CN117097288B - 双模谐振装置、双输出mems振荡器及温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双模谐振装置，包括嵌套布置的内谐振器和外谐振器，内谐振器包括内谐振体和内圈电极，内圈电极阵列设置于内谐振体附近以在施加激励信号时使内谐振体产生第一频率的振动；外谐振器包括外谐振体及其内外侧的外圈电极，外圈电极间隔设置以在施加激励信号时使外谐振体产生第二频率的振动；第二频率与第一频率相比具有更高阶的模态频率，采用嵌套组合的内谐振器和外谐振器，替代现有的双谐振器并排放置的方式，经由双谐振器同时实现双频输出，可以降低高频振动模态的动态阻抗。使用上述的双模谐振装置执行温度补偿方法，可提升温度测量的准确性，由此对双频输出信号进行补偿，进而提升频率输出信号的稳定度。

Description

双模谐振装置、双输出MEMS振荡器及温度补偿方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种双模谐振装置、双输出MEMS振荡器及温度补偿方法。

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。

频率-温度漂移是微机电谐振器的关键性能指标之一，谐振器的频率温度稳定性通过频率温度系数(Temperature coefficient of frequency，TCF)衡量，一阶频率温度系数由谐振器材料的温度弹性系数(TCE)和热膨胀系数(a)确定，即未经温度补偿的微机械谐振器的频率温度系数一般比较大，在工业级温度-40～85°C范围内，微机械谐振器的输出频率将产生超过3500ppm的频率漂移，不能满足工业的实际应用要求。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。因此，在时钟应用中需要对微机电谐振器进行温度补偿。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会使用面内电极激发面内拉梅(Lamé)振动模态，使用面外电极激发面外振动模态，拉梅(Lamé)振动模态维持在1~10MHz频率之间振动以确保较低的动态阻抗。然而，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，这会导致频率输出信号的稳定度变差，即频率输出信号的相位噪声和抖动性能变差。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，如何提升谐振器的温度测量精度以及输出频率信号的稳定度，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双模谐振装置、双输出MEMS振荡器及温度补偿方法，用于解决现有的双模态谐振器中测温准确性不足以及生成高频时钟的应用中动态阻抗随谐振频率明显上升的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双模谐振装置，包括由下至上的衬底层、介质层和器件层，所述器件层包括嵌套布置的内谐振器和外谐振器，所述内谐振器包括内谐振体和内圈电极，所述内圈电极阵列设置于所述内谐振体附近以在施加激励信号时使所述内谐振体产生第一频率的振动；所述外谐振器包括外谐振体和所述外谐振体内外侧的外圈电极，所述外谐振体通过外围锚定部侧向连接以使所述外谐振体悬空于所述衬底层之上，所述外圈电极间隔设置以在施加激励信号时使所述外谐振体产生第二频率的振动；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，所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述外谐振体包括级联耦合的多个外谐振单元。

可选地，所述内圈电极设置成阵列围绕所述内谐振体的各角部，并且所述内圈电极被施加交流驱动信号以使所述内谐振体工作在面剪切模态。

可选地，所述内圈电极位于所述内谐振体上且阵列布置，并且所述内圈电极被施加交流驱动信号以使所述内谐振体工作在面外振动。

可选地，所述内谐振体与所述外谐振体之间设置有隔离环，所述内谐振体通过中心锚点固定连接至所述衬底层，以使所述内谐振体处于悬空状态，所述中心锚点接入直流偏置电压，所述隔离环接地以使所述内谐振器与所述外谐振器电隔离。

可选地，所述内谐振体与所述外谐振体之间设置有隔离环，所述隔离环通过耦合梁与所述内谐振体固定连接以使所述内谐振体处于悬空状态，并且所述隔离环接入直流偏置电压。

可选地，所述外谐振体设置成外谐振单元与耦合部对角耦合成环状阵列结构，所述外谐振体工作在面内剪切模态或拉梅模态。

本发明还提供一种温度补偿方法，使用根据前述的双模谐振装置执行所述温度补偿方法，包括以下步骤：

激发所述内谐振器生成第一频率的输出信号，以及激发所述外谐振器生成第二频率的输出信号；

对第一频率输出信号和第二频率输出信号进行信号处理，获取第三频率的输出信号，其中所述第三频率具有近似为线性的频率温度关系曲线；

从第三频率中提取出谐振器芯片的温度信息，并且基于谐振器芯片温度信息对所述第一频率和/或所述第二频率的输出信号进行温度补偿。

可选地，所述获取第三频率输出信号的步骤，包括：对所述第一频率输出信号和所述第二频率输出信号进行混频处理。

本发明提供一种双输出MEMS振荡器，所述双输出MEMS振荡器配置成根据前述的温度补偿方法对谐振信号进行温度补偿。

如上所述，本发明的一种双模谐振装置及温度补偿方法，具有以下有益效果：

本发明的双模谐振装置，采用嵌套组合的内谐振器和外谐振器，替代现有的双谐振器并排放置的方式，经由双谐振器同时实现双频输出，可以降低高频振动模态的动态阻抗，完全符合谐振器的性能要求。

本发明的温度补偿方法，使用上述的双模谐振装置，获取第一频率信号和更为高阶模态的第二频率信号，基于第一频率和第二频率获取温度强相关的第三频率，用于指示谐振器芯片的环境温度，可提升温度测量的准确性，由此对双频输出信号进行补偿，进而提升频率输出信号的稳定度。

附图说明

图1显示为本发明双模谐振装置的示例性等距图。

图2显示为图1所示的双模谐振装置的俯视图。

图3显示为本发明双模谐振装置中外谐振单元级联耦合的示意图。

图4显示为本发明双模谐振装置中外谐振单元级联耦合另一示例的示意图。

图5显示为本发明双模谐振装置的局部示意图。

图6显示为本发明双模谐振装置的另一示例性等距图。

图7显示为本发明双模谐振装置中内谐振体的振动模态轮廓图。

图8显示为本发明基于MEMS的温度补偿方法的步骤S110中获取的第一频率与温度关系曲线图。

图9显示为本发明基于MEMS的温度补偿方法中外谐振器工作在面内剪切模态下位移节点的振动幅度图。

图10显示为本发明温度补偿方法的步骤S110中获取的第二频率与温度关系曲线图。

图11显示为本发明双模谐振装置中外谐振器及其组件的结构参数表。

图12为图解本发明温度补偿方法的步骤S120中获取的第三频率与温度关系曲线图。

图13显示为本发明的温度补偿方法的流程图。

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；内圈面内电极-314；内圈面外电极-414；内耦合梁-332；隔离环-316；外谐振体-320；外谐振单元-321；耦合部-322；外圈电极-324；支撑梁-334；外耦合梁-336；外围锚定部-326。

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。

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，结合所附的图式对本发明的细节进行具体描述。

本发明提供了一种双模谐振装置，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包括嵌套布置的内谐振器和外谐振器，所述外谐振器中心环绕所述内谐振器设置。

请参见图1，其显示为本发明双模谐振装置的结构示意图。内谐振器包括内谐振体310和内圈电极，所述内圈电极阵列设置于所述内谐振体310附近以在施加激励信号时使所述内谐振体310产生第一频率的振动。外谐振器包括外谐振体320和外圈电极324，外谐振体320通过外围锚定部326侧向连接于所述衬底层10上，所述外圈电极324间隔设置于外谐振体320的内外侧以在施加激励信号时使所述外谐振体320产生第二频率的振动；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。通过嵌套设置内谐振器和外谐振器的组合，双谐振器实现双模态的谐振信号输出，优化高频模态下的动态阻抗，同时同心设置的内谐振器和外谐振器具备更好的结构对称性，有利于提升测温应用中的准确性。

本申请的实施例中，根据内圈电极的定位，可以实现面内驱动或面外驱动模式的内谐振器，其中内谐振体310可工作在面内振动模态，或者面外振动模态，其中所述内谐振体310的面内振动模态包括拉梅(Lamé)振动模态和面剪切(face-shear)振动模态之一；由此可以同时提供另一个面内或面外振动用于谐振器的温度测量。

一些实施例中，内谐振体310被构造成方块形的单谐振体，外谐振体320包括级联耦合的多个外谐振单元321。

在图2所示的双模谐振装置中，内圈电极位于内谐振体310的外围，所述内圈电极设置成阵列围绕所述内谐振体310各角部的内圈面内电极314，内圈面内电极314配置为直角型，且相邻的内圈面内电极314被施加交流驱动信号，以激发所述内谐振体310工作在面剪切(face-shear)模态。

在图6所示的双模谐振装置中，内圈电极位于内谐振体310上且阵列布置的面外电极，所述内圈电极设置成内圈面外电极414，内圈面外电极414配置为等腰梯形，且相邻的内圈面外电极414被施加交流驱动信号，以激发所述内谐振体310工作在面外振动。

进一步地，内谐振体310与外谐振体320之间设置有隔离环316，所述隔离环316接地以使所述内谐振体310与所述外谐振体320电隔离；相应地，如图5所示，内谐振器还包括中心锚点312，内谐振体310可通过中心锚点312与衬底层10固定连接以使内谐振体310处于悬空状态，得以振动，同时中心锚点312接入直流偏置电压，用作内谐振器的直流偏压电极。

作为一种附加的或替代性的实现方式，隔离环316通过内耦合梁332与内谐振体310固定连接，以使内谐振体310处于悬空状态，并且所述隔离环316接入直流偏置电压，用作内谐振器的直流偏压电极。

在一些实施例中，参见图3~图4，外谐振体320设置成多个外谐振单元321级联耦合成环状阵列，所述外谐振体320可通过支撑梁334连接至外围锚定部326，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。举例而言，支撑梁334可具有单梁结构或复合梁结构，形状是矩形、框架形、弧形与梳齿形中至少一种。

例如，参见图3~图4，外谐振单元321被构造成方块形，外谐振体320设置成外谐振单元321与耦合部322顺次耦合成环状阵列，其中所述耦合部322的形状可为条形、方块形、十字架形，或者具有与外谐振单元321类似的形状。如图1所示，多个外谐振单元321通过方块形耦合部对边耦合成一维阵列。如图3所示，多个外谐振单元321通过方块形耦合部对角耦合成一维阵列，位于端部的外谐振单元321可通过外耦合梁336与支撑梁334由此围绕内谐振体310构造外谐振阵列。如图4所示，相邻的外谐振单元321通过梁结构的耦合部顺次地对角耦合成环状阵列。由于外谐振单元321与耦合部322的本征频率相同，用于实现模态耦合及能量传递。

需要说明的是在此结合图示说明的外谐振体320的设置方式仅为示例性的，根据外谐振体320的级联方式，可以实现不同形式的外谐振器。

在一具体的示例中，内谐振器工作在面剪切模态，该面剪切模态由位于内谐振体310相邻的内圈面内电极314驱动，内谐振体310以面剪切模态振动，具有第一频率，第一频率为低频/低阶模态，通常在10MHz以下，第一频率具备第一频率温度系数；相应地，外谐振器亦可工作在面内剪切模态，该面内剪切模态由分布式外谐振体320内外侧的外圈电极324驱动，外谐振体320以拉梅（Lamé）模态振动，具有第二频率，第二频率为高频/高阶模态，通常在10MHz以上，第二频率具备第二频率温度系数。参见图7，其显示为内谐振体310的振动模态轮廓图，所示的内谐振体310工作在面剪切模态，模态频率为7.218MHz。参见图9，其显示为外谐振体320的振动模态轮廓图，所示的外谐振体320工作在高频拉梅（Lamé）模态，模态频率为50.73MHz。

为了验证本发明双模谐振装置在电性能方面的优势，由于外谐振体320以拉梅（Lamé）模态振动，为高频模态，采用外谐振器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11，由图可知，外谐振单元的宽度为65µm，外谐振阵列单侧的长度为845µm，外谐振单元的厚度为40µm，外圈电极与外谐振体间隔0.27µm，外圈电极的交流电压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器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。

本发明还提供一种基于MEMS的温度补偿方法，此前本申请实施例对双模谐振装置的多种不同实现方式进行说明，在此所述的温度补偿方法优选地使用前述的双模谐振装置执行，下面对温度补偿方法进行详细描述。

在图13所示的温度补偿方法中，使用前述的双模谐振装置执行所述温度补偿方法，包括：

S110：激发内谐振器生成第一频率的输出信号，以及激发外谐振器生成第二频率的输出信号；

S120：对第一频率输出信号和第二频率输出信号进行信号处理，获取第三频率的输出信号，其中所述第三频率具有近似为线性的频率温度关系曲线；

S130：从第三频率中提取出谐振器芯片的温度信息，并且基于谐振器芯片温度信息对所述第一频率和/或所述第二频率的输出信号进行温度补偿。

基于上述技术方案，通过操作双模谐振装置，基于高低频输出信号获取谐振器芯片的温度信息，可提升温度测量的准确度，由此改善频率输出的稳定度。

具体地，步骤S110处，内谐振器和外谐振器分别具有第一频率温度系数和第二频率温度系数，两种频率温度系数具有不同的数值和趋势。其中以硅谐振器为例，谐振频率温度依赖性通常由一阶系数和二阶系数决定，并且可以表示如下式1：

式1

其中，和分别是一阶频率温度系数和二阶频率温度系数，是温 度变化。

如图8和10所示，其显示为本发明微机电谐振器输出的第一频率和第二频率与温 度的关系图，其中第一频率温度系数=-11.218ppm/K，第二频率温度系数= 2.8366ppm/K。

在一些实施例中，步骤S120包括：利用温度提取单元，对第一频率的输出信号和第 二频率的输出信号进行混频处理，获取具有第三频率的输出信号，其中所述混频处理配置 成在处理期间所述第一频率和所述第二频率的二阶温度系数和抵消， 即，从第二频率的二阶温度系数中减去将第一频率的二阶温度系数与给定因子相乘的乘积 最小化或置零，获取的第三频率输出信号具有线性且与温度强相关的频率温度关系曲线。 由于外谐振器相较于内谐振器以更为高阶模态产生振动，基于混频处理即可得到具有近似 为线性的频率温度关系曲线，减少锁相环电路的上变频处理，改善频率输出信号的相位噪 声和抖动性能。

如图12所示，其显示为第三频率与温度的关系曲线图，基于第三频率提取出谐振器的温度信息，对第一频率输出信号或第二频率输出信号进行温度补偿，所述第三频率具有线性且与温度强相关的第三频率温度关系曲线，利用所述第三频率进行温度测量。

通过上述技术方案，基于提取的谐振器芯片温度信息，对第一频率输出信号或第二频率输出信号进行温度补偿，实现输出频率的温度稳定性。

在一些实施例中，步骤S130包括：使用温度补偿单元，基于提取的谐振器芯片温度信息，对第一频率的输出信号和/或第二频率的输出信号进行温度补偿，其中所述温度补偿的方式包括但不限于：将提取到的环境温度数据通过温度拟合电路得到第一频率输出信号和/或第二频率输出信号的补偿值；随后基于第一频率输出信号和/或第二频率输出信号及其补偿值进行温度补偿。

可选地，执行所述温度补偿方法之后，对经过补偿的第一频率输出信号和/或第二频率输出信号进行分频处理或倍频处理，并且经由缓冲放大器输出。

本发明还提供一种双输出MEMS振荡器，所述双输出MEMS振荡器配置成根据前述的温度补偿方法对谐振信号进行温度补偿，

本发明的双模谐振装置，采用嵌套组合的内谐振器和外谐振器，替代现有的双谐振器并排放置的方式，经由双谐振器同时实现双频输出，可以降低高频振动模态的动态阻抗，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。完全符合谐振器的性能要求。

本发明的基于MEMS的温度补偿方法，使用上述的双模谐振装置，获取第一频率信号和更为高阶模态的第二频率信号，基于第一频率和第二频率获取温度强相关的第三频率，用于指示谐振器芯片的环境温度，可提升温度测量的准确性，由此对双频输出信号进行补偿，进而提升频率输出信号的稳定度。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 (9)

1.一种双模谐振装置，包括由下至上的衬底层、介质层和器件层，其特征在于：所述器件层包括嵌套布置的内谐振器和外谐振器，所述内谐振器包括内谐振体和内圈电极，所述内圈电极阵列设置于所述内谐振体附近以在施加激励信号时使所述内谐振体产生第一频率的振动，所述内谐振体工作在面外振动；所述外谐振器包括外谐振体和所述外谐振体内外侧的外圈电极，所述外谐振体通过外围锚定部侧向连接以使所述外谐振体悬空于所述衬底层之上，所述外圈电极间隔设置以在施加激励信号时使所述外谐振体产生第二频率的振动，所述外谐振体工作在面内剪切模态或拉梅模态；其中，所述外谐振体设置成多个外谐振单元级联耦合成环状阵列，所述多个外谐振单元中相邻的外谐振单元通过耦合部顺次地对角耦合或对边耦合，所述外谐振单元被构造成方块形，所述耦合部的形状被构造成条形、方块形、或者十字架形，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；

通过如下方式操作双模谐振装置对谐振信号进行温度补偿：激发所述内谐振器生成第一频率的输出信号，以及激发所述外谐振器生成第二频率的输出信号；对第一频率输出信号和第二频率输出信号进行信号处理，获取第三频率的输出信号，其中所述第三频率具有近似为线性的频率温度关系曲线；从所述第三频率中提取出谐振器芯片的温度信息，并且基于谐振器芯片温度信息对所述第一频率和/或所述第二频率的输出信号进行温度补偿。

2.根据权利要求1所述的双模谐振装置，其特征在于：所述内谐振体被构造成方块形的单谐振体，所述外谐振体包括级联耦合的多个外谐振单元。

3.根据权利要求2所述的双模谐振装置，其特征在于：所述内圈电极设置成阵列围绕所述内谐振体的各角部，并且所述内圈电极被施加交流驱动信号以使所述内谐振体工作在面剪切模态。

4.根据权利要求2所述的双模谐振装置，其特征在于：所述内圈电极位于所述内谐振体上且阵列布置，并且所述内圈电极被施加交流驱动信号。

5.根据权利要求1所述的双模谐振装置，其特征在于：所述内谐振体与所述外谐振体之间设置有隔离环，所述内谐振体通过中心锚点固定连接至所述衬底层，以使所述内谐振体处于悬空状态，所述中心锚点接入直流偏置电压，所述隔离环接地以使所述内谐振器与所述外谐振器电隔离。

6.根据权利要求1所述的双模谐振装置，其特征在于：所述内谐振体与所述外谐振体之间设置有隔离环，所述隔离环通过耦合梁与所述内谐振体固定连接以使所述内谐振体处于悬空状态，并且所述隔离环接入直流偏置电压。

7.根据权利要求2所述的双模谐振装置，其特征在于：所述外谐振体设置成外谐振单元与耦合部对角耦合成环状阵列结构。

8.根据权利要求1所述的双模谐振装置，其特征在于：所述获取第三频率输出信号的步骤，包括：对所述第一频率输出信号和所述第二频率输出信号进行混频处理。

9.一种双输出MEMS振荡器，其特征在于：所述双输出MEMS振荡器配置成使用根据权利要求1至8任意一项所述的双模谐振装置对谐振信号进行温度补偿。