專利名稱：微諧振器溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于對微系統(tǒng)器件進行溫度控制的技術(shù)，特別是一種微諧振器溫度控制系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微諧振器是一種典型的微系統(tǒng)(MEMS)器件，應用領域廣闊。微諧振器不僅可以作 為微頻率源替代石英晶體振蕩器，而且是微諧振式加速度計、微諧振式陀螺儀、微夾鉗等微 傳感器和微執(zhí)行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，也是微機械濾波器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。微諧振器具有體積小、 成本低、抗沖擊、可大批量加工等特點。微諧振器普遍以硅為材料，采用半導體加工工藝制作。微諧振器在激勵的作用下 振蕩在固有頻率點處，輸出穩(wěn)定的頻率信號。由于硅為溫度敏感材料，在楊氏模量溫度系數(shù) 和熱膨脹系數(shù)的作用下，微諧振器的固有頻率值隨溫度發(fā)生變化，故而微諧振器固有頻率 是溫度的敏感函數(shù)。當溫度改變時，微諧振器的頻率也隨之改變，這種現(xiàn)象嚴重影響了其頻 率穩(wěn)定性，也限制了其應用范圍。當微諧振器用作頻率基準源時，微諧振器頻率的不穩(wěn)定性 會造成電路時序的紊亂；在微諧振式微加速度計和微諧振式微陀螺中，微諧振器頻率的不 穩(wěn)定性會造成加速度計和陀螺的輸出漂移；在微機械濾波器中，微諧振器頻率的不穩(wěn)定性 會造成濾波截止頻率的偏離，所以微諧振器頻率的溫度穩(wěn)定性至關(guān)重要。1993 年，Clark T. -C. Nguyen 和 Roger Τ. Howe 提出了 一種微諧振器的溫度控 制系統(tǒng)(Clark Τ. -C. Nguyen, Roger Τ. Howe. Microresonator Frequency Control and StabilizationUsing an Integrated Micro Oven. Dig. Transducers' 93, Int. Conf. Solid-State Sensors andActuators, pp. 1040-1043)，該方案將溫度傳感器和溫度執(zhí)行元 件集成封裝在微諧振器管殼內(nèi)，溫度傳感器采用熱敏電阻，溫度執(zhí)行元件為加熱電阻絲，熱 敏電阻測量微諧振器管殼腔體內(nèi)的溫度，溫度信號經(jīng)溫度控制電路處理后驅(qū)動加熱電阻絲 工作，從而保證微諧振器溫度保持恒定。由于微諧振器管殼腔體內(nèi)溫度場分布不均且溫度 場存在熱平衡時間，而熱敏電阻與微諧振器結(jié)構(gòu)分布在微諧振器封裝管殼內(nèi)的不同位置， 故而熱敏電阻測量的溫度與微諧振器結(jié)構(gòu)本身的溫度存在溫度誤差和時間的滯后。2008年，Bongsang Kim等人提出了利用一種微諧振器溫度控制的方案 (BongsangKim, Matthew A. Hopcroft, etc.Temperature Dependence of Quality Factor in MEMSResonators. Microelectromechanical Systems. Vol. 17, No. 3, June 2008),該方 法利用微諧振器Q值存在溫度系數(shù)的特性來測量微諧振器的溫度。當溫度改變時，微諧振 器Q值的改變導致微諧振器輸出信號幅值的改變，溫度控制電路檢測出該信號幅值的變化 量，控制溫度執(zhí)行器工作，從而保證微諧振器溫度保持恒定。該方法利用微諧振器固有特 性，不需溫度傳感器，使溫度控制系統(tǒng)具有體積小，成本低，精度高，響應時間短的優(yōu)點，但 其微諧振器結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式為平板電容式，該方式的驅(qū)動電壓與驅(qū)動位移存在非線性，其 微諧振器驅(qū)動電路為限幅驅(qū)動電路，故其輸入給微諧振器的驅(qū)動信號為恒定限幅信號，故 而導致微諧振器的振蕩幅度不可隨環(huán)境自動調(diào)節(jié)易受干擾，其加熱絲僅分布在微諧振器的一側(cè)，存在加熱不對稱性和熱平衡時間長的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微諧振器溫度控制系統(tǒng)，該溫度控制系統(tǒng)無需溫度傳 感器測量溫度，系統(tǒng)體積小，成本低，精度高，響應時間短，易于實現(xiàn)，且微諧振器振蕩幅度 可自動調(diào)節(jié)保持恒定。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種微諧振器溫度控制系統(tǒng)，由微諧振器、微 諧振器驅(qū)動電路、溫度控制電路、溫度執(zhí)行元件構(gòu)成微諧振器溫度控制閉環(huán)回路，其中微諧 振器驅(qū)動電路與微諧振器構(gòu)成微諧振器驅(qū)動閉環(huán)回路，所述的微諧振器驅(qū)動電路驅(qū)動微諧 振器使其穩(wěn)定工作在固有頻率點處，微諧振器驅(qū)動電路輸出的微諧振器驅(qū)動交流信號為驅(qū) 動微諧振器工作的交流信號，微諧振器驅(qū)動電路輸出的直流偏置電壓為驅(qū)動微諧振器工作 的直流偏置電壓信號，從而微諧振器驅(qū)動電路驅(qū)動微諧振器自激振蕩，穩(wěn)定輸出微諧振器 振動敏感檢測電流信號，同時該微諧振器振動敏感檢測電流信號為微諧振器驅(qū)動電路的輸 入信號，微諧振器的Q值具有溫度系數(shù)導致微諧振器驅(qū)動電路中的電壓有效值信號隨溫度 變化，溫度控制電路取出電壓有效值信號進行運算放大后驅(qū)動溫度執(zhí)行元件工作，使微諧 振器的溫度保持恒定，溫度執(zhí)行元件由第一溫度執(zhí)行元件和第二溫度執(zhí)行元件構(gòu)成，上下 對稱分布在微諧振器兩側(cè)并與微諧振器集成加工在同一硅片上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)微諧振器溫度控制系統(tǒng)利用了微諧振 器Q值具有溫度系數(shù)的固有特性，其直接反映微諧振器的溫度值，通過測量微諧振器電路 中的電壓有效值信號即可測量諧振器溫度，無需溫度傳感器測量溫度，減小了溫度控制系 統(tǒng)的體積和成本，與采用溫度傳感器測量溫度的方式相比較，該系統(tǒng)不存在溫度測量系統(tǒng) 誤差和溫度傳遞的延時，精度高，受外界影響小。(2)微諧振器溫度控制系統(tǒng)適用于各種結(jié) 構(gòu)的微諧振器結(jié)構(gòu)形式，具有廣泛的通用性。(3)微諧振器溫度控制系統(tǒng)中微諧振器驅(qū)動電 路采用自動增益控制方式，使得微諧振器驅(qū)動電路自動控制、調(diào)節(jié)微諧振工作在恒定振幅 的共振狀態(tài)，相比限幅驅(qū)動電路方式，微諧振器的振動更加穩(wěn)定，受環(huán)境影響小。⑷微諧振 器溫度控制系統(tǒng)的設定工作溫度值可以通過溫度控制電路中的溫度設定電壓調(diào)節(jié)，具有工 作溫度值可自由設定，溫度設定實現(xiàn)方式簡單的優(yōu)點。(5)微諧振器溫度控制系統(tǒng)的溫度執(zhí) 行元件對稱分布在微諧振器上下兩側(cè)，溫度執(zhí)行元件對稱加熱微諧振器，加熱更快且熱平 衡時間更短。(6)微諧振器溫度控制系統(tǒng)的微諧振器、微諧振器驅(qū)動電路、溫度控制電路和 溫度執(zhí)行元件加工在同一單晶硅晶片上并采用晶圓級封裝技術(shù)真空封裝，真空封裝的微諧 振器溫度控制系統(tǒng)晶片安裝在外殼中，系統(tǒng)晶片與外殼之間填充絕熱材料隔絕外界環(huán)境溫 度，相比傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)，其體積小，可小于lcm3;精度高，溫度控制精度可達0.01°C ； 系統(tǒng)響應時間短，系統(tǒng)平衡時間可小于lmin ；系統(tǒng)功耗低，系統(tǒng)整體功耗在毫瓦量級。(7) 微諧振器溫度控制系統(tǒng)應用廣泛，可以應用于任何含有微諧振器結(jié)構(gòu)的微傳感器和微執(zhí)行 器、微濾波器、微頻率源的溫度控制。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1為微諧振器溫度控制系統(tǒng)原理示意框圖。
圖2為微諧振器與溫度執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為微諧振器驅(qū)動電路示意框圖。圖4為溫度控制電路示意框圖。圖5為微諧振器溫度控制系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明微諧振器溫度控制系統(tǒng)，利用微諧振器Q值具有溫度系數(shù)的特點 實現(xiàn)溫度測量，系統(tǒng)無需溫度傳感器，由微諧振器200、微諧振器驅(qū)動電路300、溫度控制電 路400、溫度執(zhí)行元件500構(gòu)成微諧振器溫度控制閉環(huán)回路，其中微諧振器驅(qū)動電路300與 微諧振器200構(gòu)成微諧振器驅(qū)動閉環(huán)回路。所述的微諧振器驅(qū)動電路300驅(qū)動微諧振器200 使其穩(wěn)定工作在固有頻率點處，微諧振器驅(qū)動電路300輸出的微諧振器驅(qū)動交流信號313 為驅(qū)動微諧振器工作的交流信號，微諧振器驅(qū)動電路300輸出的直流偏置電壓314為驅(qū)動 微諧振器200工作的直流偏置電壓信號，從而微諧振器驅(qū)動電路300驅(qū)動微諧振器200自 激振蕩，穩(wěn)定輸出微諧振器振動敏感檢測電流信號310，同時該微諧振器振動敏感檢測電流 信號310為微諧振器驅(qū)動電路300的輸入信號，微諧振器200的Q值具有溫度系數(shù)導致微 諧振器驅(qū)動電路300中的電壓有效值信號312隨溫度變化，溫度控制電路400取出電壓有 效值信號312進行運算放大后驅(qū)動溫度執(zhí)行元件500工作，使微諧振器200的溫度保持恒 定，溫度執(zhí)行元件500由第一溫度執(zhí)行元件500a和第二溫度執(zhí)行元件500b構(gòu)成，上下對稱 分布在微諧振器200兩側(cè)并與微諧振器200集成加工在同一硅片上。其中，微諧振器200結(jié)構(gòu)和溫度執(zhí)行元件500結(jié)構(gòu)的材料均為單晶硅且采用集成 加工工藝使微諧振器200、微諧振器驅(qū)動電路300、溫度控制電路400和溫度執(zhí)行元件500 加工在同一單晶硅晶片上。加工在同一硅片上的微諧振器溫度控制系統(tǒng)采用品圓級封裝技 術(shù)真空封裝后安裝在外殼601中，真空封裝的微諧振器溫度控制系統(tǒng)晶片220與外殼之間 填充絕熱材料602使晶片與外界環(huán)境熱隔離。結(jié)合圖2，本發(fā)明微諧振器溫度控制系統(tǒng)的具體構(gòu)造將微諧振器200、微諧振器驅(qū) 動電路300、溫度控制電路400、溫度執(zhí)行元件500集成如下所述的微諧振器200為制作 在單晶硅上的梳狀微諧振器結(jié)構(gòu)，在單晶硅基底210上加工出信號引線，梳狀微諧振器結(jié) 構(gòu)由雙端固定音叉202、左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒203a、右邊驅(qū)動線性梳狀梳齒203b、左邊第 一敏感線性梳狀梳齒204a、左邊第二敏感線性梳狀梳齒204b、右邊第一敏感線性梳狀梳齒 204c和右邊第二敏感線性梳狀梳齒204d組成，其中雙端固定音叉202由上錨定點201a和 下錨定點201b懸浮固定在單晶硅基底210上，左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒203a和右邊驅(qū)動線 性梳狀梳齒203b為驅(qū)動梳齒錨定在單晶硅基底210上，左邊第一敏感線性梳狀梳齒204a、 左邊第二敏感線性梳狀梳齒204b、右邊第一敏感線性梳狀梳齒204c、右邊第二敏感線性梳 狀梳齒204d為檢測梳齒分別錨定在單晶硅基底210上，加工在單晶硅基底210上的左邊驅(qū) 動電極205a與左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒203a連接并在左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒203a上施加 直流偏置的交流電壓，加工在單晶硅基底210上的右邊驅(qū)動電極205b與右邊驅(qū)動線性梳狀 梳齒連接并在右邊線性梳狀梳齒203b上施加相同的直流偏置的交流電壓，左邊敏感電極 205c與右邊敏感電極205d分別輸出左邊第一敏感線性梳狀梳齒204a、左邊第二敏感線性 梳狀梳齒204b與右邊第一敏感線性梳狀梳齒204c、右邊第二敏感線性梳狀梳齒204d的微諧振器振動敏感檢測電流信號310。左邊第一敏感線性梳狀梳齒204a和左邊第二敏感線性 梳狀梳齒204b連接到加工在單晶硅基底210上的左邊敏感電極205c，右邊第一敏感線性 梳狀梳齒204c和右邊第二敏感線性梳狀梳齒204d連接到加工在單晶硅基底210上的右邊 敏感電極205d ；當微諧振器驅(qū)動電路300的輸出微諧振器驅(qū)動交流信號313和直流偏置電 壓314到左邊驅(qū)動電極205a、右邊驅(qū)動電極205b上，驅(qū)動梳齒電容將信號轉(zhuǎn)換成與其同頻 率的驅(qū)動力施加在微諧振器200上。當驅(qū)動電壓的信號頻率等于微諧振器200結(jié)構(gòu)的固有 頻率時，微諧振器200產(chǎn)生共振，此時微諧振器200的左邊第一敏感線性梳狀梳齒204a、左 邊第二敏感線性梳狀梳齒204b、右邊第一敏感線性梳狀梳齒204c、右邊第二敏感線性梳狀 梳齒204d檢測輸出的同頻率的微諧振器振動敏感檢測電流信號310達最大值。溫度執(zhí)行 元件500為對稱分布在微諧振器兩側(cè)的加熱絲，溫度控制電路輸出的溫度控制信號411通 過溫度執(zhí)行元件上側(cè)第一電極503a、溫度執(zhí)行元件上側(cè)第二電極503b、溫度執(zhí)行元件下側(cè) 第一電極503c、溫度執(zhí)行元件下側(cè)第二電極503d施加到第一電阻絲501a、第二電阻絲501b 兩端，第一電阻絲501a、第二電阻絲501b結(jié)構(gòu)通過溫度執(zhí)行元件上邊第一錨定點502a、溫 度執(zhí)行元件上邊第二錨定點502b、溫度執(zhí)行元件下邊第一錨定點502c、溫度執(zhí)行元件下邊 第二錨定點502d懸浮固定在單晶硅基底210上。如圖3，本發(fā)明微諧振器溫度控制系統(tǒng)的微諧振器驅(qū)動電路300采用自動增益控 制方式，由互阻放大器301、有效值電路302、增益控制電路303、直流偏置電路304組成，其 中微諧振器200的左邊敏感電極205c和右邊敏感電極205d連接到互阻放大器301的輸入 端，增益控制電路303的輸出端連接到左邊驅(qū)動電極205a和右邊驅(qū)動電極205b，互阻放大 器301將左邊敏感電極205c和右邊敏感電極205d輸出的微諧振器振動敏感檢測電流信號 310轉(zhuǎn)化為互阻放大器輸出電壓信號311，互阻放大器輸出電壓信號311—路經(jīng)過有效值電 路302檢測轉(zhuǎn)換后輸出電壓有效值信號312到增益控制電路303的控制信號輸入端，互阻 放大器輸出電壓信號311另一路輸入給增益控制電路303的被控制信號輸入端，增益控制 電路303以電壓有效值信號312為控制信號調(diào)節(jié)互阻放大器輸出電壓信號311的放大倍數(shù) 輸出微諧振器驅(qū)動交流信號313，微諧振器驅(qū)動交流信號313為左邊驅(qū)動電極205a和右邊 驅(qū)動電極205b的輸入交流信號，其使微諧振器200振蕩幅度保持恒定；直流偏置電路304 在左邊驅(qū)動電極205a、右邊驅(qū)動電極205b、左邊敏感電極205c、右邊敏感電極205d施加微 諧振器200工作所需的直流偏置電壓314。結(jié)合圖4，本發(fā)明微諧振器溫度控制系統(tǒng)未采用溫度傳感器測量溫度，而是利用微 諧振器Q值具有溫度系數(shù)的本質(zhì)特性，將微諧振器驅(qū)動電路300中反映Q值隨溫度變化的 電壓有效值信號312作為溫度控制電路的溫度輸入信號410。溫度控制電路測量溫度輸入 信號410，其通過比較運算電路402與溫度設定電壓403進行運算處理，運算處理后的信號 再經(jīng)溫度執(zhí)行元件驅(qū)動電路404放大后輸出溫度控制信號411到溫度執(zhí)行元件500。所述 的溫度控制電路400包括依次相連的溫度設定電壓403、比較運算電路402和溫度執(zhí)行元件 驅(qū)動電路404，將反映溫度值的微諧振器驅(qū)動電路200中的電壓有效值信號312轉(zhuǎn)換輸出給 第一溫度執(zhí)行元件500a和第二溫度執(zhí)行元件500b，溫度控制電路400的比較運算電路402 連接到有效值電路302的輸出端，取微諧振器驅(qū)動電路200中的電壓有效值信號312作為 溫度控制電路400的溫度控制輸入信號410，溫度控制輸入信號410與溫度設定電壓值電路 403輸入給比較運算電路402，該比較運算電路402處理后再經(jīng)溫度執(zhí)行元件驅(qū)動電路404放大后輸出溫度控制信號411到第一溫度執(zhí)行元件500a和第二溫度執(zhí)行元件500b，微諧振 器200的設定溫度通過改變溫度設定電壓403自由調(diào)節(jié)。 結(jié)合圖5，本發(fā)明微諧振器溫度控制系統(tǒng)的溫 度執(zhí)行元件500由第一溫度執(zhí)行元 件500a和第二溫度執(zhí)行元件500b構(gòu)成，所述的第一溫度執(zhí)行元件500a分布在微諧振器 200的上側(cè)，第二溫度執(zhí)行元件500b分布在微諧振器200的下側(cè)，兩個溫度執(zhí)行元件對稱 分布在微諧振器200的上下兩側(cè)，第一溫度執(zhí)行元件500a和第二溫度執(zhí)行元件500b均由 加熱絲組成，第一溫度執(zhí)行元件500a的第一電阻絲501a由溫度執(zhí)行元件上側(cè)第一錨定點 502a和溫度執(zhí)行元件上側(cè)第二錨定點502b懸浮固定在單晶硅基底210上，第二溫度執(zhí)行元 件500b的第二電阻絲501b由溫度執(zhí)行元件下側(cè)第一錨定點502c和溫度執(zhí)行元件下側(cè)第 二錨定點502d懸浮固定在單晶硅基底210上，加工在單晶硅基底上的溫度執(zhí)行元件上側(cè)第 一電極503a、溫度執(zhí)行元件上側(cè)第二電極503b、溫度執(zhí)行元件下側(cè)第一電極503c、溫度執(zhí) 行元件下側(cè)第二電極503d分別對應的連接到溫度執(zhí)行元件上邊第一錨定點502a、溫度執(zhí) 行元件上邊第二錨定點502b、溫度執(zhí)行元件下邊第一錨定點502c、溫度執(zhí)行元件下邊第二 錨定點502d，溫度控制電路400產(chǎn)生的溫度控制信號411同時施加在溫度執(zhí)行元件上側(cè)第 一電極503a與溫度執(zhí)行元件上側(cè)第二電極503b兩端和溫度執(zhí)行元件下側(cè)第一電極503c 與溫度執(zhí)行元件下側(cè)第二電極503d兩端。
權(quán)利要求
一種微諧振器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于由微諧振器(200)、微諧振器驅(qū)動電路(300)、溫度控制電路(400)、溫度執(zhí)行元件(500)構(gòu)成微諧振器溫度控制閉環(huán)回路，其中微諧振器驅(qū)動電路(300)與微諧振器(200)構(gòu)成微諧振器驅(qū)動閉環(huán)回路，所述的微諧振器驅(qū)動電路(300)驅(qū)動微諧振器(200)使其穩(wěn)定工作在固有頻率點處，微諧振器驅(qū)動電路(300)輸出的微諧振器驅(qū)動交流信號(313)為驅(qū)動微諧振器工作的交流信號，微諧振器驅(qū)動電路(300)輸出的直流偏置電壓(314)為驅(qū)動微諧振器(200)工作的直流偏置電壓信號，從而微諧振器驅(qū)動電路(300)驅(qū)動微諧振器(200)自激振蕩，穩(wěn)定輸出微諧振器振動敏感檢測電流信號(310)，同時該微諧振器振動敏感檢測電流信號(310)為微諧振器驅(qū)動電路(300)的輸入信號，微諧振器(200)的Q值具有溫度系數(shù)導致微諧振器驅(qū)動電路(300)中的電壓有效值信號(312)隨溫度變化，溫度控制電路(400)取出電壓有效值信號(312)進行運算放大后驅(qū)動溫度執(zhí)行元件(500)工作，使微諧振器(200)的溫度保持恒定，溫度執(zhí)行元件(500)由第一溫度執(zhí)行元件(500a)和第二溫度執(zhí)行元件(500b)構(gòu)成，上下對稱分布在微諧振器(200)兩側(cè)并與微諧振器(200)集成加工在同一硅片上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微諧振器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)的具體構(gòu)造將微 諧振器(200)、微諧振器驅(qū)動電路(300)、溫度控制電路(400)、溫度執(zhí)行元件(500)集成如 下所述的微諧振器(200)為制作在單晶硅上的梳狀微諧振器結(jié)構(gòu)，在單晶硅基底(210) 上加工出信號引線，梳狀微諧振器結(jié)構(gòu)由雙端固定音叉(202)、左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒 (203a)、右邊驅(qū)動線性梳狀梳齒(203b)、左邊第一敏感線性梳狀梳齒(204a)、左邊第二敏 感線性梳狀梳齒(204b)、右邊第一敏感線性梳狀梳齒(204c)和右邊第二敏感線性梳狀梳 齒(204d)組成，其中雙端固定音叉(202)由上錨定點(201a)和下錨定點(201b)懸浮固定 在單晶硅基底(210)上，左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒(203a)和右邊驅(qū)動線性梳狀梳齒(203b) 為驅(qū)動梳齒錨定在單晶硅基底(210)上，左邊第一敏感線性梳狀梳齒(204a)、左邊第二敏 感線性梳狀梳齒(204b)、右邊第一敏感線性梳狀梳齒(204c)、右邊第二敏感線性梳狀梳齒 (204d)為檢測梳齒分別錨定在單晶硅基底(210)上，加工在單晶硅基底(210)上的左邊驅(qū) 動電極(205a)與左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒(203a)連接并在左邊驅(qū)動線性梳狀梳齒(203a) 上施加直流偏置的交流電壓，加工在單晶硅基底(210)上的右邊驅(qū)動電極(205b)與右邊驅(qū) 動線性梳狀梳齒連接并在右邊線性梳狀梳齒(203b)上施加相同的直流偏置的交流電壓， 左邊第一敏感線性梳狀梳齒(204a)和左邊第二敏感線性梳狀梳齒(204b)連接到加工在單 晶硅基底(210)上的左邊敏感電極(205c)，右邊第一敏感線性梳狀梳齒(204c)和右邊第二 敏感線性梳狀梳齒(204d)連接到加工在單晶硅基底(210)上的右邊敏感電極(205d)；所述的微諧振器驅(qū)動電路(300)由互阻放大器(301)、有效值電路(302)、增益控制電 路(303)、直流偏置電路(304)組成，其中微諧振器(200)的左邊敏感電極(205c)和右邊敏 感電極(205d)連接到互阻放大器(301)的輸入端，增益控制電路(303)的輸出端連接到左 邊驅(qū)動電極(205a)和右邊驅(qū)動電極(205b)，互阻放大器(301)將左邊敏感電極(205c)和 右邊敏感電極(205d)輸出的微諧振器振動敏感檢測電流信號(310)轉(zhuǎn)化為互阻放大器輸 出電壓信號(311)，互阻放大器輸出電壓信號(311) —路經(jīng)過有效值電路(302)檢測轉(zhuǎn)換后 輸出電壓有效值信號(312)到增益控制電路(303)的控制信號輸入端，互阻放大器輸出電 壓信號(311)另一路輸入給增益控制電路(303)的被控制信號輸入端，增益控制電路(303) 以電壓有效值信號(312)為控制信號調(diào)節(jié)互阻放大器輸出電壓信號(311)的放大倍數(shù)輸出微諧振器驅(qū)動交流信號(313)，微諧振器驅(qū)動交流信號(313)為左邊驅(qū)動電極(205a)和右 邊驅(qū)動電極(205b)的輸入交流信號，直流偏置電路(304)在左邊驅(qū)動電極(205a)、右邊驅(qū) 動電極(205b)、左邊敏感電極(205c)、右邊敏感電極(205d)施加微諧振器(200)工作所需 的直流偏置電壓(314)；所述的溫度控制電路(400)包括依次相連的溫度設定電壓(403)、比較運算電路(402) 和溫度執(zhí)行元件驅(qū)動電路(404)，將反映溫度值的微諧振器驅(qū)動電路(200)中的電壓有效 值信號(312)轉(zhuǎn)換輸出給第一溫度執(zhí)行元件(500a)和第二溫度執(zhí)行元件(500b)，溫度控制 電路(400)的比較運算電路(402)連接到有效值電路(302)的輸出端，取微諧振器驅(qū)動電 路(200)中的電壓有效值信號(312)作為溫度控制電路(400)的溫度控制輸入信號(410)， 溫度控制輸入信號(410)與溫度設定電壓值電路(403)輸入給比較運算電路(402)，該比較 運算電路(402)處理后再經(jīng)溫度執(zhí)行元件驅(qū)動電路(404)放大后輸出溫度控制信號(411) 到第一溫度執(zhí)行元件(500a)和第二溫度執(zhí)行元件(500b)，微諧振器(200)的設定溫度通過 改變溫度設定電壓(403)自由調(diào)節(jié)；所述的溫度執(zhí)行元件(500)由第一溫度執(zhí)行元件(500a)和第二溫度執(zhí)行元件(500b) 構(gòu)成，所述的第一溫度執(zhí)行元件(500a)分布在微諧振器(200)的上側(cè)，第二溫度執(zhí)行元件 (500b)分布在微諧振器(200)的下側(cè)，兩個溫度執(zhí)行元件對稱分布在微諧振器(200)的上 下兩側(cè)，第一溫度執(zhí)行元件(500a)和第二溫度執(zhí)行元件(500b)均由加熱絲組成，第一溫度 執(zhí)行元件(500a)的第一電阻絲(501a)由溫度執(zhí)行元件上側(cè)第一錨定點(502a)和溫度執(zhí) 行元件上側(cè)第二錨定點(502b)懸浮固定在單晶硅基底(210)上，第二溫度執(zhí)行元件(500b) 的第二電阻絲(501b)由溫度執(zhí)行元件下側(cè)第一錨定點(502c)和溫度執(zhí)行元件下側(cè)第二錨 定點(502d)懸浮固定在單晶硅基底(210)上，加工在單晶硅基底上的溫度執(zhí)行元件上側(cè)第 一電極(503a)、溫度執(zhí)行元件上側(cè)第二電極(503b)、溫度執(zhí)行元件下側(cè)第一電極(503c)、 溫度執(zhí)行元件下側(cè)第二電極(503d)分別對應的連接到溫度執(zhí)行元件上邊第一錨定點 (502a)、溫度執(zhí)行元件上邊第二錨定點(502b)、溫度執(zhí)行元件下邊第一錨定點(502c)、溫 度執(zhí)行元件下邊第二錨定點(502d)，溫度控制電路(400)產(chǎn)生的溫度控制信號(411)同時 施加在溫度執(zhí)行元件上側(cè)第一電極(503a)與溫度執(zhí)行元件上側(cè)第二電極(503b)兩端和溫 度執(zhí)行元件下側(cè)第一電極(503c)與溫度執(zhí)行元件下側(cè)第二電極(503d)兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微諧振器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于微諧振器(200)結(jié)構(gòu) 和溫度執(zhí)行元件(500)結(jié)構(gòu)的材料均為單晶硅且采用集成加工工藝使微諧振器(200)、微 諧振器驅(qū)動電路(300)、溫度控制電路(400)和溫度執(zhí)行元件(500)加工在同一單晶硅晶片 上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微諧振器溫度控制系統(tǒng)，其特征在于加工在同一硅片上的 微諧振器溫度控制系統(tǒng)采用晶圓級封裝技術(shù)真空封裝后安裝在外殼(601)中，真空封裝的 微諧振器溫度控制系統(tǒng)晶片(220)與外殼之間填充絕熱材料(602)隔絕外界環(huán)境溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型的應用于微諧振器的溫度控制系統(tǒng)，微諧振器溫度控制系統(tǒng)由微諧振器、微諧振器驅(qū)動電路、溫度控制電路、溫度執(zhí)行元件組成，其中微諧振器采用梳狀諧振器結(jié)構(gòu)，微諧振器驅(qū)動電路采用自動增益控制方式，微諧振器驅(qū)動電路與微諧振器形成閉環(huán)回路，微諧振器驅(qū)動電路保證微諧振器產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號，溫度控制電路測量隨溫度變化的微諧振器驅(qū)動電路的信號，運算放大后輸出給溫度執(zhí)行元件，溫度執(zhí)行元件在溫度控制電路的作用下保證微諧振器溫度恒定。本發(fā)明利用微諧振器Q值的固有溫度特性，不需溫度傳感器，既減小了溫度控制系統(tǒng)的體積和成本又提高了溫度檢測的精度，縮短了溫度控制系統(tǒng)的響應時間。
文檔編號G05D23/20GK101859155SQ20101019822
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者鳳瑞, 施芹, 蘇巖, 裘安萍 申請人:南京理工大學