[发明专利]一种基于参数泵的MEMS振荡器

说明书

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。

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。