CN107147370A - 一种基于振动模态耦合的mems振荡器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器，由两个并排布置的悬臂梁‑质量块结构作为谐振子，选用了悬臂梁结构的纵向拉伸及横向弯曲振动模态作为振荡器的工作模态。其检测端使用了压阻法测振，通入检测电流后可以同时拾取两个振动模态的信号，进而将信号转入两组闭环控制器分别进行反馈调制，随后采用静电力输出的方法对拉伸与弯曲模态进行激振，从而实现两种模态的同时自激振荡。同时由于模态间的耦合关系，可以借由控制其中一个振动模态的振幅调节另一模态的谐振频率。两种模态共享一个谐振结构，受温度影响的幅度相同，亦可以借助一个模态对另一模态进行温度补偿。

Description

一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器及控制方法

【技术领域】

本发明涉及MEMS振荡器技术领域，特别涉及一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器及控制方法。

【背景技术】

几乎所有的电子产品系统都需要时钟，并且系统越复杂需要的时钟器件就越多，对稳定性的要求也越高。目前绝大部分高性能电子系统的计时都是以石英晶体为基础的振荡器、谐振器。受到电子产品体积越来越小、系统越来越复杂等趋势的影响，时钟元件也必须往小巧、低功耗、高集成度的方向发展，石英晶体谐振器做得愈小，质量因子值愈低，效能和相位噪声也愈差。MEMS谐振器的出现打破了这一困局，它是基于微机电系统而制造的一种可编程硅基振荡器。相较于石英晶体振荡器，MEMS谐振器能提供更小的尺寸和更高的性能，而且它还能依循半导体技术和工艺的演进而做到尺寸越来越小、性能越来越高和成本越来越低，持续改善性能。同时与传统的石英产品相比，硅基MEMS振荡器稳定性好、可编程、支持频率范围广、可靠性和鲁棒性都非常好。

一般的MEMS谐振器和振荡器可以简单地认为是一个不断振动的振子，传统的MEMS振荡器基本上采用单一的工作模态，如CN201110222194，CN201180001810和CN201310178827。但一个谐振机构作为一个质量连续体具有无穷多个自由度，真实的谐振系统往往具有多种振动模态并且这些模态间往往存在耦合关系。

【发明内容】

本发明提供了一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器及控制方法，同时实现不同模态的自激振荡。

本发明采用以下技术方案：

一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器，包括谐振机构、检测电路，以及反馈电路；谐振机构由SOI片制成，包括两个并列排布的悬臂梁结构，每个悬臂梁结构的一端通过锚点悬空设置，另外一端连接质量块，两个质量块之间通过连接梁连接，确保电流导通；所述谐振机构进一步包括第一和第二电极、第三和第四电极，以及第五和第六电极，所述第一和第二电极分别与悬臂梁一端的锚点连接，第三和第四电极分别通过静电力作用在两个质量块上用以实现谐振机构拉伸方向的振动，第五和第六电极布置在悬臂梁的一侧用以实现谐振机构弯曲方向的振动，所述第一和第二电极进一步与外部的检测电路连接，用以检测谐振机构的两种振动模态，所述反馈电路连接在检测电路的输出端，包括第一和第二反馈电路，其中，第一反馈电路的输出端作用在第三和第四电极上以激励第一种振动模态，第二反馈电路的输出端作用在第五和第六电极上以激励第二种振动模态。

所述的第一反馈电路和第二反馈电路均包括依次连接的反向放大器、带通滤波器、相位调制器和增益控制器。

所述第三和第四电极不与谐振机构直接接触，仅通过静电力作用在质量块上。

所述谐振机构进一步包括第七和第八电极，第七和第八电极是第五和第六电极的补充电极。

所述第七电极与第五电极分别对称地设置在悬臂梁的两侧，所述第八电极与第六电极分别对称地设置在悬臂梁的两侧。

一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器的控制方法，在第一电极和第二电极上加载电压，形成电流流过谐振机构，当谐振机构产生不同振动模态的振动时，由于压阻效应产生的电流信号变化被检测电路捕捉，并分别进入到两个反馈电路中，第一反馈电路将产生的信号在输出频率的同时，提供激振电压Vac1，配合偏置电压作用在第三和第四电极上使拉伸模态进行自激振荡，第二反馈电路将产生的信号在输出频率的同时，提供激振电压Vac2，配合偏置电压作用在第五和第六电极上使弯曲模态进行自激振荡。

弯曲模态的频率增长正比于拉伸模态振幅的平方，而拉伸模态的频率增长与弯曲模态振幅的平方呈现出了一定的非线性关系。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明在悬臂梁的一侧设置有第五和第六电极用以实现谐振机构弯曲方向的振动，另外，第三和第四电极通过静电力作用在质量块上用以实现谐振机构拉伸方向的振动。实施时，通过在第一和第二电极上施加电压，通过检测电路检测振动信号后，分别进入到第一和第二反馈电路，其中，第一反馈电路提供激振电压Vac1，再配合偏置电压作用在第三和第四电极上使拉伸模态进行自激振荡，第二反馈电路提供激振电压Vac2，配合偏置电压作用在第五和第六电极上使弯曲模态进行自激振荡。

【附图说明】

图1为本发明的结构俯视图。

图2为本发明两种工作模态的振型图，其中，图2(a)为拉伸模态的振型图，图2(b)为弯曲模态的振型图。

图3为本发明的测量电路原理图。

图4为本发明两种模态的谐振频率曲线图，其中，图4(a)为拉伸模态的谐振频率曲线图，图4(b)为弯曲模态的谐振频率曲线图。

【具体实施方式】

本发明的目的是提供一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器，使用标准化SOI工艺制造，自下而上由单晶硅衬底、二氧化硅绝缘层和单晶硅结构层构成，其中结构层布置电极的位置附着一层金以便完成焊接封装。

单晶硅结构层位置加工出谐振机构的本体及激励与检测所需电极。本发明MEMS振荡器基于悬臂梁谐振机构，由两个并列排布的悬臂梁5-1及5-2构成，悬臂梁长度233μm，宽度及厚度均为10μm。每个悬臂梁的左端由两个与底部绝缘层固结的锚点7-1及7-2固定，使悬臂梁可以悬空于镂空的衬底上。悬臂梁的右端连接长度为146μm宽度为35μm的质量块6-1及6-2，该质量块既用来在设计阶段控制拉伸模态的谐振频率，也作为拉伸模态激振力的受体传递激振力。两个对称的质量块由一细小的连接梁8相连，用以确保电流导通实现压阻法测量，该连接梁的长度和宽度分别为24μm及4μm。

两谐振机构的锚点7-1及7-2与同样与二氧化硅绝缘层相连的第一电极3-1与第二电极3-2相互连接，该第一和第二电极与外部的检测电路相连，用以检测谐振机构的两种振动模态。第三电极1-1与第四电极1-2不与谐振机构直接接触，而是通过静电力作用在质量块6-1及6-2上，实现谐振机构拉伸方向的振动。第五电极2-1与第六电极2-2布置在悬臂梁的一侧用以实现谐振机构弯曲方向的振动。第七电极4-1与第八电极4-2为第五电极2-1与第六电极2-2的补充电极，其作用机理与前者相同。上述电极的主体部分为边长180μm的正方形，上面附着有边长为150μm的正方形金层。

相比较于单一模态的振荡器，本发明具有以下优点：

基于振动模态耦合的MEMS振荡器，配合闭环控制器可以实现两种振动模态的单独或同时工作，输出两个频率信号。且由于两种模态间存在相互耦合关系，可以通过控制其中一模态的振幅调节另一模态的输出频率。同时由于两个模态共享一个谐振结构，受温度的影响相同，可以通过其中一个频率信号对另一信号进行温度补偿。

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

如图1所示，本发明中的振荡器采用静电法激励与压阻法检测，其中第一电极3-1与第二电极3-2间存在电势差，第一电极3-1和第二电极3-2通过锚点7-1和7-2与两根悬臂梁5-1和5-2相连，两悬臂通过布置在质量块6-1和6-2之间的连接梁8相互连接形成回路，使电流可以流过整个谐振器，进而通过检测电流实现两振动模态的压阻法检测，当结构发生变形时，由于压阻效应的存在检测电流将发生改变。第三电极1-1与第四电极1-2提供交变静电力实现拉伸模态的激振，而分布在悬臂梁两侧的第五电极2-1、第六电极2-2、第七电极4-1和第八电极4-2用以提供弯曲模态的激振力。

如图2所示，本发明选用了悬臂梁纵向的拉伸模态与横向的弯曲模态作为振荡器的工作模态，两种模态的振型图如图所示，为了更明显的表达内容两种模态的振幅均被放大，实际工作时振幅均在纳米量级。

如图3所示，本发明使用一个差分电路检测两个模态的振动信号，同时使用两个闭环系统对两模态进行反馈控制而实现同时自激振荡。谐振器的第一电极3-1和第二电极3-2分别被加载+0.5Vd和-0.5Vd的电势，由于谐振器使用单晶硅半导体材料，可以形成电流Id流过整个谐振机构。当两悬臂梁发生拉伸或弯曲变形时，由于压阻效应的缘故检测电流Id将产生变化，该信号变化可由位于图右上方的差分检测电路拾取，同时该电路也可以将馈通信号的干扰消除。由差分检测电路输出的信号同时进入两组闭环反馈系统中，每一个闭环反馈系统都由：反向放大器、带通滤波器、相位调制器和增益控制器构成，由于拉伸与弯曲模态的频率相差很远，输出信号中包含的两组频率信号可由带通滤波器进行分选。其中第一组闭环反馈系统产生的信号在输出频率的同时，提供激振电压Vac1，配合偏置电压Vdc1作用在第三电极1-1和第四电极1-2上使拉伸模态进行自激振荡。第二组闭环反馈系统同理作用于第五电极2-1和第六2-2上保证弯曲模态的自激振荡及稳定的频率输出。

如图4所示，本发明中谐振机构的拉伸振动模态与弯曲振动模态不仅可以同时存在，也存在一定的耦合关系：图中显示了两个模态的谐振频率与另一模态振幅的关系曲线。可见不管是拉伸还是弯曲模态，当其中某一模态的振幅增大时，另一模态的谐振频率也将增大。并且，弯曲模态的频率增长正比于拉伸模态振幅的平方，而拉伸模态的频率增长与弯曲模态振幅的平方呈现出了一定的非线性关系。

本发明的振荡器可以实现在一个谐振结构中两种振动模态的同时自激振荡，同时输出两个频率；并且，两模态的谐振频率可以通过控制振幅进行调节；同时，由于两振动模态共享一个谐振结构，受温度的影响相同，其中一个模态的温度漂移也会体现在另一模态上，借助同时输出的两个频率可以进行温度补偿。

Claims (7)

1.一种基于振动模态耦合的MEMS振荡器，其特征在于：包括谐振机构、检测电路，以及反馈电路；谐振机构由SOI片制成，包括两个并列排布的悬臂梁结构(5-1、5-2)，每个悬臂梁结构的一端通过锚点(7-1、7-2)悬空设置，另外一端连接质量块(6-1、6-2)，两个质量块之间通过连接梁(8)连接，确保电流导通；所述谐振机构进一步包括第一和第二电极(3-1、3-2)、第三和第四电极(1-1、1-2)，以及第五和第六电极(2-1、2-2)，所述第一和第二电极(3-1、3-2)分别与悬臂梁一端的锚点连接，第三和第四电极(1-1、1-2)分别通过静电力作用在两个质量块(6-1、6-2)上用以实现谐振机构拉伸方向的振动，第五和第六电极(2-1、2-2)布置在悬臂梁的一侧用以实现悬臂梁弯曲方向的振动，所述第一和第二电极进一步与外部的检测电路连接，用以检测谐振机构的两种振动模态，所述反馈电路连接在检测电路的输出端，包括第一和第二反馈电路，其中，第一反馈电路的输出端作用在第三和第四电极上以激励第一种振动模态，第二反馈电路的输出端作用在第五和第六电极上以激励第二种振动模态。

2.根据权利要求1所述的基于振动模态耦合的MEMS振荡器，其特征在于：所述的第一反馈电路和第二反馈电路均包括依次连接的反向放大器、带通滤波器、相位调制器和增益控制器。

3.根据权利要求1所述的基于振动模态耦合的MEMS振荡器，其特征在于：所述第三和第四电极不与谐振机构直接接触，仅通过静电力作用在质量块上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于振动模态耦合的MEMS振荡器，其特征在于：所述谐振机构进一步包括第七和第八电极(4-1、4-2)，第七和第八电极是第五和第六电极的补充电极。

5.根据权利要求4所述的基于振动模态耦合的MEMS振荡器，其特征在于：所述第七电极(4-1)与第五电极分别对称地设置在悬臂梁的两侧，所述第八电极(4-2)与第六电极分别对称地设置在悬臂梁的两侧。

6.一种基于权利要求1所述的基于振动模态耦合的MEMS振荡器的控制方法，使谐振机构的多个振动模态同时进行自激振荡，其特征在于：在第一电极和第二电极上加载电压，形成电流流过谐振机构，当谐振机构产生不同振动模态的振动时，由于压阻效应产生的电流信号变化被检测电路捕捉，并分别进入到多个反馈电路中，第一反馈电路将产生的信号在输出频率的同时，提供激励电压Vac1，配合偏置电压作用在第三和第四电极上使谐振机构的第一种振动模态进行自激振荡，第二反馈电路将产生的信号在输出频率的同时，提供激励电压Vac2，配合偏置电压作用在第五和第六电极上使使谐振机构的第二种振动模态进行自激振荡。

7.根据权利要求6所述的基于振动模态耦合的MEMS振荡器，其特征在于：弯曲模态的频率增长正比于拉伸模态振幅的平方，而拉伸模态的频率增长与弯曲模态振幅的平方呈现出了一定的非线性关系。