CN101859155A - 微谐振器温度控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型的应用于微谐振器的温度控制***，微谐振器温度控制***由微谐振器、微谐振器驱动电路、温度控制电路、温度执行元件组成，其中微谐振器采用梳状谐振器结构，微谐振器驱动电路采用自动增益控制方式，微谐振器驱动电路与微谐振器形成闭环回路，微谐振器驱动电路保证微谐振器产生稳定的振荡信号，温度控制电路测量随温度变化的微谐振器驱动电路的信号，运算放大后输出给温度执行元件，温度执行元件在温度控制电路的作用下保证微谐振器温度恒定。本发明利用微谐振器Q值的固有温度特性，不需温度传感器，既减小了温度控制***的体积和成本又提高了温度检测的精度，缩短了温度控制***的响应时间。
Description
技术领域
本发明属于对微***器件进行温度控制的技术，特别是一种微谐振器温度控制***。
背景技术
微谐振器是一种典型的微***(MEMS)器件，应用领域广阔。微谐振器不仅可以作为微频率源替代石英晶体振荡器，而且是微谐振式加速度计、微谐振式陀螺仪、微夹钳等微传感器和微执行器的关键结构部件，也是微机械滤波器的关键结构。微谐振器具有体积小、成本低、抗冲击、可大批量加工等特点。
微谐振器普遍以硅为材料，采用半导体加工工艺制作。微谐振器在激励的作用下振荡在固有频率点处，输出稳定的频率信号。由于硅为温度敏感材料，在杨氏模量温度系数和热膨胀系数的作用下，微谐振器的固有频率值随温度发生变化，故而微谐振器固有频率是温度的敏感函数。当温度改变时，微谐振器的频率也随之改变，这种现象严重影响了其频率稳定性，也限制了其应用范围。当微谐振器用作频率基准源时，微谐振器频率的不稳定性会造成电路时序的紊乱；在微谐振式微加速度计和微谐振式微陀螺中，微谐振器频率的不稳定性会造成加速度计和陀螺的输出漂移；在微机械滤波器中，微谐振器频率的不稳定性会造成滤波截止频率的偏离，所以微谐振器频率的温度稳定性至关重要。
1993年，Clark T.-C.Nguyen和Roger T.Howe提出了一种微谐振器的温度控制***(Clark T.-C.Nguyen，Roger T.Howe.Microresonator Frequency Control and StabilizationUsing an Integrated Micro Oven.Dig.Transducers’93，Int.Conf.Solid-State Sensors andActuators，pp.1040-1043)，该方案将温度传感器和温度执行元件集成封装在微谐振器管壳内，温度传感器采用热敏电阻，温度执行元件为加热电阻丝，热敏电阻测量微谐振器管壳腔体内的温度，温度信号经温度控制电路处理后驱动加热电阻丝工作，从而保证微谐振器温度保持恒定。由于微谐振器管壳腔体内温度场分布不均且温度场存在热平衡时间，而热敏电阻与微谐振器结构分布在微谐振器封装管壳内的不同位置，故而热敏电阻测量的温度与微谐振器结构本身的温度存在温度误差和时间的滞后。
2008年，Bongsang Kim等人提出了利用一种微谐振器温度控制的方案(BongsangKim，Matthew A.Hopcroft，etc.Temperature Dependence of Quality Factor in MEMSResonators.Microelectromechanical Systems.Vol.17，No.3，June 2008)，该方法利用微谐振器Q值存在温度系数的特性来测量微谐振器的温度。当温度改变时，微谐振器Q值的改变导致微谐振器输出信号幅值的改变，温度控制电路检测出该信号幅值的变化量，控制温度执行器工作，从而保证微谐振器温度保持恒定。该方法利用微谐振器固有特性，不需温度传感器，使温度控制***具有体积小，成本低，精度高，响应时间短的优点，但其微谐振器结构的驱动方式为平板电容式，该方式的驱动电压与驱动位移存在非线性，其微谐振器驱动电路为限幅驱动电路，故其输入给微谐振器的驱动信号为恒定限幅信号，故而导致微谐振器的振荡幅度不可随环境自动调节易受干扰，其加热丝仅分布在微谐振器的一侧，存在加热不对称性和热平衡时间长的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微谐振器温度控制***，该温度控制***无需温度传感器测量温度，***体积小，成本低，精度高，响应时间短，易于实现，且微谐振器振荡幅度可自动调节保持恒定。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种微谐振器温度控制***，由微谐振器、微谐振器驱动电路、温度控制电路、温度执行元件构成微谐振器温度控制闭环回路，其中微谐振器驱动电路与微谐振器构成微谐振器驱动闭环回路，所述的微谐振器驱动电路驱动微谐振器使其稳定工作在固有频率点处，微谐振器驱动电路输出的微谐振器驱动交流信号为驱动微谐振器工作的交流信号，微谐振器驱动电路输出的直流偏置电压为驱动微谐振器工作的直流偏置电压信号，从而微谐振器驱动电路驱动微谐振器自激振荡，稳定输出微谐振器振动敏感检测电流信号，同时该微谐振器振动敏感检测电流信号为微谐振器驱动电路的输入信号，微谐振器的Q值具有温度系数导致微谐振器驱动电路中的电压有效值信号随温度变化，温度控制电路取出电压有效值信号进行运算放大后驱动温度执行元件工作，使微谐振器的温度保持恒定，温度执行元件由第一温度执行元件和第二温度执行元件构成，上下对称分布在微谐振器两侧并与微谐振器集成加工在同一硅片上。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)微谐振器温度控制***利用了微谐振器Q值具有温度系数的固有特性，其直接反映微谐振器的温度值，通过测量微谐振器电路中的电压有效值信号即可测量谐振器温度，无需温度传感器测量温度，减小了温度控制***的体积和成本，与采用温度传感器测量温度的方式相比较，该***不存在温度测量***误差和温度传递的延时，精度高，受外界影响小。(2)微谐振器温度控制***适用于各种结构的微谐振器结构形式，具有广泛的通用性。(3)微谐振器温度控制***中微谐振器驱动电路采用自动增益控制方式，使得微谐振器驱动电路自动控制、调节微谐振工作在恒定振幅的共振状态，相比限幅驱动电路方式，微谐振器的振动更加稳定，受环境影响小。(4)微谐振器温度控制***的设定工作温度值可以通过温度控制电路中的温度设定电压调节，具有工作温度值可自由设定，温度设定实现方式简单的优点。(5)微谐振器温度控制***的温度执行元件对称分布在微谐振器上下两侧，温度执行元件对称加热微谐振器，加热更快且热平衡时间更短。(6)微谐振器温度控制***的微谐振器、微谐振器驱动电路、温度控制电路和温度执行元件加工在同一单晶硅晶片上并采用晶圆级封装技术真空封装，真空封装的微谐振器温度控制***晶片安装在外壳中，***晶片与外壳之间填充绝热材料隔绝外界环境温度，相比传统的温度控制***，其体积小，可小于1cm3；精度高，温度控制精度可达0.01℃；***响应时间短，***平衡时间可小于1min；***功耗低，***整体功耗在毫瓦量级。(7)微谐振器温度控制***应用广泛，可以应用于任何含有微谐振器结构的微传感器和微执行器、微滤波器、微频率源的温度控制。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为微谐振器温度控制***原理示意框图。
图2为微谐振器与温度执行元件结构示意图。
图3为微谐振器驱动电路示意框图。
图4为温度控制电路示意框图。
图5为微谐振器温度控制***示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明微谐振器温度控制***，利用微谐振器Q值具有温度系数的特点实现温度测量，***无需温度传感器，由微谐振器200、微谐振器驱动电路300、温度控制电路400、温度执行元件500构成微谐振器温度控制闭环回路，其中微谐振器驱动电路300与微谐振器200构成微谐振器驱动闭环回路。所述的微谐振器驱动电路300驱动微谐振器200使其稳定工作在固有频率点处，微谐振器驱动电路300输出的微谐振器驱动交流信号313为驱动微谐振器工作的交流信号，微谐振器驱动电路300输出的直流偏置电压314为驱动微谐振器200工作的直流偏置电压信号，从而微谐振器驱动电路300驱动微谐振器200自激振荡，稳定输出微谐振器振动敏感检测电流信号310，同时该微谐振器振动敏感检测电流信号310为微谐振器驱动电路300的输入信号，微谐振器200的Q值具有温度系数导致微谐振器驱动电路300中的电压有效值信号312随温度变化，温度控制电路400取出电压有效值信号312进行运算放大后驱动温度执行元件500工作，使微谐振器200的温度保持恒定，温度执行元件500由第一温度执行元件500a和第二温度执行元件500b构成，上下对称分布在微谐振器200两侧并与微谐振器200集成加工在同一硅片上。
其中，微谐振器200结构和温度执行元件500结构的材料均为单晶硅且采用集成加工工艺使微谐振器200、微谐振器驱动电路300、温度控制电路400和温度执行元件500加工在同一单晶硅晶片上。加工在同一硅片上的微谐振器温度控制***采用品圆级封装技术真空封装后安装在外壳601中，真空封装的微谐振器温度控制***晶片220与外壳之间填充绝热材料602使晶片与外界环境热隔离。
结合图2，本发明微谐振器温度控制***的具体构造将微谐振器200、微谐振器驱动电路300、温度控制电路400、温度执行元件500集成如下：所述的微谐振器200为制作在单晶硅上的梳状微谐振器结构，在单晶硅基底210上加工出信号引线，梳状微谐振器结构由双端固定音叉202、左边驱动线性梳状梳齿203a、右边驱动线性梳状梳齿203b、左边第一敏感线性梳状梳齿204a、左边第二敏感线性梳状梳齿204b、右边第一敏感线性梳状梳齿204c和右边第二敏感线性梳状梳齿204d组成，其中双端固定音叉202由上锚定点201a和下锚定点201b悬浮固定在单晶硅基底210上，左边驱动线性梳状梳齿203a和右边驱动线性梳状梳齿203b为驱动梳齿锚定在单晶硅基底210上，左边第一敏感线性梳状梳齿204a、左边第二敏感线性梳状梳齿204b、右边第一敏感线性梳状梳齿204c、右边第二敏感线性梳状梳齿204d为检测梳齿分别锚定在单晶硅基底210上，加工在单晶硅基底210上的左边驱动电极205a与左边驱动线性梳状梳齿203a连接并在左边驱动线性梳状梳齿203a上施加直流偏置的交流电压，加工在单晶硅基底210上的右边驱动电极205b与右边驱动线性梳状梳齿连接并在右边线性梳状梳齿203b上施加相同的直流偏置的交流电压，左边敏感电极205c与右边敏感电极205d分别输出左边第一敏感线性梳状梳齿204a、左边第二敏感线性梳状梳齿204b与右边第一敏感线性梳状梳齿204c、右边第二敏感线性梳状梳齿204d的微谐振器振动敏感检测电流信号310。左边第一敏感线性梳状梳齿204a和左边第二敏感线性梳状梳齿204b连接到加工在单晶硅基底210上的左边敏感电极205c，右边第一敏感线性梳状梳齿204c和右边第二敏感线性梳状梳齿204d连接到加工在单晶硅基底210上的右边敏感电极205d；当微谐振器驱动电路300的输出微谐振器驱动交流信号313和直流偏置电压314到左边驱动电极205a、右边驱动电极205b上，驱动梳齿电容将信号转换成与其同频率的驱动力施加在微谐振器200上。当驱动电压的信号频率等于微谐振器200结构的固有频率时，微谐振器200产生共振，此时微谐振器200的左边第一敏感线性梳状梳齿204a、左边第二敏感线性梳状梳齿204b、右边第一敏感线性梳状梳齿204c、右边第二敏感线性梳状梳齿204d检测输出的同频率的微谐振器振动敏感检测电流信号310达最大值。温度执行元件500为对称分布在微谐振器两侧的加热丝，温度控制电路输出的温度控制信号411通过温度执行元件上侧第一电极503a、温度执行元件上侧第二电极503b、温度执行元件下侧第一电极503c、温度执行元件下侧第二电极503d施加到第一电阻丝501a、第二电阻丝501b两端，第一电阻丝501a、第二电阻丝501b结构通过温度执行元件上边第一锚定点502a、温度执行元件上边第二锚定点502b、温度执行元件下边第一锚定点502c、温度执行元件下边第二锚定点502d悬浮固定在单晶硅基底210上。
如图3，本发明微谐振器温度控制***的微谐振器驱动电路300采用自动增益控制方式，由互阻放大器301、有效值电路302、增益控制电路303、直流偏置电路304组成，其中微谐振器200的左边敏感电极205c和右边敏感电极205d连接到互阻放大器301的输入端，增益控制电路303的输出端连接到左边驱动电极205a和右边驱动电极205b，互阻放大器301将左边敏感电极205c和右边敏感电极205d输出的微谐振器振动敏感检测电流信号310转化为互阻放大器输出电压信号311，互阻放大器输出电压信号311一路经过有效值电路302检测转换后输出电压有效值信号312到增益控制电路303的控制信号输入端，互阻放大器输出电压信号311另一路输入给增益控制电路303的被控制信号输入端，增益控制电路303以电压有效值信号312为控制信号调节互阻放大器输出电压信号311的放大倍数输出微谐振器驱动交流信号313，微谐振器驱动交流信号313为左边驱动电极205a和右边驱动电极205b的输入交流信号，其使微谐振器200振荡幅度保持恒定；直流偏置电路304在左边驱动电极205a、右边驱动电极205b、左边敏感电极205c、右边敏感电极205d施加微谐振器200工作所需的直流偏置电压314。
结合图4，本发明微谐振器温度控制***未采用温度传感器测量温度，而是利用微谐振器Q值具有温度系数的本质特性，将微谐振器驱动电路300中反映Q值随温度变化的电压有效值信号312作为温度控制电路的温度输入信号410。温度控制电路测量温度输入信号410，其通过比较运算电路402与温度设定电压403进行运算处理，运算处理后的信号再经温度执行元件驱动电路404放大后输出温度控制信号411到温度执行元件500。所述的温度控制电路400包括依次相连的温度设定电压403、比较运算电路402和温度执行元件驱动电路404，将反映温度值的微谐振器驱动电路200中的电压有效值信号312转换输出给第一温度执行元件500a和第二温度执行元件500b，温度控制电路400的比较运算电路402连接到有效值电路302的输出端，取微谐振器驱动电路200中的电压有效值信号312作为温度控制电路400的温度控制输入信号410，温度控制输入信号410与温度设定电压值电路403输入给比较运算电路402，该比较运算电路402处理后再经温度执行元件驱动电路404放大后输出温度控制信号411到第一温度执行元件500a和第二温度执行元件500b，微谐振器200的设定温度通过改变温度设定电压403自由调节。
结合图5，本发明微谐振器温度控制***的温度执行元件500由第一温度执行元件500a和第二温度执行元件500b构成，所述的第一温度执行元件500a分布在微谐振器200的上侧，第二温度执行元件500b分布在微谐振器200的下侧，两个温度执行元件对称分布在微谐振器200的上下两侧，第一温度执行元件500a和第二温度执行元件500b均由加热丝组成，第一温度执行元件500a的第一电阻丝501a由温度执行元件上侧第一锚定点502a和温度执行元件上侧第二锚定点502b悬浮固定在单晶硅基底210上，第二温度执行元件500b的第二电阻丝501b由温度执行元件下侧第一锚定点502c和温度执行元件下侧第二锚定点502d悬浮固定在单晶硅基底210上，加工在单晶硅基底上的温度执行元件上侧第一电极503a、温度执行元件上侧第二电极503b、温度执行元件下侧第一电极503c、温度执行元件下侧第二电极503d分别对应的连接到温度执行元件上边第一锚定点502a、温度执行元件上边第二锚定点502b、温度执行元件下边第一锚定点502c、温度执行元件下边第二锚定点502d，温度控制电路400产生的温度控制信号411同时施加在温度执行元件上侧第一电极503a与温度执行元件上侧第二电极503b两端和温度执行元件下侧第一电极503c与温度执行元件下侧第二电极503d两端。
Claims (4)
1.一种微谐振器温度控制***，其特征在于由微谐振器(200)、微谐振器驱动电路(300)、温度控制电路(400)、温度执行元件(500)构成微谐振器温度控制闭环回路，其中微谐振器驱动电路(300)与微谐振器(200)构成微谐振器驱动闭环回路，所述的微谐振器驱动电路(300)驱动微谐振器(200)使其稳定工作在固有频率点处，微谐振器驱动电路(300)输出的微谐振器驱动交流信号(313)为驱动微谐振器工作的交流信号，微谐振器驱动电路(300)输出的直流偏置电压(314)为驱动微谐振器(200)工作的直流偏置电压信号，从而微谐振器驱动电路(300)驱动微谐振器(200)自激振荡，稳定输出微谐振器振动敏感检测电流信号(310)，同时该微谐振器振动敏感检测电流信号(310)为微谐振器驱动电路(300)的输入信号，微谐振器(200)的Q值具有温度系数导致微谐振器驱动电路(300)中的电压有效值信号(312)随温度变化，温度控制电路(400)取出电压有效值信号(312)进行运算放大后驱动温度执行元件(500)工作，使微谐振器(200)的温度保持恒定，温度执行元件(500)由第一温度执行元件(500a)和第二温度执行元件(500b)构成，上下对称分布在微谐振器(200)两侧并与微谐振器(200)集成加工在同一硅片上。
2.根据权利要求1所述的微谐振器温度控制***，其特征在于：***的具体构造将微谐振器(200)、微谐振器驱动电路(300)、温度控制电路(400)、温度执行元件(500)集成如下：所述的微谐振器(200)为制作在单晶硅上的梳状微谐振器结构，在单晶硅基底(210)上加工出信号引线，梳状微谐振器结构由双端固定音叉(202)、左边驱动线性梳状梳齿(203a)、右边驱动线性梳状梳齿(203b)、左边第一敏感线性梳状梳齿(204a)、左边第二敏感线性梳状梳齿(204b)、右边第一敏感线性梳状梳齿(204c)和右边第二敏感线性梳状梳齿(204d)组成，其中双端固定音叉(202)由上锚定点(201a)和下锚定点(201b)悬浮固定在单晶硅基底(210)上，左边驱动线性梳状梳齿(203a)和右边驱动线性梳状梳齿(203b)为驱动梳齿锚定在单晶硅基底(210)上，左边第一敏感线性梳状梳齿(204a)、左边第二敏感线性梳状梳齿(204b)、右边第一敏感线性梳状梳齿(204c)、右边第二敏感线性梳状梳齿(204d)为检测梳齿分别锚定在单晶硅基底(210)上，加工在单晶硅基底(210)上的左边驱动电极(205a)与左边驱动线性梳状梳齿(203a)连接并在左边驱动线性梳状梳齿(203a)上施加直流偏置的交流电压，加工在单晶硅基底(210)上的右边驱动电极(205b)与右边驱动线性梳状梳齿连接并在右边线性梳状梳齿(203b)上施加相同的直流偏置的交流电压，左边第一敏感线性梳状梳齿(204a)和左边第二敏感线性梳状梳齿(204b)连接到加工在单晶硅基底(210)上的左边敏感电极(205c)，右边第一敏感线性梳状梳齿(204c)和右边第二敏感线性梳状梳齿(204d)连接到加工在单晶硅基底(210)上的右边敏感电极(205d)；
所述的微谐振器驱动电路(300)由互阻放大器(301)、有效值电路(302)、增益控制电路(303)、直流偏置电路(304)组成，其中微谐振器(200)的左边敏感电极(205c)和右边敏感电极(205d)连接到互阻放大器(301)的输入端，增益控制电路(303)的输出端连接到左边驱动电极(205a)和右边驱动电极(205b)，互阻放大器(301)将左边敏感电极(205c)和右边敏感电极(205d)输出的微谐振器振动敏感检测电流信号(310)转化为互阻放大器输出电压信号(311)，互阻放大器输出电压信号(311)一路经过有效值电路(302)检测转换后输出电压有效值信号(312)到增益控制电路(303)的控制信号输入端，互阻放大器输出电压信号(311)另一路输入给增益控制电路(303)的被控制信号输入端，增益控制电路(303)以电压有效值信号(312)为控制信号调节互阻放大器输出电压信号(311)的放大倍数输出微谐振器驱动交流信号(313)，微谐振器驱动交流信号(313)为左边驱动电极(205a)和右边驱动电极(205b)的输入交流信号，直流偏置电路(304)在左边驱动电极(205a)、右边驱动电极(205b)、左边敏感电极(205c)、右边敏感电极(205d)施加微谐振器(200)工作所需的直流偏置电压(314)；
所述的温度控制电路(400)包括依次相连的温度设定电压(403)、比较运算电路(402)和温度执行元件驱动电路(404)，将反映温度值的微谐振器驱动电路(200)中的电压有效值信号(312)转换输出给第一温度执行元件(500a)和第二温度执行元件(500b)，温度控制电路(400)的比较运算电路(402)连接到有效值电路(302)的输出端，取微谐振器驱动电路(200)中的电压有效值信号(312)作为温度控制电路(400)的温度控制输入信号(410)，温度控制输入信号(410)与温度设定电压值电路(403)输入给比较运算电路(402)，该比较运算电路(402)处理后再经温度执行元件驱动电路(404)放大后输出温度控制信号(411)到第一温度执行元件(500a)和第二温度执行元件(500b)，微谐振器(200)的设定温度通过改变温度设定电压(403)自由调节；
所述的温度执行元件(500)由第一温度执行元件(500a)和第二温度执行元件(500b)构成，所述的第一温度执行元件(500a)分布在微谐振器(200)的上侧，第二温度执行元件(500b)分布在微谐振器(200)的下侧，两个温度执行元件对称分布在微谐振器(200)的上下两侧，第一温度执行元件(500a)和第二温度执行元件(500b)均由加热丝组成，第一温度执行元件(500a)的第一电阻丝(501a)由温度执行元件上侧第一锚定点(502a)和温度执行元件上侧第二锚定点(502b)悬浮固定在单晶硅基底(210)上，第二温度执行元件(500b)的第二电阻丝(501b)由温度执行元件下侧第一锚定点(502c)和温度执行元件下侧第二锚定点(502d)悬浮固定在单晶硅基底(210)上，加工在单晶硅基底上的温度执行元件上侧第一电极(503a)、温度执行元件上侧第二电极(503b)、温度执行元件下侧第一电极(503c)、温度执行元件下侧第二电极(503d)分别对应的连接到温度执行元件上边第一锚定点(502a)、温度执行元件上边第二锚定点(502b)、温度执行元件下边第一锚定点(502c)、温度执行元件下边第二锚定点(502d)，温度控制电路(400)产生的温度控制信号(411)同时施加在温度执行元件上侧第一电极(503a)与温度执行元件上侧第二电极(503b)两端和温度执行元件下侧第一电极(503c)与温度执行元件下侧第二电极(503d)两端。
3.根据权利要求1所述的微谐振器温度控制***，其特征在于：微谐振器(200)结构和温度执行元件(500)结构的材料均为单晶硅且采用集成加工工艺使微谐振器(200)、微谐振器驱动电路(300)、温度控制电路(400)和温度执行元件(500)加工在同一单晶硅晶片上。
4.根据权利要求1所述的微谐振器温度控制***，其特征在于：加工在同一硅片上的微谐振器温度控制***采用晶圆级封装技术真空封装后安装在外壳(601)中，真空封装的微谐振器温度控制***晶片(220)与外壳之间填充绝热材料(602)隔绝外界环境温度。
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