基于声子晶体的微恒温箱控制MEMS谐振器，提高Q值并保持频率稳定性
2024-09-21 17:13:29   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS谐振器具有体积小、可靠性高、与半导体制造工艺兼容等独特优势，可以作为参考频率替代石英谐振器。虽然具有许多优点，但硅基MEMS谐振器的频率温度系数（TCF）相当大，通常约为-30 ppm/°C。如此大的TCF值使这些MEMS谐振器在没有有效温度补偿的情况下不适合精密时钟应用。目前已开发出多种技术来解决由温度引起的频率偏移问题。其中，微恒温箱控制温度补偿方案是一种实现ppb级频率稳定特别有效的方法，可将谐振器加热并保持在通常为零TCF点的高温下。这种方法消除了温度引起的频率变化，即使在温度波动的环境中也能确保稳定运行。

除了频率-温度稳定性之外，MEMS谐振器的其它关键性能指标还包括品质因数（Q）和动态电阻（Rm）。高Q值和低Rm对于实现低相噪振荡器至关重要。电容谐振器具有高Q值，但由于其有限的机电转换因数，其Rm较大。与此相反，硅上压电薄膜（TPoS）谐振器结合了压电材料的高机电转换因数和单晶硅（SCS）的低本征损耗，从而实现了低Rm和中等的高Q值。

TPoS谐振器的最新研究主要集中在采用微恒温箱控制设计，以实现高度稳定和精确的参考频率。对于这些设计而言，实现高翻转点对于覆盖较宽的工作温度范围至关重要。幸运的是，可以通过调整n型硅的掺杂浓度，以及使谐振器与硅<100>晶向对齐来改善TPoS谐振器的翻转点。然而，与按照<110>晶向排列的谐振器相比，这种排列方式通常会导致Q值降低。此外，工作温度升高也会进一步导致TPoS谐振器的Q值下降。因此，Q值劣化问题对目前基于TPoS平台的微恒温箱控制谐振器提出了巨大挑战。

对于TPoS谐振器而言，锚点损耗是最重要的能量损耗因素之一。为了抑制锚点损耗并提高Q值，人们提出了多种方法，其中，声子晶体（PnC）结构尤其有效，因为它能产生阻止弹性波传播的完整声子带隙（PBG）。实验证明，二维PnC板是高效的PBG结构，可阻止弹性波向各个方向传播。因此，二维PnC板非常适合集成到微恒温箱控制谐振器中，作为微恒温箱的一部分，它们能以紧凑的尺寸限制弹性能量。

据麦姆斯咨询介绍，武汉大学的研究人员提出了一种新颖的基于二维蜂窝晶格PnC的微恒温箱控制TPoS谐振器设计。所提出的PnC微恒温箱旨在减少锚点损耗，从而提高TPoS谐振器的Q值。PnC结构的集成使谐振器即使在翻转点也能保持较高的Q值，从而实现出色的频率稳定性。

图1 PnC微恒温箱控制压电谐振器的设计

为了表征PnC微恒温箱在提高谐振器Q值方面的作用，研究人员设计了一个具有相同参数但不含微恒温箱的类似谐振器结构，并将其制作在同一芯片上作为参考谐振器。所制作的谐振器扫描电子显微镜（SEM）图像分别如图2a和b所示。PnC结构的孔内包含辅助柱体。这些辅助柱体直接与衬底硅相连，与谐振器结构无关。采用辅助柱体可以减少蚀刻面积，从而确保PnC结构具有良好的蚀刻均匀性和轮廓。因此，PnC孔是部分蚀刻的。

图2 所制备压电MEMS谐振器的SEM图像及表征

从图2c和d中可以看出，随着器件长度的增加，两种类型压电WE模式谐振器的频率降低，并且所有频率都落在蜂窝晶格PnC的完整PBG中。谐振频率测量值和模拟值之间的差异可能是由于有限元模拟中使用的材料参数不准确造成的。对于任何器件长度，与不带PnC微恒温箱的谐振器相比，带PnC微恒温箱的谐振器具有更低的插入损耗（IL）值和更高的有载Ql值，因而具有更高的空载Qu值和更低的Rm值。结果表明，PnC微恒温箱可以防止弹性波泄漏到衬底中，从而改善MEMS谐振器的性能。

结论

本研究提出了一种基于二维蜂窝晶格PnC的微恒温箱，用于提高压电WE模式谐振器的Q值。通过有限元分析和实验验证了所提出PnC微恒温箱的有效性。实验结果表明，PnC微恒温箱设计具有Q值优势。与裸谐振器相比，带有微恒温箱的谐振器在不同尺寸下的平均Qu值可重复提高1.7倍以上。研究人员探究了温度对微恒温箱控制谐振器性能的影响，即使在高温工作环境下，微恒温箱控制谐振器仍显示出不错的Q值。此外，研究人员还对频率稳定性进行了测量。在稳定的周围环境下，微恒温箱控制谐振器的频率稳定性小于±10 ppb。出色的频率稳定性显示了其在高端时钟领域的应用潜力。

与现有的文献相比，该研究的意义在于将PnC结构集成到MEMS时钟元件之中，从而推动了高端时钟应用的发展。探索其它PnC结构或材料有望进一步提高MEMS时钟性能。例如，使用具有不同温度特性的材料来形成PnC，可以实现温度补偿，同时还能达到所需的带隙。此外，在设计PnC微恒温箱时，还可以考虑热隔离设计，使MEMS时钟元件的温度分布更加均匀，并减少恒温箱中的温度滞后。这些策略有望为同步以太网、汽车、宏基站等大量高端应用提供先进的高性能时钟解决方案。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chip.2024.100108

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