專(zhuān)利名稱(chēng)：基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償mems振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償 MEMS振蕩器。
背景技術(shù)：
隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，諧振式MEMS結(jié)構(gòu)的制作越來(lái)越成熟，基于諧振式MEMS器件的振蕩器開(kāi)始大規(guī)模商用化。MEMS振蕩器以其體積小，便于封裝和集成，可靠性高，開(kāi)始大規(guī)模占領(lǐng)傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器市場(chǎng)。但是由于諧振式MEMS器件材料本身的參數(shù)受到溫度的影響，其諧振頻率會(huì)隨溫度發(fā)生漂移，所以MEMS振蕩器同石英振蕩器一樣，也需要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器的溫度補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)有兩種方法，一種是通過(guò)改變與石英晶體串聯(lián)的電容改變等效諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率進(jìn)行頻率補(bǔ)償，稱(chēng)為T(mén)CXO 種是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，稱(chēng)為0CX0。借鑒石英振蕩電路的溫度補(bǔ)償原理，MEMS振蕩器也可以采用類(lèi)似的補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)，一種是調(diào)節(jié)串聯(lián)電容，一種是控制振蕩器工作溫度來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。此外，因?yàn)镸EMS振蕩器通常工作在一個(gè)直流偏壓下，而這個(gè)直流偏壓的改變會(huì)影響MEMS諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率，也可以采用調(diào)節(jié)直流偏壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。通常采用的溫度補(bǔ)償方式是在MEMS諧振結(jié)構(gòu)周?chē)由蠠嶙杞z，使得MEMS結(jié)構(gòu)工作溫度恒定在高于環(huán)境溫度的溫度，從而保證其工作頻率的穩(wěn)定。這種方式需要在MEMS結(jié)構(gòu)的加工工藝上增加額外的淀積金屬電阻的步驟，增加了工藝成本；而且需要持續(xù)加熱，使溫度保持在一個(gè)較高的水平，也增加了振蕩器電路的功耗?，F(xiàn)有大多數(shù)MEMS諧振結(jié)構(gòu)需要工作在一個(gè)較大的直流偏壓下，雖然這個(gè)直流偏壓并不消耗功耗，但是大直流電壓的產(chǎn)生要采用電荷泵，增加了振蕩器電路的面積負(fù)擔(dān)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)這個(gè)直流電壓來(lái)進(jìn)行頻率補(bǔ)償?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)難度較大。但是隨著工藝和設(shè)計(jì)能力的進(jìn)步，MEMS諧振結(jié)構(gòu)的直流工作偏壓逐漸降低，采用改變直流偏壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐芬呀?jīng)在一些論文中出現(xiàn)。改變MEMS諧振結(jié)構(gòu)的寄生電容雖然可以起到改變其諧振頻率的目的，但是由于寄生電容的存在，嚴(yán)重影響了諧振器件的品質(zhì)因數(shù)和相位噪聲，減少寄生電容也是在制作 MEMS諧振結(jié)構(gòu)版圖設(shè)計(jì)中要特別注意的因素，這種溫度補(bǔ)償方式迄今并沒(méi)有被考慮。本發(fā)明設(shè)計(jì)的振蕩器電路可以忽略寄生電容的影響，所以改變寄生電容進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆绞皆诒景l(fā)明中得到了實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，其是對(duì)基于MEMS諧振結(jié)構(gòu)的振蕩器進(jìn)行頻率隨溫度的補(bǔ)償， 簡(jiǎn)化溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提供高精度溫度補(bǔ)償方案，降低溫補(bǔ)MEMS振蕩器成本。本發(fā)明提供一種基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，包括一 MEMS 諧振器；
一低通濾波器，該低通濾波器的輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接；一高增益反相器，該高增益反相器的輸入端與低通濾波器的輸出端連接；一窄脈沖發(fā)生器，該窄脈沖發(fā)生器的輸入端與高增益反相器的輸出端連接，該窄脈沖發(fā)生器的輸出端與MEMS諧振器輸入端連接，形成閉合回路；一可控寄生電容，該可控寄生電容包含三個(gè)端口，為輸入端、輸出端和控制端，該可控寄生電容的輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接，輸出端與地連接；一自動(dòng)控制電路，該自動(dòng)控制電路的輸出端與可控寄生電容的控制端連接；一溫度傳感器，該溫度傳感器的輸出端與自動(dòng)控制電路的輸入端連接；一 MEMS振蕩器回路，該MEMS振蕩器回路由一 MEMS諧振器、一低通濾波器、一高增益反相器和一窄脈沖發(fā)生器連接成的閉合回路組成；一溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)，該溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)由可控寄生電容、自動(dòng)控制電路和溫度傳感器組成。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中圖I為本發(fā)明的帶有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的MEMS振蕩器電路結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明采用的窄脈沖發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明采用的窄脈沖發(fā)生器各節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)示意圖；圖4為本發(fā)明的自動(dòng)制電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I至圖4所示，本發(fā)明提供了一種基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償 MEMS振蕩器，包括一 MEMS振蕩器回路11，用來(lái)產(chǎn)生固定頻率正弦信號(hào)；一溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)12，與MEMS振蕩器回路11連接，通過(guò)給MEMS振蕩器回路11 中MEMS諧振器I的附加一個(gè)可控節(jié)寄生電容5，調(diào)節(jié)MEMS諧振器I并聯(lián)諧振頻率，達(dá)到頻率溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。其中MEMS振蕩器回路11包含一 MEMS諧振器1，決定了 MEMS振蕩器回路11的工作頻率；一低通濾波器2，該低通濾波器2的輸入端與MEMS諧振器I的輸出端連接，該低通濾波器2采用RC無(wú)源濾波器，截止頻率為MEMS諧振器I頻率的2-4倍，有效濾除通過(guò)諧振器的高頻雜波分量，降低相位噪聲；一高增益反相器3，該高增益反相器3的輸入端與低通濾波器2的輸出端連接，該高增益反相器3采用的直流增益大于MEMS諧振器I的插入損耗，-3dB帶寬大于MEMS諧振器I諧振頻率的兩倍；一窄脈沖發(fā)生器4，該窄脈沖發(fā)生器4的輸入端與高增益反相器3的輸出端連接， 該窄脈沖發(fā)生器4的輸出端與MEMS諧振器I輸入端連接，形成閉合回路，所述的窄脈沖發(fā)生器4采用的窄脈沖頻率分量為MEMS諧振器I諧振頻率的5-10倍，所述的高增益反相器3 和窄脈沖發(fā)生器4中的有源管在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，只有發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，才消耗能量，能耗小于現(xiàn)有的MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)中的高頻高增益的跨導(dǎo)放大器；其中溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)12包含—可控寄生電容5,該可控寄生電容5的輸入端與MEMS諧振器I的輸出端連接,輸出端與地連接，可控寄生電容5可以采用多種可變電容結(jié)構(gòu)，包括變?nèi)荻O管、CMOS開(kāi)關(guān)陣列電容，或者M(jìn)EMS可調(diào)節(jié)電容等等；可控寄生電容5與MEMS諧振器I的構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)諧振電路，并聯(lián)諧振頻率受可控寄生電容5的電容值調(diào)節(jié)；一自動(dòng)控制電路6，該自動(dòng)控制電路6的輸出端與可控寄生電容5的控制端連接， 自動(dòng)控制電路是根據(jù)MEMS諧振器I工作溫度變化情況，輸出一個(gè)控制信號(hào)，調(diào)節(jié)可控寄生電容5的電容值，從而補(bǔ)償因?yàn)闇囟雀淖兌兓腗EMS諧振器I的諧振頻率；一溫度傳感器7，該溫度傳感器7的輸出端與自動(dòng)控制電路6的輸入端連接，溫度傳感器7用來(lái)監(jiān)測(cè)MEMS諧振器I的工作溫度并實(shí)時(shí)通知自動(dòng)控制電路6，一般溫度傳感器 7與MEMS諧振器I制作在同一襯底上，或者二者之間通過(guò)導(dǎo)熱性非常好的材料，比如金屬相連。對(duì)于一個(gè)固定結(jié)構(gòu)和尺寸的MEMS諧振結(jié)構(gòu),所用材料的楊氏模量隨溫度變化,其諧振頻率是溫度的函數(shù)。另外，受寄生電容的影響，MEMS諧振結(jié)構(gòu)與寄生電容組成了一個(gè)并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，該并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率是溫度和寄生電容的函數(shù)f = g(T，Cp)，其中T 是環(huán)境溫度，Cp是MEMS諧振結(jié)構(gòu)的總寄生電容。如果設(shè)計(jì)的振蕩器電路工作在并聯(lián)諧振頻率，就可以通過(guò)調(diào)整寄生電容的值，來(lái)抵消溫度變化引起的頻率漂移，也就是滿(mǎn)足
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權(quán)利要求
1.一種基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，包括一 MEMS諧振器；一低通濾波器，該低通濾波器的輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接；一高增益反相器，該高增益反相器的輸入端與低通濾波器的輸出端連接；一窄脈沖發(fā)生器，該窄脈沖發(fā)生器的輸入端與高增益反相器的輸出端連接，該窄脈沖發(fā)生器的輸出端與MEMS諧振器輸入端連接，形成閉合回路；一可控寄生電容，該可控寄生電容包含三個(gè)端口，為輸入端、輸出端和控制端，該可控寄生電容的輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接，輸出端與地連接；一自動(dòng)控制電路，該自動(dòng)控制電路的輸出端與可控寄生電容的控制端連接；一溫度傳感器，該溫度傳感器的輸出端與自動(dòng)控制電路的輸入端連接；一 MEMS振蕩器回路，該MEMS振蕩器回路由一 MEMS諧振器、一低通濾波器、一高增益反相器和一窄脈沖發(fā)生器連接成的閉合回路組成；一溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)，該溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)由可控寄生電容、自動(dòng)控制電路和溫度傳感器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的MEMS諧振器采用MEMS諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，依照采用的結(jié)構(gòu)尺寸不同，其諧振頻率范圍覆蓋幾十赫茲到幾GHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的低通濾波器采用無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其截止頻率為MEMS諧振器諧振頻率的2-4倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的高增益反相器_3dB帶寬為MEMS諧振器諧振頻率2倍以上，直流增益大于MEMS諧振器的插入損耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的窄脈沖發(fā)生器包含一二分頻器，該二分頻器的輸入端為窄脈沖發(fā)生器的輸入端；一兩相延時(shí)電路，該兩相延時(shí)電路包含兩路延時(shí)電路，其輸入端與二分頻器的輸出端連接；一異或門(mén)電路，該異或門(mén)電路兩輸入端分別與兩相延時(shí)電路的輸出端連接，輸出端為脈沖發(fā)生器的輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中窄脈沖發(fā)生器中的兩相延時(shí)電路包含的兩路延時(shí)電路對(duì)信號(hào)的延時(shí)時(shí)間差為MEMS諧振器諧振周期的1/10到1/5。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的，基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的可控寄生電容的電容與MEMS諧振器組成并聯(lián)諧振電路，其并聯(lián)諧振頻率受可控寄生電容的電容值調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的可控寄生電容是采用CMOS開(kāi)關(guān)電容陣列實(shí)現(xiàn)，以可以采用變?nèi)荻?jí)管，或者M(jìn)EMS壓控電容的方式實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的自動(dòng)控制電路是根據(jù)環(huán)境溫度的變化，輸出一個(gè)控制電壓或電流，調(diào)節(jié)可控寄生電容的電容值，實(shí)現(xiàn)諧振頻率隨溫度漂移的補(bǔ)償。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的溫度傳感器的檢測(cè)溫度為MEMS諧振器的溫度，與MEMS諧振器制作在同一襯底上，或者通過(guò)導(dǎo)熱性良好的材料相連。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，其中所述的自動(dòng)控制電路是采用不同的溫度到輸出控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式，如曲線(xiàn)擬合法或查表法，轉(zhuǎn)換方式?jīng)Q定了溫度補(bǔ)償?shù)木取?br> 全文摘要
一種基于寄生電容調(diào)節(jié)的高精度溫度補(bǔ)償MEMS振蕩器，包括一MEMS諧振器；一低通濾波器的輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接；一高增益反相器的輸入端與低通濾波器的輸出端連接；一窄脈沖發(fā)生器的輸入端與高增益反相器的輸出端連接，該窄脈沖發(fā)生器的輸出端與MEMS諧振器輸入端連接；一可控寄生電容包含三個(gè)端口，為輸入端、輸出端和控制端，其輸入端與MEMS諧振器的輸出端連接，輸出端與地連接；一自動(dòng)控制電路的輸出端與可控寄生電容的控制端連接；一溫度傳感器的輸出端與自動(dòng)控制電路的輸入端連接；一MEMS振蕩器回路由一MEMS諧振器、一低通濾波器、一高增益反相器和一窄脈沖發(fā)生器連接成的閉合回路組成；一溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)由可控寄生電容、自動(dòng)控制電路和溫度傳感器組成。
文檔編號(hào)H03B5/04GK102594260SQ20121005184
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者劉曉東, 司朝偉, 寧瑾, 韓國(guó)威 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所