CN117097289B - 微机电谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微机电谐振器，包括：内外布置的内谐振子和外谐振子，内谐振子包括阵列设置的面外电极和内谐振体以在施加激励信号时使内谐振体以具有第一频率的面外模态产生振动，外谐振子包括级联耦合的多个外谐振体和与之间隔设置面内电极以在施加激励信号时使外谐振体以具有第二频率的面内模态产生振动，第二频率与第一频率相比具有更高阶的模态频率，内谐振子与外谐振子通过耦合结构相连接，有利于两者之间的热量传递，两者可同时工作以实现高低双频输出。上述微机电谐振器，其基于MEMS组件的环境温度对双频输出信号进行补偿，亦可基于对MEMS组件的环境温度控制对单频输出信号进行频率稳定控制，进而提升频率输出信号的稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种微机电谐振器。
背景技术
微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)是一种基于微电子技术和微加工技术的一种高科技领域。MEMS技术可将机械构件、驱动部件、电控系统、数字处理系统等集成为一个整体的微型单元。MEMS器件具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，利用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事，物联网等领域中都有着十分广阔的应用前景。
与传统的石英振荡器相比，MEMS振荡器受温度影响的频率偏移仍然是一个有待解决的问题，频率随温度漂移的系数被称为TCF(（Temperature Coefficient ofFrequency）。由于单晶硅材料物理的特性，MEMS振荡器的频率温度系数可达-31ppm/℃，即温度每上升一度，振荡的频率便改变-0.003％。假设产品的温度应用范围为-40℃到85℃时，频率的漂移便高达3750ppm（parts per million，每百万单位），该频率温度系数对于现今大多终端系统的应用都是不能接受的。为此需要补偿由于温度降低谐振频率的变化量，而有效补偿的前提是准确获取引起谐振频率变化的温度测量结果。
现有技术中，目前已有的MEMS TCXO（温补振荡器）产品主要采用单谐振器双模态或双谐振器的方式来实现测温，并基于测得的温度信息对频率输出进行补偿。现阶段，单谐振器双模态结构通常使用方块谐振器，使用面内电极激发面内Lamé模态，使用面外电极激发面外弯曲模态；由于双模态中的拉梅（Lamé）模态谐振器的动态阻抗会随着谐振频率的上升而上升，为了保持较低的动态阻抗，拉梅（Lamé）模态通常工作在1~10MHz频率之间，在高频时钟（谐振器振动产生的时钟信号）的应用场合，往往需要使用锁相环进行额外的上变频，频率输出信号的稳定度变差。双谐振器结构通常采用两个谐振器并排放置的方式，在此结构排布下，如果在芯片的两侧存在温度差，两个谐振器之间也会存在温度梯度，导致测温的准确性受到影响。
因此，如何提升现有MEMS TCXO产品中的测温准确性和频率稳定度，已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机电谐振器和MEMS振荡器，用于解决现有的MEMS温补振荡器中测温准确性和频率稳定度不能满足应用需求的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机电谐振器，包括由下至上的衬底层、介质层和器件层，所述器件层包括内外布置的内谐振子和外谐振子，所述内谐振子包括内谐振体和面外电极，所述面外电极阵列设置于所述内谐振体上方以在施加激励信号时使所述内谐振体以具有第一频率的面外模态产生振动；所述外谐振子包括级联耦合的多个外谐振体和位于所述多个外谐振体内外两侧的面内电极，多个所述外谐振体环绕所述内谐振体设置且侧向连接至外围锚定部以使所述外谐振体悬空于所述衬底层之上，所述内谐振子与所述外谐振子通过设置于两者位移节点处的耦合结构实现机械耦合，以使所述内谐振体悬空于所述衬底层之上，所述面内电极与所述多个外谐振体间隔设置以在施加激励信号时使所述外谐振体以具有第二频率的面内模态产生振动；其中，所述第二频率与所述第一频率相比具有更高阶的模态频率。
可选地，所述外谐振体设置成相邻的外谐振体通过耦合部顺次耦合成环状，并且通过支撑梁侧向连接至所述外围锚定部，其中所述外谐振体与所述耦合部对角耦合或对边耦合。
可选地，所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为等腰梯形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各角部以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。
可选地，所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为方块形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各边中心位置以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。
可选地，所述内谐振体设置成通过中心锚点固定连接至所述衬底层，所述中心锚点配置用于向所述内谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述外谐振体施加直流偏置电压。
可选地，所述外围锚定部配置用于向所述外谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述内谐振体施加直流偏置电压。
可选地，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为硼，掺杂浓度为1.4e20cm-3。
可选地，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为磷，掺杂浓度为4.7e19cm-3。
本发明还提供一种MEMS振荡器，包括根据前述的微机电谐振器、控制电路系统、温度补偿单元，所述温度补偿单元包括温度补偿电路。
本发明提供一种MEMS振荡器，包括根据前述的微机电谐振器、控制电路系统、温度控制单元，所述温度控制单元包括温度测量电路和加热控制电路。
如上所述，本发明的一种微机电谐振器和MEMS振荡器，具有以下有益效果：
本发明的微机电谐振器，采用内外设置的外谐振子和内谐振子的组合，替代现有的双振子并排布置的方式，第一和外谐振子通过耦合结构相连接，有利于两者之间的热量传递，双谐振器单元可同时工作以实现高低双频输出；本发明的MEMS振荡器，利用外谐振子输出高频的谐振信号，内谐振子输出低频的谐振信号，获取温度强相关的频率信号，基于MEMS组件的环境温度对双频输出信号进行补偿，亦可基于对MEMS组件的环境温度控制对单频输出信号进行频率稳定控制，进而提升频率输出信号的稳定度；此外，基于高低双频输出信号的混频处理获取节拍频率，确定MEMS组件所处的环境温度，减少锁相环倍频处理，改善频率输出信号的相位噪声和抖动性能。
附图说明
图1显示为本发明的微机电谐振器的结构示意图。
图2显示为本发明微机电谐振器中外谐振子的局部结构和模态的示意图。
图3显示为本发明微机电谐振器中内谐振体的局部示意图。
图4显示为本发明微机电谐振器中外谐振子的结构参数表。
图5显示为本发明微机电谐振器中内谐振子的局部结构和模态的示意图。
图6显示为本发明的微机电谐振器另一示例的结构示意图。
图7显示为本发明微机电谐振器中外谐振子的局部结构和模态的示意图。
图8显示为本发明微机电谐振器中内谐振子的局部结构和模态的示意图。
图9为图解本发明硼重掺杂MEMS振荡器工作在两种模态的频率与温度关系曲线图。
图10为图解本发明硼重掺杂MEMS振荡器中生成的节拍频率与温度关系曲线图。
图11显示为本发明硼重掺杂MEMS振荡器的工作原理图。
图12为图解本发明硼重掺杂MEMS振荡器执行温度补偿方法的流程图。
图13显示为本发明磷重掺杂MEMS振荡器工作在两种模态的频率与温度关系曲线图。
图14显示为本发明磷重掺杂MEMS振荡器中节拍频率的频率与温度关系曲线图。
图15显示为本发明磷重掺杂MEMS振荡器另一示例的工作原理图。
图16为图解本发明磷重掺杂MEMS振荡器中使用加热控制电路进行温度控制的示意图。
附图标记说明：衬底层-10；介质层-20；器件层-30；内谐振体-310；中心锚点-312；面外电极-414；耦合梁-332；外谐振体-320；耦合部-322；面内电极-324；支撑梁-334；外围锚定部-326；直流偏置电压- Vbias；加热偏压- Vh。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
此后，参见图1~图8所示，将本发明提供的微机电谐振器进行具体说明，所述微机电谐振器包括由下至上的衬底层10、介质层20和器件层30，所述器件层30包括内外布置的内谐振子和外谐振子。
如图1所示，内谐振子包括内谐振体310，外谐振子包括级联耦合的多个外谐振体320，多个外谐振体320环绕所述内谐振体310设置，并且使内谐振体310和外谐振体320大体同心布置，此种布置方式具有较好的对称性，有利于减小内外谐振体之间的温度梯度，由此提升温度测量的精确度。其中，外谐振体320侧向连接至外围锚定部326以使所述外谐振体悬空于所述衬底层10之上，内谐振体310与外谐振体320通过设置于两者位移节点处的耦合结构实现机械耦合，以使所述内谐振体310悬空于所述衬底层10之上。
具体地，所述内谐振体310的上方阵列设置有面外电极以在施加激励信号时使所述内谐振体以具有第一频率的面外模态产生振动；所述多个外谐振体320的内外侧间隔设置有面内电极以在施加激励信号时使所述外谐振体以具有第二频率的面内模态产生振动；其中，所述第二频率与所述第一频率相比具有更高阶的模态频率。
基于上述技术方案，内谐振体和外谐振体分别通过面内电极和面外电极驱动，相互之间不存在信号干扰，而且内谐振体和外谐振体通过耦合结构实现机械耦合。
参见图2，外谐振体设置成相邻的外谐振体320通过耦合部322顺次耦合成环状，并且多个外谐振体320的内外侧设置有面内电极，其中所述面内电极324包括用于向外谐振体施加交流驱动信号。在一实施例中，外谐振体320各自形成为方块形，耦合部322也为方块形，外谐振体320与耦合部322可对边耦合以构成环形的外谐振子，例如方环形或圆环形的外谐振子。
所述外谐振体的振动模态包括面内剪切(face-shear)振动模态，面内剪切(face-shear)振动模态包括拉梅(Lamé)振动模态；所述内谐振体的振动模态包括面外弯曲（Face-bending）模态。
参见图3，器件层30还包括面外电极，位于内谐振体310的上方，相邻的面外电极配置用于施加激励以使所述内谐振体310工作在面外弯曲（Face-bending）模态，其中，内谐振体310由单个谐振单元组成，所述面外电极414用于向内谐振体施加交流驱动信号。
在图3所示的微机电谐振器中，所述耦合结构包括耦合梁332，所述耦合梁332可用于将内谐振体310与外谐振体320机械耦合，从而在电极的作用下产生振动，可以促进内谐振体310与外谐振体320之间的热传递，降低两者之间的温度偏移，进一步提升测温的准确性；较佳地，所述耦合梁332可设置于内谐振体310与外谐振体320振动幅度最小的位移节点，由此阻止谐振体之间的机械干扰。本申请的实施例中，根据耦合梁于内谐振体的连接位置以及外谐振体之间的级联方式，可以实现不同形式的双模态谐振器。
一种实现方式中，所述外谐振体配置为工作在面内剪切模态的谐振单元，所述面内剪切模态由分布在外谐振体内外侧的面内电极驱动。
具体地，如图6~图8所示，外谐振体320形成为方块形，外谐振体320与耦合部322可对角耦合以构成环形的外谐振子，耦合梁332分布于内谐振体310各边的中心位置以将所述内谐振体310与耦合部322对应连接，内谐振体工作在面外弯曲（Face-bending）模态，具有第一频率，所述第一频率为低频/低阶模态，通常在10MHz以下；外谐振体工作在高频面内剪切（Face-shear）模态，具有第二频率，所述第二频率为高频/高阶模态，通常在10MHz以上。在一示例中，外谐振体工作在高频面内剪切（Face-shear）模态，该面内剪切（Face-shear）模态的频率为35.5 MHz，内谐振体工作在面外弯曲（Face-bending）模态，该面外弯曲模态的频率为629 kHz。
进一步地，内谐振体310可以被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极414阵列设置于内谐振体310的上方，面外电极414配置为方块形，相邻的面外电极414用于向所述内谐振体310施加交流驱动信号。
在另一实现方式中，所述外谐振体配置为工作在拉梅（Lamé）模态的谐振单元，所述拉梅模态由分布在外谐振体320内外侧的面内电极驱动。
如图3和图5所示，外谐振体320形成为方块形，外谐振体320与耦合部322可对边耦合以构成方环形的外谐振子，耦合梁332分布于内谐振体310各角部，以将所述内谐振体310与位于外谐振子角部的耦合部322对应连接，内谐振体310工作在面外弯曲（Face-bending）模态，具有第一频率，所述第一频率为低频/低阶模态，通常在10MHz以下；外谐振体工作在高频拉梅（Lamé）模态，具有第二频率，所述第二频率为高频拉梅（Lamé）模态，通常在10MHz以上。在一示例中，外谐振体工作在高频拉梅（Lamé）模态，该拉梅（Lamé）模态的频率为50.73MHz，内谐振体工作在面外弯曲（Face-bending）模态，该面外弯曲模态的频率为866kHz。
进一步地，内谐振体310可以被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极414阵列设置于内谐振体310的上方，面外电极414配置为等腰梯形，相邻的面外电极414用于向所述内谐振体310施加交流驱动信号。
一实施例中，如图8所示，耦合梁332的一端连接至内谐振体310一边的中心位置，其另一端对应连接至位于环形外谐振子对应侧边中心位置的耦合部322，当外谐振体320工作在面内剪切模态时，耦合梁332于内谐振体的各边中心位置将所述内谐振体310与相邻外谐振体之间的耦合部322对应连接，使得谐振单元之间的机械耦合损耗最小化。
其他实施例中，如图5所示，耦合梁332的一端连接至内谐振体310各角部，其另一端对应连接至位于环形外谐振子角部的耦合部322，当外谐振体320工作在拉梅模态时，耦合梁332于内谐振体310的各角部将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部322对应连接，使得谐振单元之间的机械耦合损耗最小化。
在图2所示的微机电谐振器中，多个外谐振体320可顺次地耦合成环状，例如通过方块形耦合部322对角耦合或对边耦合成方环状，多个外谐振体320布置成阵列化的外谐振子且通过支撑梁334保持悬空于衬底层10之上，所述支撑梁334设置于外谐振子的各角部且将相应角部的耦合部322固定连接至外围锚定部326。一实施例中，所述外围锚定部326配置用于向所述外谐振体320施加直流偏置电压，经由耦合梁332将内谐振体310与外谐振体320连接，使得所述内谐振体310和所述外谐振体320可共用直流偏置电压，从而减少电极数目。
作为一种替代性或附加的实现方式，如图3所示，在需要满足高G值冲击或振动的应用条件下，可在内谐振体的中心设置额外的中心锚点312，通过耦合梁（图3未示出）与额外的中心锚点312将内谐振体310连接至衬底层10，从而提高强度，以应对高G值冲击或振动。在一示例中，中心锚点312可配置用于向内谐振体310施加直流偏置电压，使得所述内谐振体310和所述外谐振体320可共用直流偏置电压。
为了验证本发明微机电谐振器在电性能方面的优势，采用外谐振子和内谐振子的优选实现方式进行仿真分析，所得的仿真参数及其结果示出于图4，由图可知，外谐振体的宽度为65µm，外谐振体单边的长度为845µm，外谐振体的厚度为40µm，面内电极与外谐振体间隔0.27µm，面内电极的交流电压0.1V，外谐振体的直流偏置电压为25V的条件下，仿真结果显示外谐振子工作在高频模态的动态阻抗为1.48kΩ，高频谐振模态的阻抗可以得到降低。在低阻抗的情况下也能实现高频拉梅(Lamé)振动模态信号输出，不再需要使用锁相环进行额外的上变频，从而避免使用锁相环进行额外的上变频导致频率输出信号的相位噪声和抖动性能变差的问题。
本申请的实施例中，结合图9~图16，提供一种MEMS振荡器。
此前本申请实施例提供的MEMS振荡器中微机电谐振器的单晶硅器件层不同掺杂方式进行说明，下面将对MEMS振荡器进行详细描述。
一种实现方式中，参见图9~图12。其中，图11显示为本发明硼重掺杂MEMS振荡器的工作原理图，微机电谐振器加工在硼重掺杂的单晶硅器件层上时，器件层硼重掺杂浓度为1.4e20cm-3。MEMS振荡器包括：前述的微机电谐振器、控制电路系统、温度补偿单元，所述温度补偿单元包括温度补偿电路。所述温度补偿单元与所述微机电谐振器的输出端电连接以获取所述内谐振子输出的第一频率的第一电信号和所述外谐振子输出的第二频率的第二电信号，以及基于所述第一频率和所述第二频率获取第三频率，用于指示MEMS组件的环境温度，其中所述第一频率为kHz级的频率信号，所述第二频率为MHz级的频率信号，所述第三频率具有近似为线性的第三频率温度曲线；所述控制电路系统与所述温度补偿单元电连接以从所述第三频率获取MEMS组件的环境温度，确定用于所述第一电信号和所述第二电信号的补偿值，并基于所述第一电信号及其补偿值对第一电信号进行频率补偿，以及基于所述第二电信号及其补偿值对第二电信号进行频率补偿。
基于上述技术方案，通过采用双模态输出的微机电谐振器，其本身具有提升的测温准确度，由此改善频率的稳定度。
如图9所示，当谐振器加工在硼重掺杂的单晶硅器件层上时，器件层磷重掺杂浓度为1.4e20cm-3，外谐振子和内谐振子在-40℃~85℃范围内的频率变化可以控制在小于300ppm的范围。如背景所述，而普通的单晶硅MEMS振荡器在应用范围为-40℃到85℃时，频率的漂移高达3750ppm，由此可见，在一定的温度范围内本申请的外谐振子和内谐振子的频率漂移得到显著的改善，相对的，谐振器的性能也能得到提高。
参见图10，可以基于第一频率和第二频率，获取第三频率，即节拍频率（Beatfrequency），节拍频率被定义为两个模态频率/>和/>的线性组合：/>，其中当，/>时，节拍频率与温度的关系曲线图，如图10所示，所示的节拍频率具有具有近似为线性的频率与温度关系曲线，利用所述节拍频率进行温度测量，其灵敏度可达到119ppm/K。
在图11所示的MEMS振荡器中，所示的控制电路系统连接至温度补偿单元，用于向所述温度补偿单元发送补偿值，以指示所述温度补偿单元对环境温度影响进行补偿。
具体地，控制电路系统包括存储单元，所述存储单元存储有所述MEMS组件的环境温度与补偿值的对应关系，所述控制电路系统与所述存储单元通信以基于所述温度补偿单元获取的MEMS组件环境温度，采用查表法，根据由经验数据预先设定的数据库来确定在当前环境温度下的补偿值，确定在当前环境温度下的补偿值。举例而言，将所述MEMS振荡器置于可确定温度的空间并逐步调节温度以获取多个实际输出信号的频率，且记录各频率所对应的温度，通过多组对应的频率和温度来进行曲线拟合比如获取频率温度曲线，从而获取各个温度对应的补偿值并储存环境温度信息转换成补偿电压信号。
可选地，所述温度补偿单元包括小数分频器或小数锁相环电路，配置成分别以所述内谐振子输出的第一电信号作为参考频率输入从所述小数分频器或小数锁相环电路输出经过补偿的第一电信号，以所述外谐振子输出的第二电信号作为参考频率输出经过补偿的第二电信号。
可选地，所述MEMS振荡器包括第一振荡电路和第二振荡电路，所述第一振荡电路与所述内谐振子的输入端电连接以驱动所述内谐振子生成第一频率的第一电信号，所述第二振荡电路与所述外谐振子的输入端电连接以驱动所述外谐振子生成第二频率的第二电信号，其中所述第一频率为kHz级的频率信号，所述第二频率为MHz级的频率信号。
进一步地，图11显示为本发明MEMS振荡器的工作原理图，所示的MEMS振荡器还包括第一调整电路和第二调整电路，所述第一调整电路电连接至温度补偿单元以根据应用场景对经过补偿的第一频率进行处理，以及所述第二调整电路电连接至温度补偿单元以根据应用场景对经过补偿的第二频率进行处理以获取预定频率范围的双频信号，经过处理的频率信号通过缓冲放大电路输出；其中所述第一调整电路和所述第二调整电路的频率处理方式包括分频处理或倍频处理。
在另一实现方式中，参见图13~图16。其中，图15显示为本发明磷重掺杂MEMS振荡器另一示例的工作原理图。微机电谐振器加工在磷重掺杂的单晶硅器件层上时，器件层磷重掺杂浓度为4.7e19cm-3。MEMS振荡器包括：根据前述的微机电谐振器、控制电路系统、温度控制单元，所述温度控制单元包括温度测量电路和加热控制电路。所述温度控制单元与所述微机电谐振器的输出端电连接以获取所述内谐振子输出的第一频率的第一电信号和所述外谐振子输出的第二频率的第二电信号，以及基于所述第一频率和所述第二频率获取第三频率，用于指示MEMS组件的环境温度，其中所述第一频率为kHz级的频率信号，所述第二频率为MHz级的频率信号，所述第三频率具有近似为线性的第三频率温度曲线；所述控制电路系统与所述温度控制单元电连接以从所述第三频率获取MEMS组件的环境温度。所述加热控制电路配置以指示在所述外谐振体上叠加加热偏置电压，用于将所述外谐振体电加热至目标温度。
具体地，所述加热控制电路用于向外谐振体施加加热偏置电压，所述加热控制电路与所述温度测量电路的输出端电连接以将提取的MEMS组件环境温度与目标温度进行比较，确定用于电加热外谐振体的偏置电压值，以实现加热电压的负反馈控制。
如图13所示，图13显示为本发明磷重掺杂MEMS振荡器工作在两种模态的频率与温度关系曲线图，当谐振器加工在磷重掺杂的单晶硅器件层上时，器件层磷重掺杂浓度为4.7e19cm-3。在-40℃~150℃范围内，内谐振子具有近似为线性的频率温度曲线，便于进行温度测量，外谐振子的频率温度曲线在温度110℃时具有拐点，拐点处的外谐振子的频率温度系数接近零值，在110℃附近，外谐振子的振动频率（第二频率）受温度的影响而产生的温度漂移很小，输出的频率（第二频率）具有极高的温度稳定性。
从第三频率与温度的关系曲线中提取出MEMS组件的环境温度信息，实施方式如前述实施例所述，此处不再详述。参见图14，图14显示为本发明磷重掺杂MEMS振荡器中节拍频率的频率与温度关系曲线图，所示的节拍频率具有具有近似为线性的频率与温度关系曲线，利用所述节拍频率进行温度测量，其灵敏度可达到约1641ppm/K。
基于上述技术方案，在确定MEMS组件的环境温度之后，可通过对外谐振体电加热使MEMS组件的环境温度达到目标温度，由此获得极高温度稳定性的第二频率输出信号。
具体地，所述加热控制电路与所述温度测量电路通信以将所确定的MEMS组件环境温度与目标温度进行比较，并且根据MEMS组件环境温度与目标温度的差值为负值，代表MEMS组件的环境温度未达到目标温度，指示加热控制电路输出加热偏置电压+Vh和-Vh，其中所述目标温度被设计为外谐振子频率温度曲线的拐点温度；或者，根据MEMS组件环境温度与目标温度的差值近似为零，代表MEMS组件的环境温度接近外谐振子频率温度曲线的拐点温度，指示加热控制电路停止施加加热偏置电压，由此实现加热电压的负反馈控制。另外，在本发明的其他实施例中，亦可建立温度差值ΔT与所述外谐振体上叠加的加热偏置电压大小的关系曲线，如此即可将外谐振体的温度控制在频率温度曲线的温度拐点附近。
例如，如图16所示，MEMS振荡器中，加热控制电路输出加热偏置电压+Vh和-Vh，所述加热偏置电压+Vh和-Vh叠加在外谐振体的直流偏置电压Vbias上，用于对外谐振体进行实现电加热。通过加热控制电路将外谐振体的温度控制在外谐振子频率温度曲线的温度拐点110℃附近，所述第二调整电路对第二电信号进行处理，经过处理的第二电信号通过缓冲放大电路输出，可以获得极高温度稳定性的第二频率信号，在全温范围，诸如-40℃~150℃的范围，将频率信号的温度漂移控制在10ppb以下。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所披露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一方面，所显示或讨论的相互之间的耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
本发明的MEMS振荡器，采用内外设置的外谐振子和内谐振子的双谐振子组合，内外谐振子成中心环绕排布，替代现有的单谐振器双模态结构使用方块谐振器方式，内谐振体和外谐振体通过耦合梁相连接，有利于两者之间的热量传递，双谐振子可同时工作以实现高低双频输出；本发明的MEMS振荡器，利用外谐振子输出高频的谐振信号，内谐振子输出低频的谐振信号，获取温度强相关的频率信号，基于MEMS组件的环境温度对双频输出信号进行补偿；基于对MEMS组件的环境温度控制对高频输出信号进行频率稳定控制；进而提升频率输出信号的稳定度。此外，在低阻抗的情况下也能实现高频拉梅(Lamé)振动模态信号输出，不再需要使用锁相环进行额外的上变频，从而避免单谐振器双模态结构使用锁相环进行额外的上变频导致频率输出信号的相位噪声和抖动性能变差的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种微机电谐振器，包括由下至上的衬底层、介质层和器件层，其特征在于：所述器件层包括内外布置的内谐振子和外谐振子，所述内谐振子包括内谐振体和面外电极，所述面外电极阵列设置于所述内谐振体上方以在施加激励信号时使所述内谐振体以具有第一频率的面外模态产生振动，输出低频的谐振信号；所述外谐振子包括级联耦合的多个外谐振体和位于所述多个外谐振体内外两侧的面内电极，多个所述外谐振体环绕所述内谐振体设置且侧向连接至外围锚定部以使所述外谐振体悬空于所述衬底层之上，所述内谐振子与所述外谐振子通过设置于两者位移节点处的耦合结构实现机械耦合，以使所述内谐振体悬空于所述衬底层之上，所述面内电极与所述多个外谐振体间隔设置以在施加激励信号时使所述外谐振体以具有第二频率的面内模态产生振动，输出高频的谐振信号；其中，所述第二频率与所述第一频率相比具有更高阶的模态频率，利用所述外谐振子输出高频的谐振信号，以及所述内谐振子输出低频的谐振信号，获取温度强相关的频率信号，基于外谐振子和内谐振子的环境温度对双频输出信号进行补偿；或者，基于对外谐振子或内谐振子的环境温度控制对单频输出信号进行频率稳定控制。
2.根据权利要求1所述的微机电谐振器，其特征在于：所述外谐振体设置成相邻的外谐振体通过耦合部顺次耦合成环状，并且通过支撑梁侧向连接至所述外围锚定部，其中所述外谐振体与所述耦合部对角耦合或对边耦合。
3.根据权利要求2所述的微机电谐振器，其特征在于：所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为等腰梯形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各角部以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。
4.根据权利要求2所述的微机电谐振器，其特征在于：所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述面外电极配置为方块形以用于向所述内谐振体施加交流驱动信号；所述耦合结构包括耦合梁，所述耦合梁分布于内谐振体各边中心位置以将所述内谐振体与相邻外谐振体之间的耦合部对应连接。
5.根据权利要求4所述的微机电谐振器，其特征在于：所述内谐振体设置成通过中心锚点固定连接至所述衬底层，所述中心锚点配置用于向所述内谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述外谐振体施加直流偏置电压。
6.根据权利要求4所述的微机电谐振器，其特征在于：所述外围锚定部配置用于向所述外谐振体施加直流偏置电压，以及经由所述耦合梁向所述内谐振体施加直流偏置电压。
7.根据权利要求1所述的微机电谐振器，其特征在于，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为硼，掺杂浓度为1.4e20cm-3。
8.根据权利要求1所述的微机电谐振器，其特征在于，所述器件层具有掺杂材料，所述掺杂材料为磷，掺杂浓度为4.7e19cm-3。
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