一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法

摘要

一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法，包括开环测试方法和闭环测试方法，开环测试方法适用于实验室环境中高频体模态谐振器的标定测试；闭环测试方法适用于工业现场中高频体模态谐振器的实际应用；本发明利用半频波静电激振谐振器的原理，将馈穿电流降为二分频，而由谐振器振动产生的动态电流仍为原先频率，二者被分隔在不同的频段，通过外部电路可以将馈穿电流带来的噪声去除，大大提高了谐振器测试的信噪比，进而提高了硅微振荡器的性能参数。

权利要求

1.一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法，其特征在于：包括开环测试方法和闭环测试方法，开环测试方法适用于实验室环境中高频体模态谐振器的标定测试；

闭环测试方法适用于工业现场中高频体模态谐振器的实际应用；

所述的开环测试方法，包括以下步骤：矢量网格分析仪(10-1)的A端口输出交变正弦电流ω，通过比较器(10-2)，正弦电流变为高电平3.3V、低电平0.3V的同频方波，然后经变频电路(10-3)将该信号调制为半频信号ω/2，与直流偏置电压一起通入谐振器的硅微谐振子(1)激振端，当交变正弦电流ω的频率与硅微谐振子(1)的固有频率ω0相同时，硅微谐振子(1)与半频激振信号产生共振，且振动频率为其固有频率ω0；硅微谐振子(1)的振动产生了频率也为ω0的动态电流，在硅微谐振子(1)的拾振端检测到该动态电流，经放大器(10-4)放大、高通滤波器(10-5)去除馈穿电流后，输入矢量网格分析仪(10-1)的B端口进行检测分析；

所述的闭环测试方法，包括以下步骤：在振荡电路工作时，放大器(11-1)将馈穿电流ω0/2和动态电流ω0同时放大，高通滤波器(11-2)的截止频率略小于ω0，以此滤除了馈穿电流ω0/2；移相器(11-3)调整反馈电流的相位，提供自激振荡的必要条件，比较器(11-4)将反馈电流变为方波，输入至变频电路(11-5)进行分频，再通过幅值调节电路(11-6)调节反馈电流大小，最终半频的反馈电流激振谐振器的硅微谐振子(1)，整个电路形成了稳定的自激振荡后，振荡器的频率通过频率计数器(11-7)读取。

2.根据权利要求1所述的一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法，其特征在于：能够针对高频体模态谐振器进行测试，也能够针对低频谐振器进行测试，高频体模态谐振器包括圆盘式硅微谐振器和方盘式硅微谐振器，低频谐振器包括梁式硅微谐振器或音叉式硅微谐振器。

说明书

一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及谐振器测试技术领域，特别涉及一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法。

背景技术

[0002] 目前，已有许多科研工作者针对硅微振荡器的测试开展相应的研究，包括振荡电路的优化改进、温度补偿机制的探究等。中国专利(CN 102439844)在传统硅微振荡电路中引入了修正部，可根据原振荡信号生成规定的频率信号，并作为输出信号来反馈至硅微振荡器，依此方式，提升了硅微振荡器的稳定性。中国专利(CN 102377408 A)针对振荡器的测试电路进行了改进，并采用压阻测量方法提升了硅微振荡器的实用性。由于硅材料的温度效应，硅微振荡器的振荡频率易受外界温度的影响，致使温度漂移较大。针对此，中国专利(CN 104811186 A)设计了一种温度补偿机制，保证了硅微振荡器周围环境温度的稳定，提升其抗温漂能力；中国专利(CN 102594260)利用寄生电容与温度传感器构成补偿电路，同样避免了温度漂移带来的频率稳定性降低。

[0003] 目前为止，尚未有公开文献致力于高频体模态硅微谐振器的测试优化工作。硅微谐振器一般通过溅射的金属电极层连接外部电路，由于硅材料自身的导电性，金属电极层之间存在着寄生电容，谐振器的激振信号通过寄生电容直接传输至拾振端，从而形成了馈穿电流，影响了拾振信号的信噪比。在对高频体模态硅微谐振器进行测试时，由于其激振困难，需要较大的激振电流，加之其本征频率往往较高，馈穿电流带来的负面影响尤为明显，大大增加了高频体模态硅微谐振器的测试难度。在利用传统方法检测时，馈穿电流与谐振器振动带来的动态电流为同频信号，通过外部电路不能很好的将二者分离，导致有效信号往往被淹没于馈穿信号和噪声本底中，测试结果不能达到要求。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法，通过半频静电激振的方法，使得馈穿电流和动态电流分隔在不同频段，再通过外部电路滤除馈穿电流带来的影响，实现高频体模态硅微振荡器的信噪比和频率稳定性的提升。

[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0006] 一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法，包括开环测试方法和闭环测试方法，开环测试方法适用于实验室环境中高频体模态谐振器的标定测试；闭环测试方法适用于工业现场中高频体模态谐振器的实际应用；

[0007] 所述的开环测试方法，包括以下步骤：矢量网格分析仪10-1的A端口输出交变正弦电流ω，通过比较器10-2，正弦电流变为高电平3.3V、低电平0.3V的同频方波，然后经变频电路10-3将该信号调制为半频信号ω/2，与直流偏置电压一起通入谐振器的硅微谐振子1激振端，当交变正弦电流ω的频率与硅微谐振子1的固有频率ω0相同时，硅微谐振子1与半频激振信号产生共振，且振动频率为其固有频率ω0；硅微谐振子1的振动产生了频率也为ω0的动态电流，在硅微谐振子1的拾振端检测到该动态电流，经放大器10-4放大、高通滤波器10-5去除馈穿电流后，输入矢量网格分析仪10-1的B端口进行检测分析；

[0008] 所述的闭环测试方法，包括以下步骤：在振荡电路工作时，放大器11-1将馈穿电流ω0/2和动态电流ω0同时放大，高通滤波器11-2的截止频率略小于ω0，以此滤除了馈穿电流ω0/2；移相器11-3调整反馈电流的相位，提供自激振荡的必要条件，比较器11-4将反馈电流变为方波，输入至变频电路11-5进行分频，再通过幅值调节电路11-6调节反馈电流大小，最终半频的反馈电流激振谐振器的硅微谐振子1，整个电路形成了稳定的自激振荡后，振荡器的频率通过频率计数器11-7读取。

[0009] 所述的一种基于半频静电激振的高频体模态谐振器测试方法，不仅能够针对高频体模态谐振器进行测试，也能够针对低频谐振器进行测试，高频体模态谐振器包括圆盘式硅微谐振器和方盘式硅微谐振器，低频谐振器包括梁式硅微谐振器或音叉式硅微谐振器。

[0010] 本发明的有益效果为：

[0011] 本发明利用半频波静电激振谐振器的原理，将馈穿电流降为二分频，而由谐振器振动产生的动态电流仍为原先频率，二者被分隔在不同的频段，通过外部电路可以将馈穿电流带来的噪声去除，大大提高了谐振器测试的信噪比，进而提高了硅微振荡器的性能参数。

附图说明

[0012] 图1为本发明开环测试电路的示意图。

[0013] 图2为本发明闭环测试电路的示意图。

[0014] 图3为圆盘式硅微谐振器的示意图。

[0015] 图4为馈穿电流对于测试结果的影响示意图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述。

[0017] 参照图1，所述的一种基于半频静电激振的开环测试方法，包括以下步骤：矢量网格分析仪10-1的A端口输出交变正弦电流ω，通过比较器10-2，正弦电流变为高电平3.3V、低电平0.3V的同频方波，然后经变频电路10-3将该信号调制为半频信号ω/2，与直流偏置电压一起通入圆盘式硅微谐振器的硅微谐振子1激振端，当交变正弦电流ω的频率与硅微谐振子1的固有频率ω0相同时，硅微谐振子1与半频激振信号产生共振，且振动频率为其固有频率ω0；硅微谐振子1的振动产生了频率也为ω0的动态电流，在硅微谐振子1的拾振端检测到该动态电流，经放大器10-4放大、高通滤波器10-5去除馈穿电流后，输入矢量网格分析仪10-1的B端口进行检测分析。

[0018] 参见图2，所述的一种基于半频静电激振的闭环测试方法，包括以下步骤：在振荡电路工作时，放大器11-1将馈穿电流ω0/2和动态电流ω0同时放大，高通滤波器11-2的截止频率略小于ω0，以此滤除了馈穿电流ω0/2；移相器11-3调整反馈电流的相位，提供自激振荡的必要条件，比较器11-4将反馈电流变为方波，输入至变频电路11-5进行分频，再通过幅值调节电路11-6调节反馈电流大小，最终半频的反馈电流激振圆盘式硅微谐振器的硅微谐振子1，整个电路形成了稳定的自激振荡后，振荡器的频率通过频率计数器11-7读取。

[0019] 参见图3，所述的圆盘式硅微谐振器包括硅微谐振子1，硅微谐振子1形状为圆盘形，在其四周每隔90°分别布置有第一支撑端2、第二支撑端3、第三支撑端4和第四支撑端5，第一支撑端2、第二支撑端3、第三支撑端4和第四支撑端5分别由第一支撑端锚点2-1、第二支撑端锚点3-1、第三支撑端锚点4-1、第四支撑端锚点5-1和均匀溅射于锚点上的第一金属电极层2-2、第二金属电极层3-2、第三金属电极层4-2、第四金属电极层5-2构成，各支撑端锚点与硅微谐振子1通过细长梁连接，在每两个支撑端的中间布置有信号传输端，分别为第一信号传输端6、第二信号传输端7、第三信号传输端8和第四信号传输端9，第一信号传输端6、第二信号传输端7、第三信号传输端8和第四信号传输端9分别由第一传输端锚点6-1、第二传输端锚点7-1、第三传输端锚点8-1、第四传输端锚点9-1和均匀溅射于传输端锚点上的第五金属电极层6-2、第六金属电极层7-2、第七金属电极层8-2、第八金属电极层9-2构成，传输端锚点通过细长梁分别与第一电容极板6-3、第二电容极板7-3、第三电容极板8-3、第四电容极板9-3连接，电容极板与硅微谐振子1存在一定空隙形成电容，作为激振谐振器和检测振动信号的手段。

[0020] 所述的硅微谐振子1、电容极板都悬空且能够自由振动；所述的支撑端锚点和传输端锚点都固接于单晶硅基底上，起到支撑整个器件的作用。

[0021] 所述的硅微谐振子1的振荡频率由其结构设计参数决定，通过改变硅微谐振子1的设计参数，赋予硅微谐振子1特定的固有频率，该固有频率能够通过开环测试电路测得；当硅微谐振子1被置于闭环测试电路中时，在特定参数下，硅微谐振子1与闭环电路构成高性能硅微振荡器，在硅微谐振子1的固有频率上自激振荡，输出稳定的频率信号。

[0022] 参照图4，图4为体模态硅微谐振器的开环测试幅值图(上)和相位图(下)，三条线分别表示了馈穿电流由大到小时测得的谐振器工作状态。可以看出，在馈穿电流较大时，谐振峰较不明显，被部分淹没于馈穿电流的噪声中，且品质因数较低；在馈穿电流较小时，谐振峰完全显露，具有很高的品质因数。在闭环测试中，品质因数较高的谐振峰将带来更高的频率稳定性，进而振荡器的其他性能指标也将大大提升。

[0023] 本发明的工作原理为：

[0024] 在理想状况下，不论是体模态硅微谐振器，还是梁式硅微谐振器、音叉式硅微谐振器，都可以等效为一个RLC电路，在外界激励或特定条件下，其可以形成自激振荡。在实际情况中，由于寄生电容的存在，谐振器的RLC模型中应有一个Cf与之并联，该模型可表示为：

[0025]

[0026] 其中ω为振荡频率，ω0为谐振器的固有频率，Cm为动态电容，Cf为寄生电容，Q为谐振器的品质因数。通过上述模型可知，在拾振端，不仅会得到谐振器自身振动带来的动态电流，还会得到激振信号穿过寄生电容形成的馈穿电流。

[0027] 在传统的测试方法中，由于激振信号与谐振器的固有频率为同频信号，所以动态电流与馈穿电流也为同频信号。这样，在拾振端采集信号之后不能很好的将二者分开，导致了检测信噪比较低，动态电流往往被淹没于馈穿电流的噪声中，使得谐振器不能正常工作。

[0028] 上述问题的解决办法之一就是将动态电流和馈穿电流分隔在不同的频段。经过推算，半频波也可激振谐振器，若采用半频波信号作为激振源，馈穿电流将将为ω0/2，而动态电流仍为ω0，这样就可以很好的将二者分开。

[0029] 激振电流与激振力的关系可以表示为：

[0030]

[0031] 式中，C为平板电容的大小，x为谐振器的振动位移，Vdc为激励谐振器的直流偏置电压，|Vac|为交流激振信号的峰值。将式中的ω0替换为ω0/2，通过变换，可以看出半频波激振力F中包含了直流激振力、半频激振力和一倍频激振力：

[0032]

[0033] 所以，频率为ω0/2的半频波可以产生频率为ω0的激振力，从而激振谐振器，使其振动在固有频率ω0上，产生频率为ω0的动态电流。此时，通过寄生电容产生的噪声频率仍为ω0/2，而有效信号为ω0，通过陷波滤波器、带通滤波器等外部电路即可去除。