热激励微机械谐振器闭环自激检测电路研制.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文热激励微机械谐振器闭环白激检测电路研制研究生：刘珍指导教师：董林玺副研究员D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oH a n g z h o uD i a n z iU n i v e r s i t yf o rt h eD e g r e eo fM a s t e rS t u d yo nt h ec l o s e dl o o ps e l f-e x c i t e dd e t e c t i o nc i r c u i tf o rt h e r m a l l ye x c i t e dM E M Sr e s o n a t o rC a n d i d a t e：L i uZ h e nS u p e r v i s o r：A s s o c i a t eB o f f i nD o n gL i n x iM a r c h，2 0 1 l杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：铷玲日期：如1 1 年弓月为日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密论文在解密后遵守此规定)论文作者签名：蔼今|指导教师签名：3 每彩各日期：年弓月为日日期：驯年弓月调杭州电子科技大学硕士学位论文摘要微机械谐振式传感器是一种重要的微型传感器，除具有普通硅微机械传感器体积小、重量轻、成本低、功耗小、易于集成的优点外，还具有灵敏度高、准数字信号输出、抗干扰能力强等特点。而微谐振器谐振频率的闭环自泐检测电路可提高谐振频率测量精度和速度、扩大量程，改善系统的动态特性，是微谐振式传感器研制的关键技术之一。本文利用锁相环的精确选频跟踪特性，在开环特性测试基础上，研制了由低噪声差分放大器、恒时延带通滤波器、o o-l s o o 移相器、正弦波方波波形变换器、二分频器、无相差频率跟踪锁相环、幅值调整等环节组成的微谐振器闭环自泐检测电路，实现了微谐振器闭环自激和谐振频率的高精度测量。检测电路的相位随频偏的变化是影响频率稳定性和测试结果可靠性的关键因素，为有效解决锁相环相位随频偏变化的问题，本文结合锁相环稳态相差与环路滤波器传递函数之间的关系，优化设计了一种基于波形发生器M A X 0 3 8 的无相差频率跟踪锁相环电路，实现对传输信号频率和相位的同步跟踪功能，具有电路结构简单，参数选取方便等特点。在对闭环自激检测系统各个电路单元分析、仿真和调试的基础上，提出了各单元模块的设计原则，并最终成功研制出热激励微梁谐振器的谐振频率自溯检测电路。对电热激励压阻检测的二氧化硅硅双层微悬臂梁谐振器谐振频率的测量结果表明：该测试系统的稳定性达到o 1 H z h，证明本文所研制的闭环自激检测系统具有较高的测量精度和稳定性。关键词：微谐振器，闭环自激系统，锁相环，零相位差杭州电子科技大学硕士学位论文A B S T R A C TM i c r o-m e c h a n i c a lr e s o n a n ts e n s o ri sa ni m p o r t a n tm i c r o s e n s o r I na d d i t i o nt ot h ea d v a n t a g e so ft h eo r d i n a r ys i l i c o nm i c r o-m a c h i n e ds e n s o l 墨谢廿ls m a l ls i z e,l i g h tw e i g h t，l o wc o s t,p o w e rc o n s u m p t i o na n de a s yi n t e g r a t i o n,t h em i c r o-m e c h a n i c a lr e s o n a n ts e n s o rh a sh i g hs e n s i t i v i t y,q u a s i-d i g i t a ls i g n a lo u t p u ta n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y T h ec l o s e d-l o o ps e l f-e x c i t a t i o na n dd e t e c t i o nc i r c u i ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nd e v e l o p i n gt h em i c r o r e s o n a n tS e 匿I S O I S，w h i c hC a l le n h a n c et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n ds p e e do ft h e1 1 e s o n a n tf r e q u e n c y,e x p a n dt h em e a s u r e m e n tr a n g ea n di m p r o v et h es y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s B a s e do nt h eo p e n-l o o pc h a r a c t e r i s t i c st e s ta n de m p l o y i n gt h ep r e c i s ef r e q u e n c ys e l e c t i n ga n da c c u r a t ef r e q u e n c yt r a c k i n gp e r f o r m a n c eo ft h eP L L，ac l o s e d l o o ps e l f-e x c i t a t i o na n dd e t e c t i o nc i r c u i tW a sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r,i n c l u d i n gl o w-n o i s ed i f f e r e n t i a la m p l i f i e r,c o n s t a n td e l a yb a n d-p a s sf i l t e r,p h a s es h i f t e rc h a n g i n gt h ep h a s ef r o m0 0t o18 吡w a v e f o r mc o n v e r t e rt r a n s f o r m i n gt h es i n et os q u a r e，f r e q u e n c yd i v i d e r,P L L、)l，i mp r e c i s ef r e q u e n c ys e l e c t i n ga n da c c u r a t ef r e q u e n c yt r a c k i n gf u n c t i o na n da m p l i t u d ea d j u s t m e n tc i r c u i t T h ed e t e c t i o ns y s t e ma c h i e v e dc l o s e d-l o o ps e l f-e x c i t e da n dh i g h-p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to ft h er e s o n a n tf r e q u e n c y T h ed e t e c t i o nc i r c u i t sp h a s ec h a n g ec a u s e db yt h ef r e q u e n c yo f f s e ti sak e yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft e s tr e s u l t s I no r d e rt oe l i m i n a t et h ep h a s ec h a n g eo ft h eP L Lc a u s e db yt h ef r e q u e n c yo f f s e t,t h ep a p e rt o o ka d v a n t a g eo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t e a d y-s t a t ep h a s ed i f f e r e n c ea n dt h eP L Ll o o pf i l t e rt r a n s f e rf u n c t i o na n dg a v ea no p t i m i z a t i o no ft h eP L Lc i r c u i tb a s e do nw a v e f o r mg e n e r a t o rM A X 0 3 8t or e a l i z ef r e q u e n c yt r a c k i n gf u n c t i o na tt h e 丘)【c dp h a s ed i f f e r e n c e T h eP L Lc i r c u i t,、玩n Is i m p l es t r u c t u r ea n dc o n t i n e n tp a r a m e t e rs e l e c t i o n，c a na c h i e v ef r e q u e n c ya n dp h a s es y n c h r o n i z a t i o nt r a c k i n go f t r a n s m i ts i g n a l A f t e ra n a l y s i s，s i m u l a t i o na n dd e b u g g i n go fe a c hc i r c u i tu n i t，t h ed e s i g np r i n c i p l e so fe a c hc i r c u i tu n i tw e r ep u tf o r w a r d，a n dt h ec l o s e dl o o ps e l f-e x c i t e dd e t e c t i o nc i r c u i tf o rt h e r m a l l ye x c i t e dM E M Sr e s o n a t o rW a sd e v e l o p e d T h ec l o s e d-l o o pt e s tr e s u l to ft h e r m a l l ye x c i t e da n dp i e z o r e s i s t i v ed e t e c t i o nd o u b l el a y e r sm i c r o c a n t i l e v e rr e s o n a t o rm a d eo fS i 0 2a n dS is h o w st h a tt h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yo ft h i ss y s t e mc a na c h i e v eO 1 m h，S Ow ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec l o s e d-l o o ps e l f-e x c i t e ds y s t e mh a sh i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n ds t a b i l i t y K e yw o r d s：M i c r o m e c h a n i c a lR e s o n a t o r,C l o s e dL o o pS e l f-e x c i t e dS y s t e m，P h a s eL 0 c kL 0 0 p，Z e r oP h a s eD i f f e r e n c eH杭州电子科技大学硕士学位论文目录摘要IA】E；S T】i I A C T I I第l 章绪论。11 1M E M S 概述11 1 1M E M S 的概念一l1 1 2M E M S 的发展历程。l1 1 3M E M S 技术的应用领域21 2M E M S 谐振器21 2 1M E M S 谐振器概述21 2 2M E M S 谐振器激励与检测方式31 2 3M E M S 谐振器的性能参数51 3M E M S 谐振器闭环自激谐振频率测试系统的研究意义。71 4 论文的主要内容8第2 章热激励微悬臂梁谐振器的开环特性测试研究92 1 微谐振器的制作流程92 2 微悬臂梁谐振器的谐振特性分析1 02 2 1 电热激励微悬臂梁谐振器的谐振频率1 02 2 2 电热激励微悬臂梁谐振器的品质因数1 02 3 微谐振器的开环特性测试。1 12 3 1 激励信号与输出信号间的频率关系分析1 12 3 2 开环特性测试结果1 22 4 本章小结1 5第3 章热激励微谐振器闭环自激谐振频率测试系统研究1 63 1 微谐振器闭环自激谐振频率测试系统概述1 63 2 微谐振器闭环自激谐振频率测试系统总体设计1 73 3 前置放大电路设计1 83 3 1 恒时延带通滤波器一1 83 3 2 移相器2 23 3 3 幅值调整电路2 43 3 4 波形变换器2 43 3 5 分频器。2 6m杭州电子科技大学硕士学位论文3 4 锁相环(P L L)电路实现方案。：2 83 5 本章小结3 l第4 章热激励微谐振器闭环自激谐振频率测试3 24 1 微谐振器闭环自激谐振频率的闭环测试结果3 24 2 闭环自激检测电路稳定性分析3 34 3 本章小结3 4第5 章M A X 0 3 8 实现无相差频率跟踪功能锁相环电路的优化设计3 55 1 锁相环的工作原理3 55 2 具有无相差频率跟踪功能的锁相环电路优化设计3 75 2 1 锁相环的优化设计方案3 75 2 2 环路滤波器元件参数选取3 85 3 锁相环电路的稳态相差分析3 95 4 锁相环实现无相差频率跟踪功能的实验结果4 05 5 本章小结4 1第6 章总结和展望4 26 1 总结4 26 2 展望4 31 改谢4 4参考文献4 5附蜀乏4 9I V杭州电子科技大学硕士学位论文第1 章绪论1 1M E M S 概述1 1 1M E M S 的概念微电子机械系统(M i c r o-E l e c t r 0 _ M e c h a n i c a lS y s t e m s，M E M S)通常是是指借助集成电路制造技术和微机械加工技术，将微传感器、微执行器、微结构以及微电路集成在一块芯片上的微型器件或系统，其典型结构模型如图1 1 所示【1】。传模数模执卜拟八字卜、拟卜幽旷信信信号号号臣H感面丽万行口徽系统通信，接口器器l 型p图1 1 微电子机械系统结构模型M E M S 器件或系统具有以下几个典型特点f 2 川：。微型化：结构尺寸微小，典型微系统的尺寸在微米到毫米量级，使得M E M S 器件具有重量轻、功耗低、携带方便、灵敏度和分辨率高等优点。但M E M S 器件或系统不完全是宏观对象的按比例缩小，它包含着新原理和新功能，具有宏观对象不具有的新效应或新性能。集成化：可以把不同功能、不同敏感方向和致动方向的多个传感器或执行器集成与一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把多种器件集成在起以形成复杂的微系统。智能化：M E M S 集成了传感器、微结构、微执行器和信息处理电路，构成了系统的感官、神经、大脑，形成具有感知、思考、决策、通信和反应控制能力的智能系统，能够实现微观尺度下电、机械、热、磁、光、生化等多能量领域的测量和控制。多学科交叉：作为一个多学科交叉的高科技领域，有关M E M S 的研究涉及微电子、材料、信息控制、信息检测、物理、化学、生物学、制造加工、固体力学、流体力学、传热学、摩擦学等多个学科。1 1 2M E M S 的发展历程“微机械 概念最早出现在美国物理学家F e y n m a n 在1 9 5 9 年美国物理学年会上做的题为“T h e r ei sp l e n t yo f r o o ma tb eb o s o m 的报告中【4】。2 0 世纪5 0 年代，“微机械主要研究杭州电子科技大学硕士学位论文半导体材料的物理性质及其在传感器中的应用；2 0 世纪6 0 年代，各向异性刻蚀技术和硅玻璃键合技术等微细加工技术得到了较快的发展，出现了基于各向异性刻蚀技术的硅基微传感器；2 0 世纪7 0 年代，汽车用传感器和医用压力传感器成为了研究重点，随着各向异性刻蚀技术和硅玻璃键合技术的不断完善，美国国家半导体公司、M o t o r o l a 和H o n e y w e l l 等公司推出了可以批量生产的压力传感器和加速度传感器，H P 和I B M 公司成功研制了基于微加工技术的喷墨打印机喷头；2 0 世纪8 0 年代，理论研究和设计方法的进步，新的结构层材料和牺牲层材料的出现，表面加工技术的发展，多种新型加工技术的出现，使设计和制造结构复杂的微器件成为可能，出现了基于表面加工技术的压力传感器和加速度传感器，在1 9 8 9 年，M E M S 成为这一领域的统称；2 0 世纪9 0 年代，各国都很重视对该新技术的投入，使得M E M S技术获得了快速发展，设计制作出的M E M S 器件结构更加复杂、集成度更高，产品的应用范围扩展到国防、航空航天、通信、生物医学、环境监控等领域；2 1 世纪，M E M S 的研究从单一的器件研究朝着系统功能集成的方向发展，逐渐形成纳米器件、数据存储、生物医学、能源、光学等新的研究方向，并从单一的M E M S 器件和功能研究向着系统和功能集成的方向发展【5 1。1 1 3M E M S 技术的应用领域M E M S 产品早期的应用领域主要集中在传感测量、汽车安全系统【6，7】和喷墨打印喷头【8】等方面。随着M E M S 技术的不断发展成熟，M E M S 产品逐渐进入消费电子领域，移动游戏机和手机是M E M S 技术在该领域最活跃的两类应用，2 0 0 7 年，日本任天堂公司推出的使用三轴微加速度传感器的W i i 游戏机，成功将M E M S 技术引入消费类电子产品的设计中，I s u p p l i提供的数据表明，2 0 0 9 年有3 亿8 千万个微加速度计被应用于手机领域【9】。M E M S 产品在军事领域也有十分广阔的应用前景，正成为国防科技发展的一条新途径，基于M E M S 的开关、滤波器、可变电容、电感器等射频元器件将率先在军用相控阵雷达和无线通信中应用，取代传统射频收发系统中的开关、滤波器、压控振荡器、混频器，双工器等，最终达到单片或混合集成目标；体积更小、质量更轻且持续时间长的电池成为今后反恐怖作战所需的新装备。国外利用M E M S 技术研发的实用化、高效率、高容量的微型燃料电池、处理器、超级电容器一体化装置，已有样品演示；制导弹药采用的卫星定位惯性导航(G P S I N S)组合制导技术，是目前最先进的。全天候、自主式制导技术，有广泛应用前景。由硅微机械陀螺和硅微加速度计构成的M E M S 惯性测量装置在国外已开始小批量生产。目前，国外正加速研制高精度、低成本、集成化、抗高冲击的M E M S 惯性测量装置，尝试在芯片上制造光纤陀螺，利用一块芯片实现I N S，扩展I N S 应用范围，为非制导的炮射弹药提供廉价一次性的制导和控制，提高弹药打击精度【l o】。1 2M E M S 谐振器1 2 1M E M S 谐振器概述在M E M S 谐振器发展的过程中，先后出现的谐振器结构包括梳齿状谐振器、梁式谐振器2杭州电子科技大学硕士学位论文和圆盘状谐振器等。梳齿状谐振器起源于梳齿状叉指电容，梳齿部分是该类谐振器的核心，起到负责整个谐振器的驱动，振动以及机电换能和检测作用，具有设计灵活，结构多样以及激励方式多等优点，但是，其谐振频率较低；梁式谐振器的主要部分为谐振梁，通过施加激励信号，使梁在特定的方向上往复运动，当振动频率等于结构的固有频率时，发生谐振【l u；梁式谐振器根据梁的支撑方式的不同，可以分为双端固支梁【1 2 1、悬臂梁【1 3】和双端自由梁【1 4 1，其中双端固支梁谐振器的结构与桥式并联开关的结构相同；微悬臂梁谐振器可以振动在弯曲、扭转和纵向伸缩等模态；双端自由梁微谐振器包括一个悬空谐振梁，以及通过锚点固定在衬底的四个支撑柔性梁，理论上，支撑梁并不随谐振梁振动，因此通过支撑梁损耗的能量很小，能够实现较大的品质因数和较高的谐振频率；圆盘谐振器【l5 1 6】主要是利用较大质量块的伸缩振动进行工作的，由于圆盘的弹性系数较大，因此，可以得到非常高的谐振频率。圆盘谐振器主要有两种振动模式：一种是工作在径向均匀伸缩振动模式的盘形微谐振器【1 7】，另一种是工作在沿两个垂直直径反向伸缩振动模式的圆形谐振器【l 引。M E M S 谐振器的主要应用包括两个方面：一是作为频率控制元件，将多个微谐振器和晶体管组成滤波器或振荡器等模块应用在信号处理和无线通信等领域f l 蛇l】；二是作为敏感元件，构成谐振式微传感器，用于对物理、化学、生物等各种参量的检测，通过测量输出信号的频率、幅值或者相位的变化来反映被测量的变化，是目前微传感器最重要的实现形式瞄2 6】。1 2 2M E M S 谐振器激励与检测方式谐振器的激励是指采用合适的电路和机械结构，将电能转换为机械能的过程。根据器件的特点选用合适的激励方式对M E M S 谐振器进行动态性能测试工作的第一步。常用的激励方式有静电激励、压电激励、电热激励、电磁激励、光激励等1 2 7 川】；测量和分析M E M S 谐振器的输出信号是实现对器件性能动态测量的必要环节。检测方式总体上可以分为两种：光学检测方法和电学检测方法。光学检测方法主要有光强度调制检测方法和光干涉调制检测方法，后者具有更高的精度和灵敏度。常用的电学检测方式有电容检测、电磁检测、压电检测和压阻检测等。激励与检测方式的选取受多个因素的影响，包括需要激励力的幅值、驱动效率、所选择的激励和检测方式对谐振器性能的影响、谐振器的加工工艺的兼容性以及谐振器的工作环境等。以微悬臂梁谐振器为例，常用的激励和检测方式的组合有表1 1 所示的6 种基本形式【3 2-3 s ：压电激励压电检测、电磁激励电磁检测、静电激励电容检测、介电激励电容检测、电热激励压阻检测和光热激励光电检测。3杭州电子科技大学硕士学位论文表1 1M E M S 谐振器的激励方式和检测方式介N 急镐巧lT 力。O 磁场 磁场利用压电材料的压电转换特性，压电材料内部的电流经谐振元件的电流在磁场的作用下，产生洛伦兹力场引起机械变形，激励谐振元件发生振动，压电材激励谐振器振动，反过来由振动切割磁感线产生感应料的形变会引起电的响应，实现对振动的检测。电流，通过检测感应电流实现对振动的检测。闫+垒隆冀与、在两电极上旋加电压，两电极之间存在静电力的作在两电极上施加电压，两电极之间存在静电力的作用，用，利用静电力驱动谐振元件发生振动，引起两电使介质层发生形变，引起该多层结构的谐振器发生弯极间电容的变化，通过配置合适的测量电路，将电曲，使电介质的面积和厚度发生改变，进而使两电极容值的变化转换为电量输出，实现对振动的电容检间的电容变化，应用电容检测原理即可实现对振动的测。检测。，n 尸r L。V对加热电阻周期性加热，在谐振梁上产生交变的温周期性调制的激光照射在谐振器上，产生周期性的热度应力，使谐振梁产生与温度变化频率相同的机械应力，激励谐振梁振动，对振动进行检测也通常使用振动，振动的检测通过制作在谐振梁上的拾振电阻的压阻效应来实现。光检测法。常用的光检测法有幅度调制法和光干涉法。4杭州电子科技大学硕士学位论文1 2 3M E M S 谐振器的性能参数M B M S 谐振器的性能通常通过其谐振频率、品质因数、器件噪声、输出阻抗及热稳定性几个方面来衡量。1 2 3 1 谐振频率和品质因数Q谐振器的输出信号形式可以是模拟信号或数字信号，但频率形式的输出信号最为普遍，在实际应用中，频率输出对于外界电磁干扰的敏感度最低，并且容易转换为数字信号。Q 值是指系统所存储的能量与每个周期内由于受到阻尼影响所耗散的能量犀之比，即Q=2 万易3 6 1。Q 值是设计及制作微谐振器时需要重点考虑的问题。高Q 值的谐振器能够降低驱动电路的电干扰效应，并且可有效抑制谐振器与外界环境之间的机械耦合，提高器件的精度及长期稳定性。典型结构谐振器的谐振频率与其品质因数Q 的乘积的变化趋势【3 T J 如图1 2 所示。1 枷2 D Y e a r图1 2M B M S 谐振器谐振频率与品质因数Q 乘积的变化趋势从图1 2 中看出：M E M S 谐振器的谐振频率和品质因数Q 的乘积逐渐增大。分别研究其谐振频率和品质因数Q 发现：M E M S 谐振器的谐振频率和品质因数Q 均向增大的方向发展，并受到器件结构，尺寸，材料，振动方式，阻尼等因素的影响。1 2 3 2 微谐振器的噪声M E M S 谐振器的器件噪声对输出信号产生的影响表现为幅值噪声和相位噪声两个方面，通常情况下，幅值噪声在后续处理电路中能够得到有效抑制，对于频率输出形式的M E M S 谐振器，幅值噪声对整个系统产生的影响是有限的，相位噪声是系统中主要的噪声形式。相位噪声通常表示为1 H z 内单边带噪声谱密度k(哝+A m，1 勉)与载波功率巴脚比值的分贝形式：三 缈)：l O l g P a a,b,a(_ 譬+A m,1 H Z)d B c H z(1 1)。对一些物理性质不同，但从数学的角度看，具有相同的动态特性的系统互为等效系统，例如，电路系统与机械系统。在分析M E M S 谐振器的噪声时，为了使分析和求解过程得到简5铲扩伊护pp妒t，-o等口参9蚕-骞口釜正杭州电子科技大学硕士学位论文化，可以将闭环系统等效为一个有阻尼的1 1 L C 并联电路网络和为谐振系统的能量损失提供补偿的无噪声能量补充单元的组合【3 8 1(不考虑外围检测电路引入的噪声)，如图1 3 所示。图1 3 闭环自激系统等效模型图1 3 所示的并联形式的R L C 电路网络为谐振器的等效电路模型。其中，由电阻R 引入的热噪声是谐振器噪声最主要的来源。分析系统等效模型输出信号的频谱，谐振器的噪声电流的均方谱密度为：芏：4 脚(1-2)鹭式(1 2)中，K 是波尔兹曼常数，丁是绝对温度，G=I R。当谐振器输出信号频率相对谐振器的固有频率吼存在频偏A c o 很小时，等效模型中L C网络的阻抗可表示为：z(吃“咖j 茄(1-3)q谐振器的品质因数：Q：上(1 4)。O)o L 吃G E将噪声电流的均方谱密度与谐振器中L C 网络的阻抗的平方相乘得到噪声电压的均方谱密度：竖：芏l z l 2：钺豫白z(1 5)鲈鲈H、2 Q A o)7噪声包括幅值噪声和相位噪声两部分，在热平衡状态下，两者是相等的，所以，相位噪声的单边带噪声谱密度表达式为：e 删(吼+A o),l H z)_ 2 解(彘)2(1-6)载波功率的表达式为：V2k2专(1-7)式(1-7)中，是谐振器输出信号的电压值。根据式(1 1)给出的相位噪声的定义，得到相位噪声的分贝值表达式：出彩，=1 0 l g 磋锰O)o)2】(1 8)6杭州电子科技大学硕士学位论文式(1 6)和式(1 8)反应了信号功率和品质因数Q 对相位噪声的影响情况，对于给定的频偏，由于热噪声是一定的，因此，提高微谐振器输出信号的功率和微谐振器的Q 值都会提高输出信号的信噪比，再次说明了增加谐振器的Q 值对优化器件性能的重要性，可以通过合理的设计器件结构，选择合理的结构参数和封装形式来提高器件的品质因数Q。1 2 3 3 输出阻抗输出阻抗过大是目前制约M E M S 谐振器快速发展的一个重要问题。因为输出阻抗过大给后级信号处理电路的阻抗匹配带来较大困难，限制了器件的应用范围。目前，解决该问题的方法主要有【3 9 4 3】：(1)增大电极与谐振梁的重叠面积以增大两者之间的电器耦合；(2)使用压电转换器来代替电容式变换器；(3)在电容转换器的两极板之间填充固体电介质代替原来的空气介质。1 2 3 4 热稳定性除了用于温度传感器之外的谐振器都要求谐振器有较好的热稳定性，来确保输出信号的频率不随周围环境温度的变化而产生漂移，谐振频率的温度灵敏度越低越好洲。1 3M E M S 谐振器闭环自激谐振频率测试系统的研究意义M E M S 谐振器的一个重要应用领域是作为敏感元件，构成谐振式微传感器，用于对物理、化学、生物等各种参量的检测，通过测量输出信号的频率、幅值或者相位的变化来反映被测量的变化。测量系统的集成化、微型化以及智能化程度除了依赖于敏感元件本身的微型化外，还依赖于对敏感元件输出信号进行检测及传输相适应的接口电路。由于M E M S 谐振器的输出信号本身比较微弱，容易受到各种干扰和噪声的污染，有效获取微谐振器输出信号的有用信息显得尤为重要，如何将有用信号从背景噪声中提取出来并进行有效测量成了制约M E M S 谐振器快速进入实用阶段的一大问题。为了高精度、高速测量微谐振器谐振频率的变化，必须研制闭环谐振频率测试电路，闭环工作模式可以提高谐振频率测量精度和速度、扩大量程，并且能改善系统的动态特性【4 5】。在进行闭环检测之前需要对微谐振器进行开环测试，开环测试是采用激励响应的方法来确定微谐振器的谐振频率、输出信号幅值的量级、激励信号的波形及合适的功率取值等参数，为闭环自激检测系统的设计提供重要依据【伺，但开环测试不能实时反映被测参量的信息，自动化程度较低，并且测量精度较低，比如，用在温度传感器中的微谐振器，需要实时反映被测环境的温度，在使用过程中，不可能实时人为地调节激励信号的频率，使微谐振器处于谐振状态，并且，开环测试中，微谐振器是否处于谐振状态是通过观察输出信号的幅值大小来判断，由于信号幅度非常小，直接观察存在较大的误差，导致测量精度不高。如果使用闭环自激谐振频率检测电路，当环境温度变化时，通过闭环系统的反馈作用，谐振器的输出频率会相应地做出响应，自动地使谐振器始终处于谐振状态，输出信号能够自动实时地反映出被测参量的信息，提高了系统的灵敏度和测量精度。7杭州电子科技大学硕士学位论文1 4 论文的主要内容根据系统实现稳定闭环自激的幅值条件和相位条件，设计合理的热激励微谐振器闭环自激谐振频率检测电路，包括低噪声前置放大器、恒时延带通滤波器、O o 1 8 0 0 移相器、正弦波一方波波形变换器、二分频器、无相差频率跟踪锁相环、幅值调整等模块。针对微谐振器输出信号的特点，为提高系统的稳定性，本文在保证电路中每个模块都能实现各自功能的前提下，对带通滤波器和锁相环等多个模块进行了优化设计，并制作了P C B 电路板完成了对给定微谐振器谐振频率的闭环测量。论文内容安排如下：第l 章绪论，介绍了M E M S 谐振器的发展过程、性能参数以及常用的激励与检测方式，阐述了研制M E M S 谐振器闭环自激谐振频率检测电路的意义，给出了本论文的主要内容及安排。第2 章微悬臂梁谐振器的开环特性测试，首先介绍微悬臂梁谐振器的制作流程；然后，分析微谐振器的响应特性，包括输出信号频率、品质因数，并对给定的微悬臂梁谐振器进行开环特性测试。由于微谐振器输出信号非常微弱，在开环特性测试中设计低噪声差分放大电路，完成对微谐振器谐振特性的测量，并给出开环特性测试结果和输出信号波形。第3 章闭环自激系统的总体设计及系统中各模块的具体设计，在开环特性测试给出微谐振器输出信号特征的基础上，根据系统发生闭环自激所需的幅值条件和相位条件，设计闭环自激电路的系统框图，并完成对带通滤波器、移相器、波形变换器、分频器、锁相环以及幅值调整电路的具体设计和调试。其中，带通滤波器的选择是影响闭环系统相位的一个重要因素，为避免带通滤波器引入相位噪声，确保微弱信号的无失真传输，恒时延带通滤波器设计是本章的重点之一；为减小锁相环的相位随频率变化带来的闭环电路的相位变化，提高系统的稳定性，能够实现无相差频率跟踪功能的锁相环电路是闭环检测电路的核心部分，为使锁相环从幅值和相位两个方面对传输信号进行同步跟踪，引入基于波形发生器M A X 0 3 8 实现无相差频率跟踪功能的锁相环电路。第4 章微谐振器谐振频率的闭环测试，将微谐振器接入闭环检测系统，调试整个系统，使其处于闭环自激工作状态，完成对微谐振器谐振频率的闭环测试，分析系统的稳定性与闭环检测电路各模块的相位变化之间的关系，讨论恒时延带通滤波器和能够实现无相差频率跟踪功能的锁相环电路对提高系统稳定性的作用。第5 章M A X 0 3 8 实现无相差频率跟踪功能锁相环电路的优化设计，针对目前基于M A X 0 3 8 实现无相差频率跟踪功能的锁相环电路结构复杂，调试难度较大的缺点，本章根据其内置鉴相器输出信号的特点，从锁相环的稳态相差与环路传递函数关系入手，选择合适的环路滤波器结构和元件参数，设计结构简单、参数选取方便的能够实现无相差频率跟踪功能的锁相环电路，并通过实验验证锁相环的无相差频率跟踪功能。第6 章总结和展望，总结论文的主要工作和不足以及对下一步工作的展望。8 杭州电子科技大学硕士学位论文第2 章热激励微悬臂梁谐振器的开环特性测试研究2 1 微谐振器的制作流程热激励微悬臂梁谐振器采用半导体加工工艺制作，包括光刻、硼扩散和各向异性湿法腐蚀等技术，具体制作工艺流程如下I”J：(a)：原始硅片采用N 型、(1 0 0)面硅片，电阻率l 1 0 Q c m。(b)：在1 1 0 0 C 的条件下，通过湿氧氧化的方法制备厚度为1 a n 的S i O，薄膜。(c)：光刻工艺获得激励电阻和拾振电桥图形。(d)：利用扩散工艺扩硼，形成p+硅电阻，实现微谐振器的电热激励和压阻检测。(e)：正面蒸发铝薄膜，光刻腐蚀工艺相结合获得铝导线p(f)：背面光刻，正面保护，使用K O H 溶液作为各向异性腐蚀液对器件进行背面腐蚀，释放微悬臂梁谐振器。对应的工艺流程图如图2 1 所示。(a)(1 0 0)面硅片(c)光刻获得电阻图形(b)热氧化制各二氧化硅膜(d)扩散制备p+电阻区蜀8 i_ s 魏区囫B匿圜A I 二 悬空图例(e)铝导线制备(f)微悬臂梁释放图2 1 微谐振器制作流程图成功研制的电热激励压阻检测微悬臂梁谐振器的照片如图2 2 所示。其中，微悬臂梁的长度L=l m m、宽度b=0 2 r a m、厚度h=1 3 p r o。图2 2 微悬臂梁谐振器的照片9杭州电子科技大学硕士学位论文2 2 微悬臂梁谐振器的谐振特