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 |
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| 申请号 | CN201880062284.3 | 申请日 | 2018-05-23 | 公开(公告)号 | CN111133675B | 公开(公告)日 | 2024-04-05 |
| 申请人 | 株式会社村田制作所; | 发明人 | 维莱·卡亚卡里; | ||||
| 摘要 | 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。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于烘箱控制的MEMS振荡器的校准系统，其中， |
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| 说明书全文 | 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 技术领域背景技术[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。 [0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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2 的抛物线温度依赖性是‑40ppb/K 。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。 [0008] 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。 发明内容[0009] 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。 [0010] 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。 [0011] 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。 [0012] 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。 [0013] 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。 [0014] 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。 [0015] 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。 [0016] 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。 [0017] 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。 [0018] 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。烘箱控制的MEMS振荡器装置还包括热控制电路，所述热控制电路被配置成：基于存储的目标设定点值和从温度传感器输出的温度测量信号之间的差来生成热控制信号。此外，热控制电路被配置成：通过调整加热器以使存储的目标设定点值和温度测量信号之间的差最小化来使热控制信号最小化。 [0019] 在又一示例性方面中，提供了一种用于校准烘箱控制的MEMS振荡器的方法。在示例性方面中，所述方法包括：分别选择多个预先确定的目标设定点值中的每一个；基于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振荡器中的加热器以调整烘箱控制的MEMS振荡器的设定点；通过振荡测量电路来测量烘箱控制的MEMS振荡器在与选择的预先确定的目标设定点值中的每一个相对应的每个调整的设定点处的相应振荡频率；基于测量的振荡频率来确定目标设定点操作值；以及基于确定的目标设定点操作值来校准烘箱控制的MEMS振荡器。 [0020] 以上的示例实施方式的简化的概要用于提供对本公开内容的基本理解。该概要不是对所有预期的方面的广泛概述，并且既不意在标识所有方面的关键或重要要素，也不意在描述本公开内容的任何方面或所有方面的范围。其唯一目的是以简化的形式将一个或更多个方面呈现为随后的本公开内容的更详细描述的序言。为了实现前述内容，本公开内容的一个或更多个方面包括权利要求中描述和特别指出的特征。附图说明 [0021] 并入到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开内容的一个或更多个示例实施方式，并且与详细描述一起用于说明所述一个或更多个示例实施方式的原理和实现。提供的附图仅出于说明性目的，因此没有按比例绘制。 [0022] 图1提供了示出由于制造变化而引起的烘箱控制的MEMS振荡器装置的精确度挑战的图表。 [0023] 图2A示出了根据示例性实施方式的烘箱控制的MEMS谐振器的外部立体图。 [0024] 图2B示出了根据示例性实施方式的图2A的MEMS谐振器的截面视图。 [0025] 图2C示出了根据另一个示例性实施方式的图2A的MEMS谐振器的截面视图。 [0026] 图3是沿着图2B和图2C中所示的A‑B线截取的烘箱控制的MEMS谐振器的截面侧视图。 [0027] 图4是沿着图2B和图2C中所示的C‑D线截取的烘箱控制的微机械谐振器的截面侧视图。 [0028] 图5是沿着图2B和图2C中所示的A‑B线截取的烘箱控制的MEMS谐振器的另一个截面侧视图。 [0029] 图6示出了根据示例性实施方式的包括MEMS谐振器100的定时装置。 [0030] 图7示出了根据示例性实施方式的烘箱控制的MEMS谐振器装置。 [0031] 图8示出了根据示例性实施方式的用于校准烘箱控制的MEMS谐振器的系统的框图。 [0032] 图9示出了根据示例性方面的所获得的以Hz为单位的振荡频率与被施加的用于执行MEMS平台的校准的设定点的关系的曲线图。 [0033] 图10A示出了根据示例性实施方式的烘箱控制的MEMS谐振器的框图。 [0034] 图10B示出了根据另一示例性实施方式的烘箱控制的MEMS谐振器的框图。 具体实施方式[0035] 本文在克服了现有振荡器装置的许多技术缺点的烘箱控制的MEMS振荡器的背景下描述了示例方面。特别地，本文中公开的烘箱控制的MEMS振荡器是可以以非常低的功率非常快速地被加热的小型振荡器。 [0036] 本领域普通技术人员将认识到，以下描述仅是说明性的，并且不旨在以任何方式进行限制。受益于本公开内容的本领域技术人员将容易地想到其他方面。现在将详细参考如附图中所示的示例方面的实现。在整个附图和以下描述中，将尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的项。 [0037] 图2A示出了根据示例性实施方式的烘箱控制的MEMS谐振器的外部立体图。如所示地，MEMS谐振器装置100包括被设置在基板110上的框架112和谐振器盖114。如下面将要讨论的和图3中示出的，例如，基板110包括在其中心区域中的凹腔C，使得MEMS谐振器装置100内部的谐振器能够在腔C上方振动。 [0038] 优选地，利用例如在以下文献中描述的MEMS制造技术来制造示例性实施方式的MEMS谐振器装置100：“Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology，卷Ⅱ：Manufacturing Techniques for Microfabrication and Nanotechnology”，由Marc J.Madou著，CRC出版社，2011年。因此，根据示例性实施方式，MEMS谐振器装置100是芯片级封装(“CSP”)MEMS谐振器。优选地，MEMS谐振器装置100由腔绝缘体上硅(“SOI”)晶片制成，其中基板110由硅制成，框架112由SOI硅制成以及谐振器盖114对外部可见。如进一步所示的，如本领域技术人员将理解的，多个电接触焊盘(例如，接触焊盘116A至116D)被设置在谐振器盖114的顶部上，以用于将谐振器连接至振荡电路系统，该振荡电路系统的示例在图6中示出并且在下面被讨论。 [0039] 图2B示出了根据示例性实施方式的图2A的MEMS谐振器100的截面视图。此外，图2C示出了根据另一示例性实施方式的图2A的MEMS谐振器的截面视图，其细节将在下面讨论。图2B和图2C中所示的视图是在谐振器盖114没有附接至框架112的情况下沿着框架112的截面截取的MEMS谐振器装置100的截面视图。 [0040] 如图2B所示，MEMS谐振器装置100包括谐振器120，该谐振器120被设置在矩形板上并通过两个薄的锚梁126A和126B被固定到加热平台134，所述两个薄的锚梁126A和126B被耦接至谐振器120的相对的第一侧。根据示例性实施方式，谐振器120优选地是以平面内模式振动(即，运动主要在x/y平面内)的体声模式谐振器，原因是这些类型的模式提供较高的品质因数和功率处理能力。例如，根据这个方面，振动模式优选地是宽度延伸模式和跛脚模式(Lamé‑mode)。此外，根据示例性实施方式，薄的锚梁126A和126B使从谐振器120到加热平台134的振动能量损失最小化。 [0041] 由于在谐振器120和平台134之间通过锚梁126A和126B的振动耦合，所以存在将谐振器120和平台134的振动进行组合的不需要的谐振的风险。为了使这些不需要的寄生谐振最小化，平台134应该是机械刚性的。此外，根据示例性实施方式，当平台134完全围绕谐振器120并且围绕谐振器120的平台134的宽度135(即，在平台134的外边缘和腔128之间)至少是平台134的厚度的2倍并且优选地至少是谐振器120的厚度的4倍时，不需要的寄生谐振可以被最小化。 [0042] 如进一步所示的，加热平台134包括：加热器122，其提供烘箱效应以对平台134进行加热；以及温度传感器，即热敏电阻130，其被设置成测量加热平台134的温度。此外，平台134由支承梁124A和124B支承，所述支承梁124A和124B将加热平台134连接至封装框架112。 支承梁124A和124B基本上在一端上连接至平台134。这种布置是有益的，原因在于：因为热量从该端上流出平台134，所以这种布置确保在平台134上的最均匀的热量分布。如所示的，支承梁124A和124B竖直地(即，在y方向上)延伸，其中腔(例如，沿着梁124A的140A和140B)也在每个支承梁124A和124B的两侧上延伸。因此，加热平台134与框架112热隔离。一对支承梁124A和124B的对称结构提供了抵抗机械冲击的良好支承。此外，支承梁124A和124B的长的长度——其中梁在平台134的长度上延伸——确保平台134的良好热隔离。 [0043] 如图2B中所示，一对支承梁124A和124B中的每一个都包括：短的第一部分，其在振荡器的横向方向上(即，在x方向上)延伸；第二长部分，其在振荡器的纵向方向上(即，在y方向上)并且平行于平台的侧面延伸；以及第三部分，其又在振荡器的横向方向上(即，在x方向上)延伸并且被耦接至平台的一端的相应侧。应当理解，可以为支承梁124A和124B提供替选的结构配置(例如，可以使用单个支承梁来将平台134固定至框架112)，以及/或者可以根据替选实施方式提供另外的支承梁。 [0044] 此外，根据示例性实施方式，加热器122位于支承梁124A和124B附近(例如，在支承梁124A和124B附接至平台134的位置之间或附近)。如所示的，支承梁124A和124B被附接至加热平台134的第一端的侧面。加热器122在加热平台134的支承梁124A和124B附接有热敏电阻的侧面之间延伸，该热敏电阻被设置在加热器122和谐振器120之间。在优选实施方式中，热敏电阻130被设置在谐振器120的两侧(即，在谐振器124和加热器122之间以及在谐振器120和平台134的与热敏电阻130相对的一侧之间)上。这确保了：如果在平台中存在任何热梯度，则热敏电阻将读取平台中的平均温度。 [0045] 根据这种配置，当加热器122接通时，由加热器122生成的热功率使平台134的温度升高，并且热流过梁124A和124B。在稳定状态下，热功率和热流平衡，并且基本上所有的热功率流过支承梁124A和124B。由于热流，跨支承梁124A和124B存在大的温度梯度；然而，由于热流从加热器122到支承梁124A和124B，所以平台134的剩余部分在均匀的温度下。如果加热器122与支承梁124A和124B的连接点相比位于平台的相对侧上，则将有恒定的热流从加热器122穿过平台134到支承梁124A和124B，从而导致大的温度梯度和不良的温度控制。换言之，在优选实施方式中，加热器122应该位于由平台134的一侧上的支承梁124A和124B的连接以及位于平台134的另一侧上的温度传感器130和谐振器120的连接所限定的区域中。 [0046] 根据替选实施方式，如图2B中所示，例如，加热器122包括一对加热元件，该对加热元件可以位于支承梁124A和124B本身上。图2C示出了图2B的替选实施方式，但是除了加热器122位于支承梁124A和124B上之外，还具有一些部件。因此，图2C的相同部件将不在本文中单独描述。 [0047] 通过将加热器122定位在支承梁124A和124B之间(即，图2B)或者将加热器122定位在支承梁124A和124B上(即，图2C)，这些配置得到均匀的或基本上均匀的平台温度分布。此外，(一个或多个)热敏电阻130应该位于谐振器120附近，以确保谐振器120的温度可以精确地被测量。如图2B和图2C中所示，热敏电阻130被设置在邻近两个锚梁126A和126B的加热平台134上。如进一步所示的，存在围绕保持谐振器120的矩形板的腔128，腔128包括在谐振器120的两个第二相对侧上，除了谐振器120通过锚梁126A和126B被锚定到加热平台134的地方之外。锚梁126A和126B在谐振器节点(例如，在振动期间，谐振器的中心线)附近连接到谐振器120，以使从谐振器120到平台134的能量泄漏最小化并且允许分别对谐振器120和加热平台134的最优化。在示例性实施方式中，谐振器120是宽度延伸体声模式的谐振器，并且两个锚梁126A和126B附接至矩形谐振器120的两个短边处的节点。在这样的实施方式中，如果使用其他谐振器，则锚梁的数目可以不同。例如，对于跛脚模式的谐振器，可以使用四个锚梁来锚定到梁角。在任一配置中，谐振器120能够在MEMS谐振器装置100的操作期间在腔128中振动。此外，加热平台134成矩形形状并且围绕谐振器。 [0048] 此外，如以上关于图2A所述，谐振器盖114包括多个电接触焊盘116A至116D。如图2C中所示，MEMS谐振器装置100包括多个电通孔触点136(用附图标记136对仅一个通孔触点进行了标记)，所述多个电通孔触点136被电耦接至盖114中的电接触焊盘116A至116D。此外，如本领域技术人员将理解的，框架112包括金属接合环132，该金属接合环132有助于在装置100的制造期间将框架112接合至谐振器盖114。 [0049] 此外，根据示例性实施方式并且如下面将更详细地讨论的，热敏电阻130、加热器122以及谐振器120的(一个或多个)电极层可以通过在制造期间沉积相同的金属(例如，钼)来形成。如本领域技术人员将理解的，对这些部件使用相同的材料有助于减少制造步骤并使制造成本最小化。 [0050] 图3是沿着图2B和图2C中所示的A‑B线截取的烘箱控制的MEMS谐振器100的截面侧视图。根据示例性实施方式，通过与框架112使用的SOI硅相同的SOI硅来蚀刻谐振器120和加热平台134。此外，存在沉积在SOI硅的顶部上的若干薄膜层。 [0051] 具体地，优选地由A1N形成的压电层144形成在SOI硅层的顶部上，其中下激励电极和上激励电极分别被设置在压电层144的顶表面和底表面上。电极(仅上电极被示出为附图标记146)优选地由钼形成并且与A1N层144一起用于谐振器120的压电致动。如上所述，相同的金属也可以用于形成加热器122和热敏电阻130。应当理解的是，根据替选实施方式，替选/附加的薄膜层也可以用于谐振器120。 [0052] 由于支承梁124A和124B、加热平台134、锚梁126A和126B以及谐振器120都由相同的硅层被蚀刻，因此制造被简化，但是包括锚梁126A和126B仍然允许谐振器120和支承平台134的单独最优化。 [0053] 根据另外的实施方式，MEMS谐振器装置100可以包括多个金属层，这些金属层可以用于信号路由和减少电阻性信号损失。此外，在一个实施方式中，二氧化硅层142可以并入用于框架112的SOI硅的下面和/或上面，以提供谐振器120的热补偿。优选地，利用二氧化硅层142将SOI硅(即，框架112)接合至基板110。此外，优选的是，基板110具有腔C，因此例如即使谐振器装置100经受机械冲击，加热平台134和谐振器120也不容易接触基板110。此外，根据示例性实施方式，谐振器盖114通过金属接合环132与金属共晶键接合。金属结合剂也用于与谐振器盖114中的电通孔140接触。 [0054] 如可以在图3中容易地看到，谐振器120被设置在由基板110和谐振器盖114限定的腔C中。因此，当加热器122对平台134进行加热时，加热平台134优选地被加热到第一温度，该第一温度使由腔C限定的“烘箱”的温度稳定并且有效地加热谐振器120。热敏电阻130被设置在与加热器122相同的平面中(即，x、y平面中)，并且还优选地被设置在谐振器120的两侧上以确保对谐振器120的温度进行精确温度测量。因此，如本领域技术人员将理解的，热敏电阻130被配置成作为闭环控制系统的一部分向加热器122提供反馈控制，以主动地调节谐振器120的温度。可以采用用于主动温度控制的任何合适的已知反馈控制系统。例如，根据一个实施方式，热控制回路电子器件位于印刷电路板上谐振器100芯片之外，该印刷电路板包括耦接至加热器122和热敏电阻130的电路系统。在此，不对这样的电路系统的细节进行详细描述，以免不必要地使本发明的各个方面模糊。 [0055] 图4是沿着图2B和图2C中所示的C‑D线截取的烘箱控制的MEMS谐振器100的截面侧视图。优选地，用于框架112的SOI硅的厚度在5μm和30μm之间。此外，压电层144优选地具有在0.5μm和2μm之间的厚度，并且金属电极(例如，金属电极146)具有通常为1μm或更小的厚度。此外，如果使用诸如二氧化硅层142的其他薄膜层，则它们也具有通常为1μm或更小的厚度。 [0056] 根据示例性实施方式，谐振器的横向尺寸是300μm×600μm。此外，如图2B和图2C中所示，加热平台134成矩形形状并且足够大以支承谐振器120和热敏电阻130。热敏电阻130优选地包括蛇形形状以使每单位面积的电阻最大化。根据示例性实施方式，例如，热敏电阻130的总面积可以是400μm×400μm，并且热敏电阻130的厚度可以是0.2μm。 [0057] 如上面讨论的并且如图2A和图2B中所示，与热敏电阻130相比，加热器122可以是小的并且应该被放置在支承梁124A和124B附近或支承梁124A和124B上。在示例性实施方式中，支承梁124A和124B具有例如10μm的宽度和400μm的长度以进行热隔离，但是仍然足够刚性以用于加热平台134的机械支承。锚梁126A和126B优选地具有通常小于5μm的宽度，以使振动能量泄漏最小化并使机械谐振器品质因数最大化。 [0058] 当与诸如上述OCXO装置的常规系统相比时，本文中公开的烘箱控制MEMS谐振器100提供了许多技术优势。例如，因为加热平台134具有小的热质量，即，加热平台134需要最小的热能来达到期望的温度，所以用于加热和冷却加热平台134以及有效地加热和冷却谐振器120的时间常数是小的。特别地，根据示例性实施方式，谐振器120可以在100ms或更短的时间内被加热到目标温度。另外，如上面在图2A和图2B中所示，因为平台134仅通过连接在加热平台134的一端处的支承梁124A和124B而耦接至框架112，所以加热平台134被热隔离。因此，可以降低封装件内的压力，以提高谐振器120的品质因数并消除通过空气的热对流。例如，典型的封装件压力可以是100Pa或更小。主要的热损失机制是通过支承梁的热流，所述支承梁可以是长的以提供大的热阻。例如，厚度为10μm、宽度为10μm、长度为400μm的两个硅支承梁将具有15K/mW的热阻。这意味着仅5mW就足以将谐振器加热75度，这是比如上所述的常规OCXO装置需要的所需加热功率(例如，1W)明显更小的量。 [0059] 如图5中所示，尽管利用低压封装消除了热对流损失，但是加热平台134和谐振器120还经由辐射损失热量。特别地，图5是沿着图2B和图2C中所示的A‑B线截取的烘箱控制的MEMS谐振器100的另一个截面侧视图。 [0060] 如图5中所示，热耗散由从加热平台134和谐振器120延伸的箭头示出。根据示例性实施方式，平台134被加热到温度T1，但是封装件温度T2可能较低。温度差异将导致辐射损失。通常，因为辐射损失导致加热平台134中的温度梯度并且因此导致谐振器120中的温度梯度，所以辐射损失对保持谐振器120的恒定温度是有害的。因此，热敏电阻130的温度可能与谐振器120的温度不同，从而导致不正确的温度读数。如果温度被不正确地测量，则谐振器120的温度将与目标温度不同，从而导致频率改变。 [0061] 在本实施方式中，热敏电阻130被形成为加热平台134的一部分(如上所示)，并且到谐振器120的热耦合非常好。因此，即使具有如图5中所示的辐射损失，温度误差也将小于1K，并且通常为0.1K。 [0062] 图6示出了根据示例性实施方式的包括MEMS谐振器100的定时装置200。优选地，图6中所示的定时装置200可以被用在例如无线基站、GPS接收器和需要精确时间或频率参考的其他系统的应用中。 [0063] 如针对该实施方式所示的，上述的示例性谐振器装置100可以被放置在另一个烘箱内，以进一步降低辐射引起的温度误差并使振荡频率稳定。具体地，定时装置200包括被设置在载体250上的谐振器100。载体250可以是例如陶瓷基板或印刷电路板(PCB)。此外，外部烘箱盖子240被固定至载体250，以容纳谐振器100和通过引线接合件220连接至谐振器100的相关联的振荡电路系统210。盖子240可以是例如金属盖子。第二加热器222被设置在载体250上以对外部烘箱进行加热，并且第二热敏电阻230也被设置在载体250上以测量外部温度，以确保加热器222被调整以保持目标温度。 [0064] 在该实施方式中，外部烘箱温度T2可以与谐振器100内的温度T1(即，上述的谐振器120的温度)相同或略小于谐振器100内的温度T1。例如，谐振器100中的MEMS平台可以具有95℃的标称拐点温度，这将意味着：用于谐振器120的加热器122被配置成将MEMS平台标称地加热到95℃。此外，外面的烘箱封装件可以被第二加热器222加热到例如85℃的较低温度。因此，在环境温度变化内，辐射损失是小且恒定的。有利地，定时装置200被配置成使振荡电路系统210稳定在恒定温度处，该恒定温度与谐振器100内部的电路的温度相同或小于谐振器100内部的电路的温度。 [0065] 然而，即使具有这样的配置，实际的拐点温度也将可能由于MEMS工艺中的制造变化而变化，即，最佳的拐点温度将不一定是95℃，从而需要使用常规技术对装置进行物理修整。例如，实际拐点温度可以例如从90℃变化至100℃。另外，MEMS平台100上的温度传感器130的输出和加热器122的电阻也可能也由于制造变化而因装置而异。 [0066] 图7示出了根据示例性实施方式的烘箱控制的MEMS振荡器装置300的框图。如所示的，烘箱控制的MEMS振荡器装置300被设置成与示例性谐振器装置100(即，“MEMS平台”)一起使用。因此，如上所述，MEMS平台100包括谐振器120、加热器122、温度传感器130。这些示例性部件的细节已经在上面被描述，因此在此将不再重复。另外，也如上面描述的，谐振器120通过引线接合件被耦接至振荡电路系统210。在示例性方面中，如本领域技术人员应该理解的，振荡电路系统210可以是例如皮尔斯(Pierce)振荡器电路，该振荡器电路被配置成保持谐振器振动。 [0067] 根据示例性方面，烘箱控制的MEMS振荡器装置300被配置成校正由装置之间的制造变化引起的拐点温度、加热器电阻和热敏电阻阻抗的变化。有利地，烘箱控制的MEMS振荡器装置300被配置成：通过对烘箱控制的MEMS振荡器的整个系统的电子校准(例如，而不是仅对谐振器的校准)来校正这些变化，使得通过单个校准过程来校正所有误差。例如，下面将关于图8和图9来描述校准系统。 [0068] 如进一步所示，根据示例性方面，烘箱控制的MEMS振荡器装置300包括用于控制MEMS平台100的设定点的控制电路系统。具体地，烘箱控制的MEMS振荡器装置300包括微控制器310、存储器320、差分放大器330和控制逻辑340。 [0069] 在这个方面中，微控制器310可以是常规的微控制器，该常规的微控制器包括一个或更多个计算机处理单元(CPU)以及存储器和可编程输入/输出外围设备。微控制器310被配置成执行存储在存储器中的可编程指令，以执行本文中描述的校准算法。 [0070] 特别地，微控制器310被配置成为加热平台设置多个温度设定点Ptarget。如下面将描述的，温度设定点可以在校准期间由外部控制电路系统馈送。此外，可以通过校准来确定最佳设定点，并且然后将最佳设定点存储在存储器320(即，例如，任何类型的电子非易失性存储器)中，并且当烘箱控制的MEMS振荡器装置300的操作被启动时从存储器320中检索该最佳设定点。 [0071] 如上面进一步描述的，温度传感器130(例如，热敏电阻)被配置成生成并提供温度信号Tsignal，该温度信号Tsignal是用于监测加热MEMS平台100的温度的反馈信号。如所示的，设定点Ptarget被馈送至差分放大器330的非反相输入端，并且所测量的温度信号Tsignal(即，温度测量信号)被馈送至可以包括差分放大器330的热控制电路的反相输入端。因此，差分放大器330被配置成生成温度设定点Ptarget和温度传感器信号Tsignal之间的差。此外，根据示例性方面，从差分放大器330输出的该电压差被用作热控制信号以调整闭环控制回路中的平台加热器功率，该平台加热器功率使设定点Ptarget和温度传感器信号Tsignal之间的差最小化。换言之，加热器电压与温度设定点Ptarget和温度传感器信号Tsignal之间的差成比例，并且该控制被认为是比例控制器。如下面将更详细地描述的，根据示例性方面，闭环控制逻辑340(即，热控制电路)也可以是例如PID(“比例‑积分‑微分”)控制器。 [0072] 在任何情况下，控制逻辑340可以基于设定点Ptarget和温度传感器信号Tsignal之间的差来生成热控制信号以驱动加热器122，以使信号之间的差最小化。换言之，控制逻辑340增加或减少由加热器122生成的热量，以将从差分放大器330输出的差朝向零值驱动。 [0073] 如上所述，由于在制造期间MEMS工艺的变化，用于最佳操作的实际设定点值是未知的并且通常将会因装置而异。 [0074] 图8示出了根据示例性实施方式的用于校准烘箱控制的MEMS谐振器的系统的框图。如所示的，在示例性实施方式中，烘箱控制的MEMS振荡器装置300可以被耦接至外部校准电路系统，该外部校准电路系统包括校准控制器410和振荡频率测量电路系统420。校准系统400的该外部控制电路系统被配置成：通过选择设定点的预定义范围来提供对烘箱控制的MEMS振荡器装置300的校准，所述设定点的预定义范围被用于在操作期间测试MEMS平台100的振荡频率。 [0075] 特别地，校准控制器410可以是如下任何类型的计算装置，所述任何类型的计算装置包括计算机处理器和电子存储器并且被配置成通过软件执行本文中描述的校准算法。此外，校准控制器410被配置成：在MEMS校准过程期间暂时地被连接至微控制器310和存储器320。也就是说，在烘箱控制的MEMS振荡器装置300已经被制造之后，该烘箱控制的MEMS振荡器装置300将暂时地被连接至校准控制器410，该校准控制器410被配置成：确定用于特定的烘箱控制的MEMS振荡器装置300的最佳设定点，并且将该确定的设定点存储在烘箱控制的MEMS振荡器装置300的非易失性存储器320中。 [0076] 如进一步所示，振荡频率测量电路420被耦接至MEMS平台100的振荡电路系统210。就这一点而言，如下面将解释的，在每个特定的设定点(如由校准控制器410控制的)处，振荡频率测量电路420将测量MEMS平台的相应振荡频率并将该信息提供回至校准控制器410，以使该信息被存储在例如查找表中。振荡频率测量电路420可以是任何类型的常规装置(例如，示波器)，所述任何类型的常规装置被配置成：在校准过程期间测量烘箱控制的MEMS振荡器装置300的振荡频率。 [0077] 图9示出了根据示例性方面的所获得的振荡频率(以Hz为单位)与被施加的用于执行MEMS平台的校准的设定点的关系的曲线图。如所示的，在校准期间，多个目标设定点值P1至P7可以由校准控制器410依次馈送至微控制器310。微控制器310又将每个设定点输入施加到差分放大器330的非反相输入端。目标设定点值P1至P7可以是预先确定和预先选择的电压值，这些电压值由制造商选择并且被存储在校准控制器410的存储器中，以在烘箱控制的MEMS振荡器装置300的校准期间被使用。 [0078] 例如，如果用于正被制造的特定烘箱控制的MEMS振荡器装置的设定点通常已知是例如大约1.0伏，则系统管理员可以为目标设定点值P1至P7选择0.8伏至1.2伏的电压范围。换言之，在示例中，P1＝0.8伏、P2＝0.87伏、P3＝0.94伏、P4＝1.0伏、P5＝1.07伏、P6＝1.14伏以及P7＝1.2伏。应当理解，虽然在该示例中示出了七个值P1至P7，但是制造商可以根据需要选择更多或更少的值，以实现如本领域技术人员应当理解的成功校准。因此，目标设定点值的电压范围和数目决不限于该具体示例。 [0079] 在任何情况下，如上所述，一旦第一目标值P1被馈送至微控制器310，烘箱控制的MEMS振荡器的设定点就将被调整到该值并且作为Ptarget被施加至差分放大器330的非反相输入端。如上所述，基于来自温度传感器130的反馈，包括控制逻辑340的控制电路系统然后将使如上所述的目标值P1和温度信号Tsignal之间的差最小化。 [0080] 然后，振荡频率测量电路420被配置成测量谐振器120的振荡频率f1，该振荡频率f1对应于操作期间的设定点值P1。如图9中所示，该振荡频率(以Hz为单位)被存储为相应的值。针对多个设定点值(例如，七个设定点值P1至P7)重复这些步骤，以生成如所示的设定点到所获得的频率振荡值与设定点的关系的曲线。 [0081] 应当理解，尽管需要不同平台温度下的多个振荡频率测量以通过上述控制电路系统来执行校准过程，但是由于用于对MEMS平台进行加热的热时间常数非常短，所以可以快速地执行校准。因此，可以在几秒或更少的短时间内获得每个温度点。相比之下，具有较长热时间常数的装置(例如，通常需要15分钟来稳定烘箱温度的OCXO)将需要大量时间(例如，一小时或更长)来对单个装置执行相同的校准测试。因此，尤其当装置制造商需要在制造过程期间快速地校准数百或数千个这些装置时，本文中描述的校准方法为烘箱控制的MEMS振荡器提供了显著的技术优势。 [0082] 通过生成图9中所示的振荡频率与设定点的关系的曲线，校准控制器410被配置成确定用于每个装置的拐点目标设定点，在该拐点目标设定点处，振荡频率相对于设定点值的一阶导数为零。在实际操作期间，该拐点目标设定点可以被选择为用于烘箱控制的MEMS振荡器的目标设定点操作值。 [0083] 在示例性实施方式中，校准控制器410可以被配置成：执行生成的曲线的多项式拟合以识别设定点值为零的位置(即，如所示的曲线的作为“目标设定点”的峰值处)。与用于该特定MEMS平台的拐点值对应的该识别的目标设定点值由校准控制器410存储在烘箱控制的MEMS振荡器装置300的非易失性存储器320中。因此，如上所述，在MEMS平台的实际应用期间的操作中，从非易失性存储器读取用于拐点目标设定点的值并将该值用作操作设定点，以将加热器122加热到用于MEMS平台100的操作的最佳温度，这产生具有高精确度时钟应用所需的最小振荡频率变化的烘箱控制的MEMS振荡器。 [0084] 因此，根据本文中描述的用于MEMS平台100的示例性校准技术，在没有MEMS装置的机械修整的情况下，利用单个校准过程对包括热敏电阻变化、拐点温度变化和加热器电阻变化的温度相关的MEMS误差都进行校准。 [0085] 图10A示出了烘箱控制的MEMS振荡器装置500A的示例性实施方式的框图。图10A中所示的烘箱控制的MEMS振荡器装置500A是图7中所示的烘箱控制的MEMS振荡器装置300的详细示例性电路图。因此，尽管未示出，但是应当理解，图10A的装置500A也可以耦接至上述的外部校准控制电路系统。 [0086] 如所示的，烘箱控制的MEMS振荡器装置500A包括耦接至电压供给VDD的MEMS平台100，其中温度传感器130是热敏电阻Rs，该热敏电阻Rs与谐振器120和加热器电阻器122(即，电阻器Rh)一起被集成到加热MEMS平台100上。如上面示出和描述的，对于温度传感器测量，恒定的感测电流Isense从电压供给VDD被传递通过热敏电阻Rs并且电压节点A被监测(即，温度电压被输出至差分放大器330)，使得测量的电压作为Tsignal被输出至差分放大器330的反相输入端。 [0087] 应该理解，热敏电阻Rs的电阻取决于MEMS平台100的温度，因此节点A处的电压是温度信号Tsignal。如上面进一步描述的，通过由微控制器310提供的Ptarget值来设置目标平台值温度。在示例性方面中，例如，校准目标设定点值P1至P7作为数字电压值从校准控制器410被馈送。因此，根据示例性方面，数字‑模拟转换器510被设置在微控制器310的输出端处，以将经转换的目标值馈送至差分放大器330的非反相输入端。 [0088] 因此，在这个方面中，差分放大器330感测Ptarget值和Tsignal值之间的差，并且该差被用于调整加热器电流Iheat以有效地调整由加热器122(即，电阻器Rh)生成的热量。如上所述，根据示例性方面，加热器电流Iheat由电压控制的电流源控制，该电压控制的电流源将该差朝向零值驱动。因此，如本领域技术人员应该理解的，加热器电流将与从差分放大器330输出的差分信号成比例。此外，如进一步所示，振荡电路系统210可以包括回路放大器520和存储缓冲器430，所述回路放大器520和存储缓冲器430被配置成测量和存储MEMS平台100在如上所述的不同设定点值P1至P7处的振荡频率。然后，如上所述，这些测量值由振荡频率测量电路420进行测量，并且由校准控制器410针对每个相应的所选择的设定点值进行绘制(参见图9)，以确定在操作期间用于烘箱控制的MEMS振荡器的最佳设定点。 [0089] 图10B示出了根据示例性实施方式的烘箱控制的MEMS振荡器装置500B的替选示例性实施方式的框图。在这个实施方式中，使用PID控制器来调整加热器电流，该PID控制器使Ptarget值和Tsignal值之间的差最小化。如本领域技术人员应该理解的，PID控制器是控制回路反馈机构，如本领域技术人员应该理解的，该控制回路反馈机构可以被配置成：连续地计算期望的设定点值和测量的过程变量(即，温度测量信号Tsignal)之间的差，并且基于比例项、积分项和微分项来施加校正。与图10A中的比例控制器相比，附加的PID控制器提高了控制精确度和速度。本领域技术人员理解，除了图10A和图10B中所示的比例控制器和PID控制器之外，还存在许多合适的闭环控制电路。 [0090] 因此，根据上述示例性方面，校准控制系统400的示例性实施方式被配置成：通过预定义的设定点值的扫描来执行示例性烘箱控制的MEMS振荡器装置的校准以测量相应的振荡频率。 [0091] 在示例性方面中，上述控制电路系统(即，校准控制器410)被配置成执行校准方法。具体地，在制造烘箱控制的MEMS振荡器之后，如上所述，烘箱控制的MEMS振荡器装置300的微控制器310将暂时地连接至校准控制器410。然后，控制电路系统的微控制器310由校准控制器410配置成：将电压设定点Ptarget调整为存储在存储器320中的第一目标值P1。如上所述，烘箱控制的MEMS振荡器装置300的控制电路系统然后将使目标值P1和热敏电阻信号Tsignal之间的差最小化，以将烘箱控制的MEMS振荡器的设定点驱动到所选择的目标值。此外，与第一目标值对应的振荡频率f1由振荡电路系统210测量并且被存储在存储器例如查找表中。 [0092] 微控制器310针对由校准控制器410馈送的每个后续选择的目标设定点值(例如，值P2至P7)重复这些步骤，以生成例如如上面描述并且在图9中示出的所获得的振荡频率与设定点的关系的曲线。接下来，校准控制器410被配置成：执行所生成的曲线的多项式拟合，该多项式拟合可以被用于确定拐点设定点(即，用于特定烘箱控制的MEMS振荡器的最佳目标设定点)，在该拐点设定点处，振动频率相对于设定点值的一阶导数为零。用于特定MEMS平台的该目标设定点值然后可以由校准控制器410存储在该特定装置的非易失性存储器320中。因此，在烘箱控制的MEMS振荡器装置300的后续操作中，所存储的设定点被用于将谐振器120保持在拐点处，这使得由于如上所述的制造变化而导致烘箱控制的MEMS振荡器经历的振荡频率变化最小化。 [0093] 应当注意，对于上述示例性实施方式，存在许多可能的变化。例如，可以通过将热敏电阻合并为惠斯通(Wheatstone)电桥的一部分来从热敏电阻获得温度信号Tsignal。在另一个示例中，加热器122由受控的电压源驱动，而不是由也如上所述的电流源Iheat驱动。应当理解，本领域技术人员应当理解系统配置中这样的变化并且上面描述的示例性实施方式不限于本文中描述的具体实现。 [0094] 此外，应当理解，示例性校准系统提供了许多技术优势。由于加热MEMS平台100具有小的热质量(例如，与OCXO相比)，因此用于加热和冷却的时间常数也非常小。因此，谐振器120可以在100ms或更短的时间内被加热到目标温度。小的热时间常数使实现短的校准时间和快的启动时间二者。因此，可以在非常短的时间段内生成和测量每个目标温度和相应的振荡频率。此外，电子校准过程消除了许多误差源，否则这些误差源可能需要昂贵的机械修整。上述的用于整个系统(而不是烘箱控制的MEMS振荡器内的单个部件，例如，仅谐振器120)的单个校准步骤消除了电路相关的误差和谐振器元件误差二者。 [0095] 为了清楚起见，在本文中没有公开实施方式的所有常规特征。应当理解，在本公开内容的任何实际实现的形成中，必须做出许多特定于实现的决定以实现设计者的特定目标，并且这些特定目标将针对不同的实现和不同的设计者而变化。应当理解，这样的设计努力可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员而言将仍然是工程的常规任务。 [0096] 此外，应当理解，本文中使用的措辞或术语是出于描述的目的，而不是出于限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员根据本文中呈现的教导和指导结合(一个或多个)相关领域技术人员的知识来解释。此外，除非像这样明确地阐述，否则说明书或权利要求书中的任何术语都不旨在被赋予不常见或特殊的含义。 [0098] 附图标记列表 [0099] 100：MEMS谐振器装置 [0100] 110：基板层 [0101] 112：框架 [0102] 114：谐振器盖 [0103] 116A至116D：电接触焊盘 [0104] 120：谐振器 [0105] 122、222：加热器 [0106] 124A和124B：支承梁 [0107] 126A和126B：锚梁 [0108] 128：腔 [0109] 130、230：热敏电阻 [0110] 132：金属接合环 [0111] 134：加热平台 [0112] 136：通孔触点 [0113] 140A、140B：腔 [0114] 142：二氧化硅层 [0115] 144：A1N层 [0116] 146：电极 [0117] 200：定时装置 [0118] 210：振荡电路系统 [0119] 220：引线接合件 [0120] 240：外部烘箱盖子 [0121] 250：载体 [0122] 300：烘箱控制的MEMS振荡器装置 [0123] 410：校准控制器 [0124] 420：振荡频率测量电路系统 [0125] 510：数字‑模拟转换器 [0126] 520：回路放大器 [0127] 530：缓冲器 |
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