烘箱控制的MEMS振荡器以及用于校准MEMS振荡器的系统和方法技术方案

提供了一种用于烘箱控制的MEMS振荡器的校准系统。该校准系统包括控制电路系统，该控制电路系统分别选择预先确定的目标设定点值并且基于所选择的目标设定点值中的每一个来控制烘箱控制的MEMS振荡器内的加热器，以调整烘箱控制的MEMS振荡器的设定点。该系统还包括振荡测量电路，该振荡测量电路测量在与所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个对应的每个调整的设定点处的相应振荡频率。所测量的振荡频率然后可以被用于确定用于烘箱控制的MEMS振荡器的目标设定点操作值，该目标设定点操作值可以被用于校准烘箱控制的MEMS振荡器。

Oven controlled MEMS oscillator and system and method for calibrating MEMS oscillator

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】烘箱控制的MEMS振荡器以及用于校准MEMS振荡器的系统和方法
本专利技术涉及MEMS振荡器，更具体地，涉及小尺寸的具有良好温度稳定性的烘箱控制的MEMS振荡器。
技术介绍
石英晶体被广泛用于提供电子振荡器中的参考频率。石英晶体谐振器振动的频率取决于其物理尺寸。此外，温度的改变导致：石英晶体由于热膨胀和石英的弹性模量的改变而膨胀或收缩。物理变化又改变晶体振荡频率。尽管石英具有非常低的频率温度系数，但是温度改变仍然是晶体振荡器的频率变化的主要原因。烘箱控制的晶体振荡器(“OCXO”)是频率参考装置，其中石英振荡器被放置在温度控制的烘箱内。烘箱被设置成将振荡器保持在恒定温度，以防止由于环境温度的变化而引起的频率改变。这种类型的振荡器可能由于石英晶体而获得最高的频率稳定性。OCXO通常用于控制例如无线电发送器、蜂窝基站、军事通信设备和用于精确频率测量的装置的频率。对于OCXO，烘箱是包含晶体和一个或更多个电加热元件的隔热壳体。因为振荡器电路中的其他电子部件也容易受到温度漂移的影响，所以通常整个振荡器电路都被封闭在烘箱中。对于这些装置，诸如热敏电阻的温度传感器将被设置成监测烘箱温度，并且闭环控制电路将被设置成控制至加热器的功率，以使烘箱保持在精确的目标温度。由于烘箱在高于环境温度的温度下工作，因此在施加功率之后，振荡器通常需要几分钟的预热阶段。此外，在这个预热阶段期间，装置的频率将不会具有完全的额定稳定性。尽管现有的OCXO通常提供良好的稳定性(例如，在指定的温度范围内，通常优于十亿分之100(“ppb”))，但是这些装置也具有一些缺点。首先，典型的石英晶体非常大，这又使得最终的OCXO装置非常大。因为定时装置的制造成本与尺寸成比例，所以较大的OCXO尺寸不是优选的。其次，用于加热和冷却的长热时间常数导致非常长的启动时间。例如，使烘箱稳定在目标温度通常需要几分钟。第三，保持烘箱温度所需的功率非常大。例如，典型的OCXO消耗超过1瓦特来加热烘箱。最后，由于烘箱中的温度梯度，因此晶体温度不是恒定的，而是可能在-40C至85C的环境温度范围内改变+/-1K。通常，微机电系统(“MEMS”)谐振器是在高频率下振动的小机电结构并且经常用作石英晶体的替代品。因此，可以提供具有快速启动时间的非常小的定时装置的烘箱控制的MEMS振荡器可以在许多应用中提供显著的益处。遗憾的是，在没有大量的物理修整的情况下，MEMS工艺不足以实现高精确度的时钟。例如，在图1中示出了这样的烘箱控制的MEMS振荡器装置的精确度挑战。通常，旨在用于烘箱控制的MEMS振荡器应用的典型MEMS谐振器具有标称拐点温度为Tturn＝85℃的抛物线温度依赖性。这意味着当装置被放置在被加热至85℃的温度的烘箱中时，围绕该拐点温度的小的烘箱温度波动将仅对振荡频率产生小的影响。例如，用于MEMS谐振器的典型的抛物线温度依赖性是-40ppb/K2。因此，如果烘箱温度围绕拐点温度Tturn＝85℃变化+/-0.5K，则相应的振荡频率变化仅为10ppb，这对于大多数应用是可以接受的。然而，如图1中所示，由于MEMS谐振器的制造变化，拐点温度可能变化+/-5K，这增加了振荡器频率变化。例如，如所示地，如果拐点温度是90℃并且烘箱温度是85℃，则+/-0.5K的烘箱温度波动可能导致+/-200ppb的频率波动。这种振荡变化对于高精确度的时钟应用是非常重要的。
技术实现思路
本公开内容通过提供烘箱控制的MEMS定时装置来克服如上所述的现有OCXO装置的技术缺点，所述烘箱控制的MEMS定时装置包括可以用非常低的功率被非常快地加热的非常小的振荡器。此外，提供了一种校准系统以校准烘箱控制的MEMS定时装置，以校正可能在制造期间在逐装置基础上导致的部件变化。因此，根据示例性方面，提供了一种用于烘箱控制的MEMS振荡器的校准系统。在示例性方面中，所述校准系统包括：控制电路系统，其包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成分别选择多个预先确定的目标设定点值中的每一个并且基于所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个来控制烘箱控制的MEMS振荡器的加热器以调整烘箱控制的MEMS振荡器的设定点；以及振荡测量电路，其被配置成测量烘箱控制的MEMS振荡器在与所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个对应的每个调整的设定点处的相应振荡频率。此外，控制电路系统被配置成：基于所测量的振荡频率来确定目标设定点操作值，并且基于所确定的目标设定点操作值来校准烘箱控制的MEMS振荡器。在示例性方面的改进中，校准系统可以包括电子存储器，所述电子存储器被配置成存储多个预先确定的设定点目标值。在示例性方面的另一个改进中，校准系统可以包括热控制电路，所述热控制电路被配置成：基于所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个与由烘箱控制的MEMS振荡器内的温度传感器输出的温度测量信号之间的差来控制加热器。此外，温度传感器可以是热敏电阻，并且温度测量信号是在热敏电阻两端测量的温度电压。在一个方面中，热控制电路是差分放大器，所述差分放大器被配置成输出温度测量信号和相应的选择的预先确定的目标设定点值之间的差。在另一方面中，热控制电路是比例-积分-微分(PID)控制器，所述比例-积分-微分(PID)控制器被配置成：基于选择的预先确定的目标设定点值中的每一个与温度测量信号之间的差来控制加热器。此外，校准系统可以包括用于控制加热器以使温度测量信号与相应的选择的预先确定的目标设定点值之间的差最小化以驱动施加到加热器的加热器电流的控制回路。在一个示例性方面中，提供了一种控制电路系统，所述控制电路系统通过生成测量的振荡频率与相应的选择的预先确定的目标设定点值的关系的曲线来确定目标设定点操作值，并且执行生成的曲线的多项式拟合以将目标设定点操作值确定为在多项式拟合中等于零的设定点值。在另一方面中，控制电路系统被配置成：通过将所确定的目标设定点操作值存储在烘箱控制的MEMS振荡器的非易失性存储器中来校准烘箱控制的MEMS振荡器，使得烘箱控制的MEMS振荡器的加热器被控制成：在操作期间基于所确定的目标设定点操作值来对烘箱控制的MEMS振荡器进行加热。烘箱控制的MEMS振荡器可以包括例如：框架；平台，其被设置有框架；谐振器，其被耦接至平台；以及温度传感器，其被设置在平台上并且被配置成输出温度测量信号以利用所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个来控制加热器。此外，加热器可以被设置在平台上并且被配置成对平台进行加热以调整烘箱控制的MEMS振荡器的设定点。在这方面的改进中，谐振器是体声模式谐振器。在又一示例性方面中，提供了一种烘箱控制的MEMS振荡器装置，所述烘箱控制的MEMS振荡器装置包括：硅平台；谐振器，其被耦接至硅平台；温度传感器，其被耦接至硅平台并且被配置成在烘箱控制的MEMS振荡器装置的操作期间输出温度测量信号；加热器，其被耦接至平台并且被配置成基于热控制信号对烘箱控制的MEMS振荡器装置进行加热；以及非易失性电子存储器，其被配置成存储目标设定点。烘箱控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于烘箱控制的MEMS振荡器的校准系统，所述校准系统包括：/n控制电路系统，其包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：分别选择多个预先确定的目标设定点值中的每个目标设定点值并且基于所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个来控制所述烘箱控制的MEMS振荡器的加热器，以调整所述烘箱控制的MEMS振荡器的设定点；以及/n振荡测量电路，其被配置成：测量所述烘箱控制的MEMS振荡器在与所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个对应的每个调整的设定点处的相应振荡频率，/n其中，所述控制电路系统被配置成：基于所测量的振荡频率来确定目标设定点操作值，并且基于所确定的目标设定点操作值来校准所述烘箱控制的MEMS振荡器。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171003 US 15/723,5901.一种用于烘箱控制的MEMS振荡器的校准系统，所述校准系统包括：
控制电路系统，其包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成：分别选择多个预先确定的目标设定点值中的每个目标设定点值并且基于所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个来控制所述烘箱控制的MEMS振荡器的加热器，以调整所述烘箱控制的MEMS振荡器的设定点；以及
振荡测量电路，其被配置成：测量所述烘箱控制的MEMS振荡器在与所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个对应的每个调整的设定点处的相应振荡频率，
其中，所述控制电路系统被配置成：基于所测量的振荡频率来确定目标设定点操作值，并且基于所确定的目标设定点操作值来校准所述烘箱控制的MEMS振荡器。


2.根据权利要求1所述的校准系统，还包括电子存储器，所述电子存储器被配置成存储所述多个预先确定的设定点目标值。


3.根据权利要求1所述的校准系统，还包括热控制电路，所述热控制电路被配置成：基于所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个与由所述烘箱控制的MEMS振荡器内的温度传感器输出的温度测量信号之间的差来控制所述加热器。


4.根据权利要求3所述的校准系统，其中，所述温度传感器是热敏电阻，并且所述温度测量信号是在所述热敏电阻两端测量的温度电压。


5.根据权利要求4所述的校准系统，其中，所述热控制电路是差分放大器，所述差分放大器被配置成：输出所述温度测量信号与相应的所选择的预先确定的目标设定点值之间的差。


6.根据权利要求5所述的校准系统，其中，所述控制电路系统包括控制回路，所述控制回路控制所述加热器以使所述温度测量信号与所述相应的所选择的预先确定的目标设定点值之间的差最小化，以驱动施加到所述加热器的加热器电流。


7.根据权利要求3所述的校准系统，其中，所述热控制电路是比例-积分-微分(PID)控制器，所述比例-积分-微分控制器被配置成：基于所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个与所述温度测量信号之间的差来控制所述加热器。


8.根据权利要求1所述的校准系统，其中，所述控制电路系统被配置成：
通过生成所测量的振荡频率与相应的所选择的预先确定的目标设定点值的关系的曲线来确定所述目标设定点操作值，以及
执行所生成的曲线的多项式拟合，以将所述目标设定点操作值识别为在所述多项式拟合中等于零的设定点值。


9.根据权利要求8所述的校准系统，其中，所述控制电路系统被配置成：通过将所确定的目标设定点操作值存储在所述烘箱控制的MEMS振荡器的非易失性存储器中来校准所述烘箱控制的MEMS振荡器，使得所述烘箱控制的MEMS振荡器的加热器被控制成：在操作期间基于所确定的目标设定点操作值来对所述烘箱控制的MEMS振荡器进行加热。


10.根据权利要求1所述的校准系统，其中，所述烘箱控制的MEMS振荡器包括：
框架；
平台，其设置有所述框架；
谐振器，其耦接至所述平台；以及
温度传感器，其被设置在所述平台上并且被配置成：输出温度测量信号以利用所选择的预先确定的目标设定点值中的每一个来控制所述加热器，
其中，所述加热器被设置在所述平台上并且被配置成对所述平台进行加热。


11.根据权利要求10所述的校准系统，其中，所述谐振器是体声模式...

【专利技术属性】
技术研发人员：维莱·卡亚卡里，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：日本;JP