CN112953435B - 一种基于参数泵的mems振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于参数泵的MEMS振荡器，低频谐振器模块通过低频谐振梁分别连接低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块；高频谐振器模块通过高频谐振梁分别连接高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块；共用梁模块采用机械连接方式将低频谐振梁和高频谐振梁连接；低频谐振器模块与低频振荡器闭环振荡回路连接，并经加法器与参数泵模块连接，高频谐振器模块与高频振荡器闭环振荡回路连接；低频振荡器闭环振荡回路和高频振荡器闭环振荡回路分别使低频谐振梁和高频谐振梁在谐振频率处发生闭环振荡，参数泵模块对低频谐振梁施加动态刚度调制信号。本发明实现了MEMS振荡器的频率稳定性的提升以及振荡器之间的参数锁定现象。
Description
技术领域
本发明属于MEMS振荡器技术领域，具体涉及一种基于参数泵的MEMS振荡器。
背景技术
机械振荡器是需要时钟参考的谐振式传感器件、电子系统中最重要的部分，其性能指标的高低直接影响着整个系统的性能。由于现代科学技术的发展对电子设备的优越性能提出了更高的要求，微型化、低成本、低能耗、易集成的MEMS振荡器逐渐进入人们的视野，以替代传统的体积大、不易集成、成本高昂的石英晶体振荡器。然而，由于MEMS振荡器极小的尺寸带来的尺度效应影响，很容易引起非线性问题，极大限降低了它们的动态范围，也带来了大振幅不稳定和相位噪声问题。硅材料本身存在的温度敏感性，也使得振荡器的性能难以提高。因此，MEMS振荡器相较于传统的石英振荡器，频率稳定性仍有待提升。
目前，现有的MEMS振荡器频率稳定性研究，主要集中在器件结构的改善、温度补偿、电路优化等方面，对频率稳定性的提升有限。MEMS器件的尺度效应、模态耦合等带来的丰富的动力学特性，在最新的研究中被证实具有显著提升频率稳定性的效果。诸如同步现象、内共振现象，当两耦合模态满足谐振频率整数比要求时，大量的能量交换极大地提升了MEMS振荡器的频率稳定性。但是由于难以避免的设计误差和微纳加工工艺误差，耦合振荡器的谐振频率整数比要求很难得到满足，这也使得基于内共振、同步现象的MEMS振荡器目前只停留在实验室阶段。
因此，利用MEMS器件的非线性特性，开发一种更加易于实现的MEMS振荡器频率稳定性提升方法，具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于参数泵的MEMS振荡器，摆脱了利用内共振、同步等现象提高频率稳定性时严格的谐振频率比整数限制，更加便于工程实际的应用。通过对弱机械耦合MEMS振荡器施加参数泵信号，动态调制谐振梁的线性刚度并介导高低振荡器之间的声子和能量传递，通过大幅能量传递实现振荡器频率稳定性的提高。同时，通过调节参数泵的频率还可以实现振荡器的参数锁定现象，高频和低频振荡器的振荡频率之差始终与参数泵频率保持一致；最后，通过调节参数泵的强度还可以实现参数锁定区间的灵活调节。
本发明采用以下技术方案：
一种基于参数泵的MEMS振荡器，包括低频谐振器模块、高频谐振器模块和共用梁模块，低频谐振器模块通过低频谐振梁分别连接低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块；高频谐振器模块通过高频谐振梁分别连接高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块；共用梁模块采用机械连接方式将低频谐振梁和高频谐振梁连接；低频谐振器模块与低频振荡器闭环振荡回路连接，并经加法器与参数泵模块的参数泵发生器连接，高频谐振器模块与高频振荡器闭环振荡回路连接；低频振荡器闭环振荡回路和高频振荡器闭环振荡回路分别使低频谐振梁和高频谐振梁在谐振频率处发生闭环振荡，参数泵模块对低频谐振梁施加动态刚度调制信号。
具体的，低频谐振器模块包括第一固支锚点，第二固支锚点和第一受激电容板；第一固支锚点和第二固支锚点分别位于低频谐振梁的两侧；第一固支锚点和第二固支锚点与硅基底连接，第一固支锚点上均匀溅射有第一金属电极层，第二固支锚点上均匀溅射有第二金属电极层；第一受激电容板设置在低频谐振梁与低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块之间；低频谐振器第一激励模块包括低频谐振器第一激励电极，低频谐振器第一激励锚点和溅射在其上的第五金属电极层；低频谐振器第一激励电极板与低频谐振器第一激励锚点相连，为第一受激电容板提供激振力；低频谐振器第二激励模块包括低频谐振器第二激励电极板，低频谐振器第二激励锚点和溅射其上的第六金属电极层；低频谐振器第二激励电极板与低频谐振器第二激励锚点相连，在第一受激电容板的另一侧提供激振力。
进一步的，频谐振器、第一受激电极板、低频谐振器第一激励电极板和低频谐振器第二激励电极板下方均镂空，谐振梁结构悬空于硅基器件上并由第一固支锚点、第二固支锚点提供支撑；第一固支锚点、第二固支锚点、第一激励锚点和第二激励锚点均与结构基底相连，第一固支锚点、第二固支锚点、第一激励锚点和第二激励锚点均为正方形结构，边长范围是100～300μm。
进一步的，第一金属电极层、第二金属电极层、第五金属电极层和第六金属电极层的形状均为正方形，边长为80～250μm；第一受激电极板与第一激励电极板和第二激励电极板之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离范围是1～10μm。
进一步的，第五金属电极和第六金属电极层接入低频振荡器闭环振荡回路中，低频振荡器闭环振荡回路包括第一鉴相器、第一低通和第一电压控制振荡器，第一鉴相器通过内置的乘法器判断第六金属电极层的振荡信号和反馈信号之间的相位差，实现对第一电压控制振荡器控制，第一电压控制振荡器产生的交流信号在输出频率的同时，提供激励交流电压施加于第五金属电极上，使得低频谐振梁进行自激振荡。
具体的，高频谐振器模块包括第三固支锚点，第四固支锚点，第二受激电容板；第三固支锚点和第四固支锚点分别位于高频谐振梁的两侧；第三固支锚点和第四固支锚点与硅基底连接，其上均匀溅射了第三金属电极层和第四金属电极层；第二受激电容板设置在高频谐振梁与高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块之间；高频谐振器第一激励模块包括高频谐振器第一激励电极，高频谐振器第一激励锚点和溅射在其上的第七金属电极层；高频谐振器第一激励电极板与高频谐振器第一激励锚点相连，为第二受激电容板提供激振力；高频谐振器第二激励模块包括高频谐振器第二激励电极板，高频谐振器第二激励锚点和溅射其上的第八金属电极层；高频谐振器第二激励电极板与高频谐振器第二激励锚点相连，在第二受激电容板的另一侧提供激振力。
进一步的，高频谐振器、第二受激电极板和高频谐振器第一激励电极板和高频谐振器第二激励电极板下方均镂空，谐振梁结构悬空于硅基器件上并由第三固支锚点、第四固支锚点提供支撑；第三固支锚点、第四固支锚点、第一激励锚点和第二激励锚点均与结构基底相连，第三固支锚点、第四固支锚点、第一激励锚点和第二激励锚点均为正方形结构，正方形结构的边长为100～300μm。
进一步的，第三金属电极层、第四金属电极层、第七金属电极层、第八金属电极层的形状均为正方形，其边长尺寸范围是80～250μm；第二受激电极板与第一激励电极板和第二激励电极板之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离范围是1～10μm。
进一步的，第七金属电极和第八金属电极层接入高频振荡器闭环振荡回路中，高频振荡器闭环振荡回路包括第二鉴相器、第二低通和第二电压控制振荡器，第二鉴相器通过乘法器判断第八金属电极层的振荡信号和反馈信号之间的相位差，实现对第二电压控制振荡器控制，第二电压控制振荡器产生的交流信号使高频谐振梁产生自激振荡。
具体的，低频谐振梁和高频谐振梁是双端固支的单梁，长度范围是10～500μm，单根梁的宽度范围是1～10μm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于参数泵的MEMS振荡器，利用参数泵的动态刚度调制作用，在两个振荡器之间介导声子和能量的传递，使两个振荡器的模态之间发生大量的能量交换，从而实现频率稳定性的提升。这种基于参数泵的MEMS振荡器频率稳定性提升方法，克服了利用内共振、同步现象提高MEMS振荡器频率稳定性时频率整数比难以满足的问题，更加易于在工程实际中的应用。此外，通过改变参数泵信号的频率，实现了参数锁定现象，在参数锁定发生时，高低频振荡器的振荡频率随着泵浦频率的变化分别同向和反向线性变化，而高低振荡器的频率差始终于泵浦频率保持一致。参数泵实现的频率稳定性提升以及参数锁定现象，在时钟参考、惯性传感领域具有极高的潜在应用价值。
进一步的，低频谐振器模块的固支锚点对悬空的低频谐振元件进行支撑，镂空结构保证低频谐振元件在激振力作用下能产生稳定振动。
进一步的，低频谐振模块的受激电极板与位于低频谐振元件一侧的激励电极板之间构成激励可变电容。当可变电容的两侧存在交变的电压作用时，产生的交变静电力驱动低频谐振元件产生持续稳定的振动。
进一步的，低频谐振模块的受激电极板与位于低频谐振元件另一侧的激励电极板之间构成检测可变电容。低频谐振元件在交变静电力驱动下的稳定振动位移信号转化为可变电容的动态电流信号输出，从而实时采集低频谐振元件的振动信号。
进一步的，低频谐振器的闭环振荡回路通过读取低频谐振器的振动频率信息，利用反馈实现低频谐振元件的自激振荡，保证其频率信息可以被精确读取。
进一步的，高频谐振器模块的固支锚点对悬空的高频谐振元件进行支撑，镂空结构保证高频谐振元件在激振力作用下能产生稳定振动。
进一步的，高频谐振模块的受激电极板与位于高频谐振元件一侧的激励电极板之间构成激励可变电容。当可变电容的两侧存在交变的电压作用时，产生的交变静电力驱动高频谐振元件产生持续稳定的振动。
进一步的，高频谐振模块的受激电极板与位于高频谐振元件另一侧的激励电极板之间构成检测可变电容。高频谐振元件在交变静电力驱动下的稳定振动位移信号转化为可变电容的动态电流信号输出，从而实时采集高频谐振元件的振动信号。
进一步的，高频谐振器的闭环振荡回路通过读取高频谐振器的振动频率信息，利用反馈实现高频谐振元件的自激振荡，保证其频率信息可以被精确读取。
进一步的，激励电极板与谐振元件之间形成的可变电容的间隙大小决定了激振力和检测信号的强度。间隙的距离范围设置为1～10μm，可以保证激振力的大小足以使谐振元件达到稳定振动，并且振动信号也可以准确输出。
进一步的，高频和低频谐振梁分别产生自激振荡后，通过参数泵模块的动态刚度调制作用，实现高频和低频振荡器之间的能量交换。
综上所述，本发明通过参数泵的调制作用，实现了MEMS振荡器的频率稳定性的提升以及振荡器之间的参数锁定现象，有利于大幅提升时钟参考、惯性传感器件的性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的器件图；
图2为本发明的闭环测试原理图；
图3为本发明施加参数泵前后Allan方差对比图；
图4为本发明的闭环测试的参数锁定现象实验结果图，其中，(a)为参数泵信号分别进行正向和反向扫频时，低频振荡器的振荡频率的变化规律图，(b)为参数泵信号分别进行正向和反向扫频时，高频振荡器的振荡频率的变化规律图，(c)为参数泵信号分别进行正向和反向扫频时，高低频振荡器的振荡频率差值与参数泵信号频率之间的绝对频率差值的变化规律图；
图5为本发明的参数锁定区间与参数泵浦强度的关系图。
其中：1-1.低频谐振梁；1-2.第一固支锚点；1-3.第一金属电极层；1-4.第一受激电极板；1-5.第二固支锚点；1-6.第二金属电极层；2-1.高频谐振梁；2-2.第三固支锚点；2-3.第三金属电极层；2-4.第二受激电容板；2-5.第四固支锚点；2-6.第四金属电极层；4-1.低频谐振器第一激励电极；4-2.低频谐振器第一激励锚点；4-3.第五金属电极层；5-1.低频谐振器第二激励电极板；5-2.低频谐振器第二激励锚点；5-3.第六金属电极层；6-1.高频谐振器第一激励电极；6-2.高频谐振器第一激励锚点；6-3.第七金属电极层；7-1.高频谐振器第二激励电极板；7-2.高频谐振器第二激励锚点；7-3.第八金属电极层；8-1.参数泵发生器；8-2.加法器；9-1.第一鉴相器；9-2.第一低通；9-3.第一电压控制振荡器；10-1.第二鉴相器；10-2.第二低通；10-1.第二电压控制振荡器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于参数泵的MEMS振荡器，首次通过对弱机械耦合MEMS振荡器施加参数泵信号，动态调制谐振梁的线性刚度并实现高低振荡器之间的声子和能量传递，从而显著提高MEMS振荡器的频率稳定性。同时，通过调节参数泵的频率还可以实现振荡器的参数锁定现象，高频和低频振荡器的振荡频率之差始终与参数泵频率保持一致。综上，本发明利用参数泵的调制作用使得MEMS振荡器频率稳定性得到显著提升，并且实现了参数泵控制的参数锁定现象，在惯性传感、时钟参考等领域有非常大的研究价值。
请参阅图1，本发明一种基于参数泵的MEMS谐振器，MEMS谐振器结构包括低频谐振器模块、高频谐振器模块和共用梁模块，低频谐振器模块通过低频谐振梁1-1分别连接低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块；高频谐振器模块通过高频谐振梁2-1分别连接高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块；共用梁模块采用机械连接方式将低频谐振梁1-1和高频谐振梁2-1连接。
低频谐振器模块包括第一固支锚点1-2，第二固支锚点1-5，第一受激电容板1-4；第一固支锚点1-2和第二固支锚点1-5分别位于低频谐振梁1-1的两侧；第一固支锚点1-2和第二固支锚点1-5与硅基底连接，其上均匀溅射了第一金属电极层1-3和第二金属电极层1-6用于输入、输出电学信号。
低频谐振器第一激励模块包括低频谐振器第一激励电极4-1，低频谐振器第一激励锚点4-2和溅射在其上的第五金属电极层4-3；低频谐振器第一激励电极板4-1与低频谐振器第一激励锚点4-2相连，为第一受激电容板1-4提供激振力。
低频谐振器第二激励模块包括低频谐振器第二激励电极板5-1，低频谐振器第二激励锚点5-2和溅射其上的第六金属电极层5-3；低频谐振器第二激励电极板5-1与低频谐振器第二激励锚点5-2相连，在第一受激电容板1-4的另一侧提供激振力。
高频谐振器模块包括第三固支锚点2-2，第四固支锚点2-5，第二受激电容板2-4；第三固支锚点2-2和第四固支锚点2-5分别位于高频谐振梁2-1的两侧；第三固支锚点2-2和第四固支锚点2-5与硅基底连接，其上均匀溅射了第三金属电极层2-3和第四金属电极层2-6用于输入、输出电学信号。
高频谐振器第一激励模块包括高频谐振器第一激励电极6-1，高频谐振器第一激励锚点6-2和溅射在其上的第七金属电极层6-3；高频谐振器第一激励电极板6-1与高频谐振器第一激励锚点6-2相连，为第二受激电容板2-4提供激振力。
高频谐振器第二激励模块包括高频谐振器第二激励电极板7-1，高频谐振器第二激励锚点7-2和溅射其上的第八金属电极层7-3；高频谐振器第二激励电极板7-1与高频谐振器第二激励锚点7-2相连，在第二受激电容板2-4的另一侧提供激振力。
低频谐振器1-1、第一受激电极板1-4、低频谐振器第一激励电极板4-1、低频谐振器第二激励电极板5-1、高频谐振器2-1、第二受激电极板2-4和高频谐振器第一激励电极板6-1、高频谐振器第二激励电极板7-1下方均镂空，谐振梁结构悬空于硅基器件上并由第一固支锚点1-2、第二固支锚点1-5、第三固支锚点2-2、第四固支锚点2-5提供支撑。
低频谐振梁1-1和高频谐振梁2-1是双端固支的单梁，长度范围是10～500μm，单根梁的宽度范围是1～10μm。
第一固支锚点1-2、第二固支锚点1-5、第三固支锚点2-2、第四固支锚点2-5、第一激励锚点4-2、第二激励锚点5-2、第一激励锚点6-2、第二激励锚点7-2均与结构基底相连，主体形状为正方形，边长范围是100～300μm。
第一金属电极层1-3、第二金属电极层1-6、第三金属电极层2-3、第四金属电极层2-6、第五金属电极层4-3、第六金属电极层5-3、第七金属电极层6-3、第八金属电极层7-3的形状均为正方形，其边长尺寸范围是80～250μm。
第一受激电极板1-4与第一激励电极板4-1和第二激励电极板5-1之间，第二受激电极板2-4与第一激励电极板6-1和第二激励电极板7-1之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离范围是1～10μm。
请参阅图2，对本发明一种基于参数泵的MEMS振荡器进行闭环测试，MEMS谐振器的低频谐振器模块与低频振荡器闭环振荡回路连接，并经加法器与参数泵模块的参数泵发生器连接，MEMS谐振器的高频谐振器模块与高频振荡器闭环振荡回路连接，通过参数泵模块对系统施加参数泵动态刚度调制信号。低频振荡器闭环振荡回路和高频振荡器闭环振荡回路分别使低频谐振梁1-1和高频谐振梁2-1在其谐振频率附近发生闭环振荡，参数泵模块对低频谐振梁1-1施加动态刚度调制信号。
具体的，第五金属电极4-3和第六金属电极层5-3接入低频振荡器闭环振荡回路中，低频振荡器闭环振荡回路包括第一鉴相器9-1、第一低通9-2、第一电压控制振荡器VCO9-3，形成低频振荡器，其中第一鉴相器9-1通过内置的乘法器判断第六金属电极层5-3的振荡信号和反馈信号之间的相位差，实现对第一电压控制振荡器VCO9-3控制，VCO产生的交流信号在输出频率的同时，提供激励交流电压施加于第五金属电极4-3上，使得低频谐振梁1-1进行自激振荡。
第七金属电极6-3和第八金属电极层7-3接入高频振荡器闭环振荡回路中，闭环高频振荡器闭环振荡回路包括第二鉴相器10-1、第二低通10-2、第二电压控制振荡器VCO10-3，形成高频振荡器，其中第二鉴相器10-1通过乘法器判断第八金属电极层7-3的振荡信号和反馈信号之间的相位差，实现对第二电压控制振荡器VCO10-3控制，VCO产生的交流信号使高频谐振梁2-1产生自激振荡。
参数泵模块的参数泵发生器8-1产生参数泵动态刚度调制信号，参数泵信号通过加法器8-2与低频振荡器闭环振荡回路的激励信号共同施加于第五金属电极层4-3，对系统进行刚度调制。参数泵信号通过介导声子的传递而使得两梁发生强烈的能量交换和模态耦合，从而实现频率稳定性的提升。
参数泵频率ωp的初始值为Δω＝ω3-ω1，其中，ω3为高频谐振梁2-1即高频梁的谐振频率，ω1为低频谐振梁1-1即低频梁的谐振频率。参数泵信号的强度Vp调节范围为0至5V，通过激励电极板组成的电容对振荡器系统施加振幅为
的线性刚度调制。
此时，低频谐振梁1-1的线性刚度kl＝k+Ap cos(ωpt)，其中，ε为介电常数，S为电容极板的有效面积，Vdc1为施加于第五金属电极层的直流电压大小，g为电容极板的间隙大小，k为低频谐振梁1-1固有的线性刚度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，当低频谐振器和高频谐振器分别通过闭环振荡回路构成振荡器并稳定振荡后，使用参数泵模块8的参数泵发生器8-1，在第五金属电极层4-3对低频谐振梁1-1施加参数泵信号，动态调制低频谐振梁1-1和高频谐振梁2-1的线性刚度，从而在两个谐振器之间介导声子的传递，实现能量交换和模态耦合。大幅的能量传递，使得振荡器的振荡频率相较于未加参数泵信号前，得到了显著的提高。分别通过Allan方差计算施加参数泵信号前后，振荡器的频率稳定性。具体请参阅图3，当积分时间大于1s时，振荡器的频率稳定性得到了一个数量级以上的提升。
其次，对参数泵信号进行正向和反向扫频，观察到低频振荡器和高频振荡器的振荡频率存在参数锁定的现象，具体规律请参阅图4a、b。当进行正向频率扫描时，存在一个参数泵频率区间，进入该频率区间后，发生参数锁定，低频振荡器的振荡频率随着参数泵频率的增大而线性减小，同时，高频振荡器的振荡频率随着参数泵频率的增大而线性增大。当参数泵频率增大到某个特定的值之后，两个振荡器同时发生振荡状态及振荡频率的突变，振荡频率不再随着参数泵的频率而变化。将该发生振荡状态突变的特定参数泵频率定义为参数锁定上限频率。
当进行反向频率扫描时，存在一个参数泵频率区间，进入该频率区间后，发生参数锁定，低频振荡器的振荡频率随着参数泵频率的减小而线性增大，同时，高频振荡器的振荡频率随着参数泵频率的减小而线性减小。当参数泵频率减小到某个特定的值之后，两个振荡器同时发生振荡状态及振荡频率的突变，振荡频率不再随着参数泵的频率而变化。将该发生振荡状态突变的特定参数泵频率定义为参数锁定下限频率。参数锁定区间即为参数锁定上下限频率定义的区域。
请参阅图4c，当扫频过程中发生参数锁定时，高低频振荡器的振荡频率差ωb-ωa与泵浦频率ωp之间的绝对频率差值δωp＝(ωb-ωa)-ωp，始终保持为0，即高低频振荡器的振荡频率之差跟随着参数泵频率以相同大小和方向变化，表现出频率的锁定现象。
其中，参数锁定现象可以通过多尺度法和边带理论解释，具体的，通过多尺度法可以求解得到高频谐振梁2-1与低频谐振梁1-1的摄动项，分别提取中摄动项中的对参数锁定现象有贡献的边带：
边带1：
边带2：/>
分别是低频谐振梁1-1和高频谐振梁2-1摄动项中的边带，其中β为模态间耦合系数，M和N分别为低频谐振梁1-1和高频谐振梁2-1的一阶近似解振幅，ωl1和ωl2分别为低频谐振梁1-1和高频谐振梁2-1的线性谐振频率，ωp为泵浦频率，T0为时间，i为复数。
首先，定义一个失谐参数εσp＝ωp-(ωl2-ωl1)来描述参数泵频率的变化量，边带1的频率为ωs1＝ωl2-ωp＝ωl1-εσp，会迫使低频谐振梁1-1的振荡频率随着泵浦频率的变化而反向变化，边带2的频率为ωs2＝ωl1+ωp＝ωl2+εσp，会迫使高频谐振梁2-1的振荡频率随着泵浦频率的变化而同向变化，解释了泵浦频率变化时，高频谐振梁2-1和低频谐振梁1-1振荡频率反向变化的现象。其次，两个边带之间的频率差Δωs＝ωs2-ωs1＝2ωp-(ωl2-ωl1)＝ωp+εσp，恰好使得高频谐振梁2-1与低频谐振梁1-1之间的振荡频率差值始终与泵浦频率保持一致。
参数锁定区间的大小对参数泵强度的依赖关系显示于图5中，通过在不同的参数泵强度下进行参数泵信号的正向和反向扫频，根据参数锁定区间的定义获得不同参数泵信号强度下的参数锁定区间大小。具体表现为，参数锁定区间的带宽大小随着参数泵强度的增大而线性增大，泵浦强度在1500mV范围内变化时，参数锁定区间可以实现在176Hz范围内的灵活调节。
综上所述，本发明一种基于参数泵的MEMS振荡器，利用参数泵的动态刚度调制作用，通过在两个振荡器之间介导声子的传递，实现能量的交换和振动模态的耦合。两个振荡器之间发生的大幅能量交换，使得振荡频率稳定性得到显著的提升。这种基于参数泵动态刚度调制的MEMS振荡器频率稳定性提升方法，克服了利用内共振、同步现象等提高频率稳定性方法时，频率整数比要求难以满足的问题，便于在工程实际中的应用。此外，在耦合振荡系统中还产生了参数锁定现象，参数锁定发生时，高低频振荡器的振荡频率随着泵浦频率的变化分别同向和反向线性变化，且高低振荡器的频率差始终于泵浦频率保持一致。参数泵的频率稳定性改善作用和参数锁定现象，在时钟参考、惯性传感领域具有极高的潜在应用价值。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，包括低频谐振器模块、高频谐振器模块和共用梁模块，低频谐振器模块通过低频谐振梁(1-1)分别连接低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块；高频谐振器模块通过高频谐振梁(2-1)分别连接高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块；共用梁模块采用机械连接方式将低频谐振梁(1-1)和高频谐振梁(2-1)连接；低频谐振器模块与低频振荡器闭环振荡回路连接，并经加法器(8-2)与参数泵模块的参数泵发生器(8-1)连接，高频谐振器模块与高频振荡器闭环振荡回路连接；低频振荡器闭环振荡回路和高频振荡器闭环振荡回路分别使低频谐振梁(1-1)和高频谐振梁(2-1)在谐振频率处发生闭环振荡，参数泵模块对低频谐振梁(1-1)施加动态刚度调制信号。
2.根据权利要求1所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，低频谐振器模块包括第一固支锚点(1-2)，第二固支锚点(1-5)和第一受激电容板(1-4)；第一固支锚点(1-2)和第二固支锚点(1-5)分别位于低频谐振梁(1-1)的两侧；第一固支锚点(1-2)和第二固支锚点(1-5)与硅基底连接，第一固支锚点(1-2)上均匀溅射有第一金属电极层(1-3)，第二固支锚点(1-5)上均匀溅射有第二金属电极层(1-6)；第一受激电容板(1-4)设置在低频谐振梁(1-1)与低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块之间；低频谐振器第一激励模块包括低频谐振器第一激励电极(4-1)，低频谐振器第一激励锚点(4-2)和溅射在其上的第五金属电极层(4-3)；低频谐振器第一激励电极板(4-1)与低频谐振器第一激励锚点(4-2)相连，为第一受激电容板(1-4)提供激振力；低频谐振器第二激励模块包括低频谐振器第二激励电极板(5-1)，低频谐振器第二激励锚点(5-2)和溅射其上的第六金属电极层(5-3)；低频谐振器第二激励电极板(5-1)与低频谐振器第二激励锚点(5-2)相连，在第一受激电容板(1-4)的另一侧提供激振力。
3.根据权利要求2所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，频谐振器(1-1)、第一受激电极板(1-4)、低频谐振器第一激励电极板(4-1)和低频谐振器第二激励电极板(5-1)下方均镂空，谐振梁结构悬空于硅基器件上并由第一固支锚点(1-2)、第二固支锚点(1-5)提供支撑；第一固支锚点(1-2)、第二固支锚点(1-5)、第一激励锚点(4-2)和第二激励锚点(5-2)均与结构基底相连，第一固支锚点(1-2)、第二固支锚点(1-5)、第一激励锚点(4-2)和第二激励锚点(5-2)均为正方形结构，边长范围是100～300μm。
4.根据权利要求2所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，第一金属电极层(1-3)、第二金属电极层(1-6)、第五金属电极层(4-3)和第六金属电极层(5-3)的形状均为正方形，边长为80～250μm；第一受激电极板(1-4)与第一激励电极板(4-1)和第二激励电极板(5-1)之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离范围是1～10μm。
5.根据权利要求2所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，第五金属电极(4-3)和第六金属电极层(5-3)接入低频振荡器闭环振荡回路中，低频振荡器闭环振荡回路包括第一鉴相器(9-1)、第一低通(9-2)和第一电压控制振荡器(9-3)，第一鉴相器(9-1)通过内置的乘法器判断第六金属电极层(5-3)的振荡信号和反馈信号之间的相位差，实现对第一电压控制振荡器(9-3)控制，第一电压控制振荡器(9-3)产生的交流信号在输出频率的同时，提供激励交流电压施加于第五金属电极(4-3)上，使得低频谐振梁(1-1)进行自激振荡。
6.根据权利要求1所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，高频谐振器模块包括第三固支锚点(2-2)，第四固支锚点(2-5)，第二受激电容板(2-4)；第三固支锚点(2-2)和第四固支锚点(2-5)分别位于高频谐振梁(2-1)的两侧；第三固支锚点(2-2)和第四固支锚点(2-5)与硅基底连接，其上均匀溅射了第三金属电极层(2-3)和第四金属电极层(2-6)；第二受激电容板(2-4)设置在高频谐振梁(2-1)与高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块之间；高频谐振器第一激励模块包括高频谐振器第一激励电极(6-1)，高频谐振器第一激励锚点(6-2)和溅射在其上的第七金属电极层(6-3)；高频谐振器第一激励电极板(6-1)与高频谐振器第一激励锚点(6-2)相连，为第二受激电容板(2-4)提供激振力；高频谐振器第二激励模块包括高频谐振器第二激励电极板(7-1)，高频谐振器第二激励锚点(7-2)和溅射其上的第八金属电极层(7-3)；高频谐振器第二激励电极板(7-1)与高频谐振器第二激励锚点(7-2)相连，在第二受激电容板(2-4)的另一侧提供激振力。
7.根据权利要求6所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，高频谐振器(2-1)、第二受激电极板(2-4)和高频谐振器第一激励电极板(6-1)和高频谐振器第二激励电极板(7-1)下方均镂空，谐振梁结构悬空于硅基器件上并由第三固支锚点(2-2)、第四固支锚点(2-5)提供支撑；第三固支锚点(2-2)、第四固支锚点(2-5)、第一激励锚点(6-2)和第二激励锚点(7-2)均与结构基底相连，第三固支锚点(2-2)、第四固支锚点(2-5)、第一激励锚点(6-2)和第二激励锚点(7-2)均为正方形结构，正方形结构的边长为100～300μm。
8.根据权利要求6所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，第三金属电极层(2-3)、第四金属电极层(2-6)、第七金属电极层(6-3)、第八金属电极层(7-3)的形状均为正方形，其边长尺寸范围是80～250μm；第二受激电极板(2-4)与第一激励电极板(6-1)和第二激励电极板(7-1)之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离范围是1～10μm。
9.根据权利要求6所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，第七金属电极(6-3)和第八金属电极层(7-3)接入高频振荡器闭环振荡回路中，高频振荡器闭环振荡回路包括第二鉴相器(10-1)、第二低通(10-2)和第二电压控制振荡器(10-3)，第二鉴相器(10-1)通过乘法器判断第八金属电极层(7-3)的振荡信号和反馈信号之间的相位差，实现对第二电压控制振荡器(10-3)控制，第二电压控制振荡器(10-3)产生的交流信号使高频谐振梁(2-1)产生自激振荡。
10.根据权利要求1所述的基于参数泵的MEMS振荡器，其特征在于，低频谐振梁(1-1)和高频谐振梁(2-1)是双端固支的单梁，长度范围是10～500μm，单根梁的宽度范围是1～10μm。
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