[发明专利]烘箱控制MEMS振荡器装置

说明书

技术领域

本公开通常涉及系统，该系统包括烘箱控制微机电系统(MEMS)振荡器。

背景技术

已知MEM系统以及尤其MEMS谐振器具有极高的质量因子(Q)，并且可用于构建振荡器，这使其可用作频率基准装置，如图1所述。然而传统地，由于石英晶体具有更好的温度稳定性，因此常用作频率基准。当需要更高的稳定性时，如在广播发射机系统中，例如，常常使用烘箱控制晶体振荡器。然而，这种石英装置很大且使用石英基准的系统有集成度低的缺点。另一方面MEMS振荡器很小，并且可集成，从而大大降低了成本。然而，不带补偿的MEMS谐振器显示出随温度变化而产生频率漂移的高敏感性(例如，在100℃环境温度范围上有+-5000ppm的频率漂移)，并从而相比石英晶体具有更不稳定的随温度变化而变化的频率特性，如图2所述。

取决于测量的温度，通过感测环境温度，以及通过补偿MEMS谐振器(例如，电力地)，MEMS谐振器可在宽泛的环境温度范围(例如，100摄氏度环境温度范围)上进行更好地稳定。图3描述了这样一种现有技术解决方案。环境温度由与MEMS装置良好热接触的外部温度传感器感测，并且MEMS振荡器系统基于测量的温度由频率控制装置电气补偿。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。这样，MEMS谐振器典型地可在100℃环境温度范围(例如，从-20℃至+80℃的环境温度)上受控达+-100ppm的精度。

然而，这些机构的问题是温度传感器本身的精度和温度稳定性。它们自身随温度变化产生的漂移限制了MEMS谐振器的可达到的温度稳定性，这是这种系统中常常需要可靠(及昂贵的)温度基准的原因。另一限制是谐振器与温度传感器之间受限制的热接触，这限制了可能的可实现的校正。

公开号为2009/0243747的美国专利申请使用了在一种振荡器配置中的两个谐振器来产生一个稳定频率，如图4所示。通过使用具有不同的频率温度系数的两个谐振器，(TCF＝Δf/f.1/ΔT，这是每个温度变化的频率变化)，以及通过对由于温度漂移而产生的谐振器之间的频率差异进行补偿，来实现温度稳定性。预定的温度T_set存在于两个频率相同的地方(如果不施加补偿)。控制环路对温度变化进行补偿并确保对于其它温度也保持频率相同。因此，实现了谐振器频率的稳定。然而，这种理念具有不足之处：需要带有不同TCF的两个谐振器，从而需要大量的设备面积。而且，两个谐振器应配置为振荡器，需要额外的电路。而且，为了达到期望的频率，两个谐振器条处的温度应该是相同的，通过匹配该设计，这可能在理论上是容易的，但实际上极难保证。最后，两个装置之间的寄生耦合导致不那么公正的时钟输出。

发明内容

公开了一种基于MEMS的系统，用于以基本稳定的频率产生输出信号，利用该基本稳定的频率可达到降低的频率漂移。

根据本公开，利用包括第一项权利要求的技术特征的系统实现了该目标。

特别地，据发现，为了最小化系统的频率漂移，需要比例量测温度控制环路，比例量测温度控制环路与所述微机械振荡器相关联并且包括用于利用阻抗感测根据比例量测原则来探测、评估和适配微机械振荡器的组件，并且比例量测温度控制环路还被提供来将微机械振荡器的温度保持在所述预定的设置温度周围的预定温度范围内，所述预定温度范围基于所述微机械振荡器的所述属性和所述频率的所述温度依赖性来确定。

本公开的系统具有自行基准化的优点，从而使得没有温度或频率的外部基准源需要用于其操作或者需要限制频率漂移。由于仅相对的温度误差需要进行检测(即，实际温度是否大于或小于期望温度)，因此误差的振幅的绝对测量不需要进行检测。因而，不需要放大器或者模-数转换器，这典型地要求随温度变化的高度精确和稳定特性。这大大简化了系统，使其更加可行。检测温度误差中的增益误差对于达到期望T_set来说是不相关的，因为相关测量仅仅是“太高”或者“太低”，而不是太高或者太低多少的测量。

本公开的系统具有低功率的优点，因为MEMS振荡器位于烘箱中，因而与环境屏蔽，并进一步因为可避免需要烘箱中的基准MEMS振荡器(像公开号为2009/0243747的美国专利申请中描述的双谐振器系统中一样)。

在一些实施例中，预定温度范围可最多选择在0.10℃，这可利用本公开的比例量测温度控制环路实现，并且可将频率漂移降至仅几ppm或者更少。