论文标题：MEMS Huygens Clock Based on Synchronized Micromechanical Resonators

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.12.013

微信链接：点击此处阅读微信文章

西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室韦学勇教授团队与长安大学工程机械学院任娟博士合作在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“MEMS Huygens Clock Based on Synchronized Micromechanical Resonators”（基于同步微机械谐振器的MEMS惠更斯钟）的研究论文。基于同步原理，文章提出了一种含有两个同步MEMS振荡器和一个频率补偿系统的新型MEMS惠更斯钟。为实现高精度MEMS振荡器提供了一种新思路，也拓展了同步效应在微机电系统中的应用。

在现代化和数字化进程中，振荡器作为关键的时间参考源已被广泛用于通信、雷达和全球定位系统（GPS）等电子设备中。石英振荡器是最常用的时间参考源，然而由于其在微型化和定制化方面存在技术瓶颈，因此其在电子设备中的应用与发展受到限制。微机电系统（MEMS）谐振器凭借微型化、与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件的高度集成、低成本、低功耗等优势，在计时和频率控制应用中具有良好的发展前景，有望取代传统的石英晶体振荡器。

图1. （a）惠更斯钟摆示意图；（b）MEMS惠更斯钟系统原理图；（c）MEMS谐振器的工作模态；（d）微加工完成的MEMS谐振器显微照片。PLL：锁相环；TIA：跨阻放大器；Va：主动振荡器的直流驱动电压；Vb：被动振荡器的直流驱动电压。

针对MEMS振荡器在短期稳定性和长期稳定性提升的技术难点，研究团队构建了一个由两个微机械谐振器组成的MEMS惠更斯时钟，其中两个谐振器的振荡信号相互注入，并通过调节其中一个振荡器的频率来实现同步。

同步后，两个谐振器的短期稳定性得到了改善，其Allan方差从19.3 ppb@1 s降低至5.17 ppb@1 s，稳定性提升了3.73倍。此外，研究团队采用基于焦耳热的频率补偿系统，通过改变谐振器的导通电流来控制焦耳热，以补偿由于温度变化引起的MEMS振荡器频率漂移。相比于以往使用大功率热源的主动补偿方式，该补偿系统在 2.85 mW/℃的条件下显著提升了振荡器的长期稳定性，通过采用模糊PID控制，其长期稳定性提升了 452 倍，Allan 方差达到0.752 ppb@300 s。

进一步将这种主动补偿方案应用到MEMS惠更斯钟，对其中一个MEMS振荡器进行主动补偿，由于同步效应，振荡器的短期稳定性和长期稳定性都得到提升。实验结果表明，控制后MEMS惠更斯钟的频率稳定性提升了1.6343×10⁵倍。与Ortiz等采用的片上微炉控制方法相比，在室温（25 ℃）下测试，研究团队的实验结果提供了更好的长期稳定性，这是目前报道的MEMS振荡器的最佳结果。

图1. MEMS惠更斯钟与频率补偿系统结合的结果。（a）通过直流电压控制被动振荡器频率来实现同步，主动振荡器借助频率补偿系统提高长期稳定性；（b）MEMS惠更斯钟2 h的频率漂移；（c）不同情况下振荡器输出频率的Allan方差。

此项研究丰富了MEMS中的同步应用，为实现高精度MEMS时钟提供了一种新颖且精确的工程解决方案。随着MEMS和IC集成技术的发展，未来有望制造出全芯片的MEMS惠更斯钟并将频率补偿系统集成到芯片中。

该研究得到了国家重点研发计划（2022YFB3203600）、国家自然科学基金（52075432）和陕西省创新团队计划（2021TD-23）的资助。

论文信息：Xueyong Wei, Mingke Xu, Qiqi Yang, Liu Xu, Yonghong Qi, Ziming Ren, Juan Ren, Ronghua Huan, Zhuangde Jiang. MEMS Huygens Clock Based on Synchronized Micromechanical Resonators. Engineering, 2024, 36(5): 124–131

开放获取论文：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.12.013

更多内容

西安交大团队实现多光学通道微型碱金属原子气室批量制造

东南大学团队研发新型传感系统，手机秒变高灵敏气体检测仪

抗干扰！这项研究让无人飞行器目标跟踪更稳、更准、更强

Engineering最新影响因子11.6

Engineering征稿启事：人工智能赋能工程科技