一种硅MEMS谐振器及其本体压阻热实现频率漂移自补偿方法

摘要

本发明公开了一种硅MEMS谐振器及其本体压阻热实现频率漂移自补偿方法，通过MEMS振荡器激励电极给予谐振器交流电激励信号，频率等于谐振器本身频率使谐振器发生振荡，检测电极将采集的谐振器振荡信号分成两路，一路通过闭环振荡系统以实现闭环振荡，另一路输送给频率读取装置，频率读取装置采集信号频率，并将频率数据实时传输给频率‑电压处理模块，频率‑电压处理模块对信号频率进行处理，将实际频率与设定频率之间的误差转化为电压信号，经过数/模电压转换模块实现电压信号的数模转换，将压电信号输入MEMS谐振结构两端电极，偏置电压发生变化使得MEMS谐振器所产生压阻热发生改变，振荡频率始终稳定在设定频率附近，实现频率漂移的补偿。

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种硅MEMS谐振器及其本体压阻热实现频率漂移自补偿方法及系统。

背景技术

近年来MEMS谐振器由于其小型化、与COMS电子集成度高、受惯性加速度频漂小、低杂质封装、抗冲击能力强等优点使其具有替代传统石英晶振能力，在定时和频率控制等方面取得广泛应用。如何提高MEMS谐振器的频率稳定性，降低相位噪声备受学者关注。

谐振器频率偏移因素包含环境温度的改变、振动、惯性力的改变、老化等，这些因素的结合使得谐振器的稳定性随振荡时间增长而下降，令其长时振荡的稳定性低于短时振荡稳定性的几个数量级。硅MEMS谐振器频率受温度影响最为严重。对谐振器输出频率的稳定性影响极大，此外随着使用时间的增加谐振器的频率会随着材料的老化而发生变化，因此通常被动和主动补偿方式降低温度灵敏度和老化率。

对于过去主动补偿方式中使用的温度补偿方式，设备复杂，不仅需要设置温度传感器，还需要设计环境热源，由于MEMS谐振器处于微尺度，热源和温度传感器的布局和与MEMS谐振器的空间距离都会影响温控精度，这种方法存在温度场分布不确定、热传导延迟等问题，此外该补偿方式功耗大。

对于过去主动补偿方式中使用的压控补偿方式，其是通过偏置电压调节谐振器本身的频率而产生的补偿，而振荡器的实际温度与环境温度相同，因此无法维持谐振器工作环境温度的稳定。而无法弥补在加工过程中，由于工艺原因所产生的残余应力会随温度的改变而影响传感器的工作状态的影响。

综上所述，目前亟需一种新的主动补偿方式，用于解决上述现有技术存在的问题。

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，提供一种硅MEMS谐振器及其本体压阻热实现频率漂移自补偿方法，通过改变其硅谐振器导通电流调节其本身所产生压阻热，利用硅谐振器频率-温度特性，对谐振器频率受外界因素所产生的漂移进行补偿。

本发明采用以下技术方案：

一种硅MEMS谐振器本体压阻热实现频率漂移自补偿方法，采集硅MEMS谐振器自激振荡的振动频率；根据振动频率数值，利用温度-频率关系结合算法计算补偿频率所需电压；对补偿频率所需电压进行数/模电压转换后输出直流电压；将直流电压作为硅MEMS谐振器本体偏置电压，使得硅MEMS谐振器的压阻热发生变化；根据硅谐振器频率-温度特性改变硅MEMS谐振器的本征频率，补偿硅MEMS谐振器受外界影响产生的频率漂移。

具体的，硅MEMS振荡器通过激励电极给予MEMS谐振器交流电激励信号，MEMS谐振器的检测端经压阻热频率补偿系统的闭环自激回路连接激励端实现自激振荡。

进一步的，闭环自激回路具体为：

激励端激励MEMS谐振器的本征频率，通过检测端将频率信号输出给增益为1的闭环电路，经闭环电路处理后将信号输送给激励端。

具体的，MEMS振荡器通过激励电极给予MEMS谐振器交流电激励信号，MEMS谐振器的检测端经压阻热频率补偿系统的频率-温度补偿回路连接本体加热端。

进一步的，本体加热端分布在MEMS谐振器的两侧。

进一步的，频率-温度补偿回路具体为：

向本体加热端设置偏置电压使MEMS谐振器产生压阻热，MEMS谐振器振动信号经检测端传输给频率读取模块，频率读取模块将频率信号实时传输给频率-电压处理模块，频率-电压处理模块将电压信号经数/模电压转换模块输送给本体加热端，以调控MEMS振荡器的压阻热。

更进一步的，频率读取装置负责处理MEMS振荡器检测端反馈的谐振器交流振荡信号，将检测信号的频率实时传输给频率-电压处理模块。

更进一步的，频率-电压处理模块负责处理频率读取装置传输的振荡器频率，将对应频率与初始设定频率之间的偏差转化为电压变化量，并得到该时刻的电压输出量，将电压输出量转化为模拟信号输入给数/模电压转换模块，并在下一次电压输出量变化之前，维持对应输出状态不变。

更进一步的，数/模电压转换模块将频率-电压处理模块输送的电压模拟信号转化为数字电压信号，改变本体加热端上设置的偏置电压，使得MEMS谐振器的压阻热发生变化，补偿MEMS谐振器受外界影响产生的频率漂移。

第二方面，一种硅MEMS谐振器，使用所述的硅MEMS谐振器本体压阻热实现频率漂移自补偿方法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种硅MEMS谐振器本体压阻热实现频率漂移自补偿方法，MEMS谐振器频率发生变化时，将频率偏移量转化为两端加热电压的改变量，使得MEMS谐振器所产生的压阻热发生变化，调控硅谐振器压阻热，利用硅谐振器频率-温度特性，由温度改变谐振器本征频率，补偿硅MEMS谐振器受外界影响产生的频率漂移，从而实现频率稳定，一方面避免了热源到谐振器的热传导时间导致的控制延迟，另一方面降低了功率损耗，所产生的压阻热被谐振器直接利用，最大限度的降低了热传导过程中的功率损耗。

进一步的，硅MEMS振荡器通过激励电极给予MEMS谐振器交流电激励信号，MEMS谐振器的检测端经压阻热频率补偿系统的闭环自激回路连接激励端实现自激振荡。

进一步的，闭环自激回路具体为：激励端激励MEMS谐振器的本征频率，通过检测端将频率信号输出给增益为1的闭环电路，经闭环电路处理后将信号输送给激励端。

进一步的，MEMS振荡器通过激励电极给予MEMS谐振器交流电激励信号，MEMS谐振器的检测端经压阻热频率补偿系统的频率-温度补偿回路连接本体加热端。

进一步的，本体加热端分布在MEMS谐振器的两侧，在本体加热端施加偏置电压后谐振器本体导通电流产生压阻热。

进一步的，频率-温度补偿回路具体为：向本体加热端设置偏置电压使MEMS谐振器产生压阻热，MEMS谐振器振动信号经检测端传输给频率读取模块，频率读取模块将频率信号实时传输给频率-电压处理模块，频率-电压处理模块将电压信号经数/模电压转换模块输送给本体加热端，以调控MEMS振荡器的压阻热。

进一步的，频率读取装置负责处理MEMS振荡器检测端反馈的谐振器交流振荡信号，并将检测信号的频率实时传输给频率-电压处理模块。

进一步的，频率-电压处理模块负责处理频率读取装置传输的振荡器频率，将对应频率与初始设定频率之间的偏差转化为电压变化量，并得到该时刻的电压输出量，将电压输出量转化为模拟信号输入给数/模电压转换模块，并在下一次电压输出量变化之前，维持对应输出状态不变。

进一步的，数/模电压转换模块将频率-电压处理模块输送的电压模拟信号转化为数字电压信号，改变本体加热端上设置的偏置电压，使得MEMS谐振器的压阻热发生变化，补偿MEMS谐振器受外界影响产生的频率漂移。

综上所述，本发明利用硅谐振器的温度-频率特性，采用改变谐振器工作温度的方式补偿其所产生的频率偏移。这时频率随温度变化较高的偏移量，使得维持在小功耗下的调控系统能够拥有较大的频率补偿范围，在谐振器加热方式上，采用对谐振器导通电流，利用其本身电阻产生压阻热，这种方式一方面避免了热源到谐振器的热传导时间导致的控制延迟，另一方面降低了功率损耗，所产生的压阻热被谐振器直接利用，最大限度的降低了热传导过程中的功率损耗。

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为本发明方法的流程图；

图2为本发明利用振荡器本体压阻热实时调控补偿频率漂移的装置连接示意图；

图3为本发明一种实施例系统图；

图4为本发明谐振器实测温度-频率曲线和加热功率-频率曲线图；

图5为本发明实施例谐振器在无补偿和有压阻热频率自补偿系统下的allan方差曲线图。

其中：2-1.MEMS谐振器；2-2.检测端；2-3.闭环电路；2-4.激励端；2-5.频率读取装置；2-6.频率-电压处理模块；2-7.数/模电压转换模块；2-8.本体加热端；3-1.放大器；3-2.带通滤波器；3-3.移相器；3-4.比较器；3-5.FPGA；3-6.读频模块程序；3-7.STM32频率-电压处理模块；3-8.PID控制算法程序；3-9.ADC数模转化器；4-1.第一固支锚点；4-2.激励端固支锚点；4-3.激励端金属电极；4-4.第二固支锚点；4-5.第一加热端电极；4-6.MEMS盘式谐振结构；4-7.第三固支锚点；4-8.检测端电极；4-9.检测端固支锚点；4-10.第二加热电极；4-11.第四固支锚点。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

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，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

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。

本发明提供了一种硅MEMS谐振器本体压阻热实现频率漂移自补偿方法，采用MEMS振荡器激励电极给予谐振器交流电激励信号，其频率等于谐振器本身频率使谐振器发生振荡，检测电极将采集的谐振器振荡信号分成两路，一路通过闭环振荡系统以实现闭环振荡，另一路输送给频率读取装置，频率读取装置采集信号频率，并将频率数据实时传输给频率-电压处理模块，频率-电压处理模块对信号频率进行处理，将实际频率与设定频率之间的误差转化为电压信号，经过数/模电压转换模块实现电压信号的数模转换，将该压电信号输入MEMS谐振结构两端电极，偏置电压发生变化使得MEMS谐振器所产生压阻热发生改变，由于谐振器频率随温度发生变化的特性，使得其振荡频率始终稳定在设定频率附近，从而实现频率漂移的补偿。

硅谐振器频率随温度变化较高的偏移量，使得维持在小功耗下的调控系统能够拥有较大的频率补偿范围。在谐振器加热方式上，我们采用对谐振器导通电流，利用其本身电阻产生压阻热。这种方式一方面避免了热源到谐振器的热传导时间导致的控制延迟，另一方面降低了功率损耗，所产生的压阻热被谐振器直接利用，最大限度的降低了热传导过程中的功率损耗。

请参阅图1，本发明一种硅MEMS谐振器本体压阻热实现频率漂移自补偿方法，MEMS谐振器频率发生变化时，压阻热频率补偿系统将频率偏移量转化为其两端加热电压的改变量，使得MEMS谐振器所产生的压阻热发生变化，由温度改变谐振器本征频率，从而实现频率稳定，具体步骤如下：

S1、硅MEMS谐振器进行自激振荡；

S2、利用频率读取装置采集步骤S1中硅MEMS谐振器自激振荡的振动频率，并将振动频率数值以二进制形式实时传输给频率-电压处理模块；

S3、频率-电压处理模块根据步骤S2发送的二进制形式振动频率数值，利用温度-频率关系结合算法计算补偿频率所需电压，并将补偿频率所需电压传输给数/模电压转换模块；

S4、数/模电压转换模块对步骤S3发送的补偿频率所需电压进行转换后输出直流电压，

S5、步骤S4输出的直流电压作为硅MEMS谐振器本体偏置电压，使得硅MEMS谐振器的压阻热发生变化；

S6、根据硅谐振器频率-温度特性，由步骤S5压阻热发生变化的温度改变硅MEMS谐振器的本征频率，补偿硅MEMS谐振器受外界影响产生的频率漂移，实现频率稳定；

S7、步骤S6完成后返回步骤S2，通过频率读取装置继续采集MEMS谐振器振动频率，进行下一次补偿，以此循环往复。

请参阅图2，硅MEMS谐振器2-1共有三类外部连接端口，包括检测端2-2、和激励端2-4和本体加热端2-8，其中，检测端2-2为输出端口，激励端2-4和本体加热端2-8为输出端口。

压阻热频率补偿系统包括频率读取装置2-5、频率-电压处理模块2-6、数/模电压转换模块2-7，其作用在于将频率信号的偏差量转化为直流电压信号的改变量；频率-电压处理模块的处理算法决定了补偿时间的延迟，调控的能力，频率稳定偏差以及超调量；数/模电压转换模块决定频率调控的理论最小精度。

频率读取装置2-5负责处理MEMS振荡器检测端2-2反馈的谐振器交流振荡信号，检测该信号频率，并将其转化为二进制量，实时传输给频率-电压处理模块2-6。其中频率读取装置2-5的精度决定了频率-电压处理模块2-6处理频率信号的最小偏差量，其检测频率决定了频率补偿频率。

频率-电压处理模块2-6负责处理频率读取装置传输的振荡器频率，通过内部算法将该频率与初始设定频率之间的偏差转化为电压变化量，并计算该时刻电压输出量，将电压量转化为模拟信号输入给数/模电压转换模块2-7，并在下一次电压输出量变化之前，维持该输出状态不变。频率-电压处理模块2-6的处理算法决定了频率补偿的响应延迟，调控的能力，频率稳定偏差以及超调量。

数/模电压转换模块2-7在接收到频率-电压处理模块输送的电压模拟信号后，将其转化为数字电压信号，并将其输送给MEMS振荡器两端的本体加热端2-8，直接调控MEMS振荡器的压阻热。

压阻热频率补偿系统包含两个回路，包括闭环自激回路和频率-温度补偿回路，

闭环自激回路具体为：

激励端2-4激励MEMS谐振器2-1本征频率，通过检测端2-2将频率信号输出给增益为1的闭环电路2-3，经过闭环电路处理后将信号输送给激励端2-4，实现自激振荡。

频率-温度补偿回路具体为：

在分布于MEMS谐振器2-1两侧的本体加热端2-8上设置偏置电压使得MEMS谐振器产生压阻热，MEMS谐振器2-1振动信号经检测端2-2传输给频率读取模块2-5，频率读取模块2-5将频率信号实时传输给频率-电压处理模块2-6，频率-电压处理模块2-6将频率误差转化为电压改变量，将所计算得到的电压信号传输给数/模电压转换模块2-7，数/模电压转换模块2-7将数电信号转换为模电信号，改变本体加热端上2-8所设置的偏置电压，使得MEMS谐振器压阻热发生变化，由于硅谐振器频率-温度特性，由温度改变谐振器本征频率，以此循环往复，从而补偿硅MEMS谐振器受外界影响产生的频率漂移。

温度对谐振器频率的改变方式是由于温度改变导致了硅材料的杨氏模量发生变化，进而影响了频率，

硅MEMS谐振器的频率f

其中，k＝C

盘式器件的频率f表示为：

其中，杨氏模量E

E

其中，E

硅MEMS振荡器激励电极给予谐振器交流电激励信号，其频率等于谐振器本身频率使谐振器发生振荡。检测电极将采集谐振器振荡信号分成两路，一路通过闭环振荡系统以实现自激振荡，另一路输送给频率读取装置。

硅MEMS振荡器由MEMS谐振结构、激励电极、检测电极、以及闭环反馈回路组成，硅MEMS谐振器两端设置有电极以导通加热电流，使其产生压阻热。

频率读取装置2-5处理信号后，将信号的频率实时传输给频率-电压处理模块，频率-电压处理模块对信号频率进行处理，将实际频率与设定频率之间的误差转化为电压信号，经过AD转化模块实现电压信号的数模转换，将该压电信号输入MEMS谐振结构两端电极，偏置电压发生变化使得MEMS谐振器所产生压阻热发生改变，由于其频率随温度发生变化的特性，使得其振荡频率始终稳定在设定频率附近，从而实现频率漂移的补偿。

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3，在MEMS谐振器的构成包括第一固支锚点4-1、第二固支锚点4-4、第三固支锚点4-7和第四固支锚点4-11，第一固支锚点4-1、第二固支锚点4-4、第三固支锚点4-7和第四固支锚点4-11分布通过各自连接梁与MEMS盘式谐振结构4-6相连接，用于支撑起整个谐振结构。

其中在第二固支锚点4-4上溅射有第一加热端电极4-5，在第四固支锚点4-11上溅射有第二加热端电极4-10，加热电极用于设置偏置电压，使得MEMS盘式谐振结构产生压阻热。

在MEMS盘式谐振结构4-6周围设置有激励端固支锚点4-2，用于固定激励端结构与MEMS盘式谐振结构4-6形成的电容结构，其间隙尺寸为1～10μm。激励端固支锚点4-2上检测溅射有激励端金属电极层4-3，用于施加外界交流激励电流。

在MEMS盘式谐振结构4-6周围设置有检测端固支锚点4-9，用于固定检测端结构与MEMS盘式谐振结构4-6形成的电容结构，其间隙尺寸为1～10μm。激励端固支锚点4-9上检测溅射有激励端金属电极层4-8，用于输出感应振荡信号。

固支锚点、激励锚点、检测锚点的外形均为正方形，其尺寸为100～300μm。金属电极层的外形均为正方形，其尺寸为100～300μm。

闭环电路2-3包括：放大器3-1、带通滤波器3-2、移相器3-3、比较器3-4。

频率读取装置2-5包括：放大器3-1、带通滤波器3-2、移相器3-3、比较器3-4、FPGA3-5及其内部设置频率读取模块程序3-6。

频率-电压处理装置2-6包括：STM32频率-电压处理模块3-7及其内部设置的频率-电压转换算法和PID控制算法3-8。

数/模电压转换模块由ADC数模转化器3-9构成。

硅MEMS谐振器闭环自激回路的工作原理为：

由激励端金属电极层4-3施加交流电信号激励MEMS盘式谐振结构4-6本征频率，通过检测端金属电极层4-8将频率信号输出给增益为1的由放大器3-1、带通滤波器3-2、移相器3-3、比较器3-4组成的闭环电路，经过闭环电路处理后将信号输送给激励端金属电极层4-3，实现自激振荡。

频率-温度补偿回路的工作原理为：

在第一加热端电极4-5和第二加热端电极4-10上设置偏置电压会使得MEMS盘式谐振结构4-6产生压阻热，MEMS盘式谐振结构4-6振动信号经检测端金属电极层4-8传输给由放大器3-1、带通滤波器3-2、移相器3-3、比较器3-4、FPGA3-5及其内部设置频率读取模块程序3-6组成的频率检测装置，频率检测装置将频率信号实时传输给由STM32频率-电压处理模块3-7及其内部设置的频率-电压转换算法和PID控制算法3-8组成的频率-电压处理装置，频率-电压处理装置将频率误差转化为电压改变量，将所计算得到的电压信号传输给ADC数模转化器3-9，ADC数模转化器3-9将数电信号转换为模电信号，改变第一加热端电极4-5和第二加热端电极4-10上所设置的偏置电压，使得MEMS谐振器压阻热发生变化，由于硅谐振器频率-温度特性，由温度改变谐振器本征频率，以此循环往复，从而补偿硅MEMS谐振器受外界影响产生的频率漂移。

请参阅图4，本发明实施例谐振器温度-频率偏移量，加热功率-频率偏移量的实测曲线，通过曲线计算可得频率随温度变化系数约为-2322m/℃。通过曲线计算可得频率随加热功率变化系数约为-8.0722m/mW。因此换算得到谐振器上升温度与加热功率之间的关系约为0.351℃/mW。

请参阅图5，本发明实施例谐振器在无补偿和有压阻热频率自补偿系统下的allan方差曲线图，图中显示通过压阻热频率自补偿系统谐振器的长时稳定性得到提升其6000s处的allan方差相较于未补偿前提升的2.782x10

综上所述，本发明一种硅MEMS谐振器及其本体压阻热实现频率漂移自补偿方法及系统，利用硅谐振器的温度-频率特性，采用改变谐振器工作温度的方式补偿其所产生的频率偏移。这时频率随温度变化较高的偏移量，使得维持在小功耗下的调控系统能够拥有较大的频率补偿范围。在谐振器加热方式上，采用对谐振器导通电流，利用其本身电阻产生压阻热。这种方式一方面避免了热源到谐振器的热传导时间导致的控制延迟，另一方面降低了功率损耗，所产生的压阻热被谐振器直接利用，最大限度的降低了热传导过程中的功率损耗。

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。