TWI558096B - 溫度補償微機電振盪器 - Google Patents

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Description

溫度補償微機電振盪器
本發明是有關於一種振盪器，特別是有關於一種溫度補償微機電(Micro Electro Mechanical Systems；MEMS)振盪器。
振盪器為一種用來產生週期性訊號(例如方波或弦波)的電子裝置。現今常見的電子電路，例如訊號產生器、頻率合成器或鎖相迴路，都會應用振盪器來提供工作所需的週期性訊號。
目前常用的振盪器為石英振盪器。因為石英振盪器具有構造簡單、成本低廉之優點，故石英振盪器被廣泛地應用於各式電子產品中。然而，石英水晶加工中，機械切割與研磨製程的技術限制，不易製作高頻與微小型的元件，因此，MEMS振盪器有逐漸取代石英振盪器的趨勢。
MEMS振盪器係利用半導體製程技術來製造出振盪子結構，接著再利用系統級封裝(SiP)方式，將控制器與振盪子結構整合於單一晶片封裝中。由於MEMS振盪子係以矽作為材料，相容於半導體製程，且擁有許多不同振盪模態，所以可製作出高頻與微小型化之元件。然而，MEMS振盪子的自然頻率受其結構材料本身楊氏係數對溫度的變 化係數(Temperature Coefficient of Young’s Modulus,TCE)、熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)等因素影響，會隨著溫度變化產生漂移，因此需要溫度補償設計來增加MEMS振盪子頻率的穩定性。
本發明之一方面是在提供一種溫度補償微機電振盪器，其係利用MEMS振盪子來感測溫度，以據此來控制加熱器的工作狀態，進而將MEMS振盪子的溫度維持在預設的溫度值。
根據本發明之一實施例，此溫度補償微機電振盪器包含微機電振盪子組、加熱器、連接體以及控制器。微機電振盪子組包含第一微機電振盪子以及第二微機電振盪子。第一微機電振盪子係用以輸出主要振盪頻率。第二微機電振盪子係用以根據第二微機電振盪子之溫度來輸出輔助振盪頻率。加熱器係用以提高微機電振盪子組之溫度。連接體係連接於加熱器以及微機電振盪子組之間，以將加熱器之熱能傳送至微機電振盪子組，且電性隔離加熱器與微機電振盪子組。控制器係用以根據主要振盪頻率與輔助振盪頻率間之差值來控制加熱器。
由上述說明可知，本發明實施例之溫度補償微機電振盪器包含兩個振盪子，其中第一微機電振盪子係用以輸出使用者所需的主要振盪頻率，而第二微機電振盪子係用以感測溫度變化，並相應地輸出輔助振盪頻率。藉由主要振盪頻率和輔助振盪頻率的差值，控制器可根據振盪子的 溫度變化來驅動或維持加熱器，以使第一微機電振盪子操作在預設的工作溫度下。然而，當控制器提供控制電壓於加熱器時，振盪子會受到此控制電壓影響，因此需利用連接體來隔離此控制電壓。
100‧‧‧溫度補償微機電振盪器
110‧‧‧微機電振盪子組
112‧‧‧第一微機電振盪子
114‧‧‧第二微機電振盪子
116‧‧‧支架
120‧‧‧加熱器
122‧‧‧第一接觸墊
124‧‧‧第二接觸墊
126‧‧‧電阻器
130‧‧‧控制器
140‧‧‧體電壓供應線路
400‧‧‧溫度補償微機電振盪器
410‧‧‧微機電振盪子組
414‧‧‧第二微機電振盪子
430‧‧‧控制器
V1‧‧‧第一控制電壓
V2‧‧‧第一控制電壓
VP‧‧‧體電壓
C1‧‧‧曲線
C2‧‧‧曲線
C3‧‧‧曲線
CN‧‧‧連接體
f1‧‧‧主要振盪頻率
f2‧‧‧輔助振盪頻率
f3‧‧‧輔助振盪頻率
△f‧‧‧頻率差值
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1圖係繪示根據本發明實施例之溫度補償微機電振盪器的功能方塊示意圖。
第2圖係繪示根據本發明實施例之溫度補償微機電振盪器的俯視結構示意圖。
第3圖係繪示根據本發明實施例之微機電振盪子組的溫度與輸出頻率值的關係示意圖。
第4A圖係繪示根據本發明實施例之溫度補償微機電振盪器的功能方塊示意圖。
第4B圖係繪示根據本發明實施例之微機電振盪子組的溫度與輸出頻率值的關係示意圖。
請參照第1圖，其係繪示根據本發明實施例之溫度補償微機電振盪器100的功能方塊示意圖。溫度補償微機電振盪器100包含微機電振盪子組110、加熱器120、控制器130以及連接體CN。在本發明之實施例中，加熱器120 係用以提高微機電振盪子組110之溫度，而控制器130則根據微機電振盪子組110所輸出之頻率差值來控制加熱器120之工作狀態。連接體CN係設置於加熱器120以及微機電振盪子組110之間，以將加熱器120之熱能傳送至微機電振盪子組110，且電性隔離加熱器120與微機電振盪子組110。
微機電振盪子組110包含第一微機電振盪子112以及第二微機電振盪子114。第一微機電振盪子112係用以根據控制訊號來輸出第一週期訊號，此第一週期訊號具有一主要振盪頻率f1。第二微機電振盪子114則用以感測環境溫度的變化並相應地輸出第二週期訊號，此第二週期訊號具有一輔助振盪頻率f2。在本實施例中，振盪器100為溫度補償MEMS振盪器，故第一微機電振盪子112與第二微機電振盪子114是根據內部驅動電路所提供的電壓訊號來維持主要振盪頻率f1以及輔助振盪頻率f2的穩定性。然而，本發明之實施例不受限於此。
一般而言，微機電振盪子的主要材料為矽，其頻率溫度係數(temperature coefficient of frequency；TCF)為負值。為了降低主要振盪頻率f1對溫度變化的敏感度，所以利用複合材料製作，嵌入正頻率溫度係數材料，例如二氧化矽等，但本發明之實施例並不受限於此。
雖然第一微機電振盪子112包含正頻率溫度係數材料，第一微機電振盪子112的溫度變化仍會對主要振盪頻率f1產生小幅度的影響。因此，本實施例利用加熱器120 來將第一微機電振盪子112之溫度控制於一預設工作溫度下(例如攝氏85度)，再利用第二微機電振盪子114來感測溫度，以根據感測結果來控制加熱器120調整溫度。
請參照第2圖，其係繪示根據本發明實施例之溫度補償微機電振盪器100的俯視結構示意圖。加熱器120包含第一接觸墊122、第二接觸墊124以及電阻器126。第一接觸墊122係用以提供第一控制電壓V1。第二接觸墊124係用以提供第二控制電壓V2。電阻器126係電性連接於第一接觸墊122與第二接觸墊124之間，以利用第一控制電壓V1與第二控制電壓V2之間的電壓差來提供熱能至微機電振盪子組110。
在本實施例中，電阻器126所產生的熱能可利用連接體CN來傳送至微機電振盪子組110的支架116，再藉由支架來傳送熱能至微機電振盪子組110。連接體CN係連接於電阻器126以及微機電振盪子組110之間，且以電絕緣材料製成，例如二氧化矽等。在本實施例中，連接體CN係以二氧化矽製成，但本發明之實施例並不受限於此。本實施例之電阻器126、連接體CN、第一微機電振盪子112以及第二微機電振盪子114係懸浮於半導體基板(未繪示)上，如此可提供良好的熱隔離環境，以方便控制第一微機電振盪子112的溫度。在溫度補償微機電振盪器100的封裝體中，可將封裝體的空氣抽出，使得封裝體內部成為真空狀態，以提高更好的熱隔離效果。
另外，本發明實施例之溫度補償微機電振盪器1(00 更包含體電壓(proof mass voltage)供應線路140，以提供體電壓VP至第一微機電振盪子112與第二微機電振盪子114，幫助第一微機電振盪子112與第二微機電振盪子114起振。
請參照第3圖，其係繪示根據本發明實施例之微機電振盪子組110的溫度與輸出頻率值的關係示意圖，其中曲線C1係代表第一微機電振盪子112之溫度與輸出頻率值的關係，曲線C2係代表第二微機電振盪子114之溫度與輸出頻率值的關係。如之前所述，第一微機電振盪子112包含正頻率溫度係數材料，以降低主要振盪頻率f1對溫度變化的敏感度。因此，相較於第一微機電振盪子112之曲線C1，第二微機電振盪子114之曲線C2具有較高的斜率，以利於溫度變化的感測。
在本實施例中，控制器130係接收第一微機電振盪子112所輸出之主要振盪頻率f1以及第二微機電振盪子114所輸出之輔助振盪頻率f2，並根據主要振盪頻率f1與輔助振盪頻率f2之頻率差值△f來進行加熱操作。如第3圖所示，當差值△f變大時，代表溫度上升，而當差值△f變小時代表溫度下降。因此，在本實施例中，可先測得對應至預設工作溫度的頻率差值，並以此作為頻差的標準值，接著再利用此標準值來作為加熱操作的依據。例如，當主要振盪頻率f1與輔助振盪頻率f2之差值大於頻差標準值時，代表溫度過高，故控制器130降低加熱器120之控制電壓差值來減少加熱器120所提供之熱能。又例如，當 主要振盪頻率f1與輔助振盪頻率f2之差值小於頻差標準值時，代表溫度過低，故控制器130提高加熱器120之控制電壓差值來增加加熱器120所提供之熱能。另外，在本發明之其他實施例中，亦可建立頻率差值△f與微機電振盪子組110溫度的關係曲線，如此即可利用頻率差值△f來動態地控制微機電振盪子組110的溫度。
由以上說明可知，本發明實施例之溫度補償微機電振盪器100係利用第一微機電振盪子112與第二微機電振盪子114之間的頻率差值來判斷溫度是否上升或下降，並據此來將微機電振盪子組110的溫度控制在預設工作溫度下。由於第二微機電振盪子114和第一微機電振盪子112可在相同的製程中製造，因此本發明實施例之溫度補償微機電振盪器100具有製程簡單、成本低廉之優點。
請同時參照第4A圖和第4B圖，第4A圖係繪示根據本發明實施例之溫度補償微機電振盪器400的功能方塊示意圖，第4B圖係繪示根據本發明實施例之微機電振盪子組410的溫度與輸出頻率值的關係示意圖，其中曲線C3係代表第二微機電振盪子414之溫度與輸出頻率值的關係。本實施例之溫度補償微機電振盪器400係類似於前述之溫度補償微機電振盪器100，但不同之處在於溫度補償微機電振盪器400包含微機電振盪子組410以及控制器430。
微機電振盪子組410係類似於微機電振盪子組110。微機電振盪子組410包含第一微機電振盪子112以及第二微機電振盪子414。第二微機電振盪子414係用以輸出 輔助振盪頻率f3，且包含正頻率溫度係數材料。如第4B圖所示，在本實施例中，第二微機電振盪子414所包含之正頻率溫度係數材料使得曲線C3之斜率大於第一微機電振盪子112之曲線C1的斜率。如此，當頻率差值△f變大時，代表微機電振盪子組410的溫度下降，而當頻率差值△f變小時，代表微機電振盪子組410的溫度上升。
控制器430係類似於控制器130，但不同之處在於控制器430控制加熱器120的規則不同，例如當主要振盪頻率f1與輔助振盪頻率f3之差值大於頻差標準值時，代表溫度過過低，故控制器430增加加熱器120之控制電壓差值來提高溫度。又例如，當主要振盪頻率f1與輔助振盪頻率f3之差值小於頻差標準值時，代表溫度過高，故控制器430減少加熱器120之控制電壓差值來降低溫度。
由以上說明可知，在本發明之實施例中，當第一微機電振盪子和第二微機電振盪子所對應的溫度-頻率關係曲線的斜率不同時，本發明實施例之振盪器即可利用微機電振盪子的頻差來判斷溫度是否上升或下降，並據此來控制加熱器。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧溫度補償微機電振盪器
110‧‧‧微機電振盪子組
112‧‧‧第一微機電振盪子
114‧‧‧第二微機電振盪子
120‧‧‧加熱器
130‧‧‧控制器
CN‧‧‧連接體
f1‧‧‧主要振盪頻率
f2‧‧‧輔助振盪頻率

Claims (10)

  1. 一種溫度補償微機電振盪器，包含：一微機電(Micro Electro Mechanical Systems；MEMS)振盪子組，包含：一第一微機電振盪子，用以根據一控制訊號來輸出一主要振盪頻率；以及一第二微機電振盪子，用以根據該第二微機電振盪子之溫度來輸出一輔助振盪頻率；一加熱器，用以提高該微機電振盪子組之溫度；一連接體，其中該連接體係連接於該加熱器以及該微機電振盪子組之間，以將該加熱器之熱能傳送至該微機電振盪子組，且電性隔離該加熱器與該微機電振盪子組；以及一控制器，用以根據該主要振盪頻率與該輔助振盪頻率間之差值來控制該加熱器。
  2. 如請求項第1項所述之溫度補償微機電振盪器，其中該主要振盪頻率對應該微機電振盪子組溫度之一第一關係曲線具有一第一斜率，該輔助振盪頻率對應該微機電振盪子組溫度之一第二關係曲線具有一第二斜率，該第一斜率不等於該第二斜率。
  3. 如請求項第1項所述之溫度補償微機電振盪器，其中該第一斜率和該第二斜率為正值，且該第一斜率係小於該第二斜率。
  4. 如請求項第3項所述之溫度補償微機電振盪器，其中當該主要振盪頻率與該輔助振盪頻率間之差值大於一預設頻差標準值時，該控制器開啟該加熱器。
  5. 如請求項第4項所述之溫度補償微機電振盪器，其中當該主要振盪頻率與該輔助振盪頻率間之差值小於該預設頻差標準值時，該控制器關閉該加熱器。
  6. 如請求項第1項所述之溫度補償微機電振盪器，其中該加熱器為一電阻器式加熱器。
  7. 如請求項第6項所述之溫度補償微機電振盪器，其中該加熱器包含：一第一接觸墊，用以提供一第一電壓；一第二接觸墊，用以提供一第二電壓；以及一電阻器，電性連接於該第一接觸墊與該第二接觸墊之間，以根據該第一電壓與該第二電壓間之電壓差來提供熱能。
  8. 如請求項第7項所述之溫度補償微機電振盪器，其中該連接體係連接於該電阻器以及該微機電振盪子組之間。
  9. 如請求項第8項所述之溫度補償微機電振盪器，其中該連接體係由電絕緣材料所構成。
  10. 如請求項第1項所述之溫度補償微機電振盪器，其 中該第一微機電振盪子包含具有正頻率溫度係數(temperature coefficient of frequency；TCF)之材料。
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