【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微机械系统及非线性动力学，具体涉及一种基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统。
技术介绍
1、微机械振荡器由于其优异的集成电路兼容性以及小尺寸等特点被广泛应用在移动电子设备中，并将在5g通信和物联网中扮演举足轻重的角色。在向小型化发展的同时，由于尺度效应的影响，微机械振荡器中的非线性愈发显著。为了避免非线性带来的不利影响，作为mems振荡器的选频元件的mems谐振器通常选用表现为线性特征的微型机械结构。
2、然而以线性谐振梁的自激振荡为基础的mems振荡器输出的频率会因为工作环境温度的变化、振荡电路中耦合噪声、系统中的电磁辐射以及电源电压不稳定而随着时间发生漂移，因此不能够为电子设备提供稳定的频率参考。并且由于线性谐振梁的响应区间小，直接改变线性振荡器中锁相环回路的相位延迟以调控线性谐振梁的自激振荡频率效果较差且容易破坏自激振荡的条件。这些问题降低了微机械振荡器的频率稳定性以及限制了微机械振荡器频率稳定性的提升。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，用于解决环境、电路等因素引起的振荡频率漂移的技术问题。
2、本专利技术采用以下技术方案：
3、一种基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，包括高频稳定模块和低频调控模块；高频稳定模块中的高频谐振梁和低频调控模块中的低频谐振梁并列排布，并通过第一耦合极板和第二耦合极板实现静
4、具体的，高频谐振梁的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第一锚点和第二锚点连接；高频谐振梁中间向外伸出的第一受激极板与第五锚点向外伸出的第一激励极板配合，第一受激极板和第一激励极板组成电容极板为高频谐振梁提供静电激振力。
5、进一步的，高频谐振梁、第一受激极板、第一耦合极板和第一激励极板悬置于镂空的衬底上；第一锚点、第二锚点和第五锚点上分别溅射有第一金属电极层、第二金属电极层和第五金属电极层，用于电信号的传输。
6、更进一步的，高频谐振梁的长度为200～300μm；第一受激极板、第一激励极板和第一耦合极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～4μm；第一锚点、第二锚点和第五锚点为矩形结构，边长尺寸为100～300μm；第一金属电极层、第二金属电极层和第五金属电极层为矩形结构，边长尺寸为50～250μm。
7、具体的，低频谐振梁的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第三锚点和第四锚点连接；低频谐振梁中间向外伸出的第二受激极板与第六锚点向外伸出的第二激励极板配合，第二受激极板和第二激励极板组成电容极板，为低频谐振梁提供静电激振力。
8、进一步的，低频谐振梁、第二受激极板、第二耦合极板和第二激励极板悬置于镂空的衬底上；第三锚点、第四锚点和第六锚点上分别溅射有第三金属电极层、第四金属电极层和第六金属电极层，用于电信号的传输。
9、更进一步的，低频谐振梁的长度为500～600μm；第二受激极板、第二激励极板和第二耦合极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～4μm；第三锚点、第四锚点和第六锚点为矩形结构，边长尺寸为100～300μm；第三金属电极层、第四金属电极层和第六金属电极层为矩形结构，边长尺寸为50～250μm。
10、具体的，高频稳定模块包括第一差分放大器，高频谐振梁的的动感电流经过第一差分放大器转化为电压信号，电压信号依次经第一滤波器、第一移相器和第一比较器，配合偏置电压vdc1激励高频谐振梁做自激振荡；第一比较器输出的反馈信号的频率信息通过频率计数器进行记录。
11、具体的，低频调控模块包括第二差分放大器，低频谐振梁的动感电流经第二差分放大器转化为电压信号，电压信号依次经过第二滤波器、第二移相器和第二比较器，配合偏置电压vdc2激励低频谐振梁做自激振荡。
12、具体的，相位控制模块读取高频稳定模块中频率计数器输出的高频振荡器的振荡频率，计算得到相位控制量，再通过低频调控模块的第二移相器作用到低频振荡器。
13、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
14、一种基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，通过相位控制方法读取高频振荡器的振荡频率，通过比较高频谐振梁当前振荡频率和初始振荡频率的频率差值，计算得到相位控制量，可以对高频振荡器的振荡频率进行实时跟踪；相位控制模块输出相位控制量改变低频锁相环回路的相位延迟进而改变低频振荡器的振荡幅值，通过静电耦合力调制高频谐振梁的等效刚度，从而调控高频振荡器的振荡频率，实现频率稳定性的提升；高频谐振梁的等效刚度调控来源于耦合静电力，耦合静电力是平行电容极板的自然产物，这意味不需要进行精细的结构设计，降低了谐振器的设计要求。
15、进一步的，第一受激极板和第一激励极板组成电容极板为高频谐振梁提供静电激振力，使得高频梁谐振梁振动。
16、进一步的，高频谐振梁的长度为200～300μm；第一受激极板、第一激励极板和第一耦合极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～4μm；第一锚点、第二锚点和第五锚点为矩形结构，边长尺寸为100～300μm；第一金属电极层、第二金属电极层和第五金属电极层为矩形结构，边长尺寸为50～250μm，用于电信号的传输。
17、进一步的，第二受激极板和第二激励极板组成电容极板，为低频谐振梁提供静电激振力，使得低频谐振梁振动。
18、进一步的，低频谐振梁的长度为500～600μm；第二受激极板、第二激励极板和第二耦合极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～4μm；第三锚点、第四锚点和第六锚点为矩形结构，边长尺寸为100～300μm；第三金属电极层、第四金属电极层和第六金属电极层为矩形结构，边长尺寸为50～250μm，用于电信号的传输。
19、进一步的，高频稳定模块为高频谐振梁搭建自激振荡回路，构成高频振荡器。
20、进一步的，低频调控模块为低频谐振梁搭建自激振荡回路，构成低频振荡器。
21、进一步的，相位控制模块通过读取高频振荡器的振荡频率计算得到相位控制量，输出相位控制量以改变低频调控模块中的低频锁相环回路的相位延迟进而改变低频振荡器的振荡幅值，利用模态耦合机制，低频振荡器的振荡幅值的变化可以动态的调整高频振荡器的振荡频率，使得高频振荡器的振荡频率保持在一定范围内，从而实现提高高频振荡器频率稳定性的目的。
22、综上所述，本专利技术基于模态耦合机制，通过改变低频振荡器的振荡幅值，可以动态调控高频谐本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，包括高频稳定模块和低频调控模块；高频稳定模块中的高频谐振梁(1-3)和低频调控模块中的低频谐振梁(2-3)并列排布，并通过第一耦合极板(1-5)和第二耦合极板(2-5)实现静电耦合；高频谐振梁(1-3)和低频谐振梁(2-3)置于各自的锁相环回路中产生自激振荡，分别构成高频振荡器和低频振荡器；通过相位控制模块读取高频振荡器的初始振荡频率，将高频振荡器当前振荡频率和初始振荡频率之间的差值与设定的频率阈值进行比较后输出相位控制量，通过改变低频调控模块中低频锁相环回路的相位延迟实现稳定高频振荡器的振荡频率。
2.根据权利要求1所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，高频谐振梁(1-3)的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第一锚点(1-2)和第二锚点(1-7)连接；高频谐振梁(1-3)中间向外伸出的第一受激极板(1-4)与第五锚点(3-2)向外伸出的第一激励极板(3-3)配合，第一受激极板(1-4)和第一激励极板(3-3)组成电容极板为高频谐振梁(1-3)提供静电激振力。
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4.根据权利要求3所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，高频谐振梁(1-3)的长度为200～300μm；第一受激极板(1-4)、第一激励极板(3-3)和第一耦合极板(1-5)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～4μm；第一锚点(1-5)、第二锚点(1-7)和第五锚点(3-2)为矩形结构，边长尺寸为100～300μm；第一金属电极层(1-1)、第二金属电极层(1-6)和第五金属电极层(3-1)为矩形结构，边长尺寸为50～250μm。
5.根据权利要求1所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，低频谐振梁(2-3)的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第三锚点(2-2)和第四锚点(2-7)连接；低频谐振梁(2-3)中间向外伸出的第二受激极板(2-4)与第六锚点(4-2)向外伸出的第二激励极板(4-3)配合，第二受激极板(2-4)和第二激励极板(4-3)组成电容极板，为低频谐振梁(2-3)提供静电激振力。
6.根据权利要求5所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，低频谐振梁(2-3)、第二受激极板(2-4)、第二耦合极板(2-5)和第二激励极板(4-3)悬置于镂空的衬底上；第三锚点(2-2)、第四锚点(2-7)和第六锚点(4-2)上分别溅射有第三金属电极层(2-1)、第四金属电极层(2-6)和第六金属电极层(4-1)，用于电信号的传输。
7.根据权利要求6所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，低频谐振梁(2-3)的长度为500～600μm；第二受激极板(2-4)、第二激励极板(4-3)和第二耦合极板(2-5)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～4μm；第三锚点(2-2)、第四锚点(2-7)和第六锚点(4-2)为矩形结构，边长尺寸为100～300μm；第三金属电极层(2-1)、第四金属电极层(2-6)和第六金属电极层(4-1)为矩形结构，边长尺寸为50～250μm。
8.根据权利要求1所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，高频稳定模块包括第一差分放大器(5-1)，高频谐振梁的(1-3)的动感电流经过第一差分放大器(5-1)转化为电压信号，电压信号依次经第一滤波器(5-2)、第一移相器(5-3)和第一比较器(5-4)，配合偏置电压Vdc1激励高频谐振梁(2-3)做自激振荡；第一比较器(5-4)输出的反馈信号的频率信息通过频率计数器(5-5)进行记录。
9.根据权利要求1所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，低频调控模块包括第二差分放大器(6-1)，低频谐振梁(1-3)的动感电流经第二差分放大器(6-1)转化为电压信号，电压信号依次经过第二滤波器(6-2)、第二移相器(6-3)和第二比较器(6-4)，配合偏置电压Vdc2激励低频谐振梁(2-3)做自激振荡。
10.根据权利要求1所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定...
【技术特征摘要】
1.基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，包括高频稳定模块和低频调控模块；高频稳定模块中的高频谐振梁(1-3)和低频调控模块中的低频谐振梁(2-3)并列排布，并通过第一耦合极板(1-5)和第二耦合极板(2-5)实现静电耦合；高频谐振梁(1-3)和低频谐振梁(2-3)置于各自的锁相环回路中产生自激振荡，分别构成高频振荡器和低频振荡器；通过相位控制模块读取高频振荡器的初始振荡频率，将高频振荡器当前振荡频率和初始振荡频率之间的差值与设定的频率阈值进行比较后输出相位控制量，通过改变低频调控模块中低频锁相环回路的相位延迟实现稳定高频振荡器的振荡频率。
2.根据权利要求1所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，高频谐振梁(1-3)的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第一锚点(1-2)和第二锚点(1-7)连接；高频谐振梁(1-3)中间向外伸出的第一受激极板(1-4)与第五锚点(3-2)向外伸出的第一激励极板(3-3)配合，第一受激极板(1-4)和第一激励极板(3-3)组成电容极板为高频谐振梁(1-3)提供静电激振力。
3.根据权利要求2所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，高频谐振梁(1-3)、第一受激极板(1-4)、第一耦合极板(1-5)和第一激励极板(3-3)悬置于镂空的衬底上；第一锚点(1-2)、第二锚点(1-7)和第五锚点(3-2)上分别溅射有第一金属电极层(1-1)、第二金属电极层(1-6)和第五金属电极层(3-1)，用于电信号的传输。
4.根据权利要求3所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，高频谐振梁(1-3)的长度为200～300μm；第一受激极板(1-4)、第一激励极板(3-3)和第一耦合极板(1-5)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～4μm；第一锚点(1-5)、第二锚点(1-7)和第五锚点(3-2)为矩形结构，边长尺寸为100～300μm；第一金属电极层(1-1)、第二金属电极层(1-6)和第五金属电极层(3-1)为矩形结构，边长尺寸为50～250μm。
5.根据权利要求1所述的基于模态耦合和相位控制的振荡器频率稳定性提升系统，其特征在于，低频谐振梁(2-3)的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第三锚点(2-2)和第四锚点(2-7)连接；低频谐振梁(2-3)中间向外伸出的第二受...
【专利技术属性】
技术研发人员：王雪峰，代洪升，阳琪琪，万海博，宦荣华，韦学勇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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