件10与固定结构20固定连接。
需要说明的是，本申请不限定固定结构20的具体实现方式。例如，固定结构20可以是如图1所示的框架结构。又例如，固定结构20可以由两个独立的锚点结构组成，是一种非封闭式的结构，固定结构20的两个锚点结构分别连接两个支撑梁50。为了便于示意，在包括图1的所有附图中均以固定结构20是框架结构为例进行展示。与固定结构20类似，本申请也不限定固定结构40的具体实现方式。为了便于示意，在包括图1的所有附图中均以固定结构40由多个锚点结构组成为例进行展示。
还需要说明的是，本申请不限定支撑梁50和支撑梁60的具体数量。在一些可能的实施方式中，以两个支撑梁为一组，还可以设置多组支撑梁50和多组支撑梁60。另外，本申请也不限定支撑梁50和支撑梁60的具体实现方式。例如，支撑梁50和支撑梁60可以是直梁或折叠梁等。
还需要说明的是，本申请不限定目标器件10的具体类似。例如，目标器件10具体可以是谐振器、陀螺仪、加速度计或微镜等。为了便于介绍，下面主要以目标器件10是谐振器为例进行说明。其中，谐振器的类型包括但不限于MEMS谐振器、石英谐振器和石英MEMS谐振器等。
本申请中，为了尽量避免目标器件10受外界环境温度波动的影响，设计了一种双层结构将目标器件10包围起来，以起到热隔离的作用。其中，固定框架30可以视为外层结构，也可以简称为“外框”。固定结构20可以视为内层结构，如果固定结构20也采用框架设计，固定结构20可以简称为“内框”。应理解，固定框架30直接与外界环境接触，会受到外界环境温度波动的影响，固定框架30与固定结构20之间会通过支撑梁50进行热传递，如果两个支撑梁50的温度差异较大，也会影响固定结构20以及与之连接的目标器件10的受热均匀性。因此，在双层结构设计的基础上，本申请还需要选取固定框架30上两个等温位置来连接支撑梁50，以使得固定结构20和目标器件10受热更均匀，进一步减小目标器件10受外界环境温度波动的影响。
需要说明的是，在实际应用中，通常是将固定结构40作为锚点对温度控制装置的整体进行固定。以图1为例，有两个作为锚点的固定结构40直接与外部结构接触。除固定结构40之外的其他部分处于悬挂状态，不会与外部结构直接接触。由于外部结构的温度波动可能会导致这两个固定结构40的温度不同，那么，与两个固定结构40连接的固定框架30处于受热不均匀的状态。而为了保证目标器件10受热均匀，就需要先使得与固定框架30连接的固定结构20受热均匀，因此，固定框架30与固定结构20连接的两个位置要是等温位置。
图2为本申请实施例中温度控制装置的一种温度分布示意图。应理解，图2所示的温度分布是在环境温度梯度分布在两个固定结构40引入一定温差的条件下得到的，例如，该温差可以是0.1摄氏度。如图2的(a)示例所示，固定框架30与目标器件10上存在最大温差约为50mk的温度分布。如图2的(b)示例所示，目标器件10自身存在最大温差约为2uk的温度分布。可以看出，外界环境引入的温度梯度分布主要存在于固定框架30上，目标器件10则保持了相对均衡的温度，受外界环境温度的影响较小。
应理解，固定框架30上的等温位置并非只有一组。以图1为例，固定框架30为矩形，连接位置B位于矩形其中一条边的中心位置，连接位置D位于矩形另一条对边的中心位置，连接位置B和连接位置D是等温位置。此外，在图1的基础上可以将连接位置B和连接位置D同步向上平移或同步向下平移，连接位置B和连接位置D仍然是等温位置。其中，采用图1所示的等温位置更有利于提升结构的稳定性。
还应理解，上述的等温位置各自都具有一定的长度。以上述图1中的连接位置B为例，连接位置B位于固定框架30的其中一条边上并占用了固定框架30的一段长度，也就是连接位置B的长度。如图2所示，连接位置B所在的一条边上存在最大温差约为50mk的温度分布，连接位置B的长度越短，该连接位置B的温度分布范围越小，越有利于保证固定结构20和目标器件10受热均匀。例如，可以将连接位置B的温度分布范围控制在1mk。需要说明的是，虽然连接位置B的长度越短越有利于减小目标器件10受外界环境温度波动的影响，但是若连接位置B的长度太短也会不利于结构的整体稳定性，因此可以综合两方面因素合理选择连接位置B的长度。上述介绍同理也适用于与连接位置B等温的连接位置D。
需要说明的是，在实际应用中，上述两个等温位置也并不一定要求温度完全相等，只要两个连接位置的温度差值小于第一预设值都可以视为等温位置。其中，两个连接位置各自都具有一定的温度分布，因此两个连接位置的温度差具体可以是两个连接位置各自平均温度的温差。在一种可能的实施方式中，该第一预设值可以参考连接位置B和连接位置D的温度分布范围来设置。例如，连接位置B和连接位置D各自的温度分布范围均为1mk，但是两个连接位置的温度并不相等，如果两个连接位置的温度差值小于1mk即可视为等温位置。在最优选的实施方式中，要求两个等温位置的温度完全相等。
下面介绍一种确定等温位置的具体实施方式。
在一种可能的实施方式中，固定框架30上连接支撑梁50和支撑梁60共有4个连接位置，以这4个连接位置为分界点可以将固定框架30划分为4个子区域。若这4个区域各自的热阻满足指定条件，则固定框架30上连接支撑梁50的两个位置可以视为等温位置，相当于提供了一种确定等温位置的具体实现方式。具体地，以图1为例，固定框架30上的4个连接位置分别记为：连接位置A、连接位置B、连接位置C和连接位置D，固定框架30上的4个子区域分别记为：子区域a、子区域b、子区域c和子区域d。其中，子区域a位于连接位置A与连接位置B之间，子区域b位于连接位置B与连接位置C之间，子区域c位于连接位置C与连接位置D之间，子区域d位于连接位置D与连接位置A之间。将子区域a的热阻记为R1，将子区域b的热阻记为R3，将子区域c的热阻记为R4，将子区域d的热阻记为R2，则上述指定条件为：R1/R3与R2/R4的差值小于第二预设值。作为一个示例，R1/R3和R2/R4的典型范围是1/5到5，如果R1/R3与R2/R4的差值小于1/50即可认为满足上述指定条件，从而可以将连接位置B和连接位置D视为等温位置。在最优选的实施方式中，要求R1/R3＝R2/R4，以保证连接位置B和连接位置D的温度完全相等。
图3(a)为本申请实施例中温度控制装置的第二种结构示意图。如图3(a)所示，在一些可能的实施方式中，温度控制装置还可以包括温度调节元件70。该温度调节元件可以调节固定框架30、固定结构20和目标元件10的温度，从而实现控温的效果。应理解，本申请不限定温度调节元件70的具体类型，下面主要以温度调节元件70是加热电阻为例进行介绍。例如，加热电阻可以设置在如图3(a)所示的支撑梁60上，加热电阻通过对支撑梁60进行加热以实现对固定框架30、固定结构20和目标元件10的温度调节。图3(b)为本申请实施例中温度控制装置的第三种结构示意图。如图3(b)所示，温度调节元件70也可以设置在支撑梁50上，温度调节元件70通过对支撑梁50进行加热以实现对固定框架30、固定结构20和目标元件10的温度调节。
图4为本申请实施例中温度控制装置的第四种结构示意图。如图4所示为温度控制装置的局部纵切面展示，在一种可能的实施方式中，以温度调节元件70是加热电阻且加热电阻设置在支撑梁60上为例，加热电阻上设置有电极701，电极701上通过加载电压控制加热电阻进行加热。在一些场景中，以目标元件10是谐振器为例，固定结构40上设置有电极401，电极401上加载的电压可以依次通过支撑梁60、固定框架30、支撑梁60和固定结构20传导至谐振器。为了避免加热电阻上加载的加热电压对谐振器上加载的偏置电压造成扰动从而引起谐振器频飘，加热电阻与支撑梁60之间设置有导热绝缘层80，该导热绝缘层80可以实现热传导但却是电隔离的。因此，在保证了温度调节功能正常的基础上，对加热电阻上加载的加热电压和谐振器上加载的偏置电压进行了分离，可以提升加热电压分辨率从而实现更高的加热温度分辨率，且不影响谐振器的功能。
在一种优选的实施方式中，上述支撑梁60、温度调节元件70和导热绝缘层80构成了三层结构。具体地，支撑梁60采用单晶硅，导热绝缘层80采用氮化铝AlN，温度调节元件70采用半导体材料。该半导体材料包括但不限于非晶硅、多晶硅和锗硅等。理论上，对于电阻率为ρe，导热系数为λ的某种材料制成的加热电阻，其加热温度分辨率与结构设计无关，只服从公式其中，U为加热电压，dU为加热电压分辨率。本申请增加了导热绝缘层，提供了向下的散热渠道，也即增加了有效导热系数λeff，从而提升了加热温度分辨率。同时，多层结构设计允许在保证结构刚度不变的情况下将加热电阻做的很薄，阻值做得很大，因此根据功耗公式/>可知，该方案在同等温升下能减小功耗。
综上，这种优选实施方式提供的三层结构材料的优势在于为加热电阻增加了向下的散热渠道，提升了有效散热系数。并且，采用半导体材料的加热电阻的阻值更大，可以有效降低功耗。相较于三层结构都采用单晶硅的方案和加热电阻采用金属材料的方案，本实施方式具有显著的有益效果，下面结合一个仿真对比图进行进一步说明。
图5为采用不同材料的加热方案的仿真对比示意图。如图5所示，方案1为上述优先实施方式提供的加热方案，方案2为加热电阻采用金属材料的方案，方案3为三层结构都采用单晶硅的方案。其中，温升是电压平方的线性函数，符合公式ΔT＝kU2。方案2的温升K为1417K/V2，方案3的温升K为86.7K/V2，方案1的温升K为1.9K/V2。应理解，图5中斜率越小的方案其温度的调节精度越高。在特定温升ΔT0和加热电压分辨率dU下，加热温度分辨率可知，本申请提供的方案1的加热温度分辨率比方案2提升了约27倍，比方案3提升了约7倍。本申请提供的方案1的功耗比方案2优化了约800倍，比方案3优化了约68倍。
应理解，在实际应用中，这三层结构也可以采用其他的材料，具体此处不做限定。例如，温度调节元件70也可以采用导体材料。
图6为本申请实施例中温度控制装置的第五种结构示意图。如图6所示，在一些可能的实施方式中，温度控制装置还包括测温元件90。测温元件90固定在固定框架30内侧且与固定结构20连接。测温元件90用于检测目标元件10的温度。应理解，由于外界环境引入的温度梯度分布主要存在于固定框架30上，目标器件10和测温元件90则可以保持相对均衡的温度，受外界环境温度的影响较小，测温精度更高。需要说明的是，本申请不限定测温元件90的具体类型，例如，测温元件90可以是测温电阻，利用电阻值对温度的敏感性，可以通过电阻值来标定温度大小。
需要说明的是，在目标元件10为谐振器的场景中，也可以利用谐振器自身的测温工作模态来实现测温，而无需再单独配置测温元件。其中，谐振器除了具有测温工作模态之外，还具有时钟工作模态。例如，测温工作模态包括但不限于方形扩展(Squareextensional，SE)工作模态，时钟工作模态包括但不限于Lame工作模态。应理解，谐振器在不同的工作模态下会输出不同频率的信号。在实际应用中，谐振器可以根据需求SE工作在其中任意一个工作模态下，或者，谐振器也可以同时工作在两个工作模态下。下面对谐振器的两种工作模态进行详细介绍。
图7为本申请实施例中谐振器的两种工作模态示意图。如图7的A示例所示，处于时钟工作模态的谐振器输出信号的频率相对于温度变化存在拐点，在拐点附近的频率几乎不随温度变化而改变。因此，在拐点附近的温度范围内谐振器可以提供稳定的时钟信号输出。如图7的B示例所示，处于测温工作模态的谐振器输出信号的频率随温度的变化而改变，并不存在拐点。因此，可以通过测温工作模态下输出信号的频率来标定温度。例如，可以预先配置好频率与温度之间的对应关系，进而根据测温工作模态下谐振器输出信号的频率以及对应关系确定当前谐振器的温度。
在实际应用中，可以基于谐振器的两种工作模态并配合温度调节元件，以实现谐振器输出频率稳定的时钟信号。具体地，先通过测温工作模态下输出信号的频率来标定温度，进而根据检测得到的温度控制温度调节元件对谐振器的温度进行调节，以将谐振器的温度控制在目标范围，从而可以保证谐振器输出频率稳定的时钟信号。其中，目标范围是时钟工作模态下拐点附近的温度范围，该目标范具体以实际应用为准，此处不做限定。
在一些可能的实施方式中，上述温度控制装置也可以包括两个谐振器，两个谐振器分别工作在不同的工作模态下，通过两个谐振器的配合同样可以实现相同的效果，扩展了本方案的应用场景。下面提供几种采用两个谐振器的具体实施方式。
图8(a)为本申请实施例中温度控制装置的第六种结构示意图。如图8(a)所示，谐振器10a和谐振器10b都与固定结构20固定连接。作为一个示例，谐振器10a处于时钟工作模态，谐振器10b处于测温工作模态。作为另一个示例，谐振器10a处于测温工作模态，谐振器10b处于时钟工作模态。
图8(b)为本申请实施例中温度控制装置的第七种结构示意图。区别于图8(a)所示的结构，如图8(b)所示，固定结构20包括固定结构201和固定结构202，谐振器10a与固定结构201固定连接，谐振器10b与固定结构202固定连接。通过对比图8(a)与图8(b)所示的结构可知，图8(a)所示的结构将固定结构201和固定结构202融合为一个固定结构20，可以增强谐振器10a和谐振器10b之间的热耦合，有助于提升测温精度。图8(b)所示的结构在固定结构201和固定结构202之间增加了连接杆，相较于图8(a)所示的结构，图8(b)所示的结构提升了结构刚度，增强了整体结构的可靠性。
图8(c)为本申请实施例中温度控制装置的第八种结构示意图。区别于图8(b)所示的结构，如图8(c)所示，谐振器10a与谐振器10b之间可以成任意夹角，而并非一定要平行放置，扩展了双谐振器的应用场景。在一种可能的场景中，谐振器10a工作在100晶向的时钟工作模态，谐振器10b工作在110晶向的测温工作模态，此时的测温工作模态本征频率对温度非常敏感，支持高精度测温。
图8(d)为本申请实施例中温度控制装置的第九种结构示意图。如图8(d)所示，谐振器10a和谐振器10b也可以具有不同的形态，从而适配不同的工作模态。例如，谐振器10a为正方形结构，谐振器10b为长方形结构。谐振器10a可以应用在Lame工作模态或SE工作模态。谐振器10b可以应用在长度扩展(length extensional，LE)工作模态。
在一些可能的实施方式中，上述温度控制装置在上述双层结构的基础上，还可以进一步扩展到更多层结构，经过多层结构的隔离，可以更好地维持目标元件10上温度的均匀性。下面以扩展到三层结构为例进行介绍。
图9为本申请实施例中温度控制装置的第十种结构示意图。如图9所示，支撑梁60包括连接梁601和连接框架602。固定框架30位于连接框架602内侧且与连接框架602连接。连接梁601的一端与固定结构40连接，连接梁601的另一端与连接框架602连接。应理解，连接框架602可以视为外层结构，固定框架30可以视为中间层结构，固定结构20可以视为内层结构，从而形成了一种三层隔温结构。应理解，该三层结构中每相邻两层结构之间的两个连接位置是等温的。例如，固定框架30与固定结构20连接的两个位置是等温的，并且，连接框架602与固定框架30连接的两个位置也是等温的。基于图9所示的结构，还可以按照类似的方式扩展到更多层结构，具体方式此处不再赘述。
在目标元件10是谐振器的场景中，MEMS谐振器和石英MEMS谐振器都可以直接应用在上述任一实施例中，MEMS谐振器和石英MEMS谐振器通常可以通过连接杆与固定结构20连接。而对于石英谐振器，由于制造工艺的不同，石英谐振器通常是粘接在固定结构20上，除此之外，其他的特征均与上述各实施例类似，此处不再赘述。下面提供一些附图展示石英谐振器应用在上述温度控制装置中的实现方式。
图10(a)为本申请实施例中温度控制装置的第十一种结构示意图。如图10(a)所示，石英谐振器10粘接在固定结构20上。图10(b)为本申请实施例中温度控制装置的第十二种结构示意图。如图10(b)所示，温度控制装置包括石英谐振器10a和石英谐振器10b，石英谐振器10a和石英谐振器10b均粘接在固定结构20上。图10(c)为本申请实施例中温度控制装置的第十三种结构示意图。如图10(c)所示，温度控制装置包括石英谐振器10a和MEMS谐振器10b，石英谐振器10a粘接在固定结构20上，MEMS谐振器10b通过连接杆与固定结构20连接。该方案同时利用了石英晶体谐振器10a频率温漂小的特点与MEMS谐振器10b频率温飘大的特点，通过将石英晶体谐振器10a作为时钟减小了频率温飘，通过MEMS谐振器10b作为测温传感器提升了测温灵敏度，从而提升了输出时钟信号的频率温度稳定性。图10(d)为本申请实施例中温度控制装置的第十四种结构示意图。如图10(d)所示，温度控制装置还包括测温元件90，测温元件90可用于检测石英谐振器10的温度。
在一些可能的实施方式中，上述温度控制装置可以通过绝缘体上单晶硅片(Silicon On Insulator，SOI)加工形成，温度控制装置包括器件层、绝缘层和衬底层，绝缘层位于器件层与衬底层之间。应理解，器件层和衬底层的材料包括但不限于硅、多晶硅和碳化硅，绝缘层的材料包括但不限于二氧化硅和氮化硅。对于不同的谐振器类型，具体加工方式也会有一些差异，下面分别进行介绍。
作为一个示例，MEMS谐振器、固定结构20、固定框架30和固定结构40都位于器件层，固定结构40固定在衬底层上。衬底层上可以设计一个镂空区域，MEMS谐振器、固定结构20和固定框架30都可以悬挂在镂空区域上。应理解，该示例主要适用于MEMS谐振器的场景。
作为另一个示例，若采用石英谐振器，则固定结构20、固定框架30和固定结构40各自的其中一部分位于衬底层。也就是说，不同于上述采用MEMS谐振器的示例，本示例中还需要用到衬底层来制作固定结构20、固定框架30和固定结构40。进而，固定结构40用于固定在底座上，以使得石英谐振器、固定结构20和固定框架30处于悬挂状态。应理解，在一些可能的场景中，固定结构40具体可以固定在封装管壳上。应理解，在该示例中不限定器件层的具体设计方式，该示例可以适用于MEMS谐振器和石英谐振器的场景。
综合上面对温度控制装置的介绍可知，本申请提供了一种双层结构设计用于隔离目标器件与外界环境，起到了更好地热隔离作用。其中，位于外层的固定框架直接与外界环境接触，外界环境引入的温度梯度分布主要存在于固定框架上。位于内层的固定结构通过两个支撑梁与固定框架连接，固定框架上分别连接两个支撑梁的两个位置之间温差小于第一预设值。也就是说，固定结构与固定框架上的两个等温位置连接，因此固定结构的受热更为均匀，可以使得固定结构以及与其连接的目标元件保持相对均衡的温度，减小目标器件受外界环境温度波动的影响，可以提高测温精度。
上面对本申请提供的温度控制装置进行了介绍，若目标器件采用谐振器，则温度控制装置还可以应用于振荡器的场景。其中，振荡器包括温控振荡器和温补振荡器。具体地，温控振荡器可以是采用MEMS谐振器的温控MEMS振荡器(Oven-controlled MEMSoscillator，OCMO)，也可以是采用石英谐振器的温控石英振荡器(Oven-controlledcrystal oscillator，OCXO)。温补振荡器可以是采用MEMS谐振器的温补MEMS振荡器(Temperature compensated MEMS oscillator，TCMO)，也可以是采用石英谐振器的温补石英振荡器(Temperature compensated crystal oscillator，TCXO)。应理解，温控振荡器是通过主动的温度调节来提供频率稳定的时钟信号。温补振荡器是通过温度补偿模块从算法上补偿温漂引起的频飘实现频率稳定的时钟信号。
下面分别对温控振荡器和温补振荡器的具体实现方式进行介绍。
图11为本申请实施例中温控振荡器的一种结构示意图。如图11所示，温控振荡器包括控制器和温度控制装置。其中，温度控制装置中的目标元件为谐振器，且温度控制装置包括温度调节元件，温度控制装置的其他特征可以参考上述任一实施例的相关介绍，此处不再赘述。应理解，控制器可以获取谐振器的原始温度，该原始温度可以理解为当前检测到的谐振器温度。进而，控制器根据原始温度控制温度调节元件以将原始温度调节到目标温度，从而使得谐振器在时钟工作模态下可以输出频率稳定的时钟信号。其中，参考上述图7所示的A示例，目标温度位于拐点附近的温度范围，在拐点附近的频率几乎不随温度变化而改变，保证了谐振器可以输出频率稳定的时钟信号。
在一种可能的实施方式中，如图11所示，谐振器在测温工作模态下向控制器输出测温信号，控制器具体根据测温信号来确定谐振器的原始温度。其中，参考上述图7所示的B示例，处于测温工作模态的谐振器输出信号的频率随温度的变化而改变，并不存在拐点。因此，可以通过测温工作模态下输出信号的频率来标定温度。
在另一种可能的实施方式中，温度控制装置还可以包括测温元件(此处不再提供附图展示)，通过测温元件检测谐振器的原始温度并反馈给控制器。
图12为本申请实施例中温补振荡器的一种结构示意图。如图12所示，温补振荡器包括温度补偿模块和温度控制装置。其中，温度控制装置中的目标元件为谐振器。区别于上述图11所示的温控振荡器，本实施例中的温度控制装置无需设置温度调节元件。关于温度控制装置的其他特征可以参考上述任一实施例的相关介绍，此处不再赘述。应理解，谐振器用于向温度补偿模块输出原始时钟信号。温度补偿模块获取谐振器的温度，并根据该温度对原始时钟信号进行调节以得到频率稳定的目标时钟信号。
在一种可能的实施方式中，如图12所示，谐振器在测温工作模态下向温度补偿模块输出测温信号，温度补偿模块具体根据测温信号来确定谐振器的温度。其中，参考上述图7所示的B示例，处于测温工作模态的谐振器输出信号的频率随温度的变化而改变，并不存在拐点。因此，可以通过测温工作模态下输出信号的频率来标定温度。
在另一种可能的实施方式中，温度控制装置还可以包括测温元件(此处不再提供附图展示)，通过测温元件检测谐振器的温度并反馈给温度补偿模块。
应理解，本申请提供的双层设计的温度控制装置保证了谐振器处于温度均匀性较高的状态，因此谐振器的测温工作模态与时钟工作模态所感受到的温度差较小，故测温工作模态能对时钟工作模态所处温度进行高精度测量，有助于谐振器输出频率更为稳定的时钟信号。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (19)

1.一种温度控制装置，其特征在于，包括：第一固定结构、第二固定结构、两个第一支撑梁、两个第二支撑梁、固定框架和目标器件；
所述第一固定结构和所述目标器件位于所述固定框架内侧，所述第二固定结构位于所述固定框架外侧，所述第一固定结构分别通过两个所述第一支撑梁与所述固定框架连接，所述第二固定结构分别通过两个所述第二支撑梁与所述固定框架连接，所述目标器件与所述第一固定结构固定连接，所述固定框架上分别连接两个所述第一支撑梁的第一连接位置和第二连接位置的温度差值小于第一预设值。
2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，所述固定框架上的第三连接位置和第四连接位置分别连接两个所述第二支撑梁，所述固定框架包括第一子区域、第二子区域、第三子区域和第四子区域，所述第一子区域位于所述第一连接位置与所述第三连接位置之间，所述第二子区域位于所述第二连接位置与所述第三连接位置之间，所述第三子区域位于所述第一连接位置与所述第四连接位置之间，所述第四子区域位于所述第二连接位置与所述第四连接位置之间，所述第一子区域的热阻与所述第三子区域的热阻的比值为第一比值，所述第二子区域的热阻与所述第四子区域的热阻的比值为第二比值，所述第一比值与所述第二比值的差值小于第二预设值。
3.根据权利要求1或2所述的温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置还包括温度调节元件，所述温度调节元件用于调节所述固定框架、所述第一固定结构和所述目标元件的温度。
4.根据权利要求3所述的温度控制装置，其特征在于，所述温度调节元件位于所述第二支撑梁上，且所述温度调节元件与所述第二支撑梁之间设置有导热绝缘层；
和/或，所述温度调节元件位于所述第一支撑梁上，且所述温度调节元件与所述第一支撑梁之间设置有导热绝缘层。
5.根据权利要求4所述的温度控制装置，其特征在于，所述温度调节元件上通过加载第一电压进行加热，所述第一支撑梁和/或第二支撑梁上加载的第二电压传导至所述目标器件，所述第一电压与所述第二电压电隔离。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置还包括测温元件，所述测温元件位于所述固定框架内侧且与所述第一固定结构固定连接，所述测温元件用于检测所述目标器件的温度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的温度控制装置，其特征在于，所述目标器件为第一谐振器，所述第一谐振器包括时钟工作模态和测温工作模态；
当所述第一谐振器处于所述时钟工作模态且所述第一谐振器的温度处于目标范围时，所述第一谐振器输出频率稳定的时钟信号；
当所述第一谐振器处于所述测温工作模态时，所述第一谐振器输出的测温信号用于表示所述第一谐振器的温度。
8.根据权利要求7所述的温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置还包括第二谐振器，所述第二谐振器位于所述固定框架内侧且与所述第一固定结构固定连接；
所述第一谐振器处于时钟工作模态，所述第二谐振器处于测温工作模态，或者，所述第一谐振器处于测温工作模态，所述第二谐振器处于时钟工作模态。
9.根据权利要求7或8所述的温度控制装置，其特征在于，所述第一谐振器的类型包括微机电系统MEMS谐振器、石英谐振器和石英MEMS谐振器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的温度控制装置，其特征在于，所述第二支撑梁包括连接梁和连接框架，所述固定框架位于所述连接框架内侧且与所述连接框架连接，所述连接梁的一端与所述第二固定结构连接，所述连接梁的另一端与所述连接框架连接，所述连接框架上与所述固定框架连接的两个连接位置的温度差值小于所述第一预设值。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的温度控制装置，其特征在于，所述第一固定结构为框架结构。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置还包括衬底层，所述第二固定结构固定在所述衬底层上，所述固定框架、所述第一固定结构和所述目标器件悬挂在所述衬底层上。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置还包括衬底层和底座，所述第一固定结构、所述第二固定结构和所述固定框架各自的一部分结构位于所述衬底层，所述第二固定结构固定在所述底座上，所述固定框架、所述第一固定结构和所述目标器件悬挂在所述底座上。
14.一种温补振荡器，其特征在于，包括：温度补偿模块和如权利要求1至13中任一项所述的温度控制装置，其中，所述温度控制装置中的目标器件为谐振器；
所述谐振器用于向所述温度补偿模块输出原始时钟信号；
所述温度补偿模块用于获取所述谐振器的温度，并根据所述温度对所述原始时钟信号进行调节以得到频率稳定的目标时钟信号。
15.根据权利要求14所述的温补振荡器，其特征在于，所述谐振器还用于向所述温度补偿模块输出测温信号；
所述温度补偿模块具体用于根据所述测温信号获取所述谐振器的温度。
16.根据权利要求14所述的温补振荡器，其特征在于，所述温度控制装置包括测温元件，所述测温元件用于检测所述谐振器的温度；
所述温度补偿模块具体用于通过所述测温元件获取所述谐振器的温度。
17.一种温控振荡器，其特征在于，包括：控制器和如权利要求1至13中任一项所述的温度控制装置，其中，所述温度控制装置中的目标器件为谐振器，所述温度控制装置包括温度调节元件；
所述控制器用于获取所述谐振器的原始温度，并根据所述原始温度控制所述温度调节元件以将所述原始温度调节到目标温度；
当所述第一谐振器处于时钟工作模态且所述第一谐振器处于所述目标温度时，所述第一谐振器输出频率稳定的时钟信号。
18.根据权利要求17所述的温控振荡器，其特征在于，所述谐振器用于向所述控制器输出测温信号；
所述控制器具体用于根据所述测温信号获取所述谐振器的原始温度。
19.根据权利要求17所述的温控振荡器，其特征在于，所述温度控制装置包括测温元件，所述测温元件用于检测所述谐振器的原始温度；
所述控制器具体用于通过所述测温元件获取所述谐振器的原始温度。
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