一種基于振動模態(tài)耦合的MEMS振蕩器及控制方法與流程

【技術領域】

本發(fā)明涉及mems振蕩器技術領域，特別涉及一種基于振動模態(tài)耦合的mems振蕩器及控制方法。

背景技術：

幾乎所有的電子產品系統(tǒng)都需要時鐘，并且系統(tǒng)越復雜需要的時鐘器件就越多，對穩(wěn)定性的要求也越高。目前絕大部分高性能電子系統(tǒng)的計時都是以石英晶體為基礎的振蕩器、諧振器。受到電子產品體積越來越小、系統(tǒng)越來越復雜等趨勢的影響，時鐘元件也必須往小巧、低功耗、高集成度的方向發(fā)展，石英晶體諧振器做得愈小，質量因子值愈低，效能和相位噪聲也愈差。mems諧振器的出現打破了這一困局，它是基于微機電系統(tǒng)而制造的一種可編程硅基振蕩器。相較于石英晶體振蕩器，mems諧振器能提供更小的尺寸和更高的性能，而且它還能依循半導體技術和工藝的演進而做到尺寸越來越小、性能越來越高和成本越來越低，持續(xù)改善性能。同時與傳統(tǒng)的石英產品相比，硅基mems振蕩器穩(wěn)定性好、可編程、支持頻率范圍廣、可靠性和魯棒性都非常好。

一般的mems諧振器和振蕩器可以簡單地認為是一個不斷振動的振子，傳統(tǒng)的mems振蕩器基本上采用單一的工作模態(tài)，如cn201110222194，cn201180001810和cn201310178827。但一個諧振機構作為一個質量連續(xù)體具有無窮多個自由度，真實的諧振系統(tǒng)往往具有多種振動模態(tài)并且這些模態(tài)間往往存在耦合關系。

技術實現要素：

本發(fā)明提供了一種基于振動模態(tài)耦合的mems振蕩器及控制方法，同時實現不同模態(tài)的自激振蕩。

本發(fā)明采用以下技術方案：

一種基于振動模態(tài)耦合的mems振蕩器，包括諧振機構、檢測電路，以及反饋電路；諧振機構由soi片制成，包括兩個并列排布的懸臂梁結構，每個懸臂梁結構的一端通過錨點懸空設置，另外一端連接質量塊，兩個質量塊之間通過連接梁連接，確保電流導通；所述諧振機構進一步包括第一和第二電極、第三和第四電極，以及第五和第六電極，所述第一和第二電極分別與懸臂梁一端的錨點連接，第三和第四電極分別通過靜電力作用在兩個質量塊上用以實現諧振機構拉伸方向的振動，第五和第六電極布置在懸臂梁的一側用以實現諧振機構彎曲方向的振動，所述第一和第二電極進一步與外部的檢測電路連接，用以檢測諧振機構的兩種振動模態(tài)，所述反饋電路連接在檢測電路的輸出端，包括第一和第二反饋電路，其中，第一反饋電路的輸出端作用在第三和第四電極上以激勵第一種振動模態(tài)，第二反饋電路的輸出端作用在第五和第六電極上以激勵第二種振動模態(tài)。

所述的第一反饋電路和第二反饋電路均包括依次連接的反向放大器、帶通濾波器、相位調制器和增益控制器。

所述第三和第四電極不與諧振機構直接接觸，僅通過靜電力作用在質量塊上。

所述諧振機構進一步包括第七和第八電極，第七和第八電極是第五和第六電極的補充電極。

所述第七電極與第五電極分別對稱地設置在懸臂梁的兩側，所述第八電極與第六電極分別對稱地設置在懸臂梁的兩側。

一種基于振動模態(tài)耦合的mems振蕩器的控制方法，在第一電極和第二電極上加載電壓，形成電流流過諧振機構，當諧振機構產生不同振動模態(tài)的振動時，由于壓阻效應產生的電流信號變化被檢測電路捕捉，并分別進入到兩個反饋電路中，第一反饋電路將產生的信號在輸出頻率的同時，提供激振電壓vac1，配合偏置電壓作用在第三和第四電極上使拉伸模態(tài)進行自激振蕩，第二反饋電路將產生的信號在輸出頻率的同時，提供激振電壓vac2，配合偏置電壓作用在第五和第六電極上使彎曲模態(tài)進行自激振蕩。

彎曲模態(tài)的頻率增長正比于拉伸模態(tài)振幅的平方，而拉伸模態(tài)的頻率增長與彎曲模態(tài)振幅的平方呈現出了一定的非線性關系。

與現有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明在懸臂梁的一側設置有第五和第六電極用以實現諧振機構彎曲方向的振動，另外，第三和第四電極通過靜電力作用在質量塊上用以實現諧振機構拉伸方向的振動。實施時，通過在第一和第二電極上施加電壓，通過檢測電路檢測振動信號后，分別進入到第一和第二反饋電路，其中，第一反饋電路提供激振電壓vac1，再配合偏置電壓作用在第三和第四電極上使拉伸模態(tài)進行自激振蕩，第二反饋電路提供激振電壓vac2，配合偏置電壓作用在第五和第六電極上使彎曲模態(tài)進行自激振蕩。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明的結構俯視圖。

圖2為本發(fā)明兩種工作模態(tài)的振型圖，其中，圖2(a)為拉伸模態(tài)的振型圖，圖2(b)為彎曲模態(tài)的振型圖。

圖3為本發(fā)明的測量電路原理圖。

圖4為本發(fā)明兩種模態(tài)的諧振頻率曲線圖，其中，圖4(a)為拉伸模態(tài)的諧振頻率曲線圖，圖4(b)為彎曲模態(tài)的諧振頻率曲線圖。

【具體實施方式】

本發(fā)明的目的是提供一種基于振動模態(tài)耦合的mems振蕩器，使用標準化soi工藝制造，自下而上由單晶硅襯底、二氧化硅絕緣層和單晶硅結構層構成，其中結構層布置電極的位置附著一層金以便完成焊接封裝。

單晶硅結構層位置加工出諧振機構的本體及激勵與檢測所需電極。本發(fā)明mems振蕩器基于懸臂梁諧振機構，由兩個并列排布的懸臂梁5-1及5-2構成，懸臂梁長度233μm，寬度及厚度均為10μm。每個懸臂梁的左端由兩個與底部絕緣層固結的錨點7-1及7-2固定，使懸臂梁可以懸空于鏤空的襯底上。懸臂梁的右端連接長度為146μm寬度為35μm的質量塊6-1及6-2，該質量塊既用來在設計階段控制拉伸模態(tài)的諧振頻率，也作為拉伸模態(tài)激振力的受體傳遞激振力。兩個對稱的質量塊由一細小的連接梁8相連，用以確保電流導通實現壓阻法測量，該連接梁的長度和寬度分別為24μm及4μm。

兩諧振機構的錨點7-1及7-2與同樣與二氧化硅絕緣層相連的第一電極3-1與第二電極3-2相互連接，該第一和第二電極與外部的檢測電路相連，用以檢測諧振機構的兩種振動模態(tài)。第三電極1-1與第四電極1-2不與諧振機構直接接觸，而是通過靜電力作用在質量塊6-1及6-2上，實現諧振機構拉伸方向的振動。第五電極2-1與第六電極2-2布置在懸臂梁的一側用以實現諧振機構彎曲方向的振動。第七電極4-1與第八電極4-2為第五電極2-1與第六電極2-2的補充電極，其作用機理與前者相同。上述電極的主體部分為邊長180μm的正方形，上面附著有邊長為150μm的正方形金層。

相比較于單一模態(tài)的振蕩器，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

基于振動模態(tài)耦合的mems振蕩器，配合閉環(huán)控制器可以實現兩種振動模態(tài)的單獨或同時工作，輸出兩個頻率信號。且由于兩種模態(tài)間存在相互耦合關系，可以通過控制其中一模態(tài)的振幅調節(jié)另一模態(tài)的輸出頻率。同時由于兩個模態(tài)共享一個諧振結構，受溫度的影響相同，可以通過其中一個頻率信號對另一信號進行溫度補償。

下面結合附圖對本發(fā)明進一步詳細描述。

如圖1所示，本發(fā)明中的振蕩器采用靜電法激勵與壓阻法檢測，其中第一電極3-1與第二電極3-2間存在電勢差，第一電極3-1和第二電極3-2通過錨點7-1和7-2與兩根懸臂梁5-1和5-2相連，兩懸臂通過布置在質量塊6-1和6-2之間的連接梁8相互連接形成回路，使電流可以流過整個諧振器，進而通過檢測電流實現兩振動模態(tài)的壓阻法檢測，當結構發(fā)生變形時，由于壓阻效應的存在檢測電流將發(fā)生改變。第三電極1-1與第四電極1-2提供交變靜電力實現拉伸模態(tài)的激振，而分布在懸臂梁兩側的第五電極2-1、第六電極2-2、第七電極4-1和第八電極4-2用以提供彎曲模態(tài)的激振力。

如圖2所示，本發(fā)明選用了懸臂梁縱向的拉伸模態(tài)與橫向的彎曲模態(tài)作為振蕩器的工作模態(tài)，兩種模態(tài)的振型圖如圖所示，為了更明顯的表達內容兩種模態(tài)的振幅均被放大，實際工作時振幅均在納米量級。

如圖3所示，本發(fā)明使用一個差分電路檢測兩個模態(tài)的振動信號，同時使用兩個閉環(huán)系統(tǒng)對兩模態(tài)進行反饋控制而實現同時自激振蕩。諧振器的第一電極3-1和第二電極3-2分別被加載+0.5vd和-0.5vd的電勢，由于諧振器使用單晶硅半導體材料，可以形成電流id流過整個諧振機構。當兩懸臂梁發(fā)生拉伸或彎曲變形時，由于壓阻效應的緣故檢測電流id將產生變化，該信號變化可由位于圖右上方的差分檢測電路拾取，同時該電路也可以將饋通信號的干擾消除。由差分檢測電路輸出的信號同時進入兩組閉環(huán)反饋系統(tǒng)中，每一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)都由：反向放大器、帶通濾波器、相位調制器和增益控制器構成，由于拉伸與彎曲模態(tài)的頻率相差很遠，輸出信號中包含的兩組頻率信號可由帶通濾波器進行分選。其中第一組閉環(huán)反饋系統(tǒng)產生的信號在輸出頻率的同時，提供激振電壓vac1，配合偏置電壓vdc1作用在第三電極1-1和第四電極1-2上使拉伸模態(tài)進行自激振蕩。第二組閉環(huán)反饋系統(tǒng)同理作用于第五電極2-1和第六2-2上保證彎曲模態(tài)的自激振蕩及穩(wěn)定的頻率輸出。

如圖4所示，本發(fā)明中諧振機構的拉伸振動模態(tài)與彎曲振動模態(tài)不僅可以同時存在，也存在一定的耦合關系：圖中顯示了兩個模態(tài)的諧振頻率與另一模態(tài)振幅的關系曲線。可見不管是拉伸還是彎曲模態(tài)，當其中某一模態(tài)的振幅增大時，另一模態(tài)的諧振頻率也將增大。并且，彎曲模態(tài)的頻率增長正比于拉伸模態(tài)振幅的平方，而拉伸模態(tài)的頻率增長與彎曲模態(tài)振幅的平方呈現出了一定的非線性關系。

本發(fā)明的振蕩器可以實現在一個諧振結構中兩種振動模態(tài)的同時自激振蕩，同時輸出兩個頻率；并且，兩模態(tài)的諧振頻率可以通過控制振幅進行調節(jié)；同時，由于兩振動模態(tài)共享一個諧振結構，受溫度的影響相同，其中一個模態(tài)的溫度漂移也會體現在另一模態(tài)上，借助同時輸出的兩個頻率可以進行溫度補償。