据麦姆斯咨询报道，随着电子设备的不断小型化，可与集成电路（IC）结合的微机电系统（MEMS）振荡器受到越来越多的关注。近日，Engineering期刊上发表的一项研究文章称，基于同步微机械谐振器的MEMS时钟可以提供更高的精度和稳定性。该文章的标题为“MEMS Huygens Clock Based on Synchronized Micromechanical Resonators”。
该时钟利用了Christiaan Huygens（克里斯蒂安·惠更斯）发现的同步原理，由两个同步MEMS振荡器和一个频率补偿系统组成。
图1 （a）原始惠更斯时钟示意图。（b）MEMS惠更斯时钟系统的结构。（c）MEMS谐振器的工作模式。（d）微加工MEMS谐振器图像。
图2 同步过程的详细信息
这项研究详细介绍了MEMS惠更斯时钟如何提高短期稳定性，艾伦偏差（衡量时钟随时间变化的精度）在1秒时从19.3 ppb提高5.17 ppb，实现了3.73倍的提升。时钟的长期稳定性也得到了显著提升，艾伦偏差在6000秒时提高了1.6343 × 10⁵倍，达到30.9 ppt。
为了实现上述结果，研究人员开发了一种频率补偿系统，该系统可以抵消MEMS振荡器的温度频率特性，从而通过控制谐振器电流来保持时钟的准确性。这项创新带来了一种同时补偿两个MEMS振荡器中频率偏移的高效方法，功耗仅为 2.85 mW∙°C⁻¹。
MEMS惠更斯钟与频率补偿系统结合的结果
该研究的综合解决方案为高精度MEMS振荡器铺平了道路，并扩大了同步原理在MEMS技术中的应用范围。随着电子设备的不断缩小，这一突破为依赖精确计时的行业（如电信、导航和数据处理）提供了光明的前景。
随着对更准确、更可靠的计时源的需求不断增长，本项研究中提出的MEMS惠更斯时钟将对微机电系统的未来及其与日常技术的集成产生重大的影响。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.12.013
