温度补偿振荡器与其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种温度补偿振荡器与其控制方法，特别是有关于一种微机电(Micro Electro Mechanical Systems ；MEMS)温度补偿振荡器其控制方法。
【背景技术】
[0002]振荡器为一种用来产生周期性信号(例如方波或弦波)的电子装置。现今常见的电子电路，例如信号产生器、频率合成器或锁相回路，都会应用振荡器来提供工作所需的周期性信号。
[0003]目前常用的振荡器为石英振荡器。因为石英振荡器具有构造简单、成本低廉的优点，故石英振荡器被广泛地应用于各式电子产品中。然而，由于石英水晶加工中，机械切割与研磨制程的技术限制，不易制作高频与微小型的元件，因此，MEMS振荡器有逐渐取代石英震荡器的趋势。
[0004]MEMS振荡器是利用MEMS技术来制造出振荡子结构，接着再利用系统级封装(SiP)方式，将控制器与振荡子结构整合于单一晶片封装中。由于MEMS振荡子是以硅作为材料，相容于半导体制程，且拥有许多不同振荡模态，所以可制作出高频与微小型化的元件。然而，MEMS振荡子的自然频率受其结构材料本身杨氏系数对温度的变化系数(Temperature Coefficient of Young’s Modulus, TCE)、热膨胀系数(Coefficient ofThermal Expans1n, CTE)等因素影响,会随着温度变化产生漂移，因此需要温度补偿设计来增加MEMS振荡子频率的稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明的一方面是在提供一种温度补偿振荡器其控制方法，其是利用MEMS振荡子来感测温度，以据此来控制加热器的工作状态，进而将MEMS振荡子的温度维持在预设的温度值。
[0006]根据本发明的一实施例，此温度补偿振荡器包含微机电振荡子组、加热器以及控制器。微机电振荡子组包含第一微机电振荡子以及第二微机电振荡子。第一微机电振荡子是用以根据控制信号来输出第一周期信号，此第一周期信号具有主要振荡频率。第二微机电振荡子是用以根据第二微机电振荡子的温度来输出第二周期信号，此第二周期信号具有辅助振荡频率。加热器是用以提高微机电振荡子组的温度。控制器是用以根据主要振荡频率与辅助振荡频率间的差值来控制加热器。控制器包含计数器以及温度控制单元。计数器是用以计算主要振荡频率与辅助振荡频率间的频率差值。温度控制单元是用以根据频率差值来控制加热器。
[0007]根据本发明的另一实施例，在此温度补偿振荡器的控制方法中，首先提供微机电振荡子组，其中此微机电振荡子组包含第一微机电振荡子以及第二微机电振荡子。然后，驱动第一微机电振荡子和第二微机电振荡子，以输出第一周期信号和第二周期信号，其中第一周期信号具有主要振荡频率，第二周期信号具有一辅助振荡频率。接着，计算主要振荡频率与辅助振荡频率间的频率差值。然后，根据频率差值来控制加热器，以调整微机电振荡子组的温度。
[0008]由上述说明可知，本发明实施例的温度补偿振荡器包含两个振荡子，其中第一微机电振荡子是用以输出使用者所需的主要振荡频率，而第二微机电振荡子是用以感测温度变化，并相应地输出辅助振荡频率。通过主要振荡频率和辅助振荡频率的差值，控制器可根据振荡子的温度变化来开启或关闭加热器，以使第一微机电振荡子操作在预设的工作温度下。
【附图说明】
[0009]为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，上文特举数个较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下:
[0010]图1是绘示根据本发明实施例的温度补偿振荡器的功能方块示意图；
[0011]图2是绘示根据本发明实施例的温度补偿振荡器的俯视结构示意图；
[0012]图3是绘示根据本发明实施例的微机电振荡子组的温度与输出频率值的关是示意图；
[0013]图4是绘示根据本发明实施例的控制器的功能方块图；
[0014]图5，其是绘示根据本发明实施例的温度补偿振荡器的控制方法的流程示意图；
[0015]图6A是绘示根据本发明实施例的温度补偿振荡器的功能方块示意图；
[0016]图6B是绘示根据本发明实施例的微机电振荡子组的温度与输出频率值的关系示意图。
【具体实施方式】
[0017]请参照图1，其是绘示根据本发明实施例的温度补偿振荡器100的功能方块图。温度补偿振荡器100包含微机电振荡子组110、加热器120以及控制器130。在本发明的实施例中，加热器120是用以提高微机电振荡子组110的温度，而控制器130则根据微机电振荡子组110所输出的频率差值来控制加热器120的工作状态。
[0018]微机电振荡子组110包含第一微机电振荡子112以及第二微机电振荡子114。第一微机电振荡子112是用以根据控制信号来输出第一周期信号，此第一周期信号具有一主要振荡频率H。第二微机电振荡子114是用以感测环境温度的变化并相应地输出第二周期信号，此第二周期信号具有辅助振荡频率f2。在本实施例中，振荡器100为温度补偿MEMS振荡器，故第一微机电振荡子112与第二微机电振荡子114是根据内部驱动电路所提供的电压信号来维持主要振荡频率fl以及辅助振荡频率f2。然而，本发明的实施例不受限于此。
[0019]一般而言，微机电振荡子的主要材料为硅，其频率温度系数(temperaturecoefficient of frequency ;TCF)为负值。为了降低主要振荡频率fI对温度变化的敏感度，所以利用复合材料制作，嵌入正频率温度系数材料，例如二氧化硅等，但本发明的实施例并不受限于此。
[0020]虽然，本实施例的第一微机电振荡子112包含正频率温度系数材料,第一微机电振荡子112的温度变化仍会对主要振荡频率Π产生小幅度的影响。因此，本实施例利用加热器120来将第一微机电振荡子112的温度控制于一预设工作温度下(例如摄氏85度)，再利用第二微机电振荡子114来感测温度，以根据感测结果来控制加热器120，使第一微机电振荡子112的温度能维持于预设工作温度。
[0021]请参照图2，其是绘示根据本发明实施例的温度补偿振荡器100的俯视结构示意图。加热器120包含第一接触垫122、第二接触垫124以及电阻器126。第一接触垫122是用以提供第一温度控制电压VI。第二接触垫是用以提供第二温度控制电压V2。电阻器126是电性连接于第一接触垫122与第二接触垫124之间，以利用第一温度控制电压Vl与第二温度控制电压V2之间的电压差来提供热能至微机电振荡子组110。
[0022]在本实施例中，电阻器126所产生的热能可利用连接体128来传送至微机电振荡子组I1的支架116，再通过支架来传送热能至微机电振荡子组110。连接体128是连接于电阻器126以及微机电振荡子组110之间，且以电绝缘材料制成。在本实施例中，连接体128是以二氧化硅制成，但本发明的实施例并不受限于此。本实施例的电阻器126、连接体128、第一微机电振荡子112以及第二微机电振荡子114是悬浮于半导体基板(未绘不)上，如此可提供良好的热隔离环境，以方便控制第一微机电振荡子112的温度。在温度补偿振荡器100的封装体中，可将封装体的空气抽出，使得封装体内部成为真空状态，以获得更好的热隔离效果。
[0023]另夕卜，本发明实施例的温度补偿振荡器100还包含体电压(proof mass voltage)供应线路140以及增益级电路(未绘示)。体电压供应线路140是用以提供体电压Vp至第一微机电振荡子112与第二微机电振荡子114,以帮助第一微机电振荡子112与第二微机电振荡子114起振。增益级电路包含第一增益级电路和第二增益级电路。第一增益级电路是电性连接至第一微机电振荡子112，以构成一振荡电路。第二增益级电路是电性连接至第二微机电振荡子114,以构成另一振荡电路。在本发明的实施例中，第一增益级电路与第一微机电振荡子112是构成皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)，而第二增益级电路与第二微机电振荡子114亦构成皮尔斯振荡器。然而，本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其他实施例中，第一增益级电路与第一微机电振荡子112可构成考毕振荡器(Colpittsoscillator)，而第二增益级电路与第二微机电振荡子114亦可构成考毕振荡器。
[0024]请参照图3，其是绘示根据本发明实施例的微机电振荡子组110的温度与输出频率值的关系示意图，其中曲线Cl是代表第一微机电振荡子112的温度与输出频率值的关系，曲线C2是代表第二微机电振荡子114的温度与输出频率值的关系。如之前所述，第一微机电振荡子112包含正频率温度系数材料，以降低主要振荡频率fl对温度变化的敏感度。因此，相较于第一微机电振荡子112的曲线Cl,第二微机电振荡子114的曲线C2具有取绝对值后较高的斜率，以利于温度变化的感测。
[0025]在本实施例中，控制器130是接收第一微机电振荡子112所输出的主要振荡频率fl以及第二微机电振荡子114所输出的辅助振荡频率f2，并根据主要振荡频率fl与辅助振荡频率f2的频率差值Λ f来进行温度调整。如图3所示，当差值Λ f变大时，代表温度上升，而当差值Af变小时代表温度下降。因此，在本实施例中，可先测得对应至预设工作温度的频率差值，并以此作为频差的标准值，接着控制器130即可利用此标准值来作为加热操作的依据。
[0026]请参照图4，其是绘示根据本发明实施例的控制器130的功能方块图。控制器130包含计数器134、温度控制单元136以及数字模拟转换器138。
[0027]计数器134是电性连接第一微机电振荡子112，以接收第一微机电振荡子112所输出的第一周期信号以及第二微机电振荡子114所输