微谐振器温度控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种新型的应用于微谐振器的温度控制系统，微谐振器温度控制系统由微谐振器、微谐振器驱动电路、温度控制电路、温度执行元件组成，其中微谐振器采用梳状谐振器结构，微谐振器驱动电路采用自动增益控制方式，微谐振器驱动电路与微谐振器形成闭环回路，微谐振器驱动电路保证微谐振器产生稳定的振荡信号，温度控制电路测量随温度变化的微谐振器驱动电路的信号，运算放大后输出给温度执行元件，温度执行元件在温度控制电路的作用下保证微谐振器温度恒定。本发明专利技术利用微谐振器Ｑ值的固有温度特性，不需温度传感器，既减小了温度控制系统的体积和成本又提高了温度检测的精度，缩短了温度控制系统的响应时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于对微系统器件进行温度控制的技术，特别是一种微谐振器温度控制系 统。
技术介绍
微谐振器是一种典型的微系统(MEMS)器件，应用领域广阔。微谐振器不仅可以作 为微频率源替代石英晶体振荡器，而且是微谐振式加速度计、微谐振式陀螺仪、微夹钳等微 传感器和微执行器的关键结构部件，也是微机械滤波器的关键结构。微谐振器具有体积小、 成本低、抗冲击、可大批量加工等特点。微谐振器普遍以硅为材料，采用半导体加工工艺制作。微谐振器在激励的作用下 振荡在固有频率点处，输出稳定的频率信号。由于硅为温度敏感材料，在杨氏模量温度系数 和热膨胀系数的作用下，微谐振器的固有频率值随温度发生变化，故而微谐振器固有频率 是温度的敏感函数。当温度改变时，微谐振器的频率也随之改变，这种现象严重影响了其频 率稳定性，也限制了其应用范围。当微谐振器用作频率基准源时，微谐振器频率的不稳定性 会造成电路时序的紊乱；在微谐振式微加速度计和微谐振式微陀螺中，微谐振器频率的不 稳定性会造成加速度计和陀螺的输出漂移；在微机械滤波器中，微谐振器频率的不稳定性 会造成滤波截止频率的偏离，所以微谐振器频率的温度稳定性至关重要。1993 年，Clark T. -C. Nguyen 和 Roger Τ. Howe 提出了 一种微谐振器的温度控 制系统(Clark Τ. -C. Nguyen, Roger Τ. Howe. Microresonator Frequency Control and StabilizationUsing an Integrated Micro Oven. Dig. Transducers' 93, Int. Conf. Solid-State Sensors andActuators, pp. 1040-1043)，该方案将温度传感器和温度执行元 件集成封装在微谐振器管壳内，温度传感器采用热敏电阻，温度执行元件为加热电阻丝，热 敏电阻测量微谐振器管壳腔体内的温度，温度信号经温度控制电路处理后驱动加热电阻丝 工作，从而保证微谐振器温度保持恒定。由于微谐振器管壳腔体内温度场分布不均且温度 场存在热平衡时间，而热敏电阻与微谐振器结构分布在微谐振器封装管壳内的不同位置， 故而热敏电阻测量的温度与微谐振器结构本身的温度存在温度误差和时间的滞后。2008年，Bongsang Kim等人提出了利用一种微谐振器温度控制的方案 (BongsangKim, Matthew A. Hopcroft, etc.Temperature Dependence of Quality Factor in MEMSResonators. Microelectromechanical Systems. Vol. 17, No. 3, June 2008),该方 法利用微谐振器Q值存在温度系数的特性来测量微谐振器的温度。当温度改变时，微谐振 器Q值的改变导致微谐振器输出信号幅值的改变，温度控制电路检测出该信号幅值的变化 量，控制温度执行器工作，从而保证微谐振器温度保持恒定。该方法利用微谐振器固有特 性，不需温度传感器，使温度控制系统具有体积小，成本低，精度高，响应时间短的优点，但 其微谐振器结构的驱动方式为平板电容式，该方式的驱动电压与驱动位移存在非线性，其 微谐振器驱动电路为限幅驱动电路，故其输入给微谐振器的驱动信号为恒定限幅信号，故 而导致微谐振器的振荡幅度不可随环境自动调节易受干扰，其加热丝仅分布在微谐振器的一侧，存在加热不对称性和热平衡时间长的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微谐振器温度控制系统，该温度控制系统无需温度传 感器测量温度，系统体积小，成本低，精度高，响应时间短，易于实现，且微谐振器振荡幅度 可自动调节保持恒定。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种微谐振器温度控制系统，由微谐振器、微 谐振器驱动电路、温度控制电路、温度执行元件构成微谐振器温度控制闭环回路，其中微谐 振器驱动电路与微谐振器构成微谐振器驱动闭环回路，所述的微谐振器驱动电路驱动微谐 振器使其稳定工作在固有频率点处，微谐振器驱动电路输出的微谐振器驱动交流信号为驱 动微谐振器工作的交流信号，微谐振器驱动电路输出的直流偏置电压为驱动微谐振器工作 的直流偏置电压信号，从而微谐振器驱动电路驱动微谐振器自激振荡，稳定输出微谐振器 振动敏感检测电流信号，同时该微谐振器振动敏感检测电流信号为微谐振器驱动电路的输 入信号，微谐振器的Q值具有温度系数导致微谐振器驱动电路中的电压有效值信号随温度 变化，温度控制电路取出电压有效值信号进行运算放大后驱动温度执行元件工作，使微谐 振器的温度保持恒定，温度执行元件由第一温度执行元件和第二温度执行元件构成，上下 对称分布在微谐振器两侧并与微谐振器集成加工在同一硅片上。本专利技术与现有技术相比，其显著优点(1)微谐振器温度控制系统利用了微谐振 器Q值具有温度系数的固有特性，其直接反映微谐振器的温度值，通过测量微谐振器电路 中的电压有效值信号即可测量谐振器温度，无需温度传感器测量温度，减小了温度控制系 统的体积和成本，与采用温度传感器测量温度的方式相比较，该系统不存在温度测量系统 误差和温度传递的延时，精度高，受外界影响小。(2)微谐振器温度控制系统适用于各种结 构的微谐振器结构形式，具有广泛的通用性。(3)微谐振器温度控制系统中微谐振器驱动电 路采用自动增益控制方式，使得微谐振器驱动电路自动控制、调节微谐振工作在恒定振幅 的共振状态，相比限幅驱动电路方式，微谐振器的振动更加稳定，受环境影响小。⑷微谐振 器温度控制系统的设定工作温度值可以通过温度控制电路中的温度设定电压调节，具有工 作温度值可自由设定，温度设定实现方式简单的优点。(5)微谐振器温度控制系统的温度执 行元件对称分布在微谐振器上下两侧，温度执行元件对称加热微谐振器，加热更快且热平 衡时间更短。(6)微谐振器温度控制系统的微谐振器、微谐振器驱动电路、温度控制电路和 温度执行元件加工在同一单晶硅晶片上并采用晶圆级封装技术真空封装，真空封装的微谐 振器温度控制系统晶片安装在外壳中，系统晶片与外壳之间填充绝热材料隔绝外界环境温 度，相比传统的温度控制系统，其体积小，可小于lcm3;精度高，温度控制精度可达0.01°C ； 系统响应时间短，系统平衡时间可小于lmin ；系统功耗低，系统整体功耗在毫瓦量级。(7) 微谐振器温度控制系统应用广泛，可以应用于任何含有微谐振器结构的微传感器和微执行 器、微滤波器、微频率源的温度控制。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为微谐振器温度控制系统原理示意框图。图2为微谐振器与温度执行元件结构示意图。图3为微谐振器驱动电路示意框图。图4为温度控制电路示意框图。图5为微谐振器温度控制系统示意图。具体实施方式 结合图1，本专利技术微谐振器温度控制系统，利用微谐振器Q值具有温度系数的特点 实现温度测量，系统无需温度传感器，由微谐振器200、微谐振器驱动电路300、温度控制电 路400、温度执行元件500构成微谐振器温度控制闭环回路，其中微谐振器驱动电路300与 微谐振器200构成微谐振器驱动闭环回路。所述的微谐振器驱动电路300驱动微谐振器200 使其稳定工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微谐振器温度控制系统，其特征在于由微谐振器（２００）、微谐振器驱动电路（３００）、温度控制电路（４００）、温度执行元件（５００）构成微谐振器温度控制闭环回路，其中微谐振器驱动电路（３００）与微谐振器（２００）构成微谐振器驱动闭环回路，所述的微谐振器驱动电路（３００）驱动微谐振器（２００）使其稳定工作在固有频率点处，微谐振器驱动电路（３００）输出的微谐振器驱动交流信号（３１３）为驱动微谐振器工作的交流信号，微谐振器驱动电路（３００）输出的直流偏置电压（３１４）为驱动微谐振器（２００）工作的直流偏置电压信号，从而微谐振器驱动电路（３００）驱动微谐振器（２００）自激振荡，稳定输出微谐振器振动敏感检测电流信号（３１０），同时该微谐振器振动敏感检测电流信号（３１０）为微谐振器驱动电路（３００）的输入信号，微谐振器（２００）的Ｑ值具有温度系数导致微谐振器驱动电路（３００）中的电压有效值信号（３１２）随温度变化，温度控制电路（４００）取出电压有效值信号（３１２）进行运算放大后驱动温度执行元件（５００）工作，使微谐振器（２００）的温度保持恒定，温度执行元件（５００）由第一温度执行元件（５００ａ）和第二温度执行元件（５００ｂ）构成，上下对称分布在微谐振器（２００）两侧并与微谐振器（２００）集成加工在同一硅片上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：凤瑞，苏岩，裘安萍，施芹，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]