溫度補償振蕩器與其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)于一種溫度補償振蕩器與其控制方法,特別是有關(guān)于一種微機電(Micro Electro Mechanical Systems ;MEMS)溫度補償振蕩器其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]振蕩器為一種用來產(chǎn)生周期性信號(例如方波或弦波)的電子裝置。現(xiàn)今常見的電子電路,例如信號產(chǎn)生器、頻率合成器或鎖相回路,都會應(yīng)用振蕩器來提供工作所需的周期性信號。
[0003]目前常用的振蕩器為石英振蕩器。因為石英振蕩器具有構(gòu)造簡單、成本低廉的優(yōu)點,故石英振蕩器被廣泛地應(yīng)用于各式電子產(chǎn)品中。然而,由于石英水晶加工中,機械切割與研磨制程的技術(shù)限制,不易制作高頻與微小型的元件,因此,MEMS振蕩器有逐漸取代石英震蕩器的趨勢。
[0004]MEMS振蕩器是利用MEMS技術(shù)來制造出振蕩子結(jié)構(gòu),接著再利用系統(tǒng)級封裝(SiP)方式,將控制器與振蕩子結(jié)構(gòu)整合于單一晶片封裝中。由于MEMS振蕩子是以硅作為材料,相容于半導(dǎo)體制程,且擁有許多不同振蕩模態(tài),所以可制作出高頻與微小型化的元件。然而,MEMS振蕩子的自然頻率受其結(jié)構(gòu)材料本身楊氏系數(shù)對溫度的變化系數(shù)(Temperature Coefficient of Young’s Modulus, TCE)、熱膨脹系數(shù)(Coefficient ofThermal Expans1n, CTE)等因素影響,會隨著溫度變化產(chǎn)生漂移,因此需要溫度補償設(shè)計來增加MEMS振蕩子頻率的穩(wěn)定性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的一方面是在提供一種溫度補償振蕩器其控制方法,其是利用MEMS振蕩子來感測溫度,以據(jù)此來控制加熱器的工作狀態(tài),進而將MEMS振蕩子的溫度維持在預(yù)設(shè)的溫度值。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一實施例,此溫度補償振蕩器包含微機電振蕩子組、加熱器以及控制器。微機電振蕩子組包含第一微機電振蕩子以及第二微機電振蕩子。第一微機電振蕩子是用以根據(jù)控制信號來輸出第一周期信號,此第一周期信號具有主要振蕩頻率。第二微機電振蕩子是用以根據(jù)第二微機電振蕩子的溫度來輸出第二周期信號,此第二周期信號具有輔助振蕩頻率。加熱器是用以提高微機電振蕩子組的溫度??刂破魇怯靡愿鶕?jù)主要振蕩頻率與輔助振蕩頻率間的差值來控制加熱器??刂破靼嫈?shù)器以及溫度控制單元。計數(shù)器是用以計算主要振蕩頻率與輔助振蕩頻率間的頻率差值。溫度控制單元是用以根據(jù)頻率差值來控制加熱器。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例,在此溫度補償振蕩器的控制方法中,首先提供微機電振蕩子組,其中此微機電振蕩子組包含第一微機電振蕩子以及第二微機電振蕩子。然后,驅(qū)動第一微機電振蕩子和第二微機電振蕩子,以輸出第一周期信號和第二周期信號,其中第一周期信號具有主要振蕩頻率,第二周期信號具有一輔助振蕩頻率。接著,計算主要振蕩頻率與輔助振蕩頻率間的頻率差值。然后,根據(jù)頻率差值來控制加熱器,以調(diào)整微機電振蕩子組的溫度。
[0008]由上述說明可知,本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器包含兩個振蕩子,其中第一微機電振蕩子是用以輸出使用者所需的主要振蕩頻率,而第二微機電振蕩子是用以感測溫度變化,并相應(yīng)地輸出輔助振蕩頻率。通過主要振蕩頻率和輔助振蕩頻率的差值,控制器可根據(jù)振蕩子的溫度變化來開啟或關(guān)閉加熱器,以使第一微機電振蕩子操作在預(yù)設(shè)的工作溫度下。
【附圖說明】
[0009]為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂,上文特舉數(shù)個較佳實施例,并配合所附附圖,作詳細說明如下:
[0010]圖1是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器的功能方塊示意圖;
[0011]圖2是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖;
[0012]圖3是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的微機電振蕩子組的溫度與輸出頻率值的關(guān)是示意圖;
[0013]圖4是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的控制器的功能方塊圖;
[0014]圖5,其是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器的控制方法的流程示意圖;
[0015]圖6A是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器的功能方塊示意圖;
[0016]圖6B是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的微機電振蕩子組的溫度與輸出頻率值的關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0017]請參照圖1,其是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器100的功能方塊圖。溫度補償振蕩器100包含微機電振蕩子組110、加熱器120以及控制器130。在本發(fā)明的實施例中,加熱器120是用以提高微機電振蕩子組110的溫度,而控制器130則根據(jù)微機電振蕩子組110所輸出的頻率差值來控制加熱器120的工作狀態(tài)。
[0018]微機電振蕩子組110包含第一微機電振蕩子112以及第二微機電振蕩子114。第一微機電振蕩子112是用以根據(jù)控制信號來輸出第一周期信號,此第一周期信號具有一主要振蕩頻率H。第二微機電振蕩子114是用以感測環(huán)境溫度的變化并相應(yīng)地輸出第二周期信號,此第二周期信號具有輔助振蕩頻率f2。在本實施例中,振蕩器100為溫度補償MEMS振蕩器,故第一微機電振蕩子112與第二微機電振蕩子114是根據(jù)內(nèi)部驅(qū)動電路所提供的電壓信號來維持主要振蕩頻率fl以及輔助振蕩頻率f2。然而,本發(fā)明的實施例不受限于此。
[0019]一般而言,微機電振蕩子的主要材料為硅,其頻率溫度系數(shù)(temperaturecoefficient of frequency ;TCF)為負值。為了降低主要振蕩頻率fI對溫度變化的敏感度,所以利用復(fù)合材料制作,嵌入正頻率溫度系數(shù)材料,例如二氧化硅等,但本發(fā)明的實施例并不受限于此。
[0020]雖然,本實施例的第一微機電振蕩子112包含正頻率溫度系數(shù)材料,第一微機電振蕩子112的溫度變化仍會對主要振蕩頻率Π產(chǎn)生小幅度的影響。因此,本實施例利用加熱器120來將第一微機電振蕩子112的溫度控制于一預(yù)設(shè)工作溫度下(例如攝氏85度),再利用第二微機電振蕩子114來感測溫度,以根據(jù)感測結(jié)果來控制加熱器120,使第一微機電振蕩子112的溫度能維持于預(yù)設(shè)工作溫度。
[0021]請參照圖2,其是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器100的俯視結(jié)構(gòu)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是用以提供第一溫度控制電壓VI。第二接觸墊是用以提供第二溫度控制電壓V2。電阻器126是電性連接于第一接觸墊122與第二接觸墊124之間,以利用第一溫度控制電壓Vl與第二溫度控制電壓V2之間的電壓差來提供熱能至微機電振蕩子組110。
[0022]在本實施例中,電阻器126所產(chǎn)生的熱能可利用連接體128來傳送至微機電振蕩子組I1的支架116,再通過支架來傳送熱能至微機電振蕩子組110。連接體128是連接于電阻器126以及微機電振蕩子組110之間,且以電絕緣材料制成。在本實施例中,連接體128是以二氧化硅制成,但本發(fā)明的實施例并不受限于此。本實施例的電阻器126、連接體128、第一微機電振蕩子112以及第二微機電振蕩子114是懸浮于半導(dǎo)體基板(未繪不)上,如此可提供良好的熱隔離環(huán)境,以方便控制第一微機電振蕩子112的溫度。在溫度補償振蕩器100的封裝體中,可將封裝體的空氣抽出,使得封裝體內(nèi)部成為真空狀態(tài),以獲得更好的熱隔離效果。
[0023]另夕卜,本發(fā)明實施例的溫度補償振蕩器100還包含體電壓(proof mass voltage)供應(yīng)線路140以及增益級電路(未繪示)。體電壓供應(yīng)線路140是用以提供體電壓Vp至第一微機電振蕩子112與第二微機電振蕩子114,以幫助第一微機電振蕩子112與第二微機電振蕩子114起振。增益級電路包含第一增益級電路和第二增益級電路。第一增益級電路是電性連接至第一微機電振蕩子112,以構(gòu)成一振蕩電路。第二增益級電路是電性連接至第二微機電振蕩子114,以構(gòu)成另一振蕩電路。在本發(fā)明的實施例中,第一增益級電路與第一微機電振蕩子112是構(gòu)成皮爾斯振蕩器(Pierce oscillator),而第二增益級電路與第二微機電振蕩子114亦構(gòu)成皮爾斯振蕩器。然而,本發(fā)明的實施例并不受限于此。在本發(fā)明的其他實施例中,第一增益級電路與第一微機電振蕩子112可構(gòu)成考畢振蕩器(Colpittsoscillator),而第二增益級電路與第二微機電振蕩子114亦可構(gòu)成考畢振蕩器。
[0024]請參照圖3,其是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的微機電振蕩子組110的溫度與輸出頻率值的關(guān)系示意圖,其中曲線Cl是代表第一微機電振蕩子112的溫度與輸出頻率值的關(guān)系,曲線C2是代表第二微機電振蕩子114的溫度與輸出頻率值的關(guān)系。如之前所述,第一微機電振蕩子112包含正頻率溫度系數(shù)材料,以降低主要振蕩頻率fl對溫度變化的敏感度。因此,相較于第一微機電振蕩子112的曲線Cl,第二微機電振蕩子114的曲線C2具有取絕對值后較高的斜率,以利于溫度變化的感測。
[0025]在本實施例中,控制器130是接收第一微機電振蕩子112所輸出的主要振蕩頻率fl以及第二微機電振蕩子114所輸出的輔助振蕩頻率f2,并根據(jù)主要振蕩頻率fl與輔助振蕩頻率f2的頻率差值Λ f來進行溫度調(diào)整。如圖3所示,當差值Λ f變大時,代表溫度上升,而當差值A(chǔ)f變小時代表溫度下降。因此,在本實施例中,可先測得對應(yīng)至預(yù)設(shè)工作溫度的頻率差值,并以此作為頻差的標準值,接著控制器130即可利用此標準值來作為加熱操作的依據(jù)。
[0026]請參照圖4,其是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的控制器130的功能方塊圖??刂破?30包含計數(shù)器134、溫度控制單元136以及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器138。
[0027]計數(shù)器134是電性連接第一微機電振蕩子112,以接收第一微機電振蕩子112所輸出的第一周期信號以及第二微機電振蕩子114所輸