TWI538395B - 主動式溫度補償共振器結構 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種共振器，尤指一種具備埋設於其中之溫度補償元件之共振體結構。
在微機電之共振器領域中，時脈元件與振盪器係為應用相當廣泛之基礎元件，而高Q值之機械共振體更幾乎是所有無線通訊、訊號處理以及電子電路系統之必備元件。然而，共振體之共振頻率會隨著共振體之溫度而漂移，為了降低頻率漂移之缺失，盡量使共振體維持在適當地溫度區間即為重要之課題。
於專利公開第WO 2011/064405 A1號專利案及美國公開專利第US 2012/0305542 A1號專利案中，由兩個專利前案之第5圖及對應之說明書教示內容可知，共振體(圖示之元件11)之外壁，復搭配有溫度補償元件(圖示之元件61、62)，而該些專利前案係利用設置於共振體外壁之溫度補償元件反應共振體之溫度，進而進行溫度補償的動作，以使共振體之溫度能盡量維持在適當的溫度區間。
惟，前些專利前案所示之溫度補償技術，仍具有相當
的改善空間。具體言之，由於前些專利前案之溫度補償元件係設置於共振體之外壁，更甚者，溫度補償元件與共振體之間還具有絕緣墊，從而溫度補償元件無法精確地反應出共振體之本體溫度從而產生溫度判斷誤差，於此前提下，更無法準確地對共振體進行溫度補償。此缺失在高精密的電子產品中所產生之不足之處，尤其明顯。
因此，如何提供一種能精確地反應共振體之溫度，從而對共振體進行準確的溫度補償之共振體結構，即為業界亟待解決之課題。
鑑於習知技術之種種缺失，本發明係提供一種能精確地反應共振體之溫度之共振器結構。
為了達到上述目的及其他目的，本發明遂提供一種主動式溫度補償共振器結構，係包括共振體以及溫度補償元件，其中，該溫度補償元件係埋設於該共振體中，用於供補償電流通過，且具有特定之電阻溫度係數以反應該共振體之溫度，同時，該補償電流之大小係相應於所反應之該共振體之溫度。
上述之溫度補償元件係包括溫度感測單元和溫度控制單元。其中，溫度感測單元係依據該特定之電阻溫度係數供外部之量測控制電路判斷以反應該共振體之溫度，溫度控制單元係供該補償電流通過，其中，該量測控制電路係於判斷出該共振體之溫度符合預定之溫控條件時自動調整該補償電流之大小。
相較於習知技術，由於本發明之溫度補償元件係直接埋設於共振體中，所以能藉由特定之電阻溫度係數精確地反應共振體之本體溫度，進一步，由於溫度補償元件之補償電流係能動態地相應於所反應出之共振體之溫度，故能準確地對共振體提供溫度補償。
1‧‧‧主動式溫度補償共振器結構
10‧‧‧共振體
11‧‧‧溫度補償元件
110‧‧‧溫度感測單元
111‧‧‧溫度控制單元
12‧‧‧錨點
13‧‧‧量測控制電路
14‧‧‧音叉本體
15‧‧‧共振樑
16‧‧‧蛇形加熱器
17‧‧‧支撐繫繩
18‧‧‧熱隔離溝渠
200‧‧‧加熱電流
300‧‧‧驅動電極
A、B、C‧‧‧區間
L‧‧‧線段
第1圖係為本發明之主動式溫度補償共振器結構之一結構示意圖；第2A和2B圖係為本發明之主動式溫度補償共振器結構設計為雙端音叉(Tuning Fork)狀之示意圖；第3圖係為將本發明之主動式溫度補償共振器結構設計為拉梅模態(Lamé Mode)狀之示意圖；第4圖係為本發明之主動式溫度補償共振器結構設計為伸縮桿(Extensional Bar)之示意圖；以及第5圖係為經實際設測試後之頻率漂移改善之比較圖。
為有利於瞭解本揭露之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本揭露之創作配合附圖，並以實施例之表達形式說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意以及輔助說明之用，未必為本揭露實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式比例與配置關係結讀、侷限本揭露於實際實施上的權力範圍，合先敘明。
請先參閱第1圖所繪示之結構示意圖，以瞭解本發明
之主動式溫度補償共振器結構。如圖所示，主動式溫度補償共振器結構1係包括共振體10及溫度補償元件11。
溫度補償元件11係直接埋設於共振體10中，溫度補償元件11用以供補償電流通過，且具有特定之電阻溫度係數以反應共振體10之本體溫度，其中，補償電流之大小係相應於所反應之共振體10之溫度。
於本實施例中，溫度補償元件11可設計為具備溫度感測單元110及溫度控制單元111之雙線路佈局。溫度感測單元110係埋設於共振體10中，並依據特定之電阻溫度係數，供外部之量測控制電路13判斷以反應共振體10之溫度。溫度控制單元111亦埋設於共振體10中，可供補償電流(如圖式例示之IHeat)通過，其中，量測控制電路13係於判斷出共振體10之本體溫度符合預定之溫控條件時，自動調整補償電流之大小。
具體言之，若特定之電阻溫度係數與共振體10之溫度為正相關時，當共振體10之溫度下降時，溫度感測單元110之電阻值亦會下降，反之亦然。此時，當量測控制電路13量測到溫度感測單元110之電阻值超過預定值時，即可進一步主動調整流經溫度控制單元111之補償電流之流量大小，從而讓共振體10之溫度維持在符合標準之區間中。例如，當量測並判斷出共振體10之本體溫度低於標準時，即可提高補償電流之流量。
又若特定之電阻溫度係數與共振體10之溫度為負相關時，當共振體10之溫度下降時，溫度感測單元110之電
阻值則會上升，反之亦然。此時，當量測控制電路13量測到溫度感測單元110之電阻值超過預定值時，即可進一步主動調整流經溫度控制單元111之補償電流之流量大小，從而讓共振體10之溫度維持在符合標準之區間中。例如，當量測並判斷出共振體10之溫度低於標準時，即可提高補償電流之流量，使共振體10之溫度維持在所需範圍內。
由上可知，量測控制電路13可在判斷出共振體10之溫度符合預定之溫控條件時，主動調整補償電流之大小。量測控制電路13之電路設計並非本發明之技術重點，故圖式之電路設計僅用以例示。
需說明的是，溫度補償元件11亦可不設計為分別具有溫度感測單元110及溫度控制單元111之型態，亦即圖式中之溫度感測單元110及溫度控制單元111能視實際需求調整製程以設計為單一線路佈局，也就是以單一線路來執行溫度感測和溫度控制。此外，共振體10及溫度補償元件11可為晶圓堆疊結構者，而共振體10可為電性絕緣體材料，例如二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或玻璃(Glass)等等所結構者。
另外，對於第1圖所繪示之主動式溫度補償共振器結構1，可對稱於線段L形成一對稱結構，從而形成雙端音叉(double-ended tuning fork)狀之結構，如第2A圖所示。於形成為雙端音叉之共振體10之設計型態中，共振體10之兩端復可形成有錨點12，藉以固定於晶片基材上。
第2A圖係顯示主動式溫度補償共振器結構1的一個
具體實施例，兩端的音叉本體14可由兩共振樑15連接，各音叉本體14的兩側邊可延伸出蛇形加熱器16，蛇形加熱器16一端連接音叉本體14，另一端形成與外部連接之錨點12，且於蛇形加熱器16中內嵌有如第1圖所示之溫度感測單元110及溫度控制單元111，因而，共振樑15即形成如第1圖所示的共振體10，錨點12可連接溫度補償元件11(包含溫度感測單元及溫度控制單元)，故共振樑15加上其內鑲嵌的溫度感測單元110及溫度控制單元111(如第1圖所示)而成形共振體10，如此蛇形加熱器16可提供加熱電流200由音叉本體14的其中一者到另一者。
音叉本體14的其中一者具有支撐繫繩(supporting tether)17，其可提供一個適當的錨固功能，其不僅可減輕熱應力，同時保持為低功率加熱運轉時的足夠絕熱性。另外，蛇形加熱器16為可提供大量的熱阻的低熱導率材料，其整體的熱隔離性能可由音叉本體14中心的支撐繫繩17所支配。惟，蛇形加熱器16僅為一實施例，其外型並不受限制。
此外，音叉本體14的另外一者具有熱隔離溝渠18，驅動電極300懸浮地設置在該熱隔離溝渠18上，橋狀結構跨越音叉本體14，驅動電極300可為金屬材質，透過驅動電極300和熱隔離溝渠18的設計，可使驅動電極連接並存取中心電極，而不會犧牲熱隔離性能。
第2B圖則顯示主動式溫度補償共振器結構1之共振體10，其形狀設計為雙端音叉結構的示意圖，上下兩端為
可成為錨點12以與外部熱來源連接，而中間共振體10可形成共振效果。
當然，本發明之主動式溫度補償共振器結構不限於雙端音叉結構。如第3圖所示，共振體10之形狀可設計為拉梅模態(Lamé mode)型態，此時，形成為拉梅模態之共振體10，可於共振體10之端角形成錨點12。另外，又如第4圖所示，共振體10之形狀亦可設計為伸縮桿(extensional bar)型態，此時，形成為伸縮桿之共振體10，可於共振體10之中段區域形成錨點12。
請再參照第5圖之實際測試後頻率漂移改善之比較圖，如圖所示，區間A係代表本發明之結構設計之頻率漂移範圍，區間B係代表傳統之被動補償絕緣體結構(例如CMOS-MEMS)共振器之頻率漂移範圍，區間C係代表傳統之非補償單晶矽共振器之頻率漂移範圍。相較之下即可清楚得知，由於本發明之結構設計更能精確地反應本體溫度以準確地對共振體之溫度進行控制，俾維持在適當的溫度區間，故共振器之頻率漂移能進一步大幅縮小。
相較於習知技術，由於本發明之溫度補償元件係直接埋設於共振體中，故能藉由特定之電阻溫度係數，精確地量測並反應出共振體之本體溫度，同時，由於溫度補償元件之補償電流能動態地對應所反應出之共振體之溫度，故能進一步準確地對共振體提供溫度補償，藉此使共振體維持在適當的溫度區間中，從而，大幅降低頻率漂移之缺失。
上述實施例係例示性說明本揭露之原理及其功效，而
非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧主動式溫度補償共振器結構
10‧‧‧共振體
11‧‧‧溫度補償元件
110‧‧‧溫度感測單元
111‧‧‧溫度控制單元
12‧‧‧錨點
13‧‧‧量測控制電路
L‧‧‧線段
Claims (10)
- 一種主動式溫度補償共振器結構，係包括：共振體；以及溫度補償元件，係埋設於該共振體中，用於供補償電流通過，且具有特定之電阻溫度係數以反應該共振體之溫度，其中，該補償電流之大小係相應於所反應之該共振體之溫度。
- 如申請專利範圍第1項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該共振體之形狀係為雙端音叉、拉梅模態、或伸縮桿。
- 如申請專利範圍第2項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該共振體之形狀為雙端音叉者，係於該共振體之兩端具有錨點。
- 如申請專利範圍第2項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該共振體之形狀為拉梅模態者，係於該共振體之端角具有錨點。
- 如申請專利範圍第2項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該共振體之形狀為伸縮桿者，係於該共振體之中段區域具有錨點。
- 如申請專利範圍第1項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該共振體係為二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或玻璃(Glass)之電性絕緣體材料所結構者。
- 如申請專利範圍第1項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該溫度補償元件係包括： 溫度感測單元，係依據該特定之電阻溫度係數供外部之量測控制電路判斷以反應該共振體之溫度；以及溫度控制單元，係供該補償電流通過，其中，該量測控制電路係於判斷出該共振體之溫度符合預定之溫控條件時自動調整該補償電流之大小。
- 如申請專利範圍第7項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該量測控制電路係依據該溫度感測單元之電阻值判斷以反應該共振體之溫度。
- 如申請專利範圍第1項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該特定之電阻溫度係數與該共振體之溫度係為正相關或負相關。
- 如申請專利範圍第1項所述之主動式溫度補償共振器結構，其中，該共振體及該溫度補償元件係為晶圓堆疊結構者。
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