一种谐振器及其频率温度系数的补偿方法

技术领域

本申请涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种谐振器及其频率温度系数的补偿方法。

背景技术

电子设备需要时钟基准信号，不同种类的电子设备，对时钟信号的要求程度也不同。随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的发展，获取时钟信号的方式逐渐从石英振荡器转变为硅基谐振器，然而硅基谐振器的TCF(temperaturecoefficient of frequency，频率温度系数)较高，导致输出信号偏移严重。

目前降低硅基谐振器频率温度系数的方法大致分为无源补偿和有源补偿。其中，无源补偿的方法主要是通过改变硅基谐振器的结构或掺杂材料等方式来影响谐振频率的温度系数，从而达到降低频率温度系数的效果。例如，通过复合材料结构可以降低谐振器的频率温度系数，但是这也会增加谐振器的尺寸和制造成本；利用外力调谐谐振器的弹性刚度也可以达到类似的效果，但是需要额外的外力驱动系统，增加了功耗。另一方面，有源补偿的方法则是通过控制谐振器中的电路或温度来达到降低频率温度系数的效果。例如，分频分数锁相环技术可以将电路中的噪声消除，从而提高谐振器的稳定性和精度；恒温装置可以保持谐振器的工作温度不变，从而降低频率温度系数。但是这些方法也存在一些问题，例如需要增加额外的电路或恒温设备，从而增加功耗和制造成本。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供了一种谐振器及其频率温度系数的补偿方法，用以解决使用过程中因温度变化而发生的频率漂移，并对其频率温度系数进行补偿，有效的降低谐振器的频率温度系数，提高谐振器的使用性能。

为解决上述问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种谐振器，该谐振器包括：谐振体；第一驱动电极，设置于谐振体上，第一驱动电极被配置为驱动谐振体以第一振动模态进行振动；第二驱动电极，设置于谐振体上，第二驱动电极被配置为驱动谐振体以第二振动模态进行振动；其中，第一振动模态对应的频率温度特性、与第二振动模态对应的频率温度特征相反。

在一实施例中，该谐振器还包括，驱动电路，驱动电路连接第一驱动电极和第二驱动电极，驱动电路被配置为控制第一驱动电极以第一工作参数振动，产生第一振动模态，以及控制第二驱动电极以第二工作参数振动，产生第二振动模态。

在一实施例中，该谐振器还包括，感测电路，感测电路被配置为获取第一振动模态对应的第一频率信号、以及第二振动模态对应的第二频率信号；处理电路，连接感测电路，处理电路被配置为对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号，并输出第三频率信号作为谐振器的输出频率信号。

在一实施例中，上述感测电路还包括，第一感测电极，设置于谐振体上、且与第一驱动电极相对应，第一感测电极被配置为获取第一振动模态对应的第一频率信号；第二感测电极，设置于谐振体上、且与第二驱动电极相对应，第二感测电极被配置为获取第二振动模态对应的第二频率信号。

在一实施例中，谐振体为板状谐振体，第一驱动电极、第二驱动电极、第一感测电极和第二感测电极沿板状谐振体的厚度方向的侧边设置，且第一驱动电极和第一感测电极分别设置于谐振体的相对两侧，第二驱动电极和第二感测电极分别设置于谐振体的相对两侧。

在一实施例中，板状谐振体沿垂直于厚度方向的截面为矩形或圆形。

在一实施例中，处理电路包括：分频器，连接感测电路，分频器被配置为对第一频率信号进行分频处理，以得到第四频率信号，以及对第二频率信号进行分频处理，以得到第五频率信号；混频器，连接分频器，混频器被配置为对第四频率信号和第五频率信号进行混频处理，以得到第三频率信号。

在一实施例中，第三频率信号对应的频率温度曲线的一次系数，小于第一频率信号对应的频率温度曲线的一次系数、且小于第二频率信号对应的频率温度曲线的一次系数；和/或第三频率信号对应的频率温度曲线的二次系数，小于第一频率信号对应的频率温度曲线的二次系数、且小于第二频率信号对应的频率温度曲线的二次系数。

为解决上述问题，本申请还提供一种谐振器的频率温度系数补偿方法，该方法包括：获取谐振器的第一振动模态对应的第一频率信号、以及第二振动模态对应的第二频率信号，第一振动模态对应的频率温度特性、与第二振动模态对应的频率温度特征相反；对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号；将第三频率信号作为谐振器的输出频率信号。

在一实施例中，上述方法中获取谐振器的第一振动模态对应的第一频率信号、以及第二振动模态对应的第二频率信号还包括：在谐振器工作在第一振动模态时，调节谐振器的工作温度，并通过第一感测电极获取第一频率信号，从而确定第一振动模态对应的频率温度特性；以及在谐振器工作在第二振动模态时，调节谐振器的工作温度，并通过第二感测电极获取第二频率信号，从而确定第二振动模态对应的频率温度特性；

在一实施例中，上述方法中对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号，包括：当第一振动模态对应的频率温度特性、与第二振动模态对应的频率温度特征相反时，对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号。

通过上述方式，利用单谐振器中不同模态之间相反的频率温度系数特性，并通过电路处理的方法，有效的降低了谐振器的前两阶频率温度系数，对谐振器的频率温度系数起到补偿的作用，相比于其他方法大大减小了谐振器的整体尺寸和工艺的复杂程度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的谐振器一实施例中的电路架构示意图；

图2是本申请一实施例中一种频率温度系数为正的振动模态示意图；

图3是本申请一实施例中一种频率温度系数为负的振动模态示意图；

图4是本申请提供的一种谐振器频率温度系数的补偿方法的流程图示意图；

图5是本申请一实施例中Lame模态对应的频率温度系数曲线图；

图6是本申请一实施例中SE模态对应的频率温度系数曲线图；

图7是本申请一实施例中混频后第三频率的频率温度系数曲线图；

图8是本申请一实施例中各个频率温度系数的对比示意图。

附图标记：10、谐振体；20、驱动电极；21、第一驱动电极；22、第二驱动电极；30、感测电极；31、第一感测电极；32、第二感测电极；41、感测电路；42、处理电路；421、分频器；422、混频器；50、驱动电路。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请提供一种可以进行频率温度系数补偿的谐振器，该谐振器包括：谐振体；第一驱动电极，设置于谐振体上，第一驱动电极被配置为驱动谐振体以第一振动模态进行振动；第二驱动电极，设置于谐振体上，第二驱动电极被配置为驱动谐振体以第二振动模态进行振动；其中，第一振动模态对应的频率温度特性、与第二振动模态对应的频率温度特征相反。

参阅图1，图1是本申请提供的谐振器一实施例中的电路架构示意图，其主要包括谐振体10、驱动电极20、感测电极30及处理电路42。

可选地，在一实施例中，该谐振器还包括驱动电路50，驱动电路50连接第一驱动电极21和第二驱动电极22，驱动电路50被配置为控制所述第一驱动电极21以第一工作参数振动，产生第一振动模态，以及控制第二驱动电极22以第二工作参数振动，产生第二振动模态。第一驱动电极21和第二驱动电极22分别设置于谐振体10上。其中，驱动电路50是用来诱导谐振体10产生谐振的电路。

可选地，在一实施例中，谐振器还包括：感测电路41，感测电路41被配置为获取第一振动模态对应的第一频率信号、以及第二振动模态对应的第二频率信号；处理电路42，连接感测电路41，处理电路42被配置为对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号，并输出第三频率信号作为谐振器的输出频率信号。

其中，感测电路41连接第一感测电极31以获取第一频率信号，感测电路41连接第二感测电极32以获取第二频率信号。

可选地，在一实施例中，感测电极30包括：第一感测电极31，设置于谐振体10上、且与第一驱动电极21相对应，第一感测电极31被配置为获取第一振动模态对应的第一频率信号；第二感测电极32，设置于谐振体10上、且与第二驱动电极22相对应，第二感测电极32被配置为获取所述第二振动模态对应的第二频率信号。

可选地，在一实施例中，处理电路42包括：分频器421，连接感测电路41，分频器421被配置为对第一频率信号进行分频处理，以得到第四频率信号，以及对第二频率信号进行分频处理，以得到第五频率信号；混频器422，连接分频器421，混频器422被配置为对第四频率信号和第五频率信号进行混频处理，以得到第三频率信号。分频器421用于将信号进行倍频运算，混频器422用于将信号进行混合运算；经过电路处理可以实现不同模态对应频率之间的数学运算。

其中，分频器421就是把输入信号的频率变成倍数地低于输入频率的输出信号，从电路结构来看，本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络，高频通道是高通滤波器，它只让高频信号通过而阻止低频信号；低频通道正好相反，它只让低频通过而阻止高频信号；中频通道则是一个带通滤波器，除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过，高频成份和低频成份分频器都将被阻止。

其中，混频器422可称为“变频器”或者“频率转换器”，是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程,其实质是频谱线性搬移的过程，混频电路包括三个组成部分：本机振荡器、非线性器件、带通滤波器。

其中，谐振体10的振动模态包括至少两种振型，其中至少一种谐振振型的频率温度系数为正，至少一种谐振振型的频率温度系数为负，并且具有相反的频率温度特性的谐振振型相互补偿，如图2、图3所示，图2是本申请一实施例中一种频率温度系数为正的振动模态示意图，图3是本申请一实施例中一种频率温度系数为负的振动模态示意图。

可选地，在一实施例中，谐振体10的掺杂浓度固定、简并掺杂单晶硅，晶体取向、掺杂剂类型固定。

可选地，在一实施例中，谐振体10为板状谐振体，第一驱动电极21、第二驱动电极22、第一感测电极31和第二感测电极32沿板状谐振体的厚度方向的侧边设置，且第一驱动电极21和第一感测电极31分别设置于所述谐振体的相对两侧，第二驱动电极22和第二感测电极32分别设置于所述谐振体的相对两侧。

其中，可选地，在一实施例中，驱动电极20采用电容式驱动，驱动电极20的驱动频率不同以满足两个频率温度系数特性相反的模态，其中，第一驱动电极21驱动的模态的频率温度系数为正，第二驱动电极22驱动的模态的频率温度系数为负。

可选地，在一实施例中，板状谐振体沿垂直于厚度方向的截面为矩形或圆形。

可选地，在一实施例中，第三频率信号对应的频率温度曲线的一次系数，小于第一频率信号对应的频率温度曲线的一次系数、且小于第二频率信号对应的频率温度曲线的一次系数；和/或第三频率信号对应的频率温度曲线的二次系数，小于第一频率信号对应的频率温度曲线的二次系数、且小于第二频率信号对应的频率温度曲线的二次系数。

参阅图4，图4是本申请提供的一种谐振器频率温度系数的补偿方法的流程图示意图，该方法包括：

步骤110：获取谐振器的第一振动模态对应的第一频率信号、以及第二振动模态对应的第二频率信号，第一振动模态对应的频率温度特性、与第二振动模态对应的频率温度特征相反。

其中，谐振器的振动模态是指结构系统的固有振动特性。即模态就是反应结构自身固有特性，通常不仅包含频率，还包含振型。线性系统的自由振动被分解耦合为N个正交的单自由度振动系统，对应系统的N个模态。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

其中，频率信号的温度特征是指当温度发生变化时，谐振器材料的谐振频率的漂移程度，一般来说系数为正，则频率随温度的升高向频率升高的方向漂移，系数为负则频率随温度升高向频率降低的方向漂移。一般，频率温度特性采用频率温度系数曲线(TCF)表示，频率温度特性相反，就是说在一定的温度区间内，第一频率信号的频率随温度增大而增大，第二频率信号的频率随温度增大而减小，或者，第一频率信号的频率随温度增大而减小，第二频率信号的频率随温度增大而增大。也就是说，第一频率信号对应的TCF曲线的系数为正，第二频率信号对应的TCF曲线的系数为负，或者，第一频率信号对应的TCF曲线的系数为负，第二频率信号对应的TCF曲线的系数为正。

可选地，在一实施例中，获取谐振器的第一振动模态对应输出的第一频率信号、以及第二振动模态对应输出的第二频率信号，第一频率信号和第二频率信号的频率温度特性相反，包括：获取谐振器的多个振动模态对应输出的频率信号；从多个频率信号中确定频率温度特性相反的两个频率信号分别对应的两个振动模态；基于两个振动模态驱动谐振器，以获取谐振器的第一振动模态对应输出的第一频率信号、以及第二振动模态对应输出的第二频率信号。

其中，多个振动模态可以是分时获取的，每个振动模态可以分别获取对应的一个频率信号，每个频率信号具有对应的频率温度特性。从上述得到的多个频率信号中选择频率温度特性相反的两个频率信号分别对应的两个振动模态，作为该谐振器的输出模态。

可选地，在一实施例中，获取谐振器的第一振动模态对应的第一频率信号、以及第二振动模态对应的第二频率信号，包括：在谐振器工作在第一振动模态时，调节谐振器的工作温度，并通过第一感测电极获取第一频率信号，从而确定第一振动模态对应的频率温度特性；以及在谐振器工作在第二振动模态时，调节谐振器的工作温度，并通过第二感测电极获取第二频率信号，从而确定第二振动模态对应的频率温度特性；对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号，包括：当第一振动模态对应的频率温度特性、与第二振动模态对应的频率温度特征相反时，对第一频率信号和所述第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号。

可选地，在一实施例中，从多个频率信号中确定频率温度特性相反的两个频率信号分别对应的两个振动模态，包括：根据多个振动模态对应的频率信号随温度的变化情况，确定多个振动模态对应的频率温度曲线；根据多个振动模态对应的频率温度曲线，从多个频率信号中确定频率温度特性相反的两个频率信号分别对应的两个振动模态。

具体地，通过不同的电压电流以及驱动电极的选择，驱动单晶硅谐振器，记录谐振器的不同模态，并记录在不同模态中，所对应的不同温度下的谐振频率，绘制出不同模态下所对应的频率温度系数曲线图，选取其中频率温度系数特性相反的两个频率信号，其中所对应的振动模态则作为该谐振器的输出模态。

可选地，在一实施例中，在一单晶硅谐振器中，至少包括两种频率温度系数特性相反的模态，固定掺杂浓度和晶向，通过电极独立驱动两种不同频率温度系数特性相反的模态。其中，频率温度系数为正的谐振振子的振动模态选择Lame模态，相应的频率记为fA，振型如图2所示；频率温度系数为负的谐振振子的振动模态选择SE模态，相应的频率记为fB，振型如图3所示。其中，图2是本申请一实施例中一种频率温度系数为正的振动模态示意图，图3是本申请一实施例中一种频率温度系数为负的振动模态示意图；驱动谐振器，记录对应振型的频率温度变化曲线，并绘制曲线图，提取对应的线性和二次频率温度系数，如图5、图6所示，图5是本申请一实施例中Lame模态对应的频率温度系数曲线图，图6是本申请一实施例中SE模态对应的频率温度系数曲线图。

其中，图5、图6中的横坐标为温度，单位是摄氏度，纵坐标为频率误差，单位是ppm；图5中的Lame模态对应的频率温度系数曲线可表示为y＝-0.0976x

步骤120：对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号。

可选地，在一实施例中，步骤120可以包括：对第一频率信号和第二频率信号进行混频处理，以得到第三频率信号。

其中，混频处理是指把两个不同的频率信号混合，得到第三个频率。在模拟电路中，混频器可以将接收机接收到的高频信号，经过混频变成中频信号，再进行中频放大，以提高接收机的灵敏度。

可选地，在另一实施例中，步骤120可以包括：对第一频率信号进行分频处理，以得到第四频率信号；以及对第二频率信号进行分频处理，以得到第五频率信号；对第四频率信号和第五频率信号进行混频处理，以得到第三频率信号。

其中，分频处理是指通过分频电路,将输入信号的频率进行降低后再输出，经过处理后，输出的信号频率降低为原来的1/N，就叫N分频，一般指在数字电路；对信号中不同频率成分的各种信息分开，分成几个频率段也叫分频处理，一般指在音响电路。

可选地，在一实施例中，在后端电路中利用频率合成器(分频器)对第一频率信号和第二频率信号，两个电信号进行处理，输出相应的第一频率fA和第二频率fB，或者，再对第一频率fA进行分频处理得到第四频率nfA，再对第二频率fB进行分频处理得到第五频率mfB，最后将输出的第一频率信号和第二频率信号通过混频器混频获得新的第三频率信号，其中第三频率f＝fA+fB，或者，将输出的第四频率信号和第五频率信号通过混频器混频获得新的第三频率信号，其中第三频率f＝nfA+mfB。

步骤130：将第三频率信号作为谐振器的输出频率信号。

可选地，在一实施例中，通过第三频率信号驱动谐振器并记录第三频率信号随着温度变化的频率温度曲线，并通过数学拟合的方式得到谐振器混频后产生的第三频率信号所对应的线性和二次频率温度系数，参考上述“f＝nfA+mfB”的分频和混频方式，在一拟合的示例中，取n＝9，m＝5.8，如图7所示，图7是本申请一实施例中混频后第三频率的频率温度系数曲线图，其中横坐标为温度，单位是摄氏度，纵坐标为频率误差，单位是ppm；图6中混合后的频率温度系数曲线可表示为y＝-0.0857x

如图8所示，图8是本申请一实施例中各个频率温度系数的对比示意图，经对比可发现混频后的第三频率的频率温度系数的前两阶系数大大降低。

可以理解地，在其他实施例中，在拟合过程中，上述的n和m的值并不固定，可以根据实际情况来调整，以保证最终的TCF曲线的系数尽可能的小。

上述方法包括：获取谐振器的第一振动模态对应的第一频率信号、以及第二振动模态对应的第二频率信号，第一振动模态对应的频率温度特性、与第二振动模态对应的频率温度特征相反；对第一频率信号和第二频率信号进行处理，以得到第三频率信号；将第三频率信号作为谐振器的输出频率信号。

通过上述方法，利用不同模态间相反的频率温度系数特性，补偿频率温度系数，可以有效降低谐振器的杨氏模量随着工作温度的变化而引起的频率温度系数的变化；通过补偿电路，经过分频器和混频器的信号处理，产生的新的电信号作用于驱动电路，利用对分频系数的调整可有效的降低谐振器的前两阶频率温度系数，通过此方式对频率温度系数进行补偿，大大减小了谐振器的尺寸和工艺复杂程度。

需要说明的是，谐振器可以使用公知的技术由公知的材料制造。例如，谐振器可以由公知的半导体材料制作而成，具体可包括：1、由元素周期表第IV列中的一种或多种材料组成，例如硅、锗、碳、硅锗或碳化硅等；2、III-V化合物，例如磷化镓、磷化铝镓等；3、III、IV、V或VI材料的组合，例如氮化硅、氧化硅、碳化铝、氮化铝和/或氧化铝等；4、金属硅化物、锗化物和碳化物，例如硅化镍、硅化钴、碳化钨或硅化铂锗等；5、掺杂变体，例如磷、砷、锑、硼或铝掺杂的硅、锗、碳或组合(如硅锗、碳化硅等)；6、具有各种晶体结构的上述五种材料，这些晶体结构包括单晶、多晶、纳米晶以及无定形中的任意一种或任何组合，例如具有单晶和多晶结构的区域(无论是掺杂的还是未掺杂的)。谐振器也可以使用公知的光刻、蚀刻、沉积和/或掺杂技术形成在绝缘体中或上，该绝缘体具体可以是半导体(SOI)衬底。

在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

另外，在本申请各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是根据本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。