【翻译mems相关论文】微机械振动谐振器的规模集成极其振荡器实现

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1、.wd微机械振动谐振器的规模集成极其振荡器实现0英文摘要：micromechanicalRF filters and reference oscillators based on recentlydemonstrated vibrating on-chip micromechanicalresonators with Qs10,000 at 1.5 GHz are described asan attractive solution to the increasing count of RF components(e.g., filters) expected to be needed by

2、future multi-band,multimode wireless devices. Indeed, as vibratingRF MEMS devices are perceived more as circuitbuilding blocks than as stand-alone devices, and as the frequencyprocessing circuits they enable become larger andmore complex, the makings of an integrated micromechanicalcircuit technolog

3、y begin to take shape, perhaps witha functional breadth not unlike that of integrated transistorcircuits.关键词：微机械谐振器，振动，微机械规模集成，微机械振荡器一、微机械振动谐振器的前途当前电子系统的性能主要受时钟和参考频率的准确性和稳定性的限制。比方GPS锁定GPS卫星伪随机信号并完成定位的能力和速度很大程度上受限于GPS内部时钟与卫星时钟的同步程度。不幸的是，当前最好的时钟和参考频率比方原子钟和温度稳定晶体振荡器经常是因为体积太大或是功耗太大而不能应用于手持设备中。这使得我们只能把最好

4、的方案放在桌面上，而不能让它出现在用户手里。这些用户常常只能选择其它不够稳定的产品。事实上，如果有种技术能够使我们最好的时钟和参考频率能够实现小型化和低功耗，进入手持设备，那它将会多么得受欢送啊。在许多需要时钟和频率控制的应用领域，手持无线通信设备一直收益于小型化技术，自从能够实现无源器件的高Q值以后，无线子系统的设计前提已经悄悄地发生了变化。原因很简单：本钱和体积。特别的，陶瓷滤波器、外表声波滤波器、石英晶振和现在的薄膜体声波滤波器，能够得到50010000的Q值，这是射频RF、中频IF滤波和频率发射器所需要的。但它们都是外围器件，需要用接口与晶体管模块连接，占用很大的空间，并且增加组装本钱

5、。图1 未来多模接收机的系统框图可以看出在不考虑直接转换构造时，射频无源局部将增多为了减少现代手机中的外围器件，直接转换1direct-conversion或低中频2接收机构造去除了中频滤波器，同时，集成电感技术也移除了应用于偏置、匹配网络中的外围电感3。尽管这些方法可以降低价格，但它们常常使晶体管电路变得更复杂，对电路性能如动态范围的要求也更加严格，整个系统的耐用性和成效都会或多或少的降低。但是，未来多波段、多模可重构手机很可能对高Q值射频滤波器有巨大的需求，可能每个手机都要配备各种无线标准的通道，这是去除中频滤波器没法解决的问题。图1以多频带手机接收局部为例，展示了这类系统的简化框图。可以

6、清楚的看到，高Q值射频滤波器不是中频滤波器是需要的。由于高Q值射频滤波器不能移除，找到一种新的、本钱低的、可以集成的高Q值器件是很有必要的，尤其是需要将无源器件和晶体管集成在同一个芯片上时。基于以上考虑，MEMS技术拥有将机械特性和机械机制缩小到微米尺度乃至纳米尺度，已经为跨度显示spanning displays、感应器和流体系统提供了小型化、低功耗的方案，并且正在为手持无线设备中的计数器和频率控制模块提供小型化、低功耗的方案45。特别的，硅微加工技术现在能生产出Q值大于10000的GHz频段的片上谐振器微机械振动67，频率与Q值的乘积大于2.7510136，温度稳定度在27到107高于18

7、ppm8，并且在一年时间里寿命稳定度高于2ppm910。它们也被集成到振荡器电路中，其相位噪声性能满足全球移动通信系统GSM的参考频率标准11-13。并且MEMS技术和微光子学的结合，实现了10cm3完全原子钟，其功耗小于200mW，在100s时艾伦偏移好于510-11。这种器件很好地利用了压缩控制时间常数和低的热能耗，如果它能够继续缩小尺寸，很快将能够制造出尺寸小于10cm3，功耗小于30mW，在1小时艾伦偏移好于10-11的原子钟。可是振动RF MEMS技术所带来的好处远远超过了电子元件的简单替换。事实上，研究人员和设计者都开场发觉到这种器件不像是独立的元件，更像是片上器件的元素。将振动微

8、机械构造与其它普通网络相连接，就能简单地制成的“集成微机械电路。它具有功耗和线性度方面的开展潜力，并且能够实现现在任何晶体管信号处理模块所能够实现的功能，尤其是频率处理。不像晶体管集成电路，集成微机械电路的根底是微机械连接，他拥有功能性宽度breadth of functionality。在应用中，可能出现的器件有可重构RF选频滤波器、极稳定可重构振荡器、频域计算器和频率晶体管。当它与其它微尺寸器件比方晶体管、微恒温槽、微冷却器、原子电池(cell)等相结合的时候，设计者可以用高Q值特性来实现手持设备系统级的低功耗、高续航能力。多种MEMS技术都能够获得微尺度机械构造，它们可以由所使用的构造材

9、料比方硅、碳化硅、玻璃、塑料等加以区分，也可以由微加工方法比方外表、体、三维生长等和应用领域比方光MEMS、生物MEMS等。对于时间和手持通信设备，微机械构造与晶体管的集成需要选择只引入小电容的技术。因此，可以采用诸如多晶硅外表微加工工艺的方式，在硅CMOS电路上制作MEMS模块，它的制作是与晶体管局部分开的，因为它们截然不同。这种模块化工艺具有更强的适应能力，特别是在其他模块迅速开展的情况下如一种新的CMOS通道长度的出现。当前定时和频率控制模块对高Q值器件的使用数目有限制，而MEMS可以到达的集成度使得它们可以使用成百上千的高Q值元件，因为它们的小体积和低本钱特性。MEMS技术的属性和成分

10、决定了它能实现微机械电路的大规模集成LSI或者超大规模集成VLSI，就像过去几十年晶体管集成IC电路所做到的一样。它有潜力在机械域取得如IC在电气域方面的革命性进展。就像单晶体管，单振动单元只有有限的功能。为了扩展它们的功能范围，大量微机械元件需要结合在一起实现更复杂的电路功能，这种电路可以通过裁减来实现特殊功能比方频率滤波、发生或转换。相比而言，晶体管能够实现大规模集成是因为它的大增益，而机械元件的集成那么要靠它的高Q值。一个简单的例子就是晶体管能够级联成串，这是因为它们的增益补偿了噪声和其他损耗它们是降低信噪比的原因。而对于机械元件，他们也可以级联，因为它们有极低的损耗受益于高Q值。实际上

11、，任何器件具有某些大参数如增益、Q值，就能用来构建庞大的电路。尽管如此，集成电路对组成元件有很多要求，远不只是小尺寸。比方压电FBARs1718虽然已经成功地大量应用于无线手机，并且也具有体积小的优势，但是不大可能集成在一起实现电路功能，因为他们的频率很大程度上受厚度的控制，这是CAD设计幅员很难控制的。相比而言，通过VLSI晶体管IC设计中能够成功应用CAD的经历，我们可以想象出CAD对于微机械IC同样重要。通过CAD，我们很容易确定谐振器和其它器件的横向尺寸，从而实现整个电路的频率或其他特性。如果受微观加工技术的约束，那么我们最需要的两个最根本的CAD特性服从性和构造灵活性是最难到达的。如

12、果要求柔性梁能够工作在GHz频率它的频率受横向尺寸的控制，那么宏观机械构造将很难到达这么高的频率。幸运的是，MEMS技术是机械机制的分支技术，具有和IC一样的小尺寸优势；小体积带来的是高速、低功耗、高复杂性从而具有强的信号处理能力和低本钱特性。振动RF MEMS谐振器是小体积实现高速度最直接的 。二 微机械振动谐振器开展趋势图表1所示，为具有高频率Q值乘积的振动RF MEMS器件。第一幅图是一种CC梁Clamped-Clamped Beam，它是两端固定的柔性梁，只有2um厚，工作在30MHz以下，在30MHz以上锚点损耗将随频率的增加而增加。该图所示CC梁尺寸为40um，工作在7.8MHz。

13、第二幅图所示为FF梁Free-Free Beam，它在真空状态下频率高于100MHz仍然能到达很高的Q值。该图所示FF梁尺寸为14.3um，工作在82MHz。第三幅图所示为一种酒瓶圆盘Wine-Glass Disk构造，该圆盘振动在2,1混合模式。可以圆心固支，也可以圆周固支。这种构造可以集成到芯片中，在VHF频段内实现最高的Q值。该图所示构造的支撑方式为沿半径的四个梁，它们的长度刚好是振动的1/4周长，半径为26.5um，工作在73MHz。第四幅图为轮廓模式圆盘Contour-Mode Disk，它由中央节点处的小圆柱支撑，圆盘以沿半径的轮廓模式radial-contour mode振动。选

14、择不同材料制作小圆柱，使其在材质上与圆盘最大程度地失配，从而减小损耗，增大Q值。这种设计可以在室温下工作在片上UHF谐振器中，到达很高的频率Q值乘积。该CVD钻石圆盘的直径为10um，工作在1.5GHz在2次模振动下。第五幅图所示为一种轮辐支撑环Spoke-Supported Ring，它也是采用1/4波长尺寸来制作轮辐的，这可以使中央锚点处损耗为零，在片上谐振器中最大的Q值出现在大于1GHz时。其内环半径为51.3um，外环半径为60.9um，工作在433MHz2次轮廓模式。图2 频率Q值乘积随时间的增长而增长如果以频率Q值乘积来衡量谐振器的价值的话，图2说明这种价值是随时间的增长而增长的。

15、值得一提的是，使用化学气象沉积CVD，chemical vapor deposited制作的钻石圆盘谐振器就有最高的频率Q值乘积2.7510136。按这种趋势开展下去，片上谐振器到达10GHz Q值大于10000是很有可能的。三、微机械谐振器能够实现电路化和CAD的条件1 电压可以控制性能除了需要更好的Q值以外，CAD设计频率需要元件的容性转换提供更灵活的构造、由电压控制的可重构性2829，由电压控制的频率可调30随频率增加而缩小22，更好的热稳定性29，所使用材料与集成电路相兼容和自开关能力29，以上这些需求都是微机械要做成电路所需要到达的。如图3所示，当输出端短路时，输入电压对输出电流的转

16、移函数为其中表示谐振器的谐振频率、表示它的串联动态电阻，可以写为图3 表1的第四种圆盘谐振器的示意图其中和分别表示圆盘周边的等效质量和刚度，表示电极和谐振器缝隙间的介电常数，R和h分别是圆盘的半径和厚度。由上面两式可以看出，它的转移函数是可以由电压控制的。2 热稳定性、寿命和阻抗除了频率范围和Q值，热稳定性、寿命和阻抗也是极其重要的。表2展示了一些为了处理好这些参数而特别设计的微机械谐振器。如表2第一幅图所示，该CC梁很像表1中的CC梁，但是它的特殊之处在于其输出电极位于梁的上部。当温度升高时，梁与上电极间的缝隙宽度也会随之增加，从而有效地降低了电刚度electrical stiffness，

17、从而能降低工作频率。而此时材料的温度依赖性导致工作频率升高，两相抵消，工作频率就不受温度的影响了。梁的尺寸为40um，工作在10MHz电极为金属材质。第二幅图所示为绝缘体上SOI硅酒瓶圆盘，同样，它也很像表1中的酒瓶圆盘，但是它是在厚的SOI硅构造层上成形的，因此有效地增大了电极与圆盘间的容性重叠局部类似于平行板电容的面积，从而减小了串联动态电阻。圆盘的直径为14.3um，SOI硅的厚度为18um，工作在149MHz。第三幅图所示为横向压电环Lateral Piezoelectric Ring，环形AlN氮化铝压电谐振器使用d31系数来将垂直方向驱动力转换为水平方向位移。拥有CAD的横向模式谐

18、振器已经实现，它具有高效的压电驱动能力阻抗小于100。环的内半径为90um，环宽10um，工作在473MHz。第四幅图所示为固态缝隙圆盘谐振器，它很像表1中的第三幅图所示的谐振器，可是使用了固态电解质填充电极与圆盘间的缝隙，从而可以增大缝隙的介电常数，由此产生更大的鼓励力和输出电流，从而降低了串联动态电阻。圆盘的半径为32um，缝隙中填充的氮化物厚20nm。四、微机械电路的例子假设以上所列出的参数频率范围、Q值，热稳定性、寿命和阻抗都能满足需要，那么上面所谈到的所有容性转换谐振器都能用来实现复杂的电路。表3总结了几种微机械电路，从带通滤波器到混频滤波器、阻抗变换机械耦合阵列和使用复合谐振器机械

19、耦合的方式实现的滤波器。带通滤波器在带宽为0.09%是片上插入损耗仅为0.6dB，其中有的单元之间采用了非邻近跨接产生损耗零点。混频滤波器mixer-filter or“mixler是通过无源构造同时实现了对频率的转换和滤除。阻抗变换机械耦合阵列将阻抗高好几倍的谐振器匹配到50。使用复合谐振器机械耦合的方式实现的滤波器是到目前为止实现50匹配的VHF微机械滤波器中插入损耗最小的。表3中每一个滤波器都是有一些一样的谐振器元件耦合而成的，这种耦合是通过在谐振器上非常特殊的点进展机械连接实现的。正如1937所示，这些机械滤波器的中心频率主要由这些一样单元的谐振器的频率决定的。而不同模式的间距比方带宽

20、主要由耦合梁的刚度和耦合梁接入谐振器的那个特殊点决定的。表3中每个滤波器的一样本质在于每个滤波器都是依靠等效电路来进展设计的，而这些等效电路又是由许多类似的电机械单元构成的1937，这样就能进展仿真了，就像SPICE一样，它的特点符合广泛的自动化电路设计环境。而SPICE也是由Nyuyen所在的伯克利分校所研制出来的。a最小化阻抗方案 b单片高Q滤波器组图4 微机械电路的例子如图4a所示，设计1GHz的圆盘可以用一个大圆盘实现，也可以用许多小圆盘外加一个环实现，虽然它们所占用的面积一样大，但是后者拥有更大的容性转换重叠面积，因此得到更大的机电耦合效率和更小的滤波器阻抗。而图4b是将图1中所要用

21、到的高Q值滤波器和谐振器都集成到了一片0.25mm0.5mm的芯片上去。如果这些滤波器的性能如频率能够由CAD来设计比方横向设计，非厚度设计，同时可以用单片沉积的方式实现，那么1图中所有11个高Q值无源滤波器的本钱很可能只有初始阶段1个片下无源滤波器本钱那么大。五、微机械谐振器振荡器图4 62MHz串联谐振参考振荡器如图4所示，这种特殊的振荡器使用了表3中第七幅图所示9给酒瓶圆盘阵列复合谐振器，它比1个单独的酒瓶圆盘具有更高的功率容量，其真空中Q值仍到达很高的118000。相比1个单独谐振器而言，圆盘复合阵列的能量Q值乘积增大了，从而有效提高了振荡器相位噪声性能。相比于过去的振荡器，这种机械电

22、路技术可以使相位噪声提高40dB48。由它在1kHz出相位噪声可以推得它的功耗仅有350uW，远离载频时相位噪声仅有-123和-136dBc/Hz11，而使用一个圆盘的相位噪声为-110和-132dBc/Hz。参考文献0Nguyen, Clark T.-C., MEMS technology for timing and frequency control, Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, v 2005, p 1-11, 2005.1 A. A. Abidi, “

23、Direct-conversion radio transceivers for digital comms, IEEE J. Solid-State Circ., vol. 30, no. 12, pp. 13991410, Dec. 1995.2 J. Crols and M. S. J. Steyaert, “A single-chip 900 MHz CMOS receiver front-end with a high performance low-IF topology, IEEE J. Solid-State Circ., vol. 30, no. 12, pp. 148314

24、92, Dec. 1995.3 C. P. Yue and S. S. Wong, “On-chip spiral inductors with patterned ground shields for Si-based RF ICs, IEEE J. Solid-StateCirc., vol. 33, no. 5, pp. 743752, May 1998.4 C. T.-C. Nguyen, “Transceiver front-end architectures using vibratingmicromechanical signal processors, in RF Techno

25、logies for Low Power Wireless Communications. G. I. Haddad, T Itoh, and J. Harvey, Eds. New York: Wiley IEEE-Press, 2001, pp. 411461.5 C. T.-C. Nguyen, “Vibrating RF MEMS overview: applications to wireless communications (invited), in Proc. SPIE: Micromachin. Microfabric. Process Technol., San Jose,

26、 CA, vol. 5715, Jan. 2227, 2005, pp. 1125.6 J. Wang, J. E. Butler, T. Feygelson, and C. T.-C. Nguyen, “1.51-GHz polydiamond micromechanical disk resonator with impedance-mismatched isolating support, in Proc. IEEE Int. MEMS Conf., Maastricht, The Netherlands, Jan. 2529, 2004, pp. 641644.7 S.-S. Li,

27、Y.-W. Lin, Y. Xie, Z. Ren, and C. T.-C. Nguyen, “Micromechanical hollow-disk ring resonators, in Proc. 17th IEEE Int. MEMS Conf., Maastricht, The Netherlands, Jan. 2529, 2004, pp. 821824.8 W.-T. Hsu and C. T.-C. Nguyen, “Stiffness-compensated temperature-insensitive micromechanical resonators, in Te

28、ch. Dig., IEEE Int. MEMS Conf., Las Vegas, NV, Jan. 2024, 2002, pp. 731734.9 V. Kaajakari, J. Kiihamaki, A. Oja, H. Seppa, S. Pietikainen, V. Kokkala, and H. Kuisma, “Stability of wafer level vacuum encapsulated single-crystal silicon resonators, in Tech. Dig., Int. Conf. Solid-State Sensors, Actuat

29、ors, Microsyst. (Transducers05), Seoul, Korea, Jun. 2005, pp. 916919.10 B. Kim, R. N. Candler, M. Hopcroft, M. Agarwal, W.-T. Park, and T. W. Kenny, “Frequency stability of wafer-scale encapsulated MEMS resonators, in Tech. Dig., Int. Conf. Solid-State Sensors, Actuators, Microsyst. (Transducers05),

30、 Seoul, Korea, Jun. 2005, pp. 19651968.11 Y.-W. Lin, S.-S. Li, Z. Ren, and C. T.-C. Nguyen, “Low phase noise array-composite micromechanical wine-glass disk oscillator,in Tech. Dig., IEEE Int. Electron Devices Mtg., Washington, DC, Dec. 57, 2005, pp. 287290.12 Y.-W. Lin, S. Lee, S.-S. Li, Y. Xie, Z.

31、 Ren, and C. T.-C. Nguyen,“Series-resonant VHF micromechanical resonator reference oscillators,IEEE J. Solid-State Circ., vol. 39, no. 12, pp. 24772491, Dec. 2004.13 V. Kaajakari, T. Mattila, A. Oja, J. Kiihamaki, and H. Seppa, “Square-extensional mode single-crystal silicon micromechanical resonato

32、r for low-phase-noise oscillator applications, IEEE Electron Device Lett., vol. 25, no. 4, pp. 173175, Apr. 2004.17 R. C. Ruby, P. Bradley, Y. Oshmyansky, A. Chien, and J. D. Larson, III, “Thin film bulk wave acoustic resonators (FBAR) for wireless applications, in Proc. IEEE Ultrason. Symp., Atlant

33、a, GA, 2001, pp. 813821.18 H. Yu, W. Pang, H. Zhang, and E. S. Kim, “Film bulk acoustic resonator at 4.4 GHz with ultra low temperature coefficient of resonant frequency, in Tech. Dig., 18th IEEE Int. MEMS Conf., Miami Beach, FL, Jan. 30Feb. 3, 2005, pp. 2831.19 F. D. Bannon, III, J. R. Clark, and C

34、. T.-C. Nguyen, “High frequency micromechanical filters, IEEE J. Solid-State Circ., vol. 35, no. 4, pp. 512526, Apr. 2000.20 K. Wang, A.-C. Wong, and C. T.-C. Nguyen, “VHF free-free beam high-Q micromechanical resonators, IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst., vol. 9, no. 3, pp. 347360, Sep. 2000.21

35、M. A. Abdelmoneum, M. U. Demirci, and C. T.-C. Nguyen, “Stemless wine-glass-mode disk micromechanical resonators, in Proc. 16th IEEE Int. MEMS Conf., Kyoto, Japan, Jan. 1923, 2003, pp. 698701.22 J. Wang, Z. Ren, and C. T.-C. Nguyen, “1.156-GHz self-aligned vibrating micromechanical disk resonator, I

36、EEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 51, no. 12, pp. 16071628, Dec. 2004.28 A.-C. Wong and C. T.-C. Nguyen, “Micromechanical mixerfilters (“mixlers), IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst., vol. 13, no. 1, pp. 100112, Feb. 2004.29 S.-S. Li, Y.-W. Lin, Z. Ren, and C. T.-C. Nguyen, “Sel

37、f-switching vibrating micromechanical filter bank, in Proc. IEEE Joint Int. Freq. Contr./Precision Time & Time Interval Symp., Vancouver, Canada, Aug. 2931, 2005, pp. 135141.30 H. Nathanson, W. E. Newell, R. A. Wickstrom, and J. R. Davis,Jr., “The resonant gate transistor, IEEE Trans. Electron Devic

38、es, vol. ED-14, no. 3, pp. 117133, Mar. 1967.31 S. Pourkamali, Z. Hao, and F. Ayazi, “VHF single crystal silicon capacitive elliptic bulk-mode disk resonatorsPart II: Implementation and characterization, IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst., vol. 13, no. 6, pp. 10541062, Dec. 2004.32 S. Pourkamali,

39、G. K. Ho, and F. Ayazi, “Vertical capacitive SiBARs, in Tech. Dig., 18th IEEE Int. MEMS Conf., Miami Beach, FL, Jan. 30Feb. 3, 2005, pp. 211214.33 G. Piazza, P. J. Stephanou, J. M. Porter, M. B. J. Wijesundara, and A. P. Pisano, “Low motional resistance ring-shaped contour-mode aluminum nitride piez

40、oelectric micromechanical resonators for UHF applications, in Tech. Dig., 18th IEEE Int. MEMS Conf., Miami Beach, FL, Jan. 30Feb. 3, 2005, pp. 2023.37 K. Wang and C. T.-C. Nguyen, “High-order medium frequency micromechanical electronic filters, IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst., vol. 8, no. 4, pp. 534557, Dec. 1999.48 S. Lee and C. T.-C. Nguyen, “Mechanically-coupled micromechanical arrays for improved phase noise, in Proc. IEEE Int. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. Conf., Montreal, Canada, Aug. 2427, 2004, pp. 280286.