1 引言

　　MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫。MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMS加工技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程的芯片集成化。

　　MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫。MEMS主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。

　　MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就象近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術(shù)變革并對人類社會產(chǎn)生新一輪的影響。

　　微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，的不超過一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。采用與集成電路（IC）類似的生成技術(shù)，可大量利用IC生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝 ，進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)，使性價(jià)比相對于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高。

　　完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。

　　2 CPT原子鐘工作原理

　　用頻率為ω1和ω2的兩束激光和兩超精細(xì)能級與激發(fā)態(tài)構(gòu)成的A 三能級作用，當(dāng)兩束激光滿足雙光子共振條件時(shí)，原子布居數(shù)被捕獲在基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級上。不再吸收光子；當(dāng)其中一束光的頻率在原子共振頻率附近掃描時(shí)，光在原子介質(zhì)中的透射強(qiáng)度呈現(xiàn)為電磁誘導(dǎo)透明信號，電磁誘導(dǎo)透明信號經(jīng)過處理后，可作為誤差信號來鎖定與調(diào)制驅(qū)動信號有關(guān)的本振信號，從而實(shí)現(xiàn)原子鐘環(huán)路。得到高和高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)，其評價(jià)指標(biāo)為：短期穩(wěn)定性和頻率漂移。CPT效應(yīng)是由激光與原子相互作用產(chǎn)生的，其窄小帶寬對激光頻率穩(wěn)定性提出高要求。只有當(dāng)激光頻率穩(wěn)定性滿足要求，持續(xù)產(chǎn)生CPT效應(yīng)，才能確保原子鐘的計(jì)量。

　　3 穩(wěn)頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　頻率穩(wěn)定性通常指激光器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)．在一定的時(shí)間間隔內(nèi)平均頻率v與該時(shí)間內(nèi)頻率變化量 △v之比，即S=v／△v，很顯然，變化量△v越小，則S越大，表示頻率的穩(wěn)定性越好。在工程上，有時(shí)也把S的倒數(shù)稱為穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度又可分為短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度，前者指觀測取樣時(shí)間在1 s以內(nèi)的頻率變化，而大于1 s觀測平均時(shí)間的就視為長期穩(wěn)定度。頻率復(fù)現(xiàn)性是表示激光器在不同時(shí)間、地點(diǎn)等條件下頻率重復(fù)或再現(xiàn)的。

　　由此可見，頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是兩個(gè)不同的概念。因此，對一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度。而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性如何。由于激光頻率對環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動等外界干擾極端敏感，即使采取嚴(yán)格措施，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性也不能達(dá)到量級。必須使用電子伺服系統(tǒng)自動控制激光器，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離特定的參考頻率時(shí)，可以通過鑒頻信號，由電子伺服系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，將激光器的頻率回復(fù)到特定的參考頻率以達(dá)到穩(wěn)頻的目的。

　　3．1 調(diào)制器

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的伺服控制電路中，欲用10 kHz的正弦信號作為調(diào)制信號，故選用RC振蕩電路。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生信號分2路，1路用作調(diào)制信號，1路用作解調(diào)信號。其功能是把信號源(可以是數(shù)字電視機(jī)頂盒、衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)、DVD機(jī)、電腦、攝像機(jī)、電視解調(diào)器等AV信號源)所提供的視頻信號(VIDEO)和音頻信號(AUDIO)調(diào)制成穩(wěn)定的高頻射頻振蕩信號,視頻為調(diào)幅調(diào)制方式，音頻為調(diào)頻調(diào)制方式。采用改進(jìn)后的維恩振蕩電路實(shí)現(xiàn) RC正弦振蕩信號，得到實(shí)際頻率為9．79 kHz，與理論9．95 kHz相差160Hz，幅值調(diào)節(jié)范圍為50～1 100 mV。頻率及幅值均可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

　　3．2 移相器

　　移相器用補(bǔ)償相位移動，或?qū)π盘栠M(jìn)行反相處理。需要實(shí)現(xiàn)0°～360°范圍移相，并且有相位精調(diào)功能。采用全通濾波器設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是保持增益為1，調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)可調(diào)節(jié)移相范圍。圖1為移相器原理圖及相移曲線。其傳遞函數(shù)為：

　　為使得9．79 kHz信號移相90°，設(shè)計(jì)移相器參數(shù)如下：R=1．6 Ω，R1=10 kΩ，C=10 nF；欲實(shí)現(xiàn)－90°移相，只需將圖1a中R與C調(diào)換。故選用與90°移相器相同參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)－90°移相。180°移相可采用反相器實(shí)現(xiàn)。相位微調(diào)仍可采用全通濾波器實(shí)現(xiàn)，將其中的R或C換成可調(diào)的器件即可。保持C不變，設(shè)定R的變化范圍為1～7 kΩ，可滿足-47°～50°范圍內(nèi)的微調(diào)。

　　3．3 鑒相器

　　鑒相器由模擬乘法器與低通濾波器構(gòu)成，可通過檢測探測信號與參考信號的相位關(guān)系，給出與相位差對應(yīng)的誤差信號，供校準(zhǔn)器調(diào)節(jié)使用。模擬乘法器有多種用途，如增益控制、附加增益調(diào)整、作除法、壓控濾波器、鑒相器等。這里用到的是其鑒相器功能。當(dāng)兩路正弦信號輸入乘法器，得到差頻、和頻兩種分量信號。當(dāng)信號頻率相同時(shí)，濾掉和頻信號，得到差頻信號為一直流信號，反映兩路信號的相位差。同時(shí)，相位差為0°或 180°時(shí)得到直流信號，這也就是要加移相器以補(bǔ)償相位獲得誤差信號的原因所在。

　　3．4 校準(zhǔn)器

　　校準(zhǔn)器是一種電池供電的手持式儀表，能用來測量和輸出多種信號，主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室信號的測量和校準(zhǔn)，是測試和校驗(yàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)及儀表必備的工具。

　　MX825校準(zhǔn)器支持電壓、電流、電阻、頻率、熱電偶、熱電阻、毫伏等多種信號類型，準(zhǔn)確度0.01％。

　　校準(zhǔn)器由PI控制器、三角波發(fā)生器、模擬開關(guān)3部分構(gòu)成，其作用是校正鑒相器輸出的誤差信號，改善系統(tǒng)快速性與準(zhǔn)確性。當(dāng)激光器受外界干擾跳出鎖頻范圍時(shí)，能自動尋找峰值點(diǎn)，自動上鎖。根據(jù)設(shè)定功能要求，圖2為校準(zhǔn)器原理。

　　圖2中，誤差零點(diǎn)調(diào)節(jié)的作用是使誤差信號經(jīng)PI控制器校準(zhǔn)輸出鑒頻曲線的零點(diǎn)與中心頻率相對應(yīng)。PI控制器零點(diǎn)調(diào)節(jié)與增益放大電路如圖3所示，其中R1=2 kΩ，R2=500 Ω，R3=10 kΩ，增益A=0．25～5．25。

　　PI控制器用于濾除高頻噪聲，并對低頻信號進(jìn)行積分放大。據(jù)此功能要求，設(shè)計(jì)如圖4所示的PI控制器原理圖。

　　其傳遞函數(shù)為：

　　鑒相器中低通濾波器截止頻率為200 Hz，故設(shè)定Pl控制器截止頻率為200 Hz。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)比較，選取C1=220 nF，C2=15 nF，R1=30 kΩ，R2=50 kΩ。

　　圖5為激光器鎖頻判斷示意圖。

　　圖5中設(shè)定閾值電壓是判斷系統(tǒng)用于否超出鎖定范圍。對比PD檢測信號與閾值電壓，當(dāng)檢測信號高于閾值電壓時(shí)，表明系統(tǒng)未失鎖，電壓比較器輸出正電壓：當(dāng)檢測信號低于閾值電壓時(shí)，認(rèn)為激光器失鎖，電壓比較器輸出負(fù)電壓。電壓比較器的輸出信號輸入到模擬開關(guān)，控制模擬開關(guān)的通斷。

　　4 87Rb飽和吸收穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)的研究

　　87Rb飽和吸收光路如圖6所示。選用87Rb原子F=2態(tài)到激發(fā)態(tài)F'=3態(tài)的飽和吸收峰即吸收峰作為吸收曲線，以其峰值點(diǎn)對應(yīng)頻率作為鎖頻參考頻率。過S曲線法，可以測得閉環(huán)后所得到的激光器的頻率穩(wěn)定度在100 s內(nèi)為：

　　此穩(wěn)頻環(huán)路很好地改善了激光光源的頻率特性，為了獲得更穩(wěn)定的CPT原子鐘信號，仍需進(jìn)一步優(yōu)化、完善此設(shè)計(jì)。

　　5 結(jié)束語

　　針對星載微型CPT原子鐘設(shè)計(jì)鎖頻電路系統(tǒng)，并詳細(xì)分析鎖頻系統(tǒng)中的調(diào)頻信號源、鑒相器、校準(zhǔn)器等各部分電路模塊，利用飽和吸收穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)說明該鎖頻系統(tǒng)能夠很好地完成激光的穩(wěn)頻，100 s的頻率穩(wěn)定度達(dá)到了1．6×10-12，完全滿足設(shè)計(jì)要求。