專利名稱：集成電氣組件的雙傳感器溫度穩(wěn)定的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及溫度控制系統(tǒng)，具體地涉及用于穩(wěn)定集成電氣組件的溫度的爐穩(wěn)(ovenized)雙傳感器控制系統(tǒng)和方法。
背景技術：
已知微機電系統(tǒng)(MEMS)、以及具體地MEMS諧振器擁有很高的質量因數(shù)(Q)，并且可用于構建振蕩器，這使其用作頻率基準設備是可行的，如圖I所示。然而，傳統(tǒng)上石英晶體由于其更好的溫度穩(wěn)定性通常用作頻率基準。當需要更高的穩(wěn)定性(諸如，在廣播發(fā)射機系統(tǒng)中)時，通常使用熱爐控制的晶體振蕩器。然而，這種石英器件較大，并且使用石英基準的系統(tǒng)遭受低水平的集成度影響。另一方面，MEMS振蕩器較小并且可進行集成，由此顯著地降低了成本。然而，沒有補償?shù)腗EMS諧振器隨溫度示出高度敏感的頻率偏移(e. g.，在100° C的環(huán)境溫度范圍內為+-5000ppm)，并且由此隨溫度具有比石英晶體穩(wěn)定性差的頻 率特性，如圖2所示。MEMS諧振器可通過感測環(huán)境溫度、以及通過取決于所測量的溫度補償(例如，電氣地)MEMS諧振器更好地在寬環(huán)境溫度范圍(例如，100° C的環(huán)境溫度范圍)內得到穩(wěn)定。圖3是這種現(xiàn)有技術解決方案。環(huán)境溫度由與MEMS設備良好地熱接觸的外部溫度傳感器感測，并且MEMS振蕩器系統(tǒng)由頻率控制裝置基于所測量的溫度來電氣補償。換句話說，環(huán)境溫度傳感器驅動諧振器系統(tǒng)的頻率補償旋鈕。以此方式，MEMS諧振器通常可在100° C的環(huán)境溫度范圍(例如，從-20° C到+80° C的環(huán)境溫度)內被控制到高達+-IOOppm的精度。然而，這些機制所有的問題在于溫度傳感器本身的精度和溫度穩(wěn)定性。其自己隨溫度的漂移限制了 MEMS諧振器的可實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性，這是為什么在這些系統(tǒng)中需要可靠(且昂貴)的溫度基準的原因。專利申請US 2009/0243747使用兩個諧振器來生成一個穩(wěn)定頻率，如圖4所示。溫度穩(wěn)定性通過使用具有不同頻率溫度系數(shù)(TCF= Δ f/f. I/Δ T，作為每溫度變化的頻率變化)的兩個諧振器、以及通過補償因溫度漂移引起的諧振器之間的頻率差來實現(xiàn)。在兩個頻率相同的地方存在預定溫度Ti5ffi(Tset)(如果不施加補償)。控制回路補償溫度變化，并且確保對于其他溫度頻率也維持相同。因此，實現(xiàn)諧振器頻率的穩(wěn)定。然而，該概念具有需要具有不同頻率穩(wěn)定系數(shù)(TCF)的兩個諧振器、從而需要大量芯片面積的缺點。同樣，兩個諧振器應當被配置為振蕩器，從而需要附加電路。同樣，為了實現(xiàn)期望頻率，兩個諧振器條的溫度應當相同，這在概念上可通過使這些設計相匹配容易地實現(xiàn)、但是實際上很難保證。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供用于將集成電氣組件的溫度穩(wěn)定在預定義溫度(Tset)的不太復雜的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過各個獨立權利要求的系統(tǒng)和方法來實現(xiàn)。另外，本發(fā)明提供了用于將集成電氣組件的溫度穩(wěn)定在預定義溫度的爐穩(wěn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-用于將熱爐加熱到熱爐溫度的加熱裝置；-置于熱爐中的電氣設備，該電氣設備包括集成電氣組件，該集成電氣組件具有溫度相關特性；-用于感測集成電氣組件的溫度的溫度感測裝置；-連接到用于接收指示所感測溫度的測量信號的溫度感測裝置、并且連接到用于供應控制信號以將集成電氣組件的溫度維持在預定義溫度的加熱裝置的控制電路；其中該溫度感測裝置包括-第一或(resp.)第二感測元件，其定位成與集成電氣組件有良好熱接觸，從而這些感測元件具有與集成電氣組件基本相同的溫度，第一或第二感測元件具有第一或第二溫度相關特性，第二溫度依賴性與第一溫度依賴性不同以致第一和第二特性在預定義溫度下相交；·-適于感測第一和第二感測元件、并且適于向控制電路供應指示第一或第二溫度相關特性的第一或第二測量信號的感測電路。集成電氣組件可以是例如微機電系統(tǒng)(MEMS)設備(例如，MEMS諧振器)、或者舉例而言諸如電容器、電阻器等電氣組件。在本申請中，術語“MEMS結構”、“MEMS組件”、以及“MEMS設備”用作同義詞。集成電氣組件可以是電容器、電阻器、電感器、電流源、電壓源、ADC轉換器、放大器、或者本領域技術人員已知的任何其他集成電氣組件。通過使用與集成電氣組件足夠好地熱接觸的兩個感測元件以使其具有與集成電氣組件基本相同的溫度、以及使這兩個感測元件具有不同溫度相關特性以使在測量時測量曲線在與預定義溫度Tset相對應的預定義交點處相交，有可能容易確定集成電氣組件的實際溫度是高于、低于、還是等于預定溫度Tset，并且相應地控制加熱器。通過在控制回路中使用所測量的信號，可準確地維持期望溫度。通過添加具有不同溫度依賴性的兩個感測元件來感測集成電氣組件的實際溫度、而不是提供具有不同溫度依賴性的兩個集成電氣組件(如在現(xiàn)有技術中使用地)，可避免冗余電路，因為由于存在感測裝置來補償集成電氣組件的任何溫度漂移，可使用和優(yōu)化單個集成電氣組件以履行期望功能(例如，加速計、諧振器、壓力計等)而不必考慮溫度漂移。通過使溫度感測功能與MEMS結構的期望功能分開，可實現(xiàn)對感測元件的微調(例如，激光微調)或校準，從而在不影響MEMS結構且不引入非期望副作用的情況下對其特性略作修改。由于只有相對溫度誤差需要檢測(B卩，檢測實際溫度大于、還是小于期望溫度)，因此不需要檢測誤差幅值的絕對度量。因此，不需要放大器和模數(shù)轉換器兩者，這可能需要隨溫度高度準確和穩(wěn)定的特性。這極大地簡化了系統(tǒng)，由此使其呈現(xiàn)為更加切實可行。檢測溫度誤差中的增益誤差與實現(xiàn)想要的Tset無關，因為唯一相關的度量是“太高”或“太低”。太高或太低多少并不確切。另一優(yōu)點在于，本發(fā)明的技術可用于各種各樣的MEMS結構以及其他集成電氣組件，不只是用于MEMS諧振器。優(yōu)選但不必要地，第一或第二感測元件用優(yōu)選相同(即，例如，感測信號具有基本相同的幅值、但是不一定相同的符號或相位或持續(xù)時間)的第一或第二感測信號來感測。在一個實施例中，控制電路適于將第一和第二測量信號相減以得到差信號、放大該差信號、以及提供經(jīng)放大的差信號作為控制信號。這種控制電路可容易地實現(xiàn)，從而需要最少的硬件資源(即，芯片面積和功耗)，并且因其簡單性而需要最少的設計努力和測試努力。所得經(jīng)放大的差信號通常具有在期望溫度Tset下為零、且在集成電氣組件的溫度Tcomp高于或低于期望溫度Tset時為正或負、反之亦然的曲線。當集成電氣組件的溫度低于期望溫度Tset時，控制回路可將該經(jīng)放大的差信號用于熱爐2的加熱器21。由此，當經(jīng)放大的差信號較大時，該控制回路使用更大的加熱功率。在另一實施例中，控制電路適于比較第一和第二測量信號例如來確定哪一個比另一個大，并且提供比較結果作為控制信號。
這是只需要最少資源的簡單控制電路的另一示例。例如，比較可使用差分放大器、運算放大器、或比較器來容易地實現(xiàn)。優(yōu)選地，第一或第二感測元件包括其第一或第二電阻值具有第一或第二電阻溫度系數(shù)的第一或第二電阻器，第二電阻溫度系數(shù)與第一電阻溫度系數(shù)不同。當使用具有不同電阻溫度系數(shù)(TCR)的一對電阻器、以及適當感測信號(例如，其幅值與每一電阻器的電阻值成反比的電流信號、或者與每一電阻器的電阻值成正比的電壓信號)時，獲取在Tset下具有交點的如上所述的溫度依賴特性。這允許控制回路只對所測量的信號之間的比率起作用，由此該系統(tǒng)可以說是比率度量的。通過使用相對較小的感測元件(例如，占據(jù)比典型MEMS結構或大電容器小的空間的感測元件)，可將感測元件定位成緊鄰集成電氣組件以使感測元件的溫度與MEMS結構的溫度基本相同，同時占據(jù)較小空間。此外，通過選擇簡單的感測元件(諸如不需要在基板中實現(xiàn)的、但也可例如沉積的電阻器)，這些感測元件甚至可安裝在集成電氣組件本身的上方或頂部，從而甚至進一步地減小感測元件和集成電氣組件之間的溫度差。任選地，該系統(tǒng)還包括用于去除系統(tǒng)中的殘差的后補償電路，該后補償電路連接到用來接收控制信號的控制電路，且具有用于例如作為控制信號的線性變換、二次變換、或多項式變換、或者使用查找表來生成后補償信號的組件，并且連接回用于供應后補償信號作為偏置信號或者偏移信號來減小集成電氣組件的溫度和預定義溫度之間的差值的系統(tǒng)。通過使用這種后補償電路殘差,可進一步減小例如由偏移、或者由熱等待時間、或者由其他不理想性引起的不準確性。在一個實施例中，爐穩(wěn)系統(tǒng)包括其中加熱裝置和集成電氣組件位于其中的基本真空的封裝，該集成電氣組件與環(huán)境溫度充分地熱隔離，加熱裝置與集成電氣組件良好地熱接觸。本發(fā)明的目的還在于，提供用于將集成電氣組件的溫度穩(wěn)定在預定義溫度的方法。該目的通過具有獨立方法權利要求特征的方法來實現(xiàn)。


本發(fā)明在解釋本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖以及附圖描述中進一步闡明。注意，附圖未按比例繪制。附圖旨在描述本發(fā)明的原理。本發(fā)明的其他實施例可使用不同附圖的不同特征和元件的組合。圖I示出在振蕩器和過濾器中應用的MEMS諧振器。圖2示出隨熱爐控制石英晶體的溫度且用于未經(jīng)補償?shù)腗EMS諧振器的典型頻率漂移的曲線。
圖3示出現(xiàn)有技術的基于MEMS的系統(tǒng)。圖4示出另一現(xiàn)有技術的基于MEMS的系統(tǒng)。圖5A示出沒有感測電阻器的典型MEMS諧振器結構的俯視圖。圖5B示出根據(jù)本發(fā)明的圖6A中MEMS諧振器的俯視圖，在其頂部具有不同TCR的感測電阻器緊鄰地放置且與MEMS諧振器良好地熱接觸。圖5C示出圖5A的結構根據(jù)線A-A的截面，由此感測電阻器彼此相鄰地放置。圖示出替換截面，由此感測電阻器置于另一感測電阻器的頂部。圖5E示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括MEM設備的真空封裝。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實施例。圖7A示出與溫度相關電阻值相對應的測量電壓信號的示例。圖7B示出圖7A的所測量電壓信號之間的差。圖7C示出圖7A的所測量電壓信號之間的比較的輸出。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實施例，還示出了加熱器。圖9示出第一和第二溫度相關特性。圖10示出添加有后補償控制回路的圖8的系統(tǒng)。圖11給出在沒有雙傳感器控制、具有根據(jù)本發(fā)明的雙傳感器控制、以及具有根據(jù)本發(fā)明的雙傳感器和后補償控制的情況下的關于熱爐控制MEMS參數(shù)的輸出信號的穩(wěn)定性的印象。圖12示出圖10的一個實施例，由此后補償信號是MEMS結構的偏壓。圖13示出圖10的另一變體，由此后補償信號用作鎖相環(huán)。
具體實施例方式附圖標記I 系統(tǒng)IIMEMS 結構、MEMS 組件、MESM 設備2 熱爐21加熱器、加熱裝置22真空封裝31溫度補償?shù)氖⒕w相對于溫度的頻率曲線32未補償?shù)腗EMS諧振器相對于溫度的頻率曲線5溫度傳感器6基準溫度傳感器61第一感測元件62第二感測元件63第一感測元件的溫度相關特性
64第二感測元件的溫度相關特性65 交點7電氣設備71控制電路81第一感測信號82第二感測信號83第一測量信號84第二測量信號85差信號86比較信號87輸出信號88控制信號90后補償電路91后補償信號92包括后補償?shù)妮敵鲂盘朤oven (T 熱爐)過熱Tamb環(huán)境溫度Tset ( T設定)預定義溫度Tcomp集成電氣組件的溫度將針對特定實施方式并參考特定附圖來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。所述的附圖只是示意性的，而非限制性的。在附圖中，出于說明的目的，一些元件的大小可能被放大，而不是按比例描繪的。尺寸和相對尺寸不一定對應于實踐本發(fā)明的實際縮影。此外，本說明書和權利要求書中的術語“第一”、“第二”、“第三”等等用于在類似的元件之間進行區(qū)分，而不一定用于描述順序次序或時間次序。這些術語可在適當環(huán)境中互換，并且本發(fā)明的實施例可以不同于本文中描述或示出的其他順序操作。此外，本說明書和權利要求書中的術語“頂部”、“底部”、“上方”、“下方”等用于描述性目的，而不一定用于描述相對位置。這樣使用的術語可在適當?shù)沫h(huán)境中互換，并且本文中所述的本發(fā)明的實施例可以不同于本文中描述或示出的其他取向操作。權利要求中所使用的術語“包括”不應被解釋為限于此后列出的裝置；它不排除其他元件或步驟。它需要被解釋為指定存在如所引用的所述特征、整體、步驟或組件，但并不排除存在或附加一個或多個其他特征、整體、步驟或組件、或者其組合。由此，表達“一種設備包括裝置A和B”的范圍不應限于只由組件A和B構成的設備。它是指，對于本發(fā)明，該設備的唯一相關的組件是A和B。本發(fā)明提供用于將微機電(MEMS)設備11的溫度穩(wěn)定在預定義溫度Tset的方法和系統(tǒng)。MEMS結構11通常是公知的，并且用于各種各樣的應用(諸如，壓力傳感器、諧振器、應力傳感器)中。其最大的優(yōu)點之一是它們較小，并且可集成在例如COMS芯片中。、
然而，MEMS結構11的的問題在于，其特性可隨溫度重漂移，這是例如在MEMS諧振器的情況下其頻率可在100° C的溫度范圍(例如，從-20° C到+80° C)內以例如5000ppm漂移的情況。例如，基于硅的MEMS諧振器通常相對于其諧振頻率(T)對溫度具有-30ppm/K的敏感度。可以說，其頻率溫度系數(shù)TCF是_30ppm/K。存在用于穩(wěn)定MEMS諧振器11的頻率的若干種技術,其中一種技術是通過電補償，例如通過修改振蕩器電路的反饋信號(在此不作進一步的討論)，另一種技術是通過使MEMS結構11的溫度Tcomp在預定義溫度Tset下保持穩(wěn)定。后者可例如通過將MEMS結構11置于熱爐2中、以及通過維持熱爐溫度Toven來完成，然而后者需要確定熱爐內部的溫度是高于、還是低于預定值Tset的某裝置。在專利申請US 2009/0243747中，后者通過使用具有不同頻率溫度系數(shù)TCF1、TCF2的兩個MEMS諧振器基于混合這些頻率生成控制信號88來實現(xiàn)。本發(fā)明中所使用的原理提供了不僅適用于MEMS諧振器、而且適用于其他種類的MEMS結構11 (諸如，加速計或壓力傳感器)的系統(tǒng)和方法。參考圖5B，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，足以有期望系統(tǒng)精度地、在MEMS諧振器11的諧振器條頂部上以電絕緣但與之有良好熱接觸的方式處理具有第一或第二電阻值rl、r2且具有電阻溫度系數(shù)TCRl或TCR2的至少兩個電阻器61、62。選擇電阻值連同兩個感測信號81 (Ilfix),82 (12輸人)(例如，流過第一電阻器61的第一 DC電流81、以及流過第二電 阻器62的第二 DC電流82)，以使所得電壓曲線83、84 (圖7A)在與預定義溫度Tset相對應的交點85處相交。這些電阻器構成用于根據(jù)本發(fā)明的方法進行雙溫度感測的一對感測元件61、62。。在一個實施例中，兩個感測電流11、12 (例如，現(xiàn)有技術中已知電路的電流鏡所生成的兩個DC電流)可基本相同。在另一實施例中，替換地，通過例如使用開關可將單個感測信號(例如，DC電流II)施加到第一或第二感測元件61、62 (例如，電阻器)，同時將相應的第一或第二測量結果83、84存儲在第一或第二存儲裝置(例如，未示出的測量電容器)上。在感測之后，存儲在存儲裝置上的測量信號83、84 (例如，電壓)可相比較或相減以生成控制信號88。以此方式，可避免第一和第二感測信號81、82之間的任何差異。除電阻器以外，其他元件(例如，電容器或二極管、或者其組合)也可用作感測元件
61、62，只要可在預定義溫度下獲取相交的溫度相關特性63、64即可。交點可通過簡單地按比例繪制相應特性或其他操作來創(chuàng)建。對于兩個元件，溫度特性不需要相同。(例如，一個元件的電容、以及另一元件的電阻)。眾所周知，二極管的電阻具有對溫度的基本呈指數(shù)的依賴性，而電阻器的依賴性是基本線性的，由此溫度依賴性相當?shù)夭煌榱撕啽闫鹨?，將針對電阻器進一步描述本發(fā)明的原理。為了比較起見，圖5A示出與圖5B基本相同、但沒有溫度傳感器61、62的MEMS諧振器。再參考圖5B,在一個實施例中，第一和第二感測信號81、82由電氣設備7生成。這些感測信號可例如在包括MEMS設備11的同一芯片中生成。在另一實施例中，感測信號81、82從電氣設備7外部(例如，從熱爐2外部)供應。期望交點65 (圖7A)以及相應的期望溫度Tset可以是固定的、或者通過改變感測信號81、82可以是可變的或可調諧的。允許供應外部感測信號81、82也允許進行一些校正或校準。通過使兩個電阻器61、62與MEMS結構11 (具體為電阻器條)熱接觸確保在操作電氣設備7 (例如，芯片)期間諧振器條的溫度Tcomp盡可能緊密地與預定義溫度Tset相匹配、由此盡可能好地穩(wěn)定該MEMS 11的諧振器頻率，因為諧振器頻率對諧振器條的局部溫度最敏感。注意，在操作電氣設備(例如，芯片)期間，通常在熱爐內部溫度Toven和MEMS設備11的溫度之間存在溫度差。因此，與使用置于熱爐內部、但在芯片外部的溫度傳感器相比，將感測元件61、62放置成接近MEMS設備更為準確。
圖5C示出圖5B結構的截面，其中感測電阻器61、62位于置于諧振器頂部的電絕緣體上。以此方式，實現(xiàn)熱接觸而不是電絕緣。圖示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例。本領域技術人員清楚的是，可使用許多其他拓撲結構。在一個實施例中，集成電氣組件(例如，具有MEMS設備11的芯片)置于真空封裝22中。在該封裝中可預見加熱裝置21。裝置22提供從MEMS設備11到真空封裝外部的環(huán)境溫度的熱絕緣，并且與加熱裝置21 —起構成熱爐2或爐穩(wěn)系統(tǒng)I。在優(yōu)選實施例中，MEMS元件11可通過操縱電流通過其支腳來加熱，從而通過焦耳加熱對MEMS設備11加熱。可使用任何其他類型的加熱裝置21，只要MEMS元件11和溫度感測裝置61、62良好地熱接觸，即具有基本相同的溫度。優(yōu)選地,感測元件61、62彼此相鄰地放置,或者在MEMS元件11頂部、下方或與之相鄰地彼此上下地放置，感測元件61、62通過電絕緣但熱傳導的層分隔開。還可使用提供良好熱接觸而不嚴重地劣化MEMS元件11性能的任何其他實現(xiàn)。不同的TCR值可例如通過將兩種不同的材料用于雙傳感器回路所需的電阻器61、 62來實現(xiàn)。圖7A不出第一和第二電阻器61、62的相對電阻r= Δ R/R相對于溫度T的不例、或者一般而言第一和第二感測元件61、62的溫度相關特性63、64的示例。存在和生產(chǎn)具有預定義TCR值的電阻器在本領域中是公知的。例如，根據(jù)已知公式，η型或P型硅的電阻溫度系數(shù)TCR取決于摻雜濃度。Razborsek和Schwager在“低RCR電阻器的薄膜系統(tǒng)(Thin film systems for low RCR resistors)”中描述了如何生產(chǎn)具有在-150ppm/° C和+500ppm/° C之間的可調節(jié)TCR的包含用Nipad覆蓋的TaN的電阻器。US申請US 7，659，176描述了具有可調電阻溫度系數(shù)的電阻器、以及制造這些電阻器的方法。電阻器的TCR值可通過使用不同的材料來變化，但是包括相同材料、但具有不同晶體結構或晶體取向、或者不同摻雜級或雜質級的電阻器也可具有不同的TCR值。在Tset左右的小溫度范圍內，溫度相關特性63、64的曲線可通過以下公式來近似R(T) =R0(1+α AT) (I)其中α是稱為電阻溫度系數(shù)(稱為TCR)的材料特性。即使使用術語“電阻器”，本領域技術人員清楚的是，兩個或更多個相應電阻器的并聯(lián)或串聯(lián)組合也可用于獲取具有組合電阻值rl和組合TCRl值的組合電阻器。在使用電阻器作為感測元件的本發(fā)明的一個實施例中，TCR值之一基本為零，而另一 TCR值為正。在另一實施例中，TCR值之一基本為零，而另一 TCR值為負。在又一實施例中，TCR值之一為負，而另一 TCR值為正。在再一實施例中，兩個TCR值都為負，但具有不同的值。在另一實施例中，兩個TCR值都為正，但具有不同的值。在本發(fā)明的一個實施例中，第一和第二感測信號81、82是AC或DC電流,而第一和第二測量信號83、84是AC或DC電壓。在另一實施例中，第一和第二感測信號81、82是AC或DC電壓，而第一和第二測量信號83、84是AC或DC電流。感測信號81、82可以是連續(xù)信號或間歇信號。
在控制電路71的一個實施例中，來自感測元件61、62 (例如，電阻器)的測量信號83,84 (例如，電壓)相減并且任選地放大，從而產(chǎn)生例如如圖7B所示的差信號85 (或其反相信號，取決于第一測量信號與第二測量信號相減、還是第二測量信號與第一測量信號相減)。任選地，測量信號83、84之一可在相減之前按比例增減。當圖7B的差信號為正時，MEMS設備11的溫度Tcomp高于Tset，并且熱爐2應當冷卻，這在被動冷卻的情況下可通過不對加熱器21供電來實現(xiàn)。當差信號85為負時，MEMS設備11的溫度Tcomp低于Tset，并且熱爐2需要加熱。在實踐中，熱爐溫度Toven (Tiw)通常被選為至少比環(huán)境溫度高10° C，從而可使用無源冷卻。供應給加熱器21的實際加熱功率可例如與差信號85的幅值成比例、或者成二次或指數(shù)關系或另一關系。換句話說，該方法可包括將一個溫度傳感器61的溫度特性(例如，電阻)與第二溫度傳感器62的溫度特性(例如，電阻)作比較。經(jīng)由溫度控制回路，熱爐溫度Toven被驅動到溫度Tset，其中這些特性相交(比較結果的差值為零)，從而調諧MEMS結構11的輸出(例如MEMS諧振器情形中的頻率)以生成穩(wěn)定的輸出信號。該方法可結合所有種類的MEMS結構(包括振蕩器、過濾器、混合器等)使用。除了出于機電用途以夕卜(諸如，用于穩(wěn)定電阻器或電容器的特性)，該方法還可結合其他集成電氣元件使用。
在另一實施例中，測量信號83、84例如使用比較器(未示出)來彼此作比較，從而產(chǎn)生例如如圖7C所示的比較信號86。當圖7C的信號86為正時，MEMS設備11的溫度T低于Tset，并且熱爐2應當加熱。取決于比較器配置，可生成其他比較信號86 (例如，限幅到正或負電壓)，但是本領域技術人員可容易地按加熱裝置21所需改變這種信號。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)I的一個實施例。對熱爐溫度Toven的控制基于兩個元件61、62之間的特性的比率或差異。系統(tǒng)I包括其中放置包括MEMS設備11的電氣設備的熱爐2、包括MEMS結構11的電氣設備7、以及具有如上所解釋的不同溫度相關特性63、64的兩個溫度傳感器61、62 (例如，分別具有TCRl和TCR2的兩個電阻器Rl和R1)。該系統(tǒng)還包括實現(xiàn)用于將MEMS結構11 (具體為其元件11)的溫度Tcomp控制或設置到固定或期望溫度Tset的控制回路的控制電路71。控制電路71可以是電氣設備7的一部分、或者熱爐2的一部分。該系統(tǒng)如下地操作。每一電阻器R1、R2的電阻r的變化在圖7A中示出，并且被標記為函數(shù)rl(T)和r2(T)。兩個電阻都是溫度T的函數(shù)。在考慮的溫度范圍內，存在其中rl (T)和r2(T)相等的一個(并且只有一個)點。該點由預定溫度Tset定義。對于該溫度rl (Tsrt) =r2 (Tsrt)(該方程只在Tset下有效)，它是目標熱爐溫度?？刂苹芈房刂茻釥t溫度，以使rI (Tset) =r2 (Tsrt)。當實現(xiàn)此時，熱爐的溫度為Tset，并且維持在Tset。實際上，Tset位于與感測信號61、62相等時的特性曲線的交點相同的測量曲線83、84的交點處，否則這些曲線漂移因數(shù)m，其中m是感測信號61、62的幅值的比率。在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，MEMS設備11的溫度維持在Tset，并且溫度漂移被去除。如果控制回路在DC具有有限增益(積分器)，則該控制回路在沒有其他電路不理想性(諸如感測電路中的溫度相關偏移)的情況下實現(xiàn)絕對平均的溫度精度。控制回路71可使用本領域技術人員已知的任何算法以模擬或數(shù)字的方式實現(xiàn)。另外，控制回路71可提供用于控制和監(jiān)視熱爐2中的MEMS結構11的電路。一般而言，控制回路可包含如所期望地有效地操作系統(tǒng)7或調諧輸出信號87(例如，圖6中的MEMS機構的諧振器的頻率)所需的任何元件或機構。具體而言，控制回路將確保MEMS設備11的溫度維持在Tset。MEMS機構11的信號質量因數(shù)和參數(shù)還可通過控制回路來記錄和/或監(jiān)視。諸如熱變化、噪聲、彈性、應力、壓力、所施加的應變以及包括電壓、電場和電流的電偏置、以及諧振器材料、特征和結構之類的因數(shù)可影響諧振器11的輸出。對于產(chǎn)生對諧振器輸出信號有貢獻的因數(shù)和諧振器的輸出信號特性之間的關系，監(jiān)視這些因數(shù)可能是有用的。理解這些關系允許對所生成的輸出信號87有更多控制。圖8是圖6的變體，其示出根據(jù)本發(fā)明的爐穩(wěn)系統(tǒng)I。第一和第二感測元件61、
62、以及控制電路的目的在于，使熱爐2內部的溫度保持穩(wěn)定，與Tset相等，不管環(huán)境溫度如何。由此，組件參數(shù)變化將很小。兩個溫度傳感器61、62感測MEMS組件11的溫度。傳感器61、62具有對溫度不同的依賴性。這些傳感器輸出兩個溫度相關值S I和S2，例如如上所述的測量電壓Vl和V2?？刂苹芈?1驅動控制MEMS組件11的溫度Tcomp的加熱器
21?？刂苹芈房刂茻釥t溫度以使m*S2=Sl，其中m是預定義的實常數(shù)。該方程只在單一溫度Tset下有效。因此，當該回路穩(wěn)定時，組件11的溫度為Tset，并且由此其溫度相關參數(shù)是·穩(wěn)定的。這在圖9中示出。可觀察到，加熱器控制信號88是環(huán)境溫度Tamb的函數(shù)。實際上，假設環(huán)境溫度下降，則由于微型熱爐2周圍的環(huán)境溫度，熱爐2中的組件溫度也將下降。因此，SI和m*S2兩者也將改變(其可取決于溫度依賴性的符號而增大或減小)。這將觸發(fā)控制回路71補償加熱器控制信號88，從而再次將熱爐2加熱到目標溫度Tset。實際上，該回路將迫使m*S2再次與S2相等。從該示例中可看到控制信號74是環(huán)境溫度Tamb的函數(shù)。由此，雙傳感器溫度穩(wěn)定回路71可用作溫度傳感器。如圖8所示的雙傳感器控制回路71盡管在理論上是完美的，但在實踐中可遭遇不理想性。這可導致加熱組件參數(shù)(例如，頻率)的殘余穩(wěn)定依賴性。換句話說，在Tset假定隨環(huán)境溫度變化為固定時，Tset可隨環(huán)境溫度具有微小的殘余變化，如圖11所示(由“僅雙傳感器控制”指示的曲線)。這意味著組件參數(shù)仍然將隨溫度改變，這是不期望的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該殘余溫度依賴性可借助于后補償來進一步減小，如圖10所示。在該方法中，需要感測環(huán)境溫度T b。然后，對Tamb的測量操縱校正該回路的非理想組件的補償方案。由于因不理想性引起的原始殘余溫度漂移較小，因此對Tamb的測量不需要非常準確。后補償方案可以是可影響感興趣參數(shù)(例如，諧振器頻率)、而非溫度的任何獨立類型方案。例如，表示環(huán)境溫度Tamb的控制信號88可操縱MEMS組件11的偏壓(圖12)。另一實施例調諧將MEMS諧振器作為輸入并提供經(jīng)調諧的輸出頻率的后續(xù)PLL (圖13)。該附加補償90可以是例如，線性、二次或多項式、或基于查找表、或者基于本領域技術人員已知的任何其他補償?shù)娜魏螖?shù)學類型補償。對后補償90的操作、以及對組件參數(shù)或輸出參數(shù)92 (例如，頻率)的影響在圖11中示出，其曲線比與沒有后補償90的系統(tǒng)相對應的曲線87平。如以前所提及的，雙傳感器回路71可被實現(xiàn)為模擬回路或數(shù)字回路。因此，環(huán)境溫度輸出Tanib可以是模擬的或數(shù)字的，并且后補償方案90也可是模擬的或數(shù)字的。盡管后補償90可控制獨立的控制信號(例如，MEMS組件11的偏壓)，其也可對溫度回路組件起作用。后補償方案90也可對外部參數(shù)、而非該系統(tǒng)的一部分起作用。例如，環(huán)境溫度測量可用作使用組件參數(shù)的外部系統(tǒng)中的后補償。例如，后補償可在使用基于爐穩(wěn)MEMS的振蕩器的外部PLL中完成?？傊?，在本文中描述了用于控制微機電結構11的溫度Tcomp的控制系統(tǒng)I。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了系統(tǒng)I。系統(tǒng)I包括具有熱源21的熱爐2、微機電設備11、以及具有不同溫度特性63、64的兩個傳感器61、62 (優(yōu)選為具有不同電阻溫度系數(shù)TCR的兩個電阻器)。系統(tǒng)I還包括用于執(zhí)行控制回路以將溫度Tcomp設置為固定(或期望)溫度Tset的控制電路71。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法。該方法包括將第一溫度傳感器61的溫度相關特性63和第二溫度傳感器62的溫度相關特性64進行比較/相減。控制回路71基于比較/相減的輸出將MEMS結構11的溫度Tcomp設置為固定(或期望)溫度Tset。任選地，加熱器21的控制信號88可用作環(huán)境溫度Tamb的表示，并且可用于驅動后補償回路 90來補償系統(tǒng)I中的殘差。該后補償90可以是例如MEMS設備的偏壓、PLL的偏移等、或者與溫度回路無關的任何其他控制信號。
權利要求
1.一種用于將集成電氣組件的溫度(Tcomp)穩(wěn)定在預定義溫度(Tset)的爐穩(wěn)系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)(I)包括 -用于將所述爐穩(wěn)系統(tǒng)加熱到熱爐溫度(Toven)的加熱裝置(21)； -置于所述熱爐(2)中的電氣設備(7)，所述電氣設備(7)包括所述集成電氣組件，所述集成電氣組件具有溫度相關特性(f); -用于感測所述集成電氣組件的溫度(Tcomp)的溫度感測裝置(61、62、72)； -控制電路(71)，其連接到用于接收指示所感測溫度(Tcomp)的測量信號(83、84)的所述溫度感測裝置(61、62、72)、并且連接到所述加熱裝置(21)用于向其供應控制信號(80)以將所述集成電氣組件的溫度(Tcomp)維持在所述預定義溫度(Tset)； 其特征在于，所述溫度感測裝置包括 -定位成與所述集成電氣組件有良好熱接觸的第一或第二感測元件(61、62)，從而所述感測元件(61、62)具有與所述集成電氣組件基本相同的溫度(Tcomp)，所述第一或第二感測元件(61、62)具有第一或第二溫度相關特性(63、64)，所述第二溫度依賴性與所述第一溫度依賴性不同以使所述第一和第二特性(63、64)在所述預定義溫度(Tset)下相交； -適于感測所述第一和第二感測元件(61、62)、并且向控制電路(71)供應指示所述第一或第二溫度相關特性(63、64)的第一或第二測量信號(83、84)的感測電路(72)。
2.如權利要求I所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述第一或第二感測元件(61、62)用基本相同的第一或第二感測信號(81、82)來感測。
3.如權利要求I或2所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述控制電路(71)適于將所述第一和第二測量信號(83、84)相減以得到差信號(85)，放大所述差信號(85)，并且提供經(jīng)放大的差信號作為所述控制信號(88)。
4.如權利要求I或2所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述控制電路(71)適于比較所述第一和第二測量信號(83、84)，并且提供比較結果作為所述控制信號(88)。
5.如先前權利要求中的任一項所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述第一或第二感測元件(61、62)包括其第一或第二電阻值(rl、r2)具有第一或第二電阻溫度系數(shù)(TCR1、TCR2)的第一或第二電阻器，所述第二電阻溫度系數(shù)(TCR2)與所述第一電阻溫度系數(shù)(TCRl)不同。
6.如先前權利要求中的任一項所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述第一感測元件(61)包括具有第一溫度特性(63)的二極管，而所述第二感測元件(62)包括其第一電阻值(rl)具有第一電阻溫度系數(shù)(TCRl)的第一電阻器。
7.如先前權利要求中的任一項所述的系統(tǒng)(I)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括用于去除所述系統(tǒng)中的殘差的后補償電路(90)，所述后補償電路連接到控制電路(71)以接收所述控制信號(88)、且具有用于生成作為所述控制信號的變換的后補償信號(91)的組件、并且連接回用于供應所述后補償信號(91)作為偏置信號或偏移信號來減小所述集成電氣組件的溫度(Tcomp)和所述預定義溫度(Tset)之間的差值的系統(tǒng)。
8.如權利要求7所述的系統(tǒng)(I)，其特征在于，所述系統(tǒng)(I)包括用于進行所述控制信號(88)的多項式變換的裝置，所得結果連接回所述系統(tǒng)中。
9.如權利要求7所述的系統(tǒng)(I)，其特征在于，所述系統(tǒng)(I)包括用于進行所述控制信號(88)的變換的查找表，所得結果連接回所述系統(tǒng)中。
10.如先前權利要求中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述爐穩(wěn)系統(tǒng)(I)包括所述加熱裝置(21)和所述集成電氣組件所處的基本真空的封裝(22)，所述集成電氣組件與環(huán)境溫度熱隔離，所述加熱裝置(21)與所述集成電氣組件良好地熱接觸。
11.如先前權利要求中的任一項所述的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述集成電氣組件是MHM 設備(11)。
12.如權利要求11所述的系統(tǒng)(I)，其特征在于，所述MEM設備(11)是具有溫度相關諧振頻率(f)的MEM振蕩器。
13.—種用于將集成電氣組件的溫度(Tcomp)穩(wěn)定在預定義溫度(Tset)的方法,所述方法包括以下步驟 -提供具有用于將所述爐穩(wěn)系統(tǒng)加熱到熱爐溫度(Toven)的加熱裝置(21)的爐穩(wěn)系統(tǒng)(I); -將電氣設備(7)設置在所述熱爐(2)中，所述電氣設備包括所述集成電氣組件，所述集成電氣組件具有溫度相關特性(f); -使用溫度感測裝置(61、62、72 )來感測所述集成電氣組件的溫度(Tcomp )； -從控制電路(71)中的所述感測裝置(61、62、72)接收指示所感測溫度(Tcomp)的測量信號(83、84)，以及向所述加熱裝置(21)供應控制信號(80)以將所述集成電氣組件的溫度(Tcomp)維持在所述預定義溫度(Tset)； 其特征在于，所述溫度感測包括 -將第一或第二感測元件(61、62)設置成與所述集成電氣組件良好地熱接觸，從而所述感測元件(61、62)具有與所述集成電氣組件基本相同的溫度(Tcomp)，所述第一或第二感測元件(61、62)具有第一或第二溫度相關特性(63、64)，所述第二溫度依賴性與所述第一溫度依賴性不同以使所述第一和第二特性(63、64)在所述預定義溫度(Tset)下相交； -使用感測電路來感測所述第一和第二感測元件(61、62)、以及向所述控制電路(71)供應指示所述第一或第二溫度相關特性(61、62)的第一或第二測量信號(83、84)。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一或第二感測元件(61、62)用相同的第一或第二感測信號(81、82 )來感測。
15.如權利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述控制信號(88)通過將所述第一和第二測量信號(83、84)相減以得到差信號(85)來確定，所述差信號(85)被放大以形成所述控制信號(88)。
16.如權利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述控制信號(88)通過比較所述第一和第二測量信號(83、84)、并且提供比較結果作為所述控制信號(88)來確定。
17.如權利要求13-16中的任一項所述的方法，其特征在于，所述第一或第二感測元件(61、62)包括其第一或第二電阻值(rI、r2)具有第一或第二電阻溫度系數(shù)(TCRl、TCR2)的第一或第二電阻器(Rl、R2)，所述第二電阻溫度系數(shù)(TCR2)與所述第一電阻溫度系數(shù)(TCRl)不同。
18.如權利要求13-16中的任一項所述的方法，其特征在于，所述第一感測元件(61)包括具有第一溫度特性(63)的二極管，而所述第二感測元件(62)包括其第一電阻值(rl)具有第一電阻溫度系數(shù)(TCRl)的第一電阻器。
19.如權利要求13-18中的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括用于去除所述系統(tǒng)(I)中的殘差的后補償步驟，所述后補償包括以下步驟接收來自所述控制電路(71)的控制信號(88)作為環(huán)境溫度的指示；生成作為所述控制信號(88)的變換的后補償信號(91);以及將所述后補償信號(91)作為偏置信號或偏移信號供應回所述系統(tǒng)(I)來減小所述MEMS設備(11)的溫度(Tcomp)和所述預定義溫度(Tset)之間的差值。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述變換從線性變換、二次變換、以及多項式變換的組中選擇。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述變換包括使用查找表。
22.如權利要求13-21中的任一項所述的方法，其特征在于，所述爐穩(wěn)系統(tǒng)(I)包括所述加熱裝置(21)和所述集成電氣組件所處的基本真空的封裝(22)，所述集成電氣組件與環(huán)境溫度熱隔離，所述加熱裝置(21)與所述集成電氣組件良好地熱接觸。
23.如權利要求13-22中的任一項所述的方法，其特征在于，所述集成電氣組件是MEM設備(11 )。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述MEM設備(11)是具有溫度相關諧振頻率(f)的MEM振蕩器。
全文摘要
用于將置于熱爐中的集成電氣組件的溫度(Tcomp)穩(wěn)定在預定義溫度(Tset)的方法和系統(tǒng)(1)。集成電氣組件的溫度通過溫度感測裝置來感測，該溫度感測裝置包括定位成與集成電氣組件有良好熱接觸的第一或第二感測元件(61、62)，該第一或第二感測元件(61、62)具有第一或第二溫度相關特性(63、64)，第二溫度依賴性與第一溫度依賴性不同以致第一和第二特性(63、64)在預定義溫度(Tset)下相交；以及適于感測第一和第二感測元件(61、62)、并且向確定加熱裝置的控制信號的控制電路(71)供應指示第一或第二溫度相關特性(63、64)的第一或第二測量信號(83、84)的感測電路(72)。
文檔編號H03H3/007GK102725957SQ201080062521
公開日2012年10月10日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2009年11月30日
發(fā)明者J·博瑞曼斯 申請人:Imec公司