翻譯mems相關(guān)論文微機(jī)械振動(dòng)諧振器的規(guī)模集成極其振蕩器實(shí)現(xiàn)-文庫吧資料
2025-07-01 05:20本頁面
【正文】 nt VHF micromechanical resonator reference oscillators,”IEEE J. SolidState Circ., vol. 39, no. 12, pp. 2477–2491, Dec. 2004.[13] V. Kaajakari, T. Mattila, A. Oja, J. Kiiham168。aki, A. Oja, H. Sepp168。由它在1kHz出相位噪聲可以推得它的功耗僅有350uW，遠(yuǎn)離載頻時(shí)相位噪聲僅有123和136dBc/Hz[11]，而使用一個(gè)圓盤的相位噪聲為110和132dBc/Hz。相比1個(gè)單獨(dú)諧振器而言，圓盤復(fù)合陣列的能量Q值乘積增大了，從而有效提高了振蕩器相位噪聲性能。如果這些濾波器的性能（如頻率）能夠由CAD來設(shè)計(jì)（比如橫向設(shè)計(jì)，非厚度設(shè)計(jì)），同時(shí)可以用單片沉積的方式實(shí)現(xiàn)，那么1圖中所有11個(gè)高Q值無源濾波器的成本很可能只有初始階段1個(gè)片下無源濾波器成本那么大。（a）最小化阻抗方案 （b）單片高Q濾波器組圖4 微機(jī)械電路的例子如圖4（a）所示，設(shè)計(jì)1GHz的圓盤可以用一個(gè)大圓盤實(shí)現(xiàn)，也可以用許多小圓盤外加一個(gè)環(huán)實(shí)現(xiàn)，雖然它們所占用的面積一樣大，但是后者擁有更大的容性轉(zhuǎn)換重疊面積，因此得到更大的機(jī)電耦合效率和更小的濾波器阻抗。表3中每個(gè)濾波器的相同本質(zhì)在于每個(gè)濾波器都是依靠等效電路來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而這些等效電路又是由許多類似的電機(jī)械單元構(gòu)成的[19][37]，這樣就能進(jìn)行仿真了，就像SPICE一樣，它的特點(diǎn)符合廣泛的自動(dòng)化電路設(shè)計(jì)環(huán)境。正如[19][37]所示，這些機(jī)械濾波器的中心頻率主要由這些相同單元的諧振器的頻率決定的。使用復(fù)合諧振器機(jī)械耦合的方式實(shí)現(xiàn)的濾波器是到目前為止實(shí)現(xiàn)50匹配的VHF微機(jī)械濾波器中插入損耗最小的?；祛l濾波器（mixerfilter or“mixler”）是通過無源結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率的轉(zhuǎn)換和濾除。表3總結(jié)了幾種微機(jī)械電路，從帶通濾波器到混頻濾波器、阻抗變換機(jī)械耦合陣列和使用復(fù)合諧振器機(jī)械耦合的方式實(shí)現(xiàn)的濾波器。圓盤的半徑為32um，縫隙中填充的氮化物厚20nm。環(huán)的內(nèi)半徑為90um，環(huán)寬10um，工作在473MHz。第三幅圖所示為橫向壓電環(huán)（Lateral Piezoelectric Ring），環(huán)形AlN（氮化鋁）壓電諧振器使用d31系數(shù)來將垂直方向驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為水平方向位移。第二幅圖所示為絕緣體上（SOI）硅酒瓶圓盤，同樣，它也很像表1中的酒瓶圓盤，但是它是在厚的SOI硅結(jié)構(gòu)層上成形的，因此有效地增大了電極與圓盤間的容性重疊部分（類似于平行板電容的面積），從而減小了串聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻。而此時(shí)材料的溫度依賴性導(dǎo)致工作頻率升高，兩相抵消，工作頻率就不受溫度的影響了。如表2第一幅圖所示，該CC梁很像表1中的CC梁，但是它的特殊之處在于其輸出電極位于梁的上部。2 熱穩(wěn)定性、壽命和阻抗除了頻率范圍和Q值，熱穩(wěn)定性、壽命和阻抗也是極其重要的。如圖3所示，當(dāng)輸出端短路時(shí)，輸入電壓對(duì)輸出電流的轉(zhuǎn)移函數(shù)為其中表示諧振器的諧振頻率、表示它的串聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻，可以寫為圖3 表1的第四種圓盤諧振器的示意圖其中和分別表示圓盤周邊的等效質(zhì)量和剛度，表示電極和諧振器縫隙間的介電常數(shù)，R和h分別是圓盤的半徑和厚度。按這種趨勢(shì)發(fā)展下去，片上諧振器達(dá)到10GHz Q值大于10000是很有可能的。圖2 頻率Q值乘積隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)如果以頻率Q值乘積來衡量諧振器的價(jià)值的話，圖2說明這種價(jià)值是隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的。第五幅圖所示為一種輪輻支撐環(huán)（SpokeSupported Ring），它也是采用1/4波長(zhǎng)尺寸來制作輪輻的，這可以使中央錨點(diǎn)處損耗為零，在片上諧振器中最大的Q值出現(xiàn)在大于1GHz時(shí)。這種設(shè)計(jì)可以在室溫下工作在片上UHF諧振器中，達(dá)到很高的頻率Q值乘積。第四幅圖為輪廓模式圓盤（ContourMode Disk），它由中央節(jié)點(diǎn)處的小圓柱支撐，圓盤以沿半徑的輪廓模式（radialcontour mode）振動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)可以集成到芯片中，在VHF頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高的Q值。第三幅圖所示為一種酒瓶圓盤（WineGlass Disk）結(jié)構(gòu)，該圓盤振動(dòng)在（2,1）混合模式。第二幅圖所示為FF梁（FreeFree Beam），它在真空狀態(tài)下頻率高于100MHz仍然能達(dá)到很高的Q值。第一幅圖是一種CC梁（ClampedClamped Beam），它是兩端固定的柔性梁，只有2um厚，工作在30MHz以下，在30MHz以上錨點(diǎn)損耗將隨頻率的增加而增加。振動(dòng)RF MEMS諧振器是小體積實(shí)現(xiàn)高速度最直接的 。如果要求柔性梁能夠工作在GHz頻率（它的頻率受橫向尺寸的控制），那么宏觀機(jī)械結(jié)構(gòu)將很難達(dá)到這么高的頻率。通過CAD，我們很容易確定諧振器和其它器件的橫向尺寸，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的頻率或其他特性。比如壓電FBARs[17][18]雖然已經(jīng)成功地大量應(yīng)用于無線手機(jī)，并且也具有體積小的優(yōu)勢(shì)，但是不大可能集成在一起實(shí)現(xiàn)電路功能，因?yàn)樗麄兊念l率很大程度上受厚度的控制，這是CAD設(shè)計(jì)版圖很難控制的。實(shí)際上，任何器件具有某些大參數(shù)（如增益、Q值……），就能用來構(gòu)建龐大的電路。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是晶體管能夠級(jí)聯(lián)成串，這是因?yàn)樗鼈兊脑鲆嫜a(bǔ)償了噪聲和其他損耗（它們是降低信噪比的原因）。為了擴(kuò)展它們的功能范圍，大量微機(jī)械元件需要結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電路功能，這種電路可以通過裁減來實(shí)現(xiàn)特殊功能（比如頻率濾波、發(fā)生或轉(zhuǎn)換）。它有潛力在機(jī)械域取得如IC在電氣域方面的革命性進(jìn)展。當(dāng)前定時(shí)和頻率控制模塊對(duì)高Q值器件的使用數(shù)目有限制，而MEMS可以達(dá)到的集成度使得它們可以使用成百上千的高Q值元件，因?yàn)樗鼈兊男◇w積和低成本特性。因此，可以采用諸如多晶硅表面微加工工藝的方式，在硅CMOS電路上制作MEMS模塊，它的制作是與晶體管部分
公司管理相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1