集成电气组件的双传感器温度稳定制造技术

用于将置于热炉中的集成电气组件的温度（Tcomp）稳定在预定义温度（Tset）的方法和系统（1）。集成电气组件的温度通过温度感测装置来感测，该温度感测装置包括：定位成与集成电气组件有良好热接触的第一或第二感测元件（61、62），该第一或第二感测元件（61、62）具有第一或第二温度相关特性（63、64），第二温度依赖性与第一温度依赖性不同以致第一和第二特性（63、64）在预定义温度（Tset）下相交；以及适于感测第一和第二感测元件（61、62）、并且向确定加热装置的控制信号的控制电路（71）供应指示第一或第二温度相关特性（63、64）的第一或第二测量信号（83、84）的感测电路（72）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及温度控制系统，具体地涉及用于稳定集成电气组件的温度的炉稳(ovenized)双传感器控制系统和方法。
技术介绍
已知微机电系统(MEMS)、以及具体地MEMS谐振器拥有很高的质量因数(Q)，并且可用于构建振荡器，这使其用作频率基准设备是可行的，如图I所示。然而，传统上石英晶体由于其更好的温度稳定性通常用作频率基准。当需要更高的稳定性(诸如，在广播发射机系统中)时，通常使用热炉控制的晶体振荡器。然而，这种石英器件较大，并且使用石英基准的系统遭受低水平的集成度影响。另一方面，MEMS振荡器较小并且可进行集成，由此显著地降低了成本。然而，没有补偿的MEMS谐振器随温度示出高度敏感的频率偏移(e. g.，在100° C的环境温度范围内为+-5000ppm)，并且由此随温度具有比石英晶体稳定性差的频 率特性，如图2所示。MEMS谐振器可通过感测环境温度、以及通过取决于所测量的温度补偿(例如，电气地)MEMS谐振器更好地在宽环境温度范围(例如，100° C的环境温度范围)内得到稳定。图3是这种现有技术解决方案。环境温度由与MEMS设备良好地热接触的外部温度传感器感测，并且MEMS振荡器系统由频率控制装置基于所测量的温度来电气补偿。换句话说，环境温度传感器驱动谐振器系统的频率补偿旋钮。以此方式，MEMS谐振器通常可在100° C的环境温度范围(例如，从-20° C到+80° C的环境温度)内被控制到高达+-IOOppm的精度。然而，这些机制所有的问题在于温度传感器本身的精度和温度稳定性。其自己随温度的漂移限制了 MEMS谐振器的可实现温度稳定性，这是为什么在这些系统中需要可靠(且昂贵)的温度基准的原因。专利申请US 2009/0243747使用两个谐振器来生成一个稳定频率，如图4所示。温度稳定性通过使用具有不同频率温度系数(TCF= Δ f/f. I/Δ T，作为每温度变化的频率变化)的两个谐振器、以及通过补偿因温度漂移引起的谐振器之间的频率差来实现。在两个频率相同的地方存在预定温度Ti5ffi(Tset)(如果不施加补偿)。控制回路补偿温度变化，并且确保对于其他温度频率也维持相同。因此，实现谐振器频率的稳定。然而，该概念具有需要具有不同频率稳定系数(TCF)的两个谐振器、从而需要大量芯片面积的缺点。同样，两个谐振器应当被配置为振荡器，从而需要附加电路。同样，为了实现期望频率，两个谐振器条的温度应当相同，这在概念上可通过使这些设计相匹配容易地实现、但是实际上很难保证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供用于将集成电气组件的温度稳定在预定义温度(Tset)的不太复杂的系统和方法。根据本专利技术，该目的通过各个独立权利要求的系统和方法来实现。另外，本专利技术提供了用于将集成电气组件的温度稳定在预定义温度的炉稳系统，该系统包括-用于将热炉加热到热炉温度的加热装置；-置于热炉中的电气设备，该电气设备包括集成电气组件，该集成电气组件具有温度相关特性；-用于感测集成电气组件的温度的温度感测装置；-连接到用于接收指示所感测温度的测量信号的温度感测装置、并且连接到用于供应控制信号以将集成电气组件的温度维持在预定义温度的加热装置的控制电路；其中该温度感测装置包括-第一或(resp.)第二感测元件，其定位成与集成电气组件有良好热接触，从而这些感测元件具有与集成电气组件基本相同的温度，第一或第二感测元件具有第一或第二温度相关特性，第二温度依赖性与第一温度依赖性不同以致第一和第二特性在预定义温度下相交；·-适于感测第一和第二感测元件、并且适于向控制电路供应指示第一或第二温度相关特性的第一或第二测量信号的感测电路。集成电气组件可以是例如微机电系统(MEMS)设备(例如，MEMS谐振器)、或者举例而言诸如电容器、电阻器等电气组件。在本申请中，术语“MEMS结构”、“MEMS组件”、以及“MEMS设备”用作同义词。集成电气组件可以是电容器、电阻器、电感器、电流源、电压源、ADC转换器、放大器、或者本领域技术人员已知的任何其他集成电气组件。通过使用与集成电气组件足够好地热接触的两个感测元件以使其具有与集成电气组件基本相同的温度、以及使这两个感测元件具有不同温度相关特性以使在测量时测量曲线在与预定义温度Tset相对应的预定义交点处相交，有可能容易确定集成电气组件的实际温度是高于、低于、还是等于预定温度Tset，并且相应地控制加热器。通过在控制回路中使用所测量的信号，可准确地维持期望温度。通过添加具有不同温度依赖性的两个感测元件来感测集成电气组件的实际温度、而不是提供具有不同温度依赖性的两个集成电气组件(如在现有技术中使用地)，可避免冗余电路，因为由于存在感测装置来补偿集成电气组件的任何温度漂移，可使用和优化单个集成电气组件以履行期望功能(例如，加速计、谐振器、压力计等)而不必考虑温度漂移。通过使温度感测功能与MEMS结构的期望功能分开，可实现对感测元件的微调(例如，激光微调)或校准，从而在不影响MEMS结构且不引入非期望副作用的情况下对其特性略作修改。由于只有相对温度误差需要检测(B卩，检测实际温度大于、还是小于期望温度)，因此不需要检测误差幅值的绝对度量。因此，不需要放大器和模数转换器两者，这可能需要随温度高度准确和稳定的特性。这极大地简化了系统，由此使其呈现为更加切实可行。检测温度误差中的增益误差与实现想要的Tset无关，因为唯一相关的度量是“太高”或“太低”。太高或太低多少并不确切。另一优点在于，本专利技术的技术可用于各种各样的MEMS结构以及其他集成电气组件，不只是用于MEMS谐振器。优选但不必要地，第一或第二感测元件用优选相同(即，例如，感测信号具有基本相同的幅值、但是不一定相同的符号或相位或持续时间)的第一或第二感测信号来感测。在一个实施例中，控制电路适于将第一和第二测量信号相减以得到差信号、放大该差信号、以及提供经放大的差信号作为控制信号。这种控制电路可容易地实现，从而需要最少的硬件资源(即，芯片面积和功耗)，并且因其简单性而需要最少的设计努力和测试努力。所得经放大的差信号通常具有在期望温度Tset下为零、且在集成电气组件的温度Tcomp高于或低于期望温度Tset时为正或负、反之亦然的曲线。当集成电气组件的温度低于期望温度Tset时，控制回路可将该经放大的差信号用于热炉2的加热器21。由此，当经放大的差信号较大时，该控制回路使用更大的加热功率。在另一实施例中，控制电路适于比较第一和第二测量信号例如来确定哪一个比另一个大，并且提供比较结果作为控制信号。 这是只需要最少资源的简单控制电路的另一示例。例如，比较可使用差分放大器、运算放大器、或比较器来容易地实现。优选地，第一或第二感测元件包括其第一或第二电阻值具有第一或第二电阻温度系数的第一或第二电阻器，第二电阻温度系数与第一电阻温度系数不同。当使用具有不同电阻温度系数(TCR)的一对电阻器、以及适当感测信号(例如，其幅值与每一电阻器的电阻值成反比的电流信号、或者与每一电阻器的电阻值成正比的电压信号)时，获取在Tset下具有交点的如上所述的温度依赖特性。这允许控制回路只对所测量的信号之间的比率起作用，由此该系统可以说是比率度量的。通过使用相对较小的感测元件(例如，占据比典型M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.11.30 US 61/265,0681.一种用于将集成电气组件的温度(Tcomp)稳定在预定义温度(Tset)的炉稳系统(1)，所述系统(I)包括 -用于将所述炉稳系统加热到热炉温度(Toven)的加热装置(21)； -置于所述热炉(2)中的电气设备(7)，所述电气设备(7)包括所述集成电气组件，所述集成电气组件具有温度相关特性(f); -用于感测所述集成电气组件的温度(Tcomp)的温度感测装置(61、62、72)； -控制电路(71)，其连接到用于接收指示所感测温度(Tcomp)的测量信号(83、84)的所述温度感测装置(61、62、72)、并且连接到所述加热装置(21)用于向其供应控制信号(80)以将所述集成电气组件的温度(Tcomp)维持在所述预定义温度(Tset)； 其特征在于，所述温度感测装置包括 -定位成与所述集成电气组件有良好热接触的第一或第二感测元件(61、62)，从而所述感测元件(61、62)具有与所述集成电气组件基本相同的温度(Tcomp)，所述第一或第二感测元件(61、62)具有第一或第二温度相关特性(63、64)，所述第二温度依赖性与所述第一温度依赖性不同以使所述第一和第二特性(63、64)在所述预定义温度(Tset)下相交； -适于感测所述第一和第二感测元件(61、62)、并且向控制电路(71)供应指示所述第一或第二温度相关特性(63、64)的第一或第二测量信号(83、84)的感测电路(72)。2.如权利要求I所述的系统(1)，其特征在于，所述第一或第二感测元件(61、62)用基本相同的第一或第二感测信号(81、82)来感测。3.如权利要求I或2所述的系统(1)，其特征在于，所述控制电路(71)适于将所述第一和第二测量信号(83、84)相减以得到差信号(85)，放大所述差信号(85)，并且提供经放大的差信号作为所述控制信号(88)。4.如权利要求I或2所述的系统(1)，其特征在于，所述控制电路(71)适于比较所述第一和第二测量信号(83、84)，并且提供比较结果作为所述控制信号(88)。5.如先前权利要求中的任一项所述的系统(1)，其特征在于，所述第一或第二感测元件(61、62)包括其第一或第二电阻值(rl、r2)具有第一或第二电阻温度系数(TCR1、TCR2)的第一或第二电阻器，所述第二电阻温度系数(TCR2)与所述第一电阻温度系数(TCRl)不同。6.如先前权利要求中的任一项所述的系统(1)，其特征在于，所述第一感测元件(61)包括具有第一温度特性(63)的二极管，而所述第二感测元件(62)包括其第一电阻值(rl)具有第一电阻温度系数(TCRl)的第一电阻器。7.如先前权利要求中的任一项所述的系统(I)，其特征在于，所述系统还包括用于去除所述系统中的残差的后补偿电路(90)，所述后补偿电路连接到控制电路(71)以接收所述控制信号(88)、且具有用于生成作为所述控制信号的变换的后补偿信号(91)的组件、并且连接回用于供应所述后补偿信号(91)作为偏置信号或偏移信号来减小所述集成电气组件的温度(Tcomp)和所述预定义温度(Tset)之间的差值的系统。8.如权利要求7所述的系统(I)，其特征在于，所述系统(I)包括用于进行所述控制信号(88)的多项式变换的装置，所得结果连接回所述系统中。9.如权利要求7所述的系统(I)，其特征在于，所述系统(I)包括用于进行所述控制信号(88)的变换的查找表，所得结果连接回所述系统中。10.如先前权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述炉稳系统(I)包括所述加热装置(21)和所述集成电气组件所处的基本真空的封装(22)，所述集成电气组件与环境温度热隔离，所述加热装置(21)与所述集成电气组件良好地热接触。11.如先前权利要求中的任一项所述的系统(1)，其特征在于，所述集成电气组件是MHM 设备(11)。12.如权利要求11所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·博瑞曼斯，
申请(专利权)人：IMEC公司，
类型：发明
国别省市：