DE112008002824T5

DE112008002824T5 - Heizsystem für einen doppelt-ofenbehandelten Oszillator auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte

Info

Publication number: DE112008002824T5
Application number: DE112008002824T
Authority: DE
Inventors: Michael F. Wacker
Original assignee: Vectron International Inc
Current assignee: Vectron International Inc
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2011-02-24
Also published as: US20090102567A1; JP2011501620A; CN101821950B; JP4977250B2; GB2466151B; CN101821950A; GB2466151A; WO2009055349A1; GB2466151C; GB2466151C2; GB201005569D0; US7589599B2

Abstract

System für die Regulierung einer Temperatur eines Kristalloszillators, wobei das System umfasst:
– eine thermisch leitfähige Halterung, die auf einem Substrat angeordnet ist und auf der der Kristalloszillator angeordnet ist, so dass der Kristalloszillator in einem thermischen Kontakt mit der thermisch leitfähigen Halterung steht;
– ein Feld thermischer Durchkontaktierungen, die um den Kristalloszillator innerhalb des Substrats angeordnet sind;
– zumindest eine primäre Heizvorrichtung, die mit der Halterung in Verbindung steht;
– eine thermische Hülle, die mit dem Feld thermischer Durchkontaktierungen in Verbindung steht; und
– zumindest eine sekundäre Heizvorrichtung, die mit der Hülle in Verbindung steht.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der US-Anmeldung Nr. 11/876,835, die am 23. Oktober 2007 angemeldet wurde, in Anspruch, und diese wird hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Kristalloszillatoren und insbesondere auf ein Heizsystem für einen doppelt-ofenbehandelten Oszillator auf einer gedruckten Leiterplatte.
Hintergrund der Erfindung
Ofengesteuerte Kristalloszillatoren (OCXOs) werden in Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Die Doppelofenkonstruktion sichert eine stabile Betriebstemperatur, vermindert Temperaturfluktuationen, die die Funktion des piezoelektrischen Resonators beeinträchtigen würden, was einen Fehler in der Frequenz einleitet. Die Doppelofenkonfiguration arbeitet durch Halten beider Öfen oberhalb der maximalen Betriebsumgebungstemperatur. Die Kristalleigenschaften werden an diese Temperatur angepasst für den Betrieb bei einem Null-Anstiegspunkt auf der Frequenz-Temperaturkurve. Diese Kurve wird gewöhnlich durch ein Polynom dritter oder fünfter Ordnung dargestellt, welches die Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur beschreibt. Die Natur dieser Abhängigkeit führt zu gleichmäßigen kleinen Fluktuationen in der Temperatur, die spürbare Einflüsse auf die Frequenzstabilität haben.
Das Platzieren des Oszillatorkristalls innerhalb zweier Öfen erlaubt es dem sekundären (externen) Ofen, den primären Ofen (innen) von Umgebungstemperaturfluktuationen zu isolieren. Solch ein System ist jedoch komplex und teuer aufzubauen, da es mehrere gedruckte Leiterplatten erfordert. Verbunden mit mehreren Platten sind die Schwierigkeiten der Verbindung dieser Platten. Die Verwendung mehrerer Platten erfordert auch größere Packungen, was die Bemühungen, das Volumen des Gehäuses zu verkleinern, erschwert.
Was daher gebraucht wird, sind Techniken zum Bereitstellen einer Temperaturstabilität für eine Oszillatorvorrichtung, die auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte aufgebaut ist.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein System für die Regulierung einer Temperatur eines Kristalloszillators zur Verfügung, wobei das System umfasst: eine thermisch leitfähige Halterung, die auf einem Substrat angeordnet ist und auf der der Kristalloszillator angeordnet ist, ein Feld thermischer Durchkontaktierungen, die um den Kristalloszillator innerhalb des Substrats angeordnet sind, zumindest eine primäre Heizvorrichtung, die mit der Halterung in Verbindung steht, eine thermisches Hülle, die mit dem Feld thermischer Durchkontaktierungen in Verbindung steht und zumindest eine sekundäre Heizvorrichtung, die mit der Hülle in Verbindung steht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt ein derartiges System zur Verfügung, das darüber hinaus ein Oszillatorgehäuse aufweist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein derartiges System zur Verfügung, das darüber hinaus Oszillatorschaltkreiskomponenten aufweist, die innerhalb der Hülle angeordnet sind.
Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt ein derartiges System zur Verfügung, das darüber hinaus Temperatursteuerungsvorrichtungen aufweist, die mit der Halterung in Verbindung stehen.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen Kristalloszillator zur Verfügung, wobei der Oszillator aufweist: eine einzelne gedruckte Leiterplatte, eine primäre Heizvorrichtung, eine metallische Ebene, die auf der einzelnen gedruckten Leiterplatte in thermischer Verbindung mit der Heizvorrichtung angeordnet ist, einen piezoelektrischen Resonator, der auf der metallischen Ebene angeordnet ist, eine primäre thermische Hülle, die um die metallische Ebene angeordnet ist, und zumindest eine sekundäre Heizvorrichtung, die extern zu der primären thermischen Hülle angeordnet ist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen derartigen Kristalloszillator zur Verfügung, der darüber hinaus ein sekundäres Hüllengehäuse aufweist, wobei das Gehäuse die gedruckte Leiterplatte umfasst.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen Kristalloszillator zur Verfügung, der darüber hinaus einen Oszillatorschaltkreis mit zumindest einer Schaltkreiskomponente umfasst, die innerhalb der primären thermischen Hülle angeordnet ist.
Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt einen derartigen Kristalloszillator zur Verfügung, der darüber hinaus thermische Durchkontaktierungen aufweist, die innerhalb der gedruckten Leiterplatte angeordnet sind.
Noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein derartiges System zur Verfügung, bei dem die thermischen Durchkontaktierungen mit einer thermisch leitfähigen inneren Schicht in Verbindung stehen.
Noch ein weiterer Kristalloszillator umfasst darüber hinaus ein proportional gesteuertes Temperaturerfassungs- und Temperatursteuerungssystem, wodurch die metallische Ebene bei einer Oszillatorbetriebstemperatur gehalten wird.
Die Merkmale und Vorteile die hierin beschrieben sind, sind nicht allumfassend und insbesondere werden zahlreiche zusätzliche Merkmale und Vorteile einem Fachmann im Lichte der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche deutlich werden. Außerdem soll angemerkt werden, dass die in der Beschreibung verwendete Sprache prinzipiell für die Lesbarkeit und für Beschreibungszwecke ausgewählt worden ist und nicht, um den Schutzbereich des Erfindungsgegenstands zu beschränken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Draufsicht auf eine Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte veranschaulicht, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Schnittansicht einer Pseudo-Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
3 ist ein Graph, der eine thermische Analyse eines aktivierten primären Ofens einer Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
4 ist ein Graph, der eine thermische Analyse eines aktivierten sekundären Ofens einer Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
5 ist ein Graph, der eine thermische Analyse deaktivierter primärer und sekundärer Öfen einer Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte veranschaulicht, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
6 ist ein Graph, der die Frequenz-Spannungs-Stabilität für eine ±5 prozentige Spannungsänderung in der Spannungsversorgung einer Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte veranschaulicht, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt ist.
7 ist ein Graph, der das Phasenrauschen einer Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte veranschaulicht, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
8 ist ein Graph, der die Allan-Abweichung einer Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
9 ist ein Graph, der den Effekt eines Luftstroms und einer CO₂-Druckluft auf einer Einzelofen-Oszillatorvorrichtung veranschaulicht.
10 ist ein Graph, der den Effekt eines Luftstroms und einer CO₂-Druckluft auf einer Doppelofen-Oszillatorvorrichtung auf einer einzelnen gedruckten Leiterplatte zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
Ausführliche Beschreibung
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein Kristalloszillator 30, der eine hohe Temperaturstabilität erfordert, in einem thermischen Kontakt mit einer geheizten, thermisch leitfähigen Ebene 12, die auf einer Platte oder einem Substrat angeordnet ist, welche/welches selbst in einem Gehäuse 18 untergebracht ist. Die metallisierte Ebene 12 wird durch ein primäres Heizelement 14 aufgeheizt, wobei dieses Heizelement 14 in einer Ausführungsform ein wärmeableitendes Heizelement ist, das mit einem Temperatursensor und -regulator 16 ausgestattet ist. In einer Ausführungsform werden die Temperaturerfassungs- und -regulierfunktionen durch ein gesteuertes Rückkopplungssystem durchgeführt. Ein Durchkontaktierungsfeld thermischer Durchkontaktierungen 22 ist auf der Platte, die die Ebene umgibt, angeordnet. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Feld quadratisch, kreisförmig, oval, rechteckig oder in einer anderen geeigneten Geometrie ausgeführt sein, damit es mit einer thermischen Hülle 36 verwendet werden kann. Das Feld kann um einen Rand einer gewünschten sekundären Ofenhülle 24 angeordnet sein. Derartige Durchkontaktierungen können elektrische Leiter eines Erdstroms sein. In einer Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, können andere temperaturempfindliche Komponenten 34 innerhalb des Feldes angeordnet sein. Die hier beschriebenen thermischen Durchkontaktierungen können aus einem anderen thermisch leitfähigen Material wie die Leiterplatte, wie zum Beispiel aus Metallen, sein, wodurch Wärme fließen kann. Beispiele eines Durchkontaktierungsmaterials umfassen Kupfer und thermisch leitfähiges Epoxid.
In einer Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, wird eine dünnwandige Metalldose 36 oder eine andere geeignete Hülle mit den Durchkontaktierungen verlötet oder thermisch gekoppelt, um dadurch eine sekundäre Hülle um die geheizte Ebene 12 und den Kristall 30 und andere temperaturempfindliche Komponenten 34 herum zu bilden. Ein sekundäres Heizsystem, das ein oder mehrere Heizelemente 26 und einen damit verbundenen Rückkopplungsschaltkreissensor 20 hat, heizt die Durchkontaktierungen 22 und die dünnwandige Metalldose 36 auf. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind solche Heizelemente 26 wärmeableitende Elemente, während andere Ausführungsformen Transistoren, Widerstände verwenden können und entweder bipolar oder Feldeffekttransistoren in MOS-Technik sein könnten. Die Durchkontaktierungen 22, die auf diese Weise aufgeheizt werden, bilden eine thermische Wand oder Barriere und stellen einen Pfad für den Transfer von Wärme zu einer thermisch leitfähigen inneren Schicht 32 zur Verfügung, die innerhalb der Platte angeordnet ist. Der Kristall 30 und Oszillatorkomponenten 34 sind somit in einer thermischen Ummantelung umschlossen, die auf eine gewünschte Temperatur geheizt wird. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt somit eine Doppelofenanordnung zur Verfügung, die eine „innere” Ofenanordnung aufweist, die an allen Seiten von einem Hitzeschild umgeben ist, die eine herkömmliche Doppelofenanordnung nachahmt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein zusätzliches äußeres Gehäuse zur Verfügung gestellt, das die Doppelofenanordnung passiv abschirmt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein vorverzinnter Kristallflansch an eine Metallebene gelötet. Zumindest eine Heizvorrichtung und ein Temperaturerfassungsthermistor sind in einem direkten Kontakt mit der Metallplatte und unterhalb eines verglasten Abschnitts einer Kristallhülle angeordnet. Ein Oszillatorschaltkreis, in einer Ausführungsform ein Colpitts-Oszillatorschaltkreis, ist um die Kristallhülle platziert. Zusammen bilden diese Elemente einen primären Ofen. Die Metallebene ist in solch einer Ausführungsform so konfiguriert, dass sie in der obersten Schicht angeordnet wird und sie wird in dem Bereich unterhalb des Kristalls angeordnet. Zwei zusätzliche Heizvorrichtungen können an den oben beschriebenen thermischen Durchkontaktierungsfeldern angeordnet sein und an diese angeschlossen sein. In einer derartigen Ausführungsform werden die Heizvorrichtungen an einen Kupferblock gelötet, der die Metallebene umgibt und in der das Feld angeordnet ist. Eine thermisch leitfähige Dose kann an das Durchkontaktierungsfeld gelötet sein. Thermische Durchkontaktierungen, die in einem dünnen Kupferblock angeordnet sind, können zur Verfügung gestellt werden, um Wärme auf eine innere Schicht zu übertragen. Gesteuerte Tiefendurchkontaktierungen oder andere ähnliche Strukturen können verwendet werden, um eine Kristallbefestigung zur Verfügung zu stellen, ohne die geheizte innere Schicht zu gefährden. In solch einer Ausführungsform kann die Kupferschicht an einen Temperatursensor gekoppelt sein.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine LPP-(Niedrigprofilpackung)-Kristallpackung verwendet werden, bei der Glas weggelassen wird. Die Unterseite der Packung ist Metall oder Keramik und ist an die PCB-Ebene gelötet. In solch einer Ausführungsform ist der Thermistor an der Seite des Kristalls platziert.
Beispiel 1
Eine Einheit, die so ausgeführt ist, dass sie das binäre Ofenkonzept (Doppelofenkonzept) verwendet, ist getestet worden. Die Einheit, die so getestet wurde, umfasst eine Plattenanordnung, die in einer C0-8 „Eurocase”-Hülle untergebracht ist. Der verwendete Kristall ist ein dritter Oberton-5 MHz-SC in einem HC-37/U-Halter.
Eine thermische Analyse mit einem primären (inneren) Ofen, der aktiviert ist, und mit einem sekundären (äußeren) Ofen, der deaktiviert ist, ist in 3 dargestellt. Wie dort gezeigt, werden Ergebnisse für Tests des Designs bei 10°C, 35°C und 70°C zur Verfügung gestellt. Dies wird verglichen mit thermischen Analyseresultaten, die in 4 dargestellt sind, bei denen der primäre Ofen deaktiviert ist, während der sekundäre Ofen aktiviert ist. Der thermische Anstieg bei dem Kristall ist in jedem Szenario vergleichbar mit demjenigen eines Standard-Einzelofen-„Eurocase”-OCXO.
Die thermische Analyse, die in 5 dargestellt ist, zeigt die Leistung mit beiden aktivierten Öfen. Es wird ein dramatischer Anstieg in dem thermischen Zuwachs bei dem Kristall mit der vernachlässigbaren Änderung in der TempCo-Größe beobachtet.
Die Frequenz-Spannungsstabilität für eine ±5%ige Änderung in der Versorgungsspannung ist in 6 dargestellt. Ein Phasenrauschen für eine derartige Vorrichtung ist in 7 dargestellt, die Allan-Abweichung ist in 8 dargestellt.
Bei dem Vorhandensein einer Luftströmung und CO₂-Druckluft wird die Frequenzstabilität der Doppelheizvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, gegenüber dem Standard-Einzelofen-OCXO in der „Eurocase”-Hülle (beide Einheiten sind bei +10°C) merklich verbessert. Der Effekt der Luftströmung und der CO₂-Druckluft auf einen einzelnen Ofen ist in 9 dargestellt. Der Effekt auf einen Doppelofen, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, ist in 10 dargestellt.
Auf Basis der Ergebnisse der gegenwärtigen Implementierung ist der Wärmeanstieg bei dem Kristall gleich demjenigen eines herkömmlichen Doppelofens. Somit ist gezeigt worden, dass eine adäquate Wärmeisolierung zwischen mehreren Öfen auf einer einzelnen PC-Leiterplatte in Standardausführung erhalten werden kann.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung für die Zwecke der Illustration und Beschreibung ist präsentiert worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue Ausführungsform, die offenbart ist, beschränken. Viele Modifikationen und Änderungen sind im Lichte dieser Offenbarung möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzbereich der Erfindung nicht durch die ausführliche Beschreibung beschränkt sein soll, sondern durch die Ansprüche, die sich hieran anschließen.
Zusammenfassung
Ein System wird zur Verfügung gestellt für die Regulierung einer Temperatur eines Kristalloszillators, wobei dieses System eine thermisch leitfähige Halterung, die auf einem Substrat angeordnet ist und auf der der Kristalloszillator angeordnet ist, ein Feld thermischer Durchkontaktierungen, die um den Kristalloszillator innerhalb des Substrats angeordnet sind, zumindest eine primäre Heizvorrichtung, die mit der Halterung in Verbindung steht, eine thermische Hülle, die mit dem Feld thermischer Durchkontaktierungen in Verbindung steht, und zumindest eine sekundäre Heizvorrichtung, die mit der Hülle in Verbindung steht, aufweist.

Claims

System für die Regulierung einer Temperatur eines Kristalloszillators, wobei das System umfasst: – eine thermisch leitfähige Halterung, die auf einem Substrat angeordnet ist und auf der der Kristalloszillator angeordnet ist, so dass der Kristalloszillator in einem thermischen Kontakt mit der thermisch leitfähigen Halterung steht; – ein Feld thermischer Durchkontaktierungen, die um den Kristalloszillator innerhalb des Substrats angeordnet sind; – zumindest eine primäre Heizvorrichtung, die mit der Halterung in Verbindung steht; – eine thermische Hülle, die mit dem Feld thermischer Durchkontaktierungen in Verbindung steht; und – zumindest eine sekundäre Heizvorrichtung, die mit der Hülle in Verbindung steht.
System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend ein Oszillatorgehäuse.
System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend Oszillatorschaltkreiskomponenten, die innerhalb der Hülle angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend Temperatursteuervorrichtungen, die mit der Halterung in Verbindung stehen.
System nach Anspruch 1, bei dem die primäre Heizvorrichtung und die sekundäre Heizvorrichtung durch unabhängige erste und zweite Steuerungseinrichtungen gesteuert sind.
System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend eine erste Steuerungseinrichtung, die die primäre Heizvorrichtung steuert, und eine zweite Steuerungseinrichtung, die die zweite Heizvorrichtung steuert, und wobei die erste Steuerungseinrichtung mit der zweiten Steuerungseinrichtung in Verbindung steht.
System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend ein isolierendes Gas, das innerhalb der Hülle angeordnet ist.
System nach Anspruch 7, bei dem das isolierende Gas ein Gas ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Gase bestehend aus Luft, Stickstoff, Argon und Mischungen davon.
System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend ein festes Isolatormaterial, das innerhalb der Hülle angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem das Substrat ein thermisch isolierendes Material umfasst.
System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend Schlitze, die in dem Substrat angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, umfassend eine metallische Ebene, die unterhalb einer oberen Oberfläche des Substrats angeordnet ist und mit den thermischen Durchkontaktierungen in thermischer Verbindung steht.
Kristalloszillator, wobei der Oszillator umfasst: – eine einzelne gedruckte Leiterplatte; – eine primäre Heizvorrichtung; – eine metallische Ebene, die auf der einzelnen gedruckten Leiterplatte in thermischer Verbindung mit der Heizvorrichtung angeordnet ist; – einen piezoelektrischen Resonator, der auf der metallischen Ebene angeordnet ist; – eine primäre thermische Hülle, die um die metallische Ebene angeordnet ist; und – zumindest eine sekundäre Heizvorrichtung, die extern zu der primären thermischen Hülle angeordnet ist.
Kristalloszillator nach Anspruch 13, darüber hinaus umfassend ein sekundäres Hüllengehäuse, wobei das Gehäuse die gedruckte Leiterplatte umgibt.
Kristalloszillator nach Anspruch 13, darüber hinaus umfassend einen Oszillator mit zumindest einer Schaltkreiskomponente, die innerhalb der primären thermischen Hülle angeordnet ist.
Kristalloszillator nach Anspruch 13, darüber hinaus umfassend thermische Durchkontaktierungen, die innerhalb der gedruckten Leiterplatte angeordnet sind.
Kristalloszillator nach Anspruch 16, bei dem die thermischen Durchkontaktierungen mit einer thermisch leitfähigen inneren Schicht in Verbindung stehen.
Kristalloszillator nach Anspruch 13, darüber hinaus umfassend ein Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem, wodurch die metallische Ebene bei einer Oszillatorbetriebstemperatur gehalten wird.
Kristalloszillator nach Anspruch 18, bei dem das Temperaturerfassungs- und -steuerungssystem proportional gesteuert ist.