CN1181525A - 高热增益恒温箱 - Google Patents
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Abstract
一种用于晶体谐振器和振荡器的恒温箱组件采用热对称设计以产生高热增益。该恒温箱组件包括形成密封的恒温箱腔体的外壳,该恒温箱腔体基本上是圆柱形的。和恒温箱腔体同心的是环形恒温箱物质,其作用是作为含于恒温箱物质之中的晶体谐振器的储热器。圆柱形恒温箱腔体和同心的恒温箱物质提供了两级圆对称结构,这有助于得到热各向同性的振荡器环境。大面积均匀热传导提高了热增益,并使热梯度降到最低。另一个因素是温度监测的几何形状和电路。温度传感器相互等距地分开,并和恒温箱腔体的中心等距。来自不同热敏电阻的信号被平均,以为调节加热器提供更准确的温度测定。
Description
本发明一般地涉及带恒温箱的晶体振荡器，更具体地说，涉及一种用于晶体振荡器的温控恒温箱组件。
带恒温箱的晶体振荡器用于需要高稳定输出频率的应用中。例如，无线电通讯应用就要求精确的频率有严格的稳定性。电信业也包括一些输出频率必须受到精确容差限制的应用。
用于控制振荡器输出的晶体是和温度有关的。为了使在环境温度中的静态和动态漂移效应降到最低，晶体一般都置于温控恒温箱中。这样一种恒温箱的基本原理在授予Wilson的U.S.Pat.4,317,985中有所描绘，该专利转让给HeWlett-Packard Company，即本发明的受让人。恒温箱组件把晶体谐振器和外部环境隔开，并有一个热敏电阻装在恒温箱内以监测靠近晶体位置的温度。该热敏电阻连接到恒温箱控制器，控制器可调节加到恒温箱的加热器上的功率。因此，石英晶体的温度相对地不容易受恒温箱外围大气温度，即“环境温度”变化的影响。
“热增益”在此定义为晶体恒温箱产生的温度稳定作用的主要性能参数。更具体地说，热增益是环境温度变化量与由环境温度变化引起的晶体温度变化量的比值。曾有报道单级恒温箱热增益值达8000。如果恒温箱置于一个或多个更大的恒温箱中，该多级恒温箱组件的热增益可大大超过这一数值。
已有多种技术用来提高热增益。Wilson专利描述了一种方法，该方法采用两个加热器来加热上面放有石英晶体的导热基底。第一加热器上所加的功率对应于热敏电阻检测到的温度，而第二加热器上所加的功率是第一加热器上所加功率的倍数。由热敏电阻再次检测温度，而倍数根据第二次温度检测作出调节。该专利指出，通过调节加到两个加热器上的功率之比，热敏电阻和外部环境之间的热增益可以增加。温度控制技术还描述于U.S.Pat.No.4，839,613，Echols等，U.S.Pat.No.4,396,892,Frerking等，U.S.Pat.No.4,157,466，Herrin。使用补偿系统来弥补外部环境对晶体振荡器恒温箱温度检测的影响描述于F.Walls的“高性能补偿热屏蔽的分析(Analysis of High PerformanceCompensated Thermal Enclosures)”，第41届Annual Frequency ControlSymposium-1987，第439-443页，以及R.Brendel等的“补偿的石英晶体振荡器恒温箱的分析和结果(Analysis and Results of CompensatedQuartzCrystal Dscillator Ovens)”，1992 IEEE Frequency ControlSymposium，第485-491页，IEEE Transaction O-7803-0467-4/92(1992)。
为了提高热增益，除了电路技术外，还可采用特殊的结构技术。在一篇题为“温控晶体振荡器(A Temperature-Controlled CrystalOscillator)”的文章中，第43届Annual Symposium on FrequencyControl-1989，IEEE Transaction CH 2690-6/89/000-055(1989)，LasHurley描述了一种无恒温箱的晶体振荡器，它采用具有两个功率FET的双边氧化铍衬底，每个FET和一个限流电阻串联。FET和电阻形成加热器结构，并围绕晶体放成半圆形。在衬底的另一面，有一个温度感应片状热敏电阻在半圆附近的中间。从功率FET到晶体的热流穿过在氧化铍衬底中短而宽的路径。晶体装在紧密结合的铜环内部。铜环焊到衬底金属层上。晶体和铜环之间的余空腔中填满了导热材料。晶体引线直接焊到衬底金属层上。该文章宣称因为氧化铍具有和金属铝几乎相同的热学特性，而且由于衬底面积小，所以跨过整个电路的温度梯度就小。不过，该文章也报道了由于晶体温度不稳定而产生的一些频率不稳定性。
大于2400的热增益由M.Mourey和R.Besson报道，文章题目为“具有圆筒形恒温箱和对称结构的空间振荡器(A Space Oscillator withCylindrical Oven and Symmetry)”，45th Annual Symposium onFrequency Control，第431-441页，IEEE Transaction CH 2965-2/91/0000-431(1991)。圆筒形恒温箱包含一个谐振晶体。该振荡器在空间中工作，有几个反射器用来限制辐射产生的热交换，振荡器由钛垫片固定，以限制热传导引起的交换。尽管所报道的热增益已能满足许多应用，但如果振荡器性能要显著提高还需要进一步的改进。
所需要的是一种恒温箱和振荡器组件，具有环境温度变化对晶体温度同时变化的高比值，从而晶体振荡器的输出频率对环境温度变化具有低灵敏度。
晶体振荡器恒温箱组件结合了有温度检测的热对称设计和产生高热增益的热分布技术同时降低了恒温箱组件对热梯度的灵敏度。在优选实施方案中，恒温箱组件包括一个形成密闭的恒温箱腔体的外壳，该腔体基本上是盘状的和圆柱形恒温箱腔体同心的是环形恒温箱物质，为位于恒温箱物质中的晶体提供储热器。恒温箱腔体和恒温箱物质的形状提供了两级圆对称结构，可获得大致热各向同性的振荡器环境。
外壳和恒温箱物质都由具有高热导率的金属形成，例如铜。优选地，恒温箱物质和外壳的至少一部分是一体的。如果恒温箱腔体和恒温箱物质是从外壳的外部加热。这种一体式结构特别优越，因为一体式结构不存在热能必须经过的恒温箱物质和外壳间的界面。另外，外壳优选地形成密封的恒温箱腔体。
为了不产生局部加热，该组件优选地包括大面积热传导。柔性电路可固定在圆筒形外壳的一个或两个平面外表面上。在优选实施方案中，在每个平面外表面上有一个加热元件，并在外边缘上有一个独立可控加热元件。这些加热元件可分别调节以形成外壳周围温度基本均匀的状态。但是在圆筒形外壳的角落中，当连接到电源时增大产生热量的电阻线的间距通常是有益的。大面积热传导减小了在恒温箱腔体中引入热梯度的可能性。
在恒温箱腔体内的温度监测包括采用许多热传感器，例如热敏电阻，它们相互等距安放，并对称地位于恒温箱轴线附近。在一个实施方案中，所有热传感器都在与晶体有效热中心横切的平面上。监测采用了平均方法。这样，热传感器串联或并联连接，或连接到分开的平均电路中，以根据热传感器的平均信号确定晶体振荡器的温度。通过等距安置热传感器和采用平均方法，减小了存在于恒温箱腔体中的任何温度梯度会不利地影响晶体振荡器性能的危险。确定温度或温度偏差的电路位于恒温箱腔体内，这样外部影响降到最低。不过，电路的输出要引到密封的恒温箱腔体的外部，使输出用来控制加热器的工作。优选地，每个输出到恒温箱腔体外部的信号都经过一个塑料介质电容。塑料介质电容不会影响输出的电导性，但可阻止热能沿输出路径穿过。作为单平面实施方案的备选方案，热传感器可对称地安置在一个允许三维平均的非共面结构中。
热传感器嵌入恒温箱物质中，尽可能地靠近晶体，并和恒温箱腔体中心等距。把热传感器放在也许会对确定和维持晶体振荡器的温度起到最大的作用的储热器之中。该组件包括一个用于热传感器引线的隔热体。从而引线不会通过把热能传至或传出传感器而降低热探测的可靠性。隔热体可以是一圈绝缘材料，引线围绕环形恒温箱物质的外径附着或放置在绝缘材料上，以隔断从传感器引线到储热器外部的热泄漏。
在单平面实施方案中，通过把热传感器和振荡器的晶体空隙(crystal blank)放在一个平面中，晶体谐振器温度的准确测定可进一步增强。因为热功率是从外壳的外表面引入，所以晶体空隙相对于外表面的位置可能和确定晶体温度有关。共面结构可在确定晶体温度中形成这一位置关系。另外，该组件的高度低于普通晶体恒温箱的外壳，因而从一个或多个加热器到热传感器的时间延迟可降到最少。为了减小温度差异和热延迟，以及便于在低高度的应用，例如卡盒(card cage)中使用振荡器，优先选用小于一厘米的高度。
外壳包含于使外壳和周围环境隔开的金属盒体中。可以使用标准的绝缘泡沫而不用担心绝缘泡沫的放气会进入密封区，即恒温箱腔体中。进入振荡器电路区域的放气可能会不利地影响性能。
组件可包括恒温箱腔体中的振荡器电路，该电路优选地位于恒温箱物质的外径和外壳的筒形内表面之间。
本发明的一个优点是热对称的优选实施方案提供了带有恒温箱的环境，该环境降低了对温度梯度的灵敏度。也就是说，恒温箱组件基本上是热各向同性的。组件的尺寸小，减少了热梯度的影响，因为空间变化有可能更小。缩小外壳尺寸还降低了功耗。
另一个优点是热传感器相互等距分开以及热传感器和恒温箱腔体中心等距分开，再结合确定晶体温度的平均方法，大大增加了用于加热器调节的温度检测的可靠性。另外，从加热器的大面积热传导提高了组件的热学特性。
附图简述
图1是根据本发明的带恒温箱的晶体振荡器一个优选实施方案的侧面剖视图。
图2是图1带恒温箱的晶体振荡器的分解透视图。
图3是图1和图2组件的加热器的透视图。
图4是图1和图2组件的圆筒形部件和恒温箱物质的底面图。
图5是用于图1和图2组件工作的所选元件的方框图。
图6是用于提供平均热敏电阻输出信号的优选实施方案的示意图。
图7和图8是在测试根据本发明形成的带恒温箱的晶体振荡器组件中所得的数据曲线图。
实施本发明的最佳方式
参照图1和图2，所示恒温箱组件10具有包括顶盖12和底座14的外部金属盒体。在盒体中包含至少一块绝缘泡沫16和18。盒体由金属制成，比如考虑到热学因素用铝，或考虑到磁屏蔽因素用钢等，但这不是关键性的。一般地，绝缘体是合成泡沫，但该材料对本发明不是关键性的。
在优选实施方案中，恒温箱组件10的高度不超过19.05mm。壳体顶盖12的示例直径是76.2mm。
在绝缘泡沫16和18内部固定有金属外壳，包括圆筒形元件20和圆形元件22。圆筒形和圆形元件附在一起形成密封恒温箱腔体24。如以下将要全面说明的，恒温箱腔体通过使电流流过上下加热器26和28上的一个或多个电阻线而被加热。优选地，在环形边缘上有第三个加热器29。在优选实验方案中，加热器是具有螺旋形图案的弯曲电路，可提供大面积的加热方法。简要地参照图3，电阻线30形成在绝缘材料32上。绝缘材料可以粘到图1的圆筒形元件20的平面上。大面积的加热方法的优点是热功率可比较均匀地送到恒温箱腔体中。直到达到热平衡状态。在热平衡形成后，大面积的热耦合可减小在恒温箱腔体24中产生温度梯度的可能性。如果实施方案已打算提供局部加热而不脱离本发明，那么优选实施方案是在其中的普通的加热建立从加热器26，28和29到形成恒温箱腔体的外壳的大面积热耦合。这一优选实施方案还包括在两个平面表面和外壳的边缘提供加热器，因为多边热耦合进一步提高了整个外壳以致整个恒温箱腔体的热学特性均匀性。为了沿外壳的外部提供稳定的热耦合，在边缘上的加热器29被独立地控制和/或设计，以便沿外壳的外面提供稳定的热耦合。例如，每个加热器的电阻线图案可以不同，以补偿绝缘壁厚度的不同，或者可以调节边缘加热器上所加功率和上部与下部加热器上所加功率的比值，以减小在恒温箱腔体中产生热梯度的可能性。
现在参照图1、2和4，和外壳的圆筒形元件20形成在一起的是恒温箱物质34，用来形成维持晶体36固定温度的储热器。恒温箱物质从圆筒形元件20的内表面延伸，并接触到外壳的圆形元件22的内表面。因为恒温箱物质和圆筒形元件20具有一体结构，所以从上部加热器26传入的热功率不会在从圆筒形元件到恒温箱物质的热耦合中遇到界面。由于在恒温箱物质和有圆形元件22的恒温箱腔体接触的地方存在这样的界面，通过保持严格的制造公差和在界面加入导热材料，热传导特性可以提高。另外，圆形元件22和恒温箱腔体的热接触可以通过部分抽空密封的恒温箱腔体以及使外部环境压力增加接触压力来得以改善。
恒温箱腔24的密封通过在外壳的圆筒形元件和圆形元件20和22连接处的O形圈38得以维持。螺丝穿过圆形元件中的一列孔35，旋进恒温箱物质34中的内部有螺纹的钻孔37中，把圆形元件固定到圆筒形元件上。每个螺丝在插进一个孔35之前穿过一个小O形圈，这未画出，因此保持了密封的完整性。这种固定结构的优点是用户可以接触到振荡器。装在恒温箱腔体中的是印刷电路板40。印刷电路板是具有电路的环形底板，用来激发晶体振荡器36并使之工作。优选地，电路的发热元件对称地环绕分布在印刷电路板40，因此保持了由外壳和恒温箱物质34的几何形状引起的热对称性。
嵌入恒温箱物质34中的是多个热传感器，比如图1中所示的两个热敏电阻42和44。图1的剖视图示意出两个沿径向相对的热敏电阻，但优选的是至少有三个热敏电阻。有三个传感器的方案的结构如图4所示。每个热敏电阻和紧邻的热敏电阻等距地分开。而且在恒温箱腔体中心和热敏电阻之间有固定的距离。图4示出三个接受热敏电阻的开口45。这种结构设计可极其准确地确定晶体温度。如以下将要全面描述的那样，来自热敏电阻的信号在平均方法中用来确定晶体温度以控制加热器26、28和29。结果，在由恒温箱物质34形成的储热器中，由于产生温度梯度而可能导致的任何对振荡器性能不利的影响被降到最低程度。
在优选实施方案中，热敏电阻42和44在图1中沿和晶体空隙46相同的横截面安置。用恒温箱物质34形成储热器大大减小了依赖于从晶体36到加热器26和28之间距离的热梯度的危险性。同时热敏电阻沿作为晶体空隙的平面的位置提供了进一步的保护以防止热梯度不利地影响晶体性能。另一方面，如果多于三个的热敏电阻以非共面但对称的方式安装，可得到三维平均结果。
在优选实施方案中，热敏电阻42和44的引线通过隔热体48和恒温箱物质34的外表面隔开。隔热体是一层薄电绝缘材料，内含导体并围在恒温箱物质的柱形外表面周围。隔热体可以包括内嵌的导体，该导体使信号从热敏电阻通到可使信号被送到平均电路的区域。隔热体的功能是防止热敏电阻引线从热敏电阻传入和传出热能，从而提高监测晶体36温度的准确性。
如果要保持密封状态，从由圆筒形和圆形元件20和22构成的外壳的内部传入和传出信号及功率的方法是很关键的。在一个实施方案中，密封通道穿过圆筒形元件20的上表面而安装，使引线延伸过圆筒形绝缘元件以防止和金属外壳短路并保持密封。然后柔性电路可用来使信号和效用传到由顶盖12和基座14形成的盒体外部。优选地，每个输入和输出信号都经过一个塑料介质电容。塑料介质电容容许电传导进出壳体，而禁止热传导。
恒温箱组件10的工作参照图5作了描述。三个所示热敏电阻42、44和50包含于密封的恒温箱腔体24中。从热敏电阻来的信号被送到平均电路52。图1的组件可表面安装到包含控制电路54的印刷电路板上。三个热敏电阻基本上相同，其类型可使之各自用在温度监测和调节电路中。不过在图5中，三个热敏电阻提供输入到平均电路52中，平均电路52根据平均过程确定晶体温度。
现在参照图6，所示的用来进行热敏电阻平均的优选实施方案包含一个桥式电路58。该桥式电路比要求独立的平均电路的实施方案简单一些，后者如图5中所示。桥式电路58的一个支臂包括三个串联的热敏电阻42、44和50。其它三个支臂每个都包括一个电阻60、62和64，其阻值选为使电桥工作在普通的惠斯通电桥方式。电阻装在恒温箱腔体中的振荡器电路上，这样只有电源线66和68以及信号线70和72引出恒温箱腔体。因为偏差是两根信号线之间的电学差异，所以温度探测以对外部热影响只有很小的灵敏度而完成。
作为图6桥式电路58的备选方案，三个热敏电阻42、44和50可并联连接以形成桥式电路的一个支臂。不论是用串联还是并联方式，在确定到加热器控制电路的输入信号时都要进行平均。
回到图5的次优选实施方案，平均电路52的元件可以只是加法并除以三元件。也就是说，热敏电阻42、44和50的三个输出信号被加起来，并计算出三个被测温度的平均值。平均电路对该领域技术人员是熟知的。
平均电路52的输出经过一个塑料介质电容55连接到控制电路54，电容55可阻止热传导。控制电路通常用于带恒温箱的晶体振荡器的运行中。电源56示为控制电路的一部分电路52和54的运行可用来动态地调节流到上部、下部以及边缘加热器26，28和29的电流，或者可用来根据晶体谐振器36处的温度的计算结果改变热产生的负载周期。
所希望的工作温度依赖于很多因素，特别是所用的晶体谐振器36。例如，工作温度可维持在80℃。现在参照图1-6，恒温箱组件10的测试表明了热增益超100,000。这比普通的用于晶体振荡器的单恒温箱组件大了一个量级。测试是通过采用SC切割晶体的B运行模式进行的，这种运行具有大温度系数，因此对温度测量非常有用。
图7和8是对根据本发明组装的晶体振荡器恒温箱所得到的数据图。曲线74显示了晶体振荡器恒温箱的环境温度的稳定变化。环境温度在大约二十四小时期间在-5℃到75℃之间变化了三次。曲线76显示了在相同的二十四小时期间所测得的晶体温度变化。当在每次环境温度变换产生小尖峰时，晶体温度迅速稳定，静态变化小于1×10-3℃。在获取图7和8的数据时所用的显著温度变化提供了对带恒温箱的晶体振荡器组件性能的深入理解。
高热增益至少部分是由恒温箱组件10几何形状引起的。热对称设计降低了组件对热梯度的灵敏度。恒温箱组件24在水平横截面上是圆形的，如图1所示。和普通的矩形恒温箱腔体相比，所示发明的恒温箱腔体提高了温度均匀性。使内含晶体36的储热器和恒温箱腔体同心安放进一步提高了均匀性。
由上部、下部和边缘加热器26、28和29产生的大面积热耦合还减小了恒温箱腔体24中温度梯度的危险性。再次参照图1的方向，比较低的高度和提供储热器使得在垂直方向产生温度均匀性。隔热泡沫16和18提高了热效率，而没有放气引起化学迁移的危险，否则这会不利地影响晶体振荡器36的工作。因为绝缘泡沫在密封部分的外面，加热绝缘体产生的气体不会进入振荡器。
对称结构在晶体温度的监测中也有所考虑。热敏电阻42、44和50相互之间以及和晶体36的中心等距分开。另外，热敏电阻优选地沿和晶体空隙46相同的水平面，这样监测是在对应于从两个加热器26和28到晶体空隙的距离的位置进行的。
Claims (20)
1.一种用于振荡器的恒温箱组件，包括：
限定密封的恒温箱腔体的一个外壳，该恒温箱腔体具有基本上为圆形的横截面，以增加沿该横截面的热对称性；
位于恒温箱腔体中，形成储热器的导热的恒温箱物质，该恒温箱物质具有基本上为圆形的横截面，并大致和外壳的圆形横截面同心；
位于恒温箱物质中、和储热器有热连接的一个晶体；
连接到外壳、加热恒温箱腔体的一个加热器；以及
位于恒温箱腔体中、用来监测温度的至少一个热传感器。
2.根据权利要求1的恒温箱组件，其中所述热传感器的至少三个在恒温箱腔体中基本上等距地分开，这样在恒温箱腔体中的局部温度探测是对称分布的。
3.根据权利要求2的恒温箱组件，其中所述热传感器是热敏电阻，并连接到控制加热器的电路上，控制加热器的该电路对根据热传感器的平均方法有响应。
4.根据权利要求1的恒温箱组件，其中所述外壳是盘状的，以及其中所述加热器是在外壳至少一个外表面上的导电电路。
5.根据权利要求1的恒温箱组件，还包括一个金属盒体，所述外壳通过绝缘体固定在该金属盒体中，恒温箱腔体从该绝缘体被密封。
6.根据权利要求1的恒温箱组件，其中所述外壳是金属的，且是圆筒状的，所述恒温箱物质是金属的，并和外壳的一部分是一体的。
7.根据权利要求6的恒温箱组件，其中所述恒温箱物质具有环形几何形状，且其中所述晶体位于恒温箱物质的内径之中。
8.根据权利要求7的恒温箱组件，其中所述恒温箱物质由铜形成，恒温箱物质的内径和外径之差至少有2.5mm。
9.根据权利要求1的恒温箱组件，其中至少一个热传感器包括嵌入恒温箱物质中的多个热敏电阻。
10.根据权利要求9的恒温箱组件，还包括一个隔热体，以降低热敏电阻引线使热能导入或导出热敏电阻的灵敏度。
11.一种振荡器组件，包括：
形成密封恒温箱腔体的一个金属恒温箱外壳，该恒温箱外壳基本上是盘状的；
在恒温箱腔体中的恒温箱物质；
基本上被恒温箱物质包围在恒温箱腔体中的一个晶体；
和恒温箱物质热接触的多个热敏电阻，这些热敏电阻等距分开；
和热敏电阻电连接、以确定晶体温度的一个监测电路，该监测电路具有指示热敏电阻的信号平均值的输出；
和恒温箱外壳热耦合的一个加热器，该加热器响应于监测电路，加热器沿恒温箱外壳至少一个外表面的主要部分延展；以及
连接到加热器的一个电源。
12.根据权利要求11的组件，其中所述恒温箱物质是环形的，恒温箱外壳和恒温箱物质同轴。
13.根据权利要求12的组件，其中所述加热器包括沿恒温箱外壳的所述外表面延展的在柔性电路上的螺旋形电阻线。
14.根据权利要求11的组件，其中等距分开的多个热敏电阻和晶体共面，这样监测电路的输出是基于热敏电阻信号的二维平均。
15.根据权利要求11的组件，其中等距分开的热敏电阻是不共面的，监测电路的输出是基于热敏电阻信号的三维平均。
16.根据权利要求11的组件，其中所述恒温箱物质和恒温箱外壳的顶盖部分具有一体结构。
17.根据权利要求11的组件还包括用来控制所述晶体、在恒温箱电路中的振荡器电路。
18.一种用于振荡器的恒温箱组件，包括：
形成密封的恒温箱腔体的、通常为盘状的一个金属外壳；
在恒温箱腔体中、形成储热器的环形恒温箱物质；
在恒温箱物质内径之中的一个晶体谐振器；
在恒温箱腔体中并超过恒温箱物质外径的振荡器电路，该振荡器电路导电地连接到晶体谐振器上；
位于恒温箱物质上、等距分开的多个温度传感器；
沿金属外壳的相反的平面外表面延展、以加热恒温箱腔体的第一和第二加热器；以及
环绕金属外壳的隔热体。
19.根据权利要求18的恒温箱组件，还包括内含所述绝缘体和所述金属外壳的金属盒体。
20.根据权利要求18的恒温箱组件，还包括和所述在环形外表面上的金属外壳热耦合的第三加热器。
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