基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，包括微諧振器、驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)頻電路和溫度標(biāo)定電路，微諧振器由雙端固支音叉、平板電容和基底組成，驅(qū)動(dòng)電路與微諧振器形成閉環(huán)回路，保證微諧振器產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，測(cè)頻電路測(cè)量隨溫度變化的信號(hào)頻率，并通過溫度標(biāo)定電路，轉(zhuǎn)化為當(dāng)前環(huán)境溫度值；本發(fā)明的微諧振器中，雙端固支音叉采用平板電容驅(qū)動(dòng)，靈敏度高，線性度好，具有非常高的測(cè)量精度。
【專利說明】基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種溫度測(cè)量領(lǐng)域，特別是一種基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度的測(cè)定和控制要求越來越高，特別是對(duì)高精度，高分辨率的測(cè)溫儀器的需求量越來越大。雖然目前市場(chǎng)上的溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計(jì)等的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但這些傳統(tǒng)的測(cè)溫儀器仍然不能滿足某些領(lǐng)域的測(cè)溫精度要求。
[0003]微諧振器是一種典型的微系統(tǒng)(MEMS)器件，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。其具有體積小、成本低、抗沖擊、可大批量加工等特點(diǎn)。中國(guó)專利CN101859155A公開了一種基于微諧振器的溫度控制系統(tǒng)，該溫度控制系統(tǒng)中的測(cè)溫原理是基于梳齒式微諧振器品質(zhì)因數(shù)Q的溫度特性；溫度變化引起品質(zhì)因數(shù)Q的變化，從而引起驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)電壓幅值的變化，通過測(cè)量該驅(qū)動(dòng)電壓幅值來反映環(huán)境溫度的變化。該專利中的驅(qū)動(dòng)電容和檢測(cè)電容采用梳齒式電容，梳齒式電容量較小，而諧振器的寄生電容較大，從而信噪比較低，導(dǎo)致測(cè)量精度低，約為ο.0re。此外，梳齒式電容易受加工誤差的影響，當(dāng)活動(dòng)梳齒兩側(cè)的間隙誤差較大時(shí)，在靜電力的作用下，會(huì)使得諧振器的動(dòng)靜梳齒發(fā)生貼合，從而造成結(jié)構(gòu)失效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種功耗低、體積小、精度高的基于微諧振器的溫度測(cè)量系統(tǒng)。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，包括微諧振器、驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)頻電路和溫度標(biāo)定電路，其中驅(qū)動(dòng)電路與微諧振器構(gòu)成閉環(huán)回路，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與測(cè)頻電路的輸入端相連，測(cè)頻電路的輸出端與溫度標(biāo)定電路的輸入端相連；所述微諧振器包括雙端固支音叉、平板電容和基底，其中雙端固支音叉和平板電容設(shè)置在基底上；所述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)微諧振器使其穩(wěn)定工作在固有頻率點(diǎn)處，驅(qū)動(dòng)電路輸出的微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)為驅(qū)動(dòng)微諧振器工作的交流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路輸出的直流偏置電壓為驅(qū)動(dòng)微諧振器工作的直流偏置電壓信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)微諧振器自激振蕩，穩(wěn)定輸出微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)，微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)為驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路將微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓信號(hào)，測(cè)頻電路對(duì)檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量后輸出頻率鎖定電壓，溫度標(biāo)定電路將測(cè)頻電路輸出的頻率鎖定電壓轉(zhuǎn)化為環(huán)境溫度值。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(1)本發(fā)明利用微諧振器諧振頻率的溫度特性，通過測(cè)量微諧振器電路中的電信號(hào)頻率間接測(cè)量環(huán)境溫度，由頻率的平方表征溫度，具有很好的線性度；(2)本發(fā)明采用的微諧振器由雙端固支音叉和平板電容組成，雙端固支音叉固有頻率具有較高的溫度系數(shù)，與高精度測(cè)頻電路組合，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的溫度測(cè)量，達(dá)0.0OOrc以上；(3)在小位移振動(dòng)情況下，平板電容具有很好的線性特點(diǎn)，可獲得較大的驅(qū)動(dòng)電容和檢測(cè)電容，從而提高了信噪比，有利于實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量；(4)本發(fā)明采用的平板電容結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸精度易得到保證，易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；(5)本發(fā)明的微諧振器的頻率變化對(duì)外界溫度的響應(yīng)快，測(cè)溫系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短；(6)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路采用自動(dòng)增益控制方式，使得微諧振器驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)微諧振器工作在恒定振幅的共振狀態(tài)，相比限幅驅(qū)動(dòng)電路方式，微諧振器的振動(dòng)更加穩(wěn)定，受環(huán)境影響?。?7)本發(fā)明的微諧振器中雙端固支音叉的驅(qū)動(dòng)方式為平板電容驅(qū)動(dòng)，與梳齒電容驅(qū)動(dòng)相比，其在相同尺寸條件下，靈敏度較高，且電場(chǎng)邊緣效應(yīng)減小，提高了振動(dòng)線性度，能取得更高的測(cè)溫精度與溫度分辨率；
(8)本發(fā)明將微諧振器、驅(qū)動(dòng)電路和頻率測(cè)量電路加工在同一單晶硅晶片上并采用晶圓級(jí)封裝技術(shù)真空封裝，其體積小，功耗一般在幾十毫瓦左右，便于批量生產(chǎn)。
[0007]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的原理示意圖。
[0009]圖2為本發(fā)明的微諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖3為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路示意圖。
[0011]圖4為本發(fā)明的測(cè)頻電路示意圖。
[0012]圖5為本發(fā)明的溫度標(biāo)定電路示意圖。
[0013]圖6為本發(fā)明的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的封裝示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]結(jié)合圖1，一種基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，包括微諧振器200、驅(qū)動(dòng)電路300、測(cè)頻電路400和溫度標(biāo)定電路500，其中驅(qū)動(dòng)電路300與微諧振器200構(gòu)成閉環(huán)回路，驅(qū)動(dòng)電路300的輸出端與測(cè)頻電路400的輸入端相連，測(cè)頻電路400的輸出端與溫度標(biāo)定電路500的輸入端相連；所述微諧振器200包括雙端固支音叉202、平板電容和基底210，其中雙端固支音叉202和平板電容設(shè)置在基底210上；所述驅(qū)動(dòng)電路300驅(qū)動(dòng)微諧振器200使其穩(wěn)定工作在固有頻率點(diǎn)處，驅(qū)動(dòng)電路300輸出的微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)314為驅(qū)動(dòng)微諧振器200工作的交流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路300輸出的直流偏置電壓315為驅(qū)動(dòng)微諧振器200工作的直流偏置電壓信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電路300驅(qū)動(dòng)微諧振器200自激振蕩，穩(wěn)定輸出微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310，微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310為驅(qū)動(dòng)電路300的輸入信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路300將微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓信號(hào)311，測(cè)頻電路400對(duì)檢測(cè)電壓信號(hào)311進(jìn)行頻率測(cè)量后輸出頻率鎖定電壓411，溫度標(biāo)定電路500將測(cè)頻電路400輸出的頻率鎖定電壓411轉(zhuǎn)化為環(huán)境溫度值。
[0015]所述微諧振器200中的平板電容包括第一平板電容、第二平板電容、第三平板電容、第四平板電容、第五平板電容和第六平板電容，其中第一平板電容、第二平板電容、第三平板電容和第四平板電容為驅(qū)動(dòng)平板電容，第五平板電容和第六平板電容為檢測(cè)平板電容，第一固定極板203a與第一活動(dòng)極板204a組成第一平板電容,第二固定極板203b與第二活動(dòng)極板204b組成第二平板電容，第三固定極板203c與第一活動(dòng)極板204a組成第三平板電容，第四固定極板203d與第二活動(dòng)極板204b組成第四平板電容,第五固定極板205a與第一活動(dòng)極板204a組成第五平板電容，第六固定極板205b與第二活動(dòng)極板204b組成第六平板電容；其中第一固定極板203a、第二固定極板203b、第三固定極板203c、第四固定極板203d、第五固定極板205a和第六固定極板205b設(shè)置在基底210上；所述雙端固支音叉202通過第一錨點(diǎn)201a和第二錨點(diǎn)201b固定在基底210上；基底210上還設(shè)置有第一檢測(cè)電極206a、第二檢測(cè)電極206b、第一驅(qū)動(dòng)電極206c和第二驅(qū)動(dòng)電極206d,第一驅(qū)動(dòng)電極206c的輸入端與驅(qū)動(dòng)電路300相連,第一驅(qū)動(dòng)電極206c的輸出端同時(shí)與第一固定極板203a、第三固定極板203c相連，第二驅(qū)動(dòng)電極206d的輸入端與驅(qū)動(dòng)電路300相連，第二驅(qū)動(dòng)電極206d的輸出端同時(shí)與第二固定極板203b、第四固定極板203d相連；第一檢測(cè)電極206a和第二檢測(cè)電極206b分別與第五固定極板205a和第六固定極板205b相連。
[0016]所述驅(qū)動(dòng)電路300包括跨阻放大器301、幅度檢測(cè)電路302、PI控制電路303、乘法器304和直流偏置電路305，其中PI控制電路303為比例積分控制電路；微諧振器200的第一檢測(cè)電極206a和第二檢測(cè)電極206b連接到跨阻放大器301的輸入端，跨阻放大器301的輸出端同時(shí)與幅度檢測(cè)電路302和乘法器304的輸入端相連，幅度檢測(cè)電路302的輸出端與PI控制電路303的輸入端相連，PI控制電路303的輸出端與乘法器304的輸入端相連，乘法器304的輸出端與微諧振器200的第一驅(qū)動(dòng)電極206c和第二驅(qū)動(dòng)電極206d相連；直流偏置電路305與微諧振器200的第一驅(qū)動(dòng)電極206c和第二驅(qū)動(dòng)電極206d相連；
[0017]跨阻放大器301將微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓信號(hào)311，幅度檢測(cè)電路302將檢測(cè)電壓信號(hào)311轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓有效值信號(hào)312，與參考電壓Vref —起作為PI控制電路303的輸入，乘法器304將PI控制電路303輸出的調(diào)節(jié)電壓信號(hào)313與檢測(cè)電壓信號(hào)311相乘后輸出微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)314 ;直流偏置電路305輸出直流偏置電壓315，為微諧振器200提供直流偏置電壓。
[0018]所述測(cè)頻電路400包括鑒相器401、環(huán)路濾波器402和壓控振蕩器403，驅(qū)動(dòng)電路300的跨阻放大器301連接到鑒相器401的輸入端，鑒相器401的輸出端與環(huán)路濾波器402的輸入端相連，環(huán)路濾波器402的輸出端與壓控振蕩器403的輸入端相連，壓控振蕩器403的輸出端與鑒相器401相連；
[0019]驅(qū)動(dòng)電路300的檢測(cè)電壓信號(hào)311輸入至鑒相器401，鑒相器401比較壓控振蕩器403輸出的反饋頻率信號(hào)412與檢測(cè)電壓信號(hào)311的相位，輸出相位敏感電壓410至環(huán)路濾波器402，環(huán)路濾波器402輸出頻率鎖定電壓411至壓控振蕩器403，壓控振蕩器403輸出反饋頻率信號(hào)412，構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路。
[0020]所述溫度標(biāo)定電路500包括平方電路501和增益控制電路502 ;平方電路501的輸入端與環(huán)路濾波器402的輸出端相連，平方電路501的輸出端與增益控制電路502的輸入端相連；測(cè)頻電路400輸出的頻率鎖定電壓411作為平方電路501的輸入，平方電路501對(duì)頻率鎖定電壓411進(jìn)行平方計(jì)算后輸出表征頻率平方的直流電壓510至增益控制電路502，增益控制電路502根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度值對(duì)為平方電路501的輸出進(jìn)行標(biāo)定，輸出環(huán)境溫度值。
[0021]微諧振器200的材料為單晶硅且采用集成加工工藝使微諧振器200、驅(qū)動(dòng)電路300、測(cè)頻電路400加工在同一單晶硅晶片上。
[0022]所述溫度測(cè)量系統(tǒng)采用晶圓級(jí)封裝技術(shù)真空封裝后安裝在外殼610中。
[0023]所述溫度標(biāo)定電路500還包括顯示器503，顯示器503與增益控制電路502相連，用于顯示環(huán)境溫度值。
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]結(jié)合圖1，一種基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，由微諧振器200、驅(qū)動(dòng)電路300、測(cè)頻電路400以及溫度標(biāo)定電路500組成。微諧振器200由雙端固支音叉202、平板電容和基底210組成，雙端固支音叉202和平板電容均設(shè)置在基底210上；驅(qū)動(dòng)電路300采用自動(dòng)增益控制方式。微諧振器200與驅(qū)動(dòng)電路300構(gòu)成閉環(huán)回路，微諧振器200的微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310為驅(qū)動(dòng)電路300的輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路300輸出微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)314，直流偏置電壓315為微諧振器的直流偏置電壓信號(hào)，當(dāng)整個(gè)閉環(huán)回路滿足幅值相位條件時(shí)，微諧振器200自激振蕩,并輸出穩(wěn)定的微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310。由于材料的楊氏模量系數(shù)與殘余應(yīng)力的影響，溫度變化時(shí)微諧振器200的諧振頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路300中的檢測(cè)電壓信號(hào)311的頻率隨之改變，測(cè)頻電路400基于鎖相環(huán)原理測(cè)量檢測(cè)電壓信號(hào)311的頻率，表征頻率信息的頻率鎖定電壓411為溫度標(biāo)定電路500的輸入，溫度標(biāo)定電路500對(duì)該信號(hào)進(jìn)行平方計(jì)算并進(jìn)行標(biāo)定，最后輸出環(huán)境溫度值。
[0027]結(jié)合圖2，微諧振器200的雙端固支音叉202通過第一錨點(diǎn)201a和第二錨點(diǎn)201b固定在基底210上。第一固定極板203a與第一活動(dòng)極板204a組成第一平板電容,第二固定極板203b與第二活動(dòng)極板204b組成第二平板電容，第三固定極板203c與第一活動(dòng)極板204a組成第三平板電容，第四固定極板203d與第二活動(dòng)極板204b組成第四平板電容，第一平板電容、第二平板電容、第三平板電容和第四平板電容為驅(qū)動(dòng)平板電容，第一固定極板203a、第二固定極板203b、第三固定極板203c、第四固定極板203d固定設(shè)置在基底210上；第五固定極板205a與第一活動(dòng)極板204a組成第五平板電容,第六固定極板205b與第二活動(dòng)極板204b組成第六平板電容，第五平板電容、第六平板電容為檢測(cè)平板電容，第五固定極板204ba、第六固定極板204b通過錨點(diǎn)固定在基底210上。通過第一驅(qū)動(dòng)電極206c和第二驅(qū)動(dòng)電極206d分別在第一固定極板203a、第二固定極板203b和第三固定極板203c、第四固定極板203d上施加驅(qū)動(dòng)電路300的直流偏置電壓315 (幅值為+5V)以及微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)314，從而產(chǎn)生與微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)314同頻率的驅(qū)動(dòng)力，使得雙端固支音叉202產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，從而引起檢測(cè)平板電容的變化。在第一活動(dòng)極板204a和第二活動(dòng)極板204b上施加直流偏置電壓315 (幅值為-5V)，并通過第一檢測(cè)電極206a和第二檢測(cè)電極206b輸出微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310,并作為驅(qū)動(dòng)電路300的輸入信號(hào)。
[0028]結(jié)合圖3，驅(qū)動(dòng)電路300由跨阻放大器301、幅度檢測(cè)電路302、PI控制電路303、乘法器304以及直流偏置電路305組成，其中PI控制電路303為比例積分控制電路；跨阻放大器301將微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)310轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓信號(hào)311，幅度檢測(cè)電路302將檢測(cè)電壓信號(hào)311轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓有效值信號(hào)312，其與參考電壓Vref —起作為PI控制電路303的輸入，乘法器304將PI控制電路303輸出的調(diào)節(jié)電壓信號(hào)313與檢測(cè)電壓信號(hào)311相乘，輸出的微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)314作為微諧振器200的交流驅(qū)動(dòng)電壓。幅度檢測(cè)電路302、PI控制電路303與乘法器304組成AGC自動(dòng)增益控制電路，當(dāng)電壓有效值信號(hào)312與參考電壓Vref相等時(shí)，整個(gè)閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩，即微諧振器200以恒定振幅振蕩在固有頻率點(diǎn)處。直流偏置電路305輸出直流偏置電壓315，為微諧振器的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)提供直流偏置電壓。
[0029]結(jié)合圖4，測(cè)頻電路400利用鎖相環(huán)的原理，其由鑒相器401、環(huán)路濾波器402和壓控振蕩器403組成。驅(qū)動(dòng)電路300的檢測(cè)電壓信號(hào)311輸入至鑒相器401，鑒相器401比較反饋頻率信號(hào)412與檢測(cè)電壓信號(hào)311的相位，其輸出的相位敏感電壓410與兩者的相位差成比例。相位敏感電壓410進(jìn)入具有低通濾波特性的環(huán)路濾波器402后，輸出頻率鎖定電壓411，其控制著壓控振蕩器403輸出的反饋頻率信號(hào)412。整個(gè)環(huán)路根據(jù)負(fù)反饋的基本原理進(jìn)行搭建，最終反饋頻率信號(hào)412的頻率與檢測(cè)電壓信號(hào)311的頻率一致，實(shí)現(xiàn)頻率的鎖定，此時(shí)的頻率鎖定電壓411表征了檢測(cè)電壓信號(hào)311的頻率值，即表征了當(dāng)前的環(huán)境溫度值。
[0030]結(jié)合圖5，溫度標(biāo)定電路500由平方電路501，增益控制電路502以及顯示器503組成。測(cè)頻電路400輸出的頻率鎖定電壓411為溫度標(biāo)定電路500的輸入。平方電路501實(shí)現(xiàn)頻率鎖定電壓411的平方計(jì)算，而增益控制電路502的作用是根據(jù)溫度的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度電壓信號(hào)511的控制，確保其數(shù)值與環(huán)境溫度值一致，并通過顯示器503顯示環(huán)境溫度值。
[0031]結(jié)合圖6，微諧振器200、驅(qū)動(dòng)電路300和測(cè)頻電路400加工在同一單晶硅晶片上，且采用晶圓級(jí)封裝技術(shù)真空封裝。真空封裝后的溫度測(cè)量系統(tǒng)晶片220通過基底601安裝在外殼610內(nèi)，外界環(huán)境通過外殼610,以及基底601傳熱,影響微諧振器的諧振頻率，從而敏感溫度變化。
[0032]本發(fā)明利用微諧振器諧振頻率的溫度特性，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度測(cè)量。雙端固支音叉202的諧振頻率公式為
[0033]

【權(quán)利要求】
1.一種基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括微諧振器[200]、驅(qū)動(dòng)電路[300]、測(cè)頻電路[400]和溫度標(biāo)定電路[500]，其中驅(qū)動(dòng)電路[300]與微諧振器[200]構(gòu)成閉環(huán)回路，驅(qū)動(dòng)電路[300]的輸出端與測(cè)頻電路[400]的輸入端相連，測(cè)頻電路[400]的輸出端與溫度標(biāo)定電路[500]的輸入端相連；所述微諧振器[200]包括雙端固支音叉[202]、平板電容和基底[210]，其中雙端固支音叉[202]和平板電容設(shè)置在基底[210]上；所述驅(qū)動(dòng)電路[300]驅(qū)動(dòng)微諧振器[200]使其穩(wěn)定工作在固有頻率點(diǎn)處，驅(qū)動(dòng)電路[300]輸出的微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)[314]為驅(qū)動(dòng)微諧振器[200]工作的交流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路[300]輸出的直流偏置電壓[315]為驅(qū)動(dòng)微諧振器[200]工作的直流偏置電壓信號(hào),從而驅(qū)動(dòng)電路[300]驅(qū)動(dòng)微諧振器[200]自激振蕩，穩(wěn)定輸出微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)[310]，微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)[310]為驅(qū)動(dòng)電路[300]的輸入信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路[300]將微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)[310]轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓信號(hào)[311]，測(cè)頻電路[400]對(duì)檢測(cè)電壓信號(hào)[311]進(jìn)行頻率測(cè)量后輸出頻率鎖定電壓[411]，溫度標(biāo)定電路[500]將測(cè)頻電路[400]輸出的頻率鎖定電壓[411]轉(zhuǎn)化為環(huán)境溫度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述微諧振器[200]中的平板電容包括第一平板電容、第二平板電容、第三平板電容、第四平板電容、第五平板電容和第六平板電容，其中第一平板電容、第二平板電容、第三平板電容和第四平板電容為驅(qū)動(dòng)平板電容，第五平板電容和第六平板電容為檢測(cè)平板電容，第一固定極板[203a]與第一活動(dòng)極板[204a]組成第一平板電容，第二固定極板[203b]與第二活動(dòng)極板[204b]組成第二平板電容，第三固定極板[203c]與第一活動(dòng)極板[204a]組成第三平板電容，第四固定極板[203d]與第二活動(dòng)極板[204b]組成第四平板電容，第五固定極板[205a]與第一活動(dòng)極板[204a]組成第五平板電容,第六固定極板[205b]與第二活動(dòng)極板[204b]組成第六平板電容；其中第一固定極板[203a]、第二固定極板[203b]、第三固定極板[203c]、第四固定極板[203d]、第五固定極板[205a]和第六固定極板[205b]設(shè)置在基底[210]上；所述雙端固支音叉[202]通過第一錨點(diǎn)[201a]和第二錨點(diǎn)[201b]固定在基底[210]上；基底[210]上還設(shè)置有第一檢測(cè)電極[206a]、第二檢測(cè)電極[206b]、第一驅(qū)動(dòng)電極[206c]和第二驅(qū)動(dòng)電極[206d],第一驅(qū)動(dòng)電極[206c]的輸入端與驅(qū)動(dòng)電路[300]相連，第一驅(qū)動(dòng)電極[206c]的輸出端同時(shí)與第一固定極板[203a]、第三固定極板[203c]相連，第二驅(qū)動(dòng)電極[206d]的輸入端與驅(qū)動(dòng)電路[300]相連，第二驅(qū)動(dòng)電極[206d]的輸出端同時(shí)與第二固定極板[203b]、第四固定極板[203d]相連；第一檢測(cè)電極[206a]和第二檢測(cè)電極[206b]分別與第五固定極板[205a]和第六固定極板[205b]相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路[300]包括跨阻放大器[301]、幅度檢測(cè)電路[302]、PI控制電路[303]、乘法器[304]和直流偏置電路[305]，微諧振器[200]的第一檢測(cè)電極[206a]和第二檢測(cè)電極[206b]連接到跨阻放大器[301]的輸入端，跨阻放大器[301]的輸出端同時(shí)與幅度檢測(cè)電路[302]和乘法器[304]的輸入端相連，幅度檢測(cè)電路[302]的輸出端與PI控制電路[303]的輸入端相連，PI控制電路[303]的輸出端與乘法器[304]的輸入端相連，乘法器[304]的輸出端與微諧振器[200]的第一驅(qū)動(dòng)電極[206c]和第二驅(qū)動(dòng)電極[206d]相連；直流偏置電路[305]與微諧振器[200]的第一驅(qū)動(dòng)電極[206c]和第二驅(qū)動(dòng)電極[206d]相連； 跨阻放大器[301]將微諧振器檢測(cè)電流信號(hào)[310]轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓信號(hào)[311]輸出給幅度檢測(cè)電路[302]，幅度檢測(cè)電路[302]將檢測(cè)電壓信號(hào)[311]轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓有效值信號(hào)[312]，與參考電壓Vref —起作為PI控制電路[303]的輸入，乘法器[304]將PI控制電路[303]輸出的調(diào)節(jié)電壓信號(hào)[313]與檢測(cè)電壓信號(hào)[311]相乘后輸出微諧振器驅(qū)動(dòng)交流信號(hào)[314];直流偏置電路[305]輸出直流偏置電壓[315]，為微諧振器[200]提供直流偏置電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)頻電路[400]包括鑒相器[401]、環(huán)路濾波器[402]和壓控振蕩器[403]，驅(qū)動(dòng)電路[300]的跨阻放大器[301]連接到鑒相器[401]的輸入端，鑒相器[401]的輸出端與環(huán)路濾波器[402]的輸入端相連，環(huán)路濾波器[402]的輸出端與壓控振蕩器[403]的輸入端相連，壓控振蕩器[403]的輸出端與鑒相器[401]的輸入端相連； 驅(qū)動(dòng)電路[300]的檢測(cè)電壓信號(hào)[311]輸入至鑒相器[401]，鑒相器[401]對(duì)壓控振蕩器[403]輸出的反饋頻率信號(hào)[412]與檢測(cè)電壓信號(hào)[311]的相位進(jìn)行比較，輸出相位敏感電壓[410]至環(huán)路濾波器[402]，環(huán)路濾波器[402]輸出頻率鎖定電壓[411]至壓控振蕩器[403]，壓控振蕩器[403]輸出反饋頻率信號(hào)[412]，構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度標(biāo)定電路[500]包括平方電路[501]和增益控制電路[502];平方電路[501]的輸入端與環(huán)路濾波器[402]的輸出端相連，平方電路[501]的輸出端與增益控制電路[502]的輸入端相連；測(cè)頻電路[400]輸出的頻率鎖定電壓[411]作為平方電路[501]的輸入，平方電路[501]對(duì)頻率鎖定電壓[411]進(jìn)行平方計(jì)算后輸出表征頻率平方的直流電壓[510]至增益控制電路[502]，增益控制電路[502]根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度值對(duì)為平方電路[501]的輸出進(jìn)行標(biāo)定，輸出環(huán)境溫度值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，微諧振器[200]的材料為單晶硅且采用集成加工工藝使微諧振器[200]、驅(qū)動(dòng)電路[300]、測(cè)頻電路[400]加工在同一單晶硅晶片上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度測(cè)量系統(tǒng)采用晶圓級(jí)封裝技術(shù)真空封裝后安裝在外殼[610]中。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微諧振器的高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度標(biāo)定電路[500]還包括顯示器[503]，顯示器[503]與增益控制電路[502]相連，用于顯示環(huán)境溫度值。
【文檔編號(hào)】G01K7/32GK104180919SQ201410396177
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】施芹, 湯衛(wèi)豐, 夏國(guó)明, 裘安萍, 蘇巖, 丁衡高 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)