CN109905086B - 一种基于多谐振器耦合结构的mems振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器，MEMS振荡器包括：振荡电路，检测电路以及MEMS谐振器件，MEMS谐振器件包括：N个相互耦合的MEMS谐振器，分别记为第一谐振器、第二谐振器、……第N谐振器，第一谐振器用于确定振荡器的工作频率，其余的谐振器通过耦合实现对第一谐振器的幅度进行调控；N为大于等于2的正整数；振荡电路用于通过闭环控制实现将振荡器的输出频率始终锁定并控制在第一谐振器的谐振频率；检测电路用于检测振荡器输出信号的幅度，并进行反馈控制以防止振荡器的输出幅度过高导致振荡器系统工作异常。本发明可以解决现有技术中由于需要引入可变增益放大器，从而导致的噪声和功耗较大的问题。

Description

一种基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器

技术领域

本发明属于工程材料领域中的微机电系统及其传感、控制领域；更具体地，涉及一种基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器。

背景技术

MEMS振荡器有别于传统的石英振荡器或基于电阻、电感和电容的纯电路振荡器，其振荡的频率由硅基微机电谐振子的自然谐振频率决定。其优点在于其小尺寸，低功耗，且可大规模生产，因此价格相对低廉；与此同时，其性能也十分优异，目前已有硅基MEMS振荡器的频率长期稳定性超越了传统石英振荡器。由于其诸多的在性能和价格方面的优势，近年来已在智能手机、可穿戴智能设备中作为时钟基准获得广泛应用。此外，目前世界上也有顶尖研究小组正在研究将其应用于包括惯性、微重力传感等高性能传感器中的技术。无论何种应用，都对MEMS振荡器电路提出了低噪声、低功耗、小尺寸的高要求。

MEMS振荡器主要包含MEMS谐振器件和振荡器电路两部分。其中，MEMS谐振器件作为纯机械器件，只决定振荡器的工作频率，必须要有电信号始终将其驱动在自然谐振频率上。振荡器电路正是自动产生这个驱动信号的核心，其通过对MEMS谐振器件的运动进行监测和实时控制，实现系统在MEMS谐振器件自然谐振频率的自锁定功能，以保障MEMS振荡器电路的正常工作状态。

目前，实现MEMS振荡器的电路的结构主要包括前端MEMS器件动态电流放大电路和反馈控制电路两部分。其中，反馈控制电路主要包括移相器和以下四种结构及其组合：基于(1)可变增益控制器(VGA)；(2)锁相环(PLL)；(3)比较器(Comparator)；(4)软幅度限制(Soft limiter)等实现幅度控制的电路单元。无论使用哪种反馈控制结构，都不可避免地在振荡器系统内部加入了额外的噪声源，降低了噪声性能。此外，这些额外的器件也进一步增大了系统功耗，增大了系统尺寸。另外，这些反馈控制电路均使用了非线性的电路，因此，在产生的振荡信号中不可避免地引入了高阶谐波项，进一步影响系统输出质量。

随着MEMS谐振器件的技术不断成熟，品质因数不断提高，尺寸不断缩小，振荡器电路已成为领域内公认的MEMS振荡器中最为主要的噪声源，主要的能量损失方向和占据最大尺寸的部件。而随着MEMS振荡器应用的高速拓展，以及其向更高性能、更低功耗、更小尺寸方向发展的技术趋势，优化振荡电路的噪声、功耗和尺寸成为了MEMS振荡器发展的首要任务。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器，旨在解决现有技术中由于需要引入可变增益放大器，从而导致的噪声和功耗较大的问题。

本发明提供了一种基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器，包括：振荡电路，检测电路以及MEMS谐振器件，所述MEMS谐振器件包括：N个相互耦合的MEMS谐振器，分别记为第一谐振器、第二谐振器、……第N谐振器，第一谐振器用于确定振荡器的工作频率，其余的谐振器通过耦合实现对第一谐振器的幅度进行调控；N为大于等于2的正整数；所述振荡电路用于通过闭环控制实现将振荡器的输出频率始终锁定并控制在第一谐振器的谐振频率；所述检测电路用于检测振荡器输出信号的幅度，并进行反馈控制以防止振荡器的输出幅度过高导致振荡器系统工作异常。

本发明中，采用多个相互耦合的MEMS谐振器进行幅度和频率调控，从而替代过去振荡电路中主要的噪声和功耗来源可变增益放大器，将极大地降低振荡器的噪声和功耗。振荡器的正常工作(即避免非线性等不稳定因素)，必须要通过振荡幅度的自动调节单元来保证。传统单个谐振器的振荡幅度仅与驱动电压有关，因此若要实现基于单个谐振器的振荡器，振荡幅度的自动调节需要通过额外的幅度调控电路单元来自动改变其驱动电压。然而引入额外的幅度调控电路单元不可避免地将引入额外的噪声，并增加系统的功耗。本发明利用了模态局域化效应，其物理原理与诺贝尔奖得主P.W.Anderson教授及其诺奖工作Anderson局域化效应类似，即通过在无序化系统中引入额外的参数紊乱(即调控电压导致的刚度变化)，使得系统内部能量重新分布，从而改变谐振器的振荡幅度；简而言之即通过调节外部调控电压级可实现对MEMS振荡幅度的有效控制，与传统振荡器中的幅度调控电路作用相同，因此可将其替代。本发明中提出的基于多自由度谐振器的振荡器正是利用了MEMS谐振器本身的幅度调控作用，一方面振荡电路中不需要传统振荡器中噪声大、功耗高的幅度调控电路，另一方面MEMS谐振器自身的幅度调控作用引入的噪声低且功耗小，因此可有效地降低系统噪声和功耗。

更进一步地，多个MEMS谐振器之间通过机械梁或静电力实现相互耦合。

更进一步地，第一谐振器包括：机械谐振子、驱动电极、第一检测电极和第一校正电极；所述机械谐振子的自然谐振频率用于确定MEMS振荡器的工作频率；所述驱动电极用于施加交变驱动电压以产生交流静电力驱动机械谐振子；所述第一检测电极用于将所述第一谐振器的振动转化成动态电流，以产生振荡器信号输出及控制所述第一谐振器的幅度；所述第一校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏。

更进一步地，第一谐振器还包括：第二校正电极和第二检测电极；所述第二校正电极与所述第一校正电极对称设置，用于校正工艺误差导致的初始失偏；所述第二检测电极与所述第二检测电极对称设置，用于将第一谐振器的振动转化成动态电流。

更进一步地，第二谐振器的结构可以与第一谐振器的结构相同，也可以不同，当两者不同时，第二谐振器包括：机械谐振子、驱动电极、第一控制电极和第一校正电极；所述机械谐振子的自然谐振频率用于确定MEMS振荡器的工作频率；所述驱动电极用于施加交变驱动电压以产生交流静电力驱动机械谐振子；所述第一控制电极用于施加控制电压以控制环路增益，使其满足起振和稳定振荡的条件；所述第一校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏。

更进一步地，第二谐振器还包括：第二控制电极和第二校正电极；所述第二控制电极与所述第一控制电极对称设置，用于施加控制电压以控制环路增益，使其满足起振和稳定振荡的条件；所述第二校正电极与所述第一校正电极对称设置，用于校正工艺误差导致的初始失偏。

在本发明实施例中，第三谐振器、……第N谐振器的结构均与第二谐振器的结构相同，尺寸可略有不同

更进一步地，通过同时在第一谐振器的驱动电极和第二谐振器的驱动电极上施加幅度相同且相位相同或幅度相同且相位差为180°的驱动电压时来实现模态的选择。

与现有技术相比，由于本发明中不需要在反馈回路中加入可变增益放大器、锁相环、比较器、软幅度限制等控制电路，从而具备以下技术优势：

(1)可以有效地降低振荡器电路中额外的噪声来源。本发明中振荡电路的噪声主要由前端电流放大和反馈相位调节器所限制，消除了其他反馈控制电路的噪声。除此以外，由于有源器件数量的大幅减少，因此低频噪声的效应(例如1/f噪声)也会相应减少；

(2)可以有效地降低振荡器电路的功率。本发明的振荡电路中大幅减少了系统内部有源器件的数量，因此消耗的功率降低；

(3)可以有效地减小振荡器电路尺寸；

(4)有别于以往文献中报道的类似本发明的基于单谐振器的振荡器结构，本发明中的控制电压对动态电阻的调制作用远大于所产生的频率变化，因此在调制振荡器工作点的过程当中对频率影响远小于基于单谐振器的振荡器结构，并且可以通过合理设计，优化工作点进一步降低乃至消除这种影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器中2个MEMS谐振器耦合结构的示意图；

图2是图1中所示的MEMS谐振器件的两个一阶模态的仿真频率响应图，包括幅度响应和相位响应；其中(a)是谐振器件只在第一谐振器的驱动电极上施加驱动电压后的仿真频率响应图；(b)是谐振器件在第一谐振器和第二谐振器的驱动电极上施加同幅度、相位差为0°的驱动电压后的仿真频率响应图；(c)是谐振器件在第一谐振器和第二谐振器的驱动电极上施加同幅度、相位差为180°的驱动电压后的仿真频率响应图；

图3是本发明实施例提供的调节电压对第一谐振器的幅度控制作用曲线示意图；其中(a)是第一谐振器的频率响应；(b)是第一谐振器的幅度和谐振频率随控制电压的变化，体现控制电压对第一谐振器的幅度控制作用；

图4是本发明实施例提供的基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器的结构示意图；

图5是通过电路仿真所得一种振荡器系统的实施方式所产生的稳态输出电压，从理论上证明该方案的可行性。

本文中相同的数字标记表示相同的物理含义，其中，1为第一谐振器，2为第二谐振器，3为静电耦合结构电容极板，4为第一谐振器的第一检测电极，5为第一谐振器的第一校正电极，6为第一谐振器的驱动电极，7为第一谐振器的第二校正电极，8为第一谐振器的第二检测电极，9为第二谐振器的第一控制电极，10为第二谐振器的驱动电极，11为第二谐振器的第二控制电极，12为第二谐振器的第一校正电极，13为第二谐振器的第二校正电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种新型且简单的MEMS振荡器的实现方式。该MEMS振荡器的MEMS谐振器结构由N个(N为整数，N≥2)MEMS谐振器通过机械或静电力的方式互相耦合起来，构成一个N自由度振荡系统。其中每个谐振器均由机械谐振子结构和至少三个电极构成。机械谐振子的自然谐振频率决定了MEMS振荡器的工作频率。本说明书主要针对N＝2的情况进行描述，而当N≥3时的实施方式与N＝2时类似，可以相应进行推导和应用。

在有2自由度谐振器系统(N＝2)中，本发明只使用其中一个MEMS谐振器作为振荡器闭环回路中的振荡原件。当在这个MEMS谐振子电极上施加适当的驱动电压后，响应的交流驱动力将驱动电压的频率正好与自然谐振频率f₀正好相等或非常驱使谐振结构运动；而运动的极板在施加了适当的极化电压Vp后，会产生响应的动态电流。当驱动电压的频率与自然谐振频率接近相等时，谐振结构的振动所产生的动态电流最大或非常接近最大。此时，驱动电压除以动态电流的值可认为是MEMS谐振器的动态电阻R₀。

使用多谐振器耦合的结构，可以通过调整某一个或某几个谐振器配备的电极上的静态电压V_c，来实现对振荡器闭环回路中的MEMS谐振器的动态电阻R₀的控制。此外，还需要对系统内的谐振器引入校正电极，用于调校由于加工工艺导致的初始失偏。

MEMS振荡电路由闭环回路中的部分和闭环回路外的两部分构成，其中闭环回路中的部分包括一个低噪声电荷放大电路、一个低噪声积分电路和电阻分压电路。电荷放大电路的作用是将MEMS谐振器产生的动态电流放大，并转化为电压信号；积分电路的作用则是调节闭环回路中的相位；电阻分压电路的作用是增益补偿。三部分电路在振荡器工作频率下的等效阻值假设为Rf。闭环回路外的部分包括一个信号包线检测电路和一个放大电路，其作用是用来产生与振荡幅度成正相关的控制信号。

在MEMS振荡器中振荡信号建立之前，振荡器闭环回路中的MEMS谐振器的动态电阻R₀＞R_f，振动能量开始积累。随着回路中谐振器的幅值不断增加，信号包络检测电路的幅值也增加，从而改变控制信号V_c，致使回路中MEMS谐振器的动态电阻减小，并最终达到R₀＝R_f，振荡信号得以自动维持。

除此以外，考虑到通过引入多个MEMS谐振子，MEMS谐振系统的自然谐振模态增多，需要通过特殊方式来选择所需要的谐振模态，本发明通过在除振荡回路中的MEMS谐振器以外的其他谐振器上引入同幅度的，且相位相同或存在180°差的驱动信号，来抑制其他不需要的模态。

本发明中，振荡器中MEMS器件由两个尺寸、结构相同的双端音叉结构通过悬挂梁以静电力耦合的方式耦合在一起，工作频率约为77kHz，其中第一谐振器被放置于振荡电路中。除此以外，振荡电路包括：低噪声电荷放大电路、积分电路和电阻分压电路，附加电路包括一个信号包络检测电路。本发明通过同时驱动第一谐振器和第二谐振器，而仅检测和控制第一谐振器的幅度，实现振荡电路。下面结合附图以N＝2的情况为例展示这种新型MEMS振荡器的工作方式和原理。N≥3的情况可以同理类推。

本发明实施例提供的基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器包括：振荡电路，检测电路以及多个相互耦合的MEMS谐振器。耦合后的MEMS谐振器结构中，第一谐振器用于决定振荡器的工作频率，第二谐振器通过与耦合对第一谐振器的幅度进行调控；振荡电路用于通过闭环控制，将系统的输出频率始终锁定并控制在第一谐振器的谐振频率；检测电路用于检测振荡器输出信号的幅度，并基于此进行反馈，以防止振荡器的输出幅度过高导致振荡器系统工作异常。需指出的是，该振荡电路中不需使用可变增益放大器，从而降低了系统噪声和功耗。

本发明将多个MEMS谐振器进行相互耦合，引入谐振器振动能量向其他谐振器输送的通路。引入调控电压后，即可触发谐振器能量向其他谐振器输送，并改变谐振器的幅度。而耦合结构中谐振器幅度调控作用所需的功耗和贡献的噪声极小，几乎可以忽略不计。使用谐振器耦合结构替代过去振荡电路中主要的噪声和功耗来源可变增益放大器，将极大地降低振荡器的噪声和功耗。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器，现结合附图并以两个MEMS谐振器耦合为例进行详细描述如下：

图1示出了当N＝2时两个MEMS谐振器的机械谐振子的结构。这两个MEMS谐振器可以完全相同，也可以略有尺寸和结构不同；图1中两个谐振器结构和尺寸相同。两个机械振子通过机械梁或静电力互相耦合，形成一个2自由度系统；此处展示静电力耦合的二自由度谐振系统结构。其中，采用机械梁进行耦合的结构相对稳定，采用静电力互相耦合的结构可以实现可调。

其中，第一谐振器1和第二谐振器2均为双端调谐音叉结构。第一谐振器1和第二谐振器2之间可以通过静电耦合结构电容极板进行耦合。

每个机械谐振子需要施加极化电压，以实现电容式驱动和动态检测，例如V_p1和V_p2。V_p1和V_p2之间的压差产生一个静电力，将两个谐振子耦合在一起。除此以外，第一谐振器还配备有至少三个电极，可灵活地置于第一谐振器在振动方向上的两侧。考虑到结构设计的对称性及非对称性对第一谐振器振动模态产生的不利影响，例如非线性等，此处优选为五个电极。五个电极中的电极作用分别叙述如下：

(1)一个电极用来施加交变驱动电压，以产生交流静电力驱动机械谐振子；

(2)两个电极用来施加相同的DC电压，用来调节二自由度谐振系统的初始工作点以及补偿加工误差导致的失偏；

(3)两个电极用来检测机械振子在振动过程中的动态电流。

具体地，第一谐振器的第一检测电极用于将谐振器1的振动转化成动态电流；第一谐振器的第一校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏；第一谐振器的驱动电极用于施加驱动电压从而驱动谐振系统；第一谐振器的第二校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏；第一谐振器的第二检测电极用于将谐振器1的振动转化成动态电流。

第二谐振器也配备有至少三个电极，可灵活地置于第二谐振器在振动方向上的两侧。考虑到结构设计的对称性及非对称性对第二谐振器振动模态产生的不利影响，例如非线性等，此处优选为五个电极。其中一个电极用来施加交变驱动电压，另外两个电极用来施加近直流调节电压，用来控制谐振器1的幅度。具体地，第二谐振器的第一控制电极用于施加控制电压Vc；第二谐振器的驱动电极用于施加驱动电压从而驱动谐振系统；第二谐振器的第二控制电极用于施加控制电压Vc；第二谐振器的第一校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏；第二谐振器的第二校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏。

本发明实施例提供的该2自由度系统通过耦合可以产生两个一阶自然谐振频率，其中一个谐振频率下，两个谐振子的振动相位相同或非常接近相同；另一个谐振频率下，两个谐振子的振动相位相差为180°或非常接近180°。两个谐振频率间存在一个频率差。这个现象展示于图2中。当同时在两个驱动电极上施加幅度相同，相位相同或相位差为180°的驱动电压时，其中一个模态会被相应抑制，如图2b和图2c所示，因此可以根据实际需求选择相应的模态；此处选择在两个驱动电极上施加幅度相同且相位相同的驱动电压。

当调节电压发生变化时，第一谐振器的幅度和振动频率相应发生改变，如图3所示。其中此处展示的拟采用的工作区间用灰色区域标识。在此区间内，调节电压变化1.5V左右后，谐振器1的幅度变化了约15％，可以用来实现振荡器中的幅度调节功能。调节幅度的同时，模态频率几乎没有发生变化，因此该区间是一个优选的工作区间。

基于此现象，此发明提出的振荡器的电路结构示意图如图4所示。其中，振荡电路由低噪声电荷放大电路、积分电路和电阻分压电路构成；环路以外，检测电路包括幅度检测单元和放大电路，幅度检测单元用于根据第一谐振器的输出信号来获得其幅度；放大电路用于放大其幅度信号，产生控制信号，施加于第二谐振器的控制电极上，用于对第一谐振器的幅度进行调节，以防止其幅度过高而导致振荡器系统工作异常。具体电路的实施过程中，振荡电路中电荷放大电路的增益、积分电路的增益、电阻分压电路的比例、以及幅度检测单元中放大电路的增益等设计参数可根据谐振频率、幅度等需求通过建模、分析和计算进行相应的调整。

本发明通过电路仿真可获得稳态响应，如图5所示，可知系统可以稳定地工作于第一谐振器的谐振频率。

需要指出的是，以上所述及附图仅是本发明的优选实施方式。对于本技术领域的技术人员及研究者来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明可以做出若干改进。这些改进也应被视为本发明的保护范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多谐振器耦合结构的MEMS振荡器，其特征在于，包括：振荡电路，检测电路以及MEMS谐振器件；

所述MEMS谐振器件包括：N个相互耦合的MEMS谐振器，分别记为第一谐振器、第二谐振器、……第N谐振器，第一谐振器用于确定振荡器的工作频率，其余的谐振器通过耦合实现对第一谐振器的幅度进行调控；N为大于等于2的正整数；

所述振荡电路用于通过闭环控制实现将振荡器的输出频率始终锁定并控制在第一谐振器的谐振频率；

所述检测电路包括幅度检测单元和放大电路，幅度检测单元用于检测第一谐振器的输出信号来获得其幅度，放大电路用于放大其幅度信号，产生控制信号，施加于第N谐振器的控制电极上，以对第一谐振器的幅度进行调节，防止第一振荡器的输出幅度过高导致振荡器系统工作异常；

通过同时在所述第一谐振器内的第一驱动电极和所述第N谐振器内的第N驱动电极上施加两个驱动电压来实现模态的选择，其中，所述两个驱动电压分别为幅度相同且相位相同或幅度相同且相位差为180°的电压。

2.如权利要求1所述的MEMS振荡器，其特征在于，多个MEMS谐振器之间通过机械梁或静电力实现相互耦合。

3.如权利要求1或2所述的MEMS振荡器，其特征在于，所述第一谐振器包括：第一机械谐振子、所述第一驱动电极、第一检测电极和第一校正电极；

所述第一机械谐振子的自然谐振频率用于确定MEMS振荡器的工作频率；

所述第一驱动电极用于施加交变驱动电压以产生交流静电力驱动第一机械谐振子；

所述第一检测电极用于将所述第一谐振器的振动转化成动态电流，以产生振荡器信号输出及控制所述第一谐振器的幅度；

所述第一校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏。

4.如权利要求3所述的MEMS振荡器，其特征在于，所述第一谐振器还包括：第二校正电极和第二检测电极；

所述第二校正电极与所述第一校正电极对称设置，用于校正工艺误差导致的初始失偏；

所述第二校正电极与所述第二检测电极对称设置，用于将第一谐振器的振动转化成动态电流，以产生振荡器信号输出及控制所述第一谐振器的幅度。

5.如权利要求3所述的MEMS振荡器，其特征在于，所述第N谐振器包括：第N机械谐振子、所述第N驱动电极、第一控制电极和第三校正电极；

所述第N机械谐振子的自然谐振频率用于确定MEMS振荡器的工作频率；

所述第N驱动电极用于施加交变驱动电压以产生交流静电力驱动第N机械谐振子；

所述第一控制电极用于施加控制电压以控制环路增益，使其满足起振和稳定振荡的条件；

所述第三校正电极用于校正工艺误差导致的初始失偏。

6.如权利要求5所述的MEMS振荡器，其特征在于，所述第N谐振器还包括：第二控制电极和第四校正电极；

所述第二控制电极与所述第一控制电极对称设置，用于施加控制电压以控制环路增益，使其满足起振和稳定振荡的条件；

所述第四校正电极与所述第三校正电极对称设置，用于校正工艺误差导致的初始失偏。

Images