CN103227612B - Mems振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS振荡器，包括：一MEMS谐振器；一第一阻抗匹配网络，其输入端与MEMS谐振器的输出端连接；一第二阻抗匹配网络，其输出端与MEMS谐振器的输入端连接；一放大器，其输入端与第一阻抗匹配网络的输出端连接；一移相网络，其输入端与放大器的输出端连接，输出端与第二阻抗匹配网络的输入端连接；一输出缓冲器，其输入端与移相网络的输出端连接，以上构成的正反馈型振荡电路。本发明MEMS振荡器中的MEMS谐振器是带温度补偿的高频高品质因子(Q)的MEMS圆盘谐振器，具有高稳定的频率输出。
Description
技术领域
本发明的技术领域涉及振荡器，特别是涉及基于MEMS谐振器的MEMS振荡器。
背景技术
时钟和振荡器是所有电子系统的心脏，目前绝大多数高性能电子系统的时钟都是由石英振荡器提供，但石英晶体振荡器为片外组元，不易于IC集成，不仅增加了集成成本，而且阻碍了系统的小型化。
MEMS谐振器是使机械结构在其固有频率振动。微纳谐振器与IC电路集成，构成MEMS振荡器。MEMS谐振器的频率决定振荡器的频率。基于MEMS谐振器的振荡器不仅具有高频高Q，而且其制造工艺与IC技术兼容，可实现微纳谐振器件与IC电路的同一芯片集成，利于整个系统的小型化。高Q值意味着器件插损小、能耗低、相噪低、谐振电路选择性好，适于制作稳定的振荡器。与传统石英振荡器相比，MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件结构设计上，都更符合现代电子产品的标准，也是对传统石英产品的升级换代。近年来，基于MEMS谐振器的振荡器引起人们越来越多的关注，是取代石英晶体振荡器的理想器件。
目前MEMS谐振器的插入损耗普遍较大，不利于制作振荡器。而且MEMS谐振器的谐振频率具有较强的温度依赖性。例如，硅基MEMS谐振器，谐振频率的温度稳定性为-20ppm/℃【1】，远不能满足振荡器的实际应用需求。目前研究人员主要从材料【2】、器件结构【3】以及外围电路【4】对MEMS谐振器的频率稳定性进行了优化，但都难以实现高稳定频率输出，补偿后的振荡器在0℃-100℃温度范围内，频率稳定度为±20ppm左右。本发明提出了集成微加热器和调节谐振器偏压两种方法相结合的途径，使MEMS振荡器在0℃-100℃范围内可实现±1ppm的高稳定频率输出。
引用文献：
【1】W.-T.Hsu，VibratingRFMEMSfortimingandfrequencyreferences，inProc.IEEEInt.Microw.TheoryandTech.Symp.，Jun.11-16，2006，pp.672-675.
【2】RenataMelamud.，TemperatureInsensitiveMicromechanicalResonators，PhDdissertation，DepartmentofMechanicalEngineering，StanfordUniversity，Stanford，CA，2008.
【3】W.T.HsuandC.T.-C.Nguyen，Geometricstresscompensationforenhancedthermalstabilityinmicromechanicalresonators，inProc.IEEEUltrason.Symp.，Sendia，Japan，Oct.5-8，1998，pp.945-948.
【4】K.Sundaresan，P.E.Allen，andF.Ayazi，“Processandtemperaturecompensationina7-MHzCMOSclockoscillator，”IEEEJ.Solid-StateCircuits，vol.41，no.2，pp.433-442，Feb.2006.
发明内容
本发明的目的在于，提供一种MEMS振荡器，该MEMS振荡器中的MEMS谐振器是带温度补偿的高频高品质因子(Q)的MEMS圆盘谐振器，具有高稳定的频率输出。
本发明提供一种一种MEMS振荡器，包括：
一MEMS谐振器；
一第一阻抗匹配网络，其输入端与MEMS谐振器的输出端连接；
一第二阻抗匹配网络，其输出端与MEMS谐振器的输入端连接；
一放大器，其输入端与第一阻抗匹配网络的输出端连接；
一移相网络，其输入端与放大器的输出端连接，输出端与第二阻抗匹配网络的输入端连接；
一输出缓冲器，其输入端与移相网络的输出端连接，以上构成的正反馈型振荡电路。
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：
MEMS振荡器是取代基于陶瓷、石英等材料的片外振荡器、满足未来无线通信等领域发展要求的极有应用前景的理想元器件。频率稳定性是MEMS振荡器的主要性能指标，是决定器件是否能实用化的关键因素，也是本领域研究人员近几年致力于突破的一个科学和技术难点。本发明提出的集成微加热器和调节谐振器偏压相结合的方法，使MEMS振荡器在0℃-100℃范围内可实现±1ppm的高稳定频率输出。这一技术突破为实现未来无线通信系统所需的高性能MEMS振荡器奠定了基础。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明提供的MEMS振荡器结构框图；
图2为本发明提供的带温度补偿的高频高品质因子MEMS谐振器结构示意图；
图3为本发明提供的MEMS振荡器满足起振条件时的开环增益和相位曲线；
图4为本发明提供的MEMS振荡器加热电流与输出频率的关系，直流偏压VP与输出频率的关系；
图5为本发明提供的MEMS振荡器只使用局域温度控制进行温度补偿和同时采用两种方法温度补偿的频率稳定度曲线对比图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种MEMS振荡器，包括：
一MEMS谐振器3，所述MEMS谐振器3为带温度补偿的高频高品质因子Q值的MEMS谐振器，该MEMS谐振器3包括加热电阻2和谐振单元1(参阅图2)，所述MEMS谐振器3为MEMS圆盘谐振器，所述圆盘结构的MEMS谐振器3包括带中柱实心圆盘结构或中空圆盘结构，所述MEMS谐振器3是静电驱动/静电检测，或是压电驱动/压阻检测，基于静电原理的MEMS谐振器3与电极之间的间隙为空气或固体介质(如氧化硅、氮化硅、氧化铪)；MEMS谐振器3的结构层为高掺杂的半导体材料或压电材料(如多晶硅、氮化铝)，MEMS谐振器3是由与集成电路(IC)工艺相兼容的MEMS加工技术制作的，比如用低压化学气相沉积方法生长三层原位掺杂多晶硅，分别构成谐振器的传输线、可动结构和电极；通过热氧化制作电极与圆盘侧壁之间的纳米间隙，利用反应离子刻蚀方法制作圆盘、电极和掺杂多晶硅微加热器，通过金属剥离制作引线电极。MEMS圆盘谐振器3的谐振模态为面内径向振动模态，位移节点在圆心处。不仅具有高频高Q，而且易于IC在同一芯片集成。所述MEMS谐振器3的周围为加热电阻2，电阻由与工艺兼容的任何导电材料构成，利用温度传感器和自动控制电路，保证谐振器局域温度恒定，实现初级温度补偿。同时通过精细调节直流偏压VP，实现高精度温度补偿；
一第一阻抗匹配网络4，其输入端与MEMS谐振器3的输出端连接；
一第二阻抗匹配网络5，其输出端与MEMS谐振器3的输入端连接；
所述第一阻抗匹配网络4和第二阻抗匹配网络5为L型或∏型，实现MEMS谐振器3输入输出阻抗与放大器阻抗匹配；
一放大器6，其输入端与第一阻抗匹配网络4的输出端连接，所述放大器6为低噪声高增益宽带放大器，通过调节放大器增益，满足振幅起振条件；
一移相网络7，其输入端与放大器6的输出端连接，输出端与第二阻抗匹配网络5的输入端连接；
一输出缓冲器8，其输入端与移相网络7的输出端连接，所述移相网络7是∏型LC移相器，通过调节相移大小，满足相位起振条件，以上构成的正反馈型振荡电路。
图3为本发明提供的MEMS振荡器满足起振条件时的开环增益9和相位10。既在谐振频率处振荡器电路环路增益大于0dB相位为0度。
MEMS圆盘谐振器1的频率随温度变化，通常的频率温度系数在1020ppm/℃，远不能满足振荡器的实际应用需求，因此，需要通过温度补偿实现频率的高稳定性输出。本发明在MEMS圆盘谐振器1附近制作了多晶硅加热电阻2(参阅图2)，通过温度传感器和自动控制电路，实现谐振器附近的温度恒定，实现初级温度补偿。同时通过自动精细调节直流偏压VP实现高级温度补偿，实现高稳定性输出。
图4为本发明提供的MEMS振荡器加热电流与输出频率的关系，和直流偏压VP与输出频率的关系。对于硅材料的MEMS谐振器随温度上升谐振频率下降。因此当外界温度不变时，增大加热电流可使谐振器的频率减小12。反之，减小加热电流可使谐振器的频率增加。当外界温度变化，通过温度传感器和自动控制电路，改变加热电流的大小，使谐振器局部的温度保持不变，使频率不漂移，这种方法对频率的调节范围较大，但响应速度较慢，不够精确。只能实现初级温度补偿。
MEMS圆盘谐振器的直流偏压VP对谐振频率也有调节作用11，这种调节响应快速、精确，但是调节范围较小。结合局域温度控制，可实现高精度的温度补偿。本发明提供的MEMS振荡器只使用局域温度控制进行温度补偿和同时采用两种方法温度补偿的频率稳定度曲线对比(参阅图5)。在0℃到100℃范围内只使用局域温度控制进行温度补偿13的精度±20ppm，同时采用两种方法温度补偿14的频率稳定度可达到±1ppm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种MEMS振荡器，包括：
一MEMS谐振器，该MEMS谐振器为带温度补偿的高频高品质因子Q值的MEMS谐振器；
一第一阻抗匹配网络，其输入端与MEMS谐振器的输出端连接；
一第二阻抗匹配网络，其输出端与MEMS谐振器的输入端连接；
一放大器，其输入端与第一阻抗匹配网络的输出端连接；
一移相网络，其输入端与放大器的输出端连接，输出端与第二阻抗匹配网络的输入端连接；
一输出缓冲器，其输入端与移相网络的输出端连接，以上构成的正反馈型振荡电路。
2.根据权利要求1所述的MEMS振荡器，其中所述MEMS谐振器包括加热电阻和谐振单元。
3.根据权利要求1所述的MEMS振荡器，其中所述MEMS谐振器的温度补偿是通过局域温度控制，并结合MEMS谐振器直流偏压调节实现的。
4.根据权利要求l所述的MEMS振荡器，其中所述MEMS谐振器为MEMS圆盘谐振器。
5.根据权利要求4所述的MEMS振荡器，其中所述MEMS圆盘谐振器包括带中柱实心圆盘结构或中空圆盘结构。
6.根据权利要求5所述的MEMS振荡器，其中所述MEMS圆盘谐振器是静电驱动/静电检测，或是压电驱动/压阻检测；MEMS谐振器的结构层为高掺杂的半导体材料或压电材料，基于静电原理的MEMS谐振器与电极之间的间隙为空气或固体介质。
7.根据权利要求1所述的MEMS振荡器，其中所述第一阻抗匹配网络和第二阻抗匹配网络为L型或Π型，实现MEMS谐振器输入输出阻抗与放大器阻抗匹配。
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