溫度補(bǔ)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(bǔ)償振蕩器與其控制方法,特別是有關(guān)于一種微機(jī)電(Micro Electro Mechanical Systems ;MEMS)溫度補(bǔ)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?,F(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(jī)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(bǔ)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(bǔ)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(jìn)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(bǔ)償振蕩器包含微機(jī)電振蕩子組、加熱器以及控制器。微機(jī)電振蕩子組包含第一微機(jī)電振蕩子以及第二微機(jī)電振蕩子。第一微機(jī)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(jī)電振蕩子是用以根據(jù)第二微機(jī)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(jī)電振蕩子組的溫度。控制器是用以根據(jù)主要振蕩頻率與輔助振蕩頻率間的差值來控制加熱器。控制器包含計數(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(bǔ)償振蕩器的控制方法中,首先提供微機(jī)電振蕩子組,其中此微機(jī)電振蕩子組包含第一微機(jī)電振蕩子以及第二微機(jī)電振蕩子。然后,驅(qū)動第一微機(jī)電振蕩子和第二微機(jī)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(jī)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(bǔ)償振蕩器包含兩個振蕩子,其中第一微機(jī)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(jī)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(jī)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(xì)說明如下:
[0010]圖1是繪示根據(jù)本發(fā)明實施例的溫度補(bǔ)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(bǔ)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(jī)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(bǔ)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(bǔ)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(jī)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(bǔ)償振蕩器100的功能方塊圖。溫度補(bǔ)償振蕩器100包含微機(jī)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(jī)電振蕩子組110的溫度,而控制器130則根據(jù)微機(jī)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(jī)電振蕩子組110包含第一微機(jī)電振蕩子112以及第二微機(jī)電振蕩子114。第一微機(jī)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(jī)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(bǔ)償MEMS振蕩器,故第一微機(jī)電振蕩子112與第二微機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)電振蕩子112包含正頻率溫度系數(shù)材料,第一微機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(jī)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(jī)電振蕩子組I1的支架116,再通過支架來傳送熱能至微機(jī)電振蕩子組110。連接體128是連接于電阻器126以及微機(jī)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(jī)電振蕩子112以及第二微機(jī)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(jī)電振蕩子112的溫度。在溫度補(bǔ)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(bǔ)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(jī)電振蕩子112與第二微機(jī)電振蕩子114,以幫助第一微機(jī)電振蕩子112與第二微機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)電振蕩子112的曲線Cl,第二微機(jī)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(jī)電振蕩子112所輸出的主要振蕩頻率fl以及第二微機(jī)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(jìn)行溫度調(diào)整。如圖3所示,當(dāng)差值Λ f變大時,代表溫度上升,而當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)值,接著控制器130即可利用此標(biāo)準(zhǔn)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(jī)電振蕩子112,以接收第一微機(jī)電振蕩子112所輸出的第一周期信號以及第二微機(jī)電振蕩子114所輸