本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)，具體涉及一種基于高階非線性的mems諧振器頻率穩(wěn)定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著半導(dǎo)體加工工藝的成熟，mems諧振器逐漸成為研究熱點(diǎn)。mems諧振器尺寸的縮小帶來(lái)了諸如功耗小、成本低、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，這使得mems諧振器逐漸替代傳統(tǒng)石英晶振并廣泛應(yīng)用于各種需要精確定時(shí)和高精度傳感的場(chǎng)合。

2、諧振器輸出頻率的穩(wěn)定性是諧振式傳感器和定時(shí)設(shè)備性能的決定性因素，隨著諧振器尺寸的減小，尺度效應(yīng)使得mems諧振器更加容易產(chǎn)生非線性效應(yīng)。在非線性狀態(tài)下，mems諧振器的頻率表現(xiàn)出對(duì)幅值的非線性依賴關(guān)系，幅值噪聲通過(guò)這種非線性依賴關(guān)系轉(zhuǎn)化為頻率噪聲，從而劣化頻率的穩(wěn)定性。為了提供穩(wěn)定的頻率參考源，mems諧振器通常工作在線性階段，短時(shí)頻率穩(wěn)定性的提升通常通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)robin頻率穩(wěn)定性公式，增加mems諧振器的品質(zhì)因數(shù)可以顯著提高mems諧振器的輸出頻率穩(wěn)定性，基于此，研究人員通常通過(guò)設(shè)計(jì)聲子晶體降低錨點(diǎn)損耗([1]hsu?f-c,hsu?j-c,huang?t-c,etal.design?of?lossless?anchors?for?microacoustic-wave?resonators?utilizingphononic?crystal?strips[j].appliedphysics?letters,2011,98(14)；[2]ghadimiah,fedorov?s?a,engelsen?n?j,et?al.elastic?strain?engineering?for?ultralowmechanical?dissipation[j].science,2018,360(6390):764-+)、通過(guò)挖孔降低熱彈性損耗([3]zegav,frangia,guercilena?a,et?al.analysis?of?frequency?stability?andthermoelastic?effects?for?slottedtuning?fork?mems?resonators[j].sensors(basel),2018,18(7).)等手段來(lái)提高mems諧振器的品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)mems諧振器短時(shí)頻率的穩(wěn)定；但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的手段操作復(fù)雜，實(shí)施中需要設(shè)計(jì)大面積的附屬結(jié)構(gòu)，并且無(wú)法兼容所有頻段的諧振式器件，提升效果十分有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于高階非線性的mems諧振器頻率穩(wěn)定方法及系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)控諧振器幅值-頻率依賴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)幅值頻率的解耦，降低系統(tǒng)相位噪聲，實(shí)現(xiàn)mems諧振器頻率的穩(wěn)定輸出；可以在通信、雷達(dá)、慣性導(dǎo)航等電子設(shè)備中提供一個(gè)體積小、功耗低、精度高的頻率參考，極大提高系統(tǒng)的性能，降低工作誤差。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于高階非線性的mems諧振器頻率穩(wěn)定方法，包括：

4、根據(jù)標(biāo)定的激勵(lì)強(qiáng)度閾值，通過(guò)閉環(huán)回路使得高階非線性的mems諧振器產(chǎn)生自激振蕩，從而輸出頻率參考信號(hào)；對(duì)高階非線性的mems諧振器施加相位控制信號(hào)，以調(diào)控高階非線性的mems諧振器的工作點(diǎn)，使其工作在峰值點(diǎn)；所述激勵(lì)強(qiáng)度閾值下，高階非線性的mems諧振器的骨架線表現(xiàn)出頻率對(duì)幅值的解耦，從而實(shí)現(xiàn)幅值-頻率轉(zhuǎn)化的抑制，提升高階非線性的mems諧振器頻率穩(wěn)定性。

5、一種基于高階非線性的mems諧振器頻率穩(wěn)定方法，包括以下步驟：

6、步驟1，高階非線性的mems諧振器上電工作，初始化高階非線性的mems諧振器工作模態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)包括但不限于工作模態(tài)的驅(qū)動(dòng)幅值和驅(qū)動(dòng)頻率；

7、步驟2，根據(jù)步驟1中工作模態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的諧波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)激勵(lì)電極施加于高階非線性的mems諧振器的本體，激勵(lì)出高階非線性的mems諧振器的響應(yīng)；

8、步驟3，采集步驟2的響應(yīng)信號(hào)，解調(diào)出響應(yīng)相位，計(jì)算相位設(shè)定值與測(cè)量值之間的差值；

9、步驟4，根據(jù)步驟3中的相位差值，調(diào)整工作模態(tài)激勵(lì)信號(hào)的頻率大小，維持工作模態(tài)的穩(wěn)定振蕩；

10、步驟5，調(diào)控步驟3中振蕩回路的相位設(shè)定值，直至工作模態(tài)的振蕩幅值達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)幅值-頻率解耦，從而提升高階非線性的mems諧振器的頻率穩(wěn)定性。

11、所述步驟1中驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)通過(guò)標(biāo)定獲得，該參數(shù)下高階非線性的mems諧振器的骨架線表現(xiàn)出頻率對(duì)幅值的解耦。

12、所述步驟3中高階非線性的mems諧振器的響應(yīng)信號(hào)輸入mems閉環(huán)回路，mems閉環(huán)回路鑒相器判斷相位測(cè)量值與設(shè)定值的差值，通過(guò)維持振蕩系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)的控制算法，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激勵(lì)頻率，從而使得高階非線性的mems諧振器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩；所述控制算法為pid算法、預(yù)測(cè)控制算法、自適應(yīng)控制算法或模糊控制算法，控制算法根據(jù)相位差值計(jì)算得到控制量；所述激勵(lì)頻率調(diào)節(jié)通過(guò)電壓控制振蕩器vco或數(shù)字控制振蕩器nco實(shí)現(xiàn)，電壓控制振蕩器vco或者數(shù)字控制振蕩器nco根據(jù)控制算法計(jì)算得到的控制量，輸出對(duì)應(yīng)的頻率，并在下一次控制量變化之前維持對(duì)應(yīng)的輸出頻率值不變；根據(jù)該輸出頻率調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)的頻率并輸出至高階非線性的mems諧振器的激勵(lì)端；重復(fù)上述調(diào)控過(guò)程，直至相位差值為零。

13、所述步驟5中上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)mems閉環(huán)回路相位設(shè)定值的調(diào)控，通過(guò)控制算法，使得高階非線性的mems諧振器工作在最大幅值處，實(shí)現(xiàn)頻率和幅值的解耦，從而利用高階非線性實(shí)現(xiàn)頻率的穩(wěn)定輸出；所述控制算法為pid算法，pid算法根據(jù)解調(diào)得到的高階非線性的mems諧振器振幅與預(yù)先標(biāo)定的最大振幅之間的差值，計(jì)算補(bǔ)償幅值差所需的相位調(diào)控值，從而改變步驟3中的相位設(shè)定值，使得mems諧振器的工作相位點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)并最終移動(dòng)至最大幅值對(duì)應(yīng)的相位點(diǎn)處；在所述最大幅值處，高階非線性的mems諧振器的骨架線表現(xiàn)出頻率與幅值的解耦，即頻率對(duì)幅值的導(dǎo)數(shù)為零，從而抑制幅值噪聲向頻率波動(dòng)的轉(zhuǎn)化。

14、實(shí)現(xiàn)所述一種基于高階非線性的mems諧振器頻率穩(wěn)定方法的穩(wěn)定系統(tǒng)，包括：

15、上位機(jī)系統(tǒng)：用于初始化高階非線性的mems諧振器工作參數(shù)，并實(shí)時(shí)讀取高階非線性的mems諧振器工作的幅值和頻率，根據(jù)振蕩幅值，判斷諧振器工作狀態(tài)，輸出相位控制信號(hào)；

16、振蕩維持系統(tǒng)：與所述上位機(jī)系統(tǒng)連接，通過(guò)頻率控制模塊，實(shí)時(shí)解調(diào)振蕩相位值，根據(jù)振蕩相位與設(shè)定相位的差值，利用控制算法改變激勵(lì)頻率，實(shí)現(xiàn)鎖相即穩(wěn)定的閉環(huán)振蕩，并與所述上位機(jī)系統(tǒng)連接，用于執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)輸出的相位控制信號(hào)；

17、mems諧振器系統(tǒng)：與所述上位機(jī)系統(tǒng)、振蕩維持系統(tǒng)連接，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的高階振蕩，輸出頻率參考。

18、所述上位機(jī)系統(tǒng)包括：

19、振蕩讀取模塊：與所述振蕩維持系統(tǒng)連接，用于實(shí)時(shí)讀取高階非線性的mems諧振器的振蕩幅值、頻率等信號(hào)；

20、相位調(diào)制模塊：接收振蕩讀取模塊采集的振動(dòng)幅值信號(hào)，用于執(zhí)行相位調(diào)制程序，判斷振蕩幅值是否到達(dá)最大值，產(chǎn)生相位調(diào)控信號(hào)；

21、控制輸出模塊：與所述振蕩維持系統(tǒng)連接，用于將相位調(diào)制模塊產(chǎn)生的相位控制信號(hào)，通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后傳遞至所述振蕩維持系統(tǒng)。

22、所述振蕩維持系統(tǒng)包括：

23、相位控制模塊：與所述上位機(jī)系統(tǒng)的控制輸出模塊連接，用于執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)相位控制信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)定相位值；

24、頻率控制模塊：與所述mems諧振器系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電極連接，用于實(shí)時(shí)解調(diào)振蕩相位值，根據(jù)振蕩相位與相位設(shè)定值之間的差值，調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)頻率，并將調(diào)節(jié)后的激勵(lì)信號(hào)施加至上述mems諧振器系統(tǒng)的激勵(lì)電極，從而實(shí)現(xiàn)鎖相即穩(wěn)定振蕩；

25、幅值控制模塊：與所述上位機(jī)系統(tǒng)及mems諧振器系統(tǒng)連接，用于接收上位機(jī)系統(tǒng)初始化激勵(lì)參數(shù)，并調(diào)節(jié)振蕩維持系統(tǒng)輸出激勵(lì)信號(hào)的幅值。

26、所述mems諧振器的激勵(lì)信號(hào)形式為直接諧波激勵(lì)信號(hào)、簡(jiǎn)并參數(shù)激勵(lì)信號(hào)或非簡(jiǎn)并參數(shù)激勵(lì)信號(hào)。

27、所述mems諧振器系統(tǒng)包括：受錨點(diǎn)支撐的mems諧振器的本體，用于在激勵(lì)信號(hào)下產(chǎn)生振動(dòng)；激勵(lì)電極與檢測(cè)電極，用于對(duì)器件進(jìn)行激勵(lì)和檢測(cè)；錨點(diǎn)電極，用于對(duì)mems諧振器的本體施加直流偏置。

28、所述mems諧振器的本體為拱形結(jié)構(gòu)，通過(guò)拱形結(jié)構(gòu)對(duì)mems諧振器的固有非線性剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使mems諧振器表現(xiàn)出高階非線性。

29、所述mems諧振器的激勵(lì)檢測(cè)形式為電容式、壓電式、光學(xué)式或電磁式。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

31、本發(fā)明步驟2采用預(yù)先標(biāo)定的閾值激勵(lì)強(qiáng)度對(duì)mems諧振器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠使得mems諧振器產(chǎn)生大振幅諧振，具有提高mems諧振器信噪比的特點(diǎn)。

32、本發(fā)明的上位機(jī)系統(tǒng)采用控制算法將mems諧振器的工作狀態(tài)維持在發(fā)生頻率和幅值解耦的臨界狀態(tài)，能夠在增大mems諧振器輸出信號(hào)信噪比的同時(shí)，抑制幅值噪聲向頻率波動(dòng)的轉(zhuǎn)化，具有通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

33、本發(fā)明的振蕩維持系統(tǒng)采用鎖相方案實(shí)現(xiàn)mems諧振器的閉環(huán)振蕩，能夠使得mems諧振器快速起振并能通過(guò)修改相位設(shè)定值靈活調(diào)控mems諧振器的工作狀態(tài)，具有起振迅速、電路傳導(dǎo)噪聲小的特點(diǎn)。

34、本發(fā)明的mems諧振器系統(tǒng)采用拱形結(jié)構(gòu)的mems諧振器本體，能夠在無(wú)需外界電熱、靜電非線性調(diào)諧手段的條件下使得mems諧振器表現(xiàn)出高階非線性響應(yīng)，具有操作簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

35、綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于高階非線性的mems諧振器頻率穩(wěn)定方法及系統(tǒng)，利用高階非線性，實(shí)現(xiàn)mems諧振器輸出頻率對(duì)于幅值的解耦，從而實(shí)現(xiàn)幅值-頻率轉(zhuǎn)化的抑制，提高mems諧振器輸出頻率的穩(wěn)定性。本發(fā)明一方面通過(guò)在高階非線性響應(yīng)產(chǎn)生的閾值激勵(lì)強(qiáng)度操作mems諧振器，在提升mems諧振器信噪比的同時(shí)，抑制了幅值噪聲向頻率波動(dòng)的轉(zhuǎn)化，顯著增強(qiáng)了mems諧振器的輸出頻率穩(wěn)定性，規(guī)避了傳統(tǒng)頻率穩(wěn)定性提升方案的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)器件加工工藝挑戰(zhàn)；另一方面，本發(fā)明的mems諧振器的本體采用拱形結(jié)構(gòu)，使得mems諧振器在無(wú)需外界非線性調(diào)諧的條件下就能表現(xiàn)出高階非線性響應(yīng)，簡(jiǎn)化了外圍電路，并增加了系統(tǒng)的魯棒性。本發(fā)明為高性能mems諧振器的設(shè)計(jì)提供了新思路，能夠方便地集成到各種傳感、定時(shí)系統(tǒng)，具有極高的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。