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(lái)產(chǎn)生周期性信號(hào)(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(hào)產(chǎn)生器、頻率合成器或鎖相回路，都會(huì)應(yīng)用振蕩器來(lái)提供工作所需的周期性信號(hào)。
[0003]目前常用的振蕩器為石英振蕩器。因?yàn)槭⒄袷幤骶哂袠?gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，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(shì)。
[0004]MEMS振蕩器是利用MEMS技術(shù)來(lái)制造出振蕩子結(jié)構(gòu)，接著再利用系統(tǒng)級(jí)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?xiàng)钍舷禂?shù)對(duì)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(huì)隨著溫度變化產(chǎn)生漂移，因此需要溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)感測(cè)溫度，以據(jù)此來(lái)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(shí)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(hào)來(lái)輸出第一周期信號(hào)，此第一周期信號(hào)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(lái)輸出第二周期信號(hào)，此第二周期信號(hào)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?？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(lái)控制加熱器?？刂破靼?jì)數(shù)器以及溫度控制單元。計(jì)數(shù)器是用以計(jì)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(lái)控制加熱器。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)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(dòng)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(hào)和第二周期信號(hào)，其中第一周期信號(hào)具有主要振蕩頻率，第二周期信號(hào)具有一輔助振蕩頻率。接著，計(jì)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(lái)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(shuō)明可知，本發(fā)明實(shí)施例的溫度補(bǔ)償振蕩器包含兩個(gè)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(cè)溫度變化，并相應(yīng)地輸出輔助振蕩頻率。通過(guò)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(lái)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(shuō)明】
[0009]為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，上文特舉數(shù)個(gè)較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下:
[0010]圖1是繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式】
[0017]請(qǐng)參照?qǐng)D1，其是繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(shí)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(lái)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(hào)來(lái)輸出第一周期信號(hào)，此第一周期信號(hào)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(cè)環(huán)境溫度的變化并相應(yīng)地輸出第二周期信號(hào)，此第二周期信號(hào)具有輔助振蕩頻率f2。在本實(shí)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(dòng)電路所提供的電壓信號(hào)來(lái)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(shí)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(duì)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(shí)施例并不受限于此。
[0020]雖然，本實(shí)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(huì)對(duì)主要振蕩頻率Π產(chǎn)生小幅度的影響。因此，本實(shí)施例利用加熱器120來(lái)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(lái)感測(cè)溫度，以根據(jù)感測(cè)結(jié)果來(lái)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(qǐng)參照?qǐng)D2，其是繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(lái)提供熱能至微機(jī)電振蕩子組110。
[0022]在本實(shí)施例中，電阻器126所產(chǎn)生的熱能可利用連接體128來(lái)傳送至微機(jī)電振蕩子組I1的支架116，再通過(guò)支架來(lái)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(shí)施例中，連接體128是以二氧化硅制成，但本發(fā)明的實(shí)施例并不受限于此。本實(shí)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(shí)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(jí)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(jí)電路包含第一增益級(jí)電路和第二增益級(jí)電路。第一增益級(jí)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(jí)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(shí)施例中，第一增益級(jí)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(jí)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(shí)施例并不受限于此。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，第一增益級(jí)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(jí)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(qǐng)參照?qǐng)D3，其是繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(duì)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(duì)值后較高的斜率，以利于溫度變化的感測(cè)。
[0025]在本實(shí)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(lái)進(jìn)行溫度調(diào)整。如圖3所示，當(dāng)差值Λ f變大時(shí)，代表溫度上升，而當(dāng)差值A(chǔ)f變小時(shí)代表溫度下降。因此，在本實(shí)施例中，可先測(cè)得對(duì)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(lái)作為加熱操作的依據(jù)。
[0026]請(qǐng)參照?qǐng)D4，其是繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制器130的功能方塊圖。控制器130包含計(jì)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(jì)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(hào)以及第二微機(jī)電振蕩子114所輸