[发明专利]微谐振器温度控制系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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 T.Howe提出了一种微谐振器的温度控制系统(Clark T.-C.Nguyen，Roger T.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。

发明内容

本发明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。