MEMS諧振器具有體積小、可靠性高、與半導體制造工藝兼容等獨特優(yōu)勢，可以作為參考頻率替代石英諧振器。雖然具有許多優(yōu)點，但硅基MEMS諧振器的頻率溫度系數(shù)（TCF）相當大，通常約為-30 ppm/°C。如此大的TCF值使這些MEMS諧振器在沒有有效溫度補償?shù)那闆r下不適合精密時鐘應用。目前已開發(fā)出多種技術來解決由溫度引起的頻率偏移問題。其中，微恒溫箱控制溫度補償方案是一種實現(xiàn)ppb級頻率穩(wěn)定特別有效的方法，可將諧振器加熱并保持在通常為零TCF點的高溫下。這種方法消除了溫度引起的頻率變化，即使在溫度波動的環(huán)境中也能確保穩(wěn)定運行。
除了頻率-溫度穩(wěn)定性之外，MEMS諧振器的其它關鍵性能指標還包括品質因數(shù)（Q）和動態(tài)電阻（Rm）。高Q值和低Rm對于實現(xiàn)低相噪振蕩器至關重要。電容諧振器具有高Q值，但由于其有限的機電轉換因數(shù)，其Rm較大。與此相反，硅上壓電薄膜（TPoS）諧振器結合了壓電材料的高機電轉換因數(shù)和單晶硅（SCS）的低本征損耗，從而實現(xiàn)了低Rm和中等的高Q值。
TPoS諧振器的最新研究主要集中在采用微恒溫箱控制設計，以實現(xiàn)高度穩(wěn)定和精確的參考頻率。對于這些設計而言，實現(xiàn)高翻轉點對于覆蓋較寬的工作溫度范圍至關重要。幸運的是，可以通過調整n型硅的摻雜濃度，以及使諧振器與硅<100>晶向對齊來改善TPoS諧振器的翻轉點。然而，與按照<110>晶向排列的諧振器相比，這種排列方式通常會導致Q值降低。此外，工作溫度升高也會進一步導致TPoS諧振器的Q值下降。因此，Q值劣化問題對目前基于TPoS平臺的微恒溫箱控制諧振器提出了巨大挑戰(zhàn)。
對于TPoS諧振器而言，錨點損耗是最重要的能量損耗因素之一。為了抑制錨點損耗并提高Q值，人們提出了多種方法，其中，聲子晶體（PnC）結構尤其有效，因為它能產(chǎn)生阻止彈性波傳播的完整聲子帶隙（PBG）。實驗證明，二維PnC板是高效的PBG結構，可阻止彈性波向各個方向傳播。因此，二維PnC板非常適合集成到微恒溫箱控制諧振器中，作為微恒溫箱的一部分，它們能以緊湊的尺寸限制彈性能量。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，武漢大學的研究人員提出了一種新穎的基于二維蜂窩晶格PnC的微恒溫箱控制TPoS諧振器設計。所提出的PnC微恒溫箱旨在減少錨點損耗，從而提高TPoS諧振器的Q值。PnC結構的集成使諧振器即使在翻轉點也能保持較高的Q值，從而實現(xiàn)出色的頻率穩(wěn)定性。
圖1 PnC微恒溫箱控制壓電諧振器的設計
為了表征PnC微恒溫箱在提高諧振器Q值方面的作用，研究人員設計了一個具有相同參數(shù)但不含微恒溫箱的類似諧振器結構，并將其制作在同一芯片上作為參考諧振器。所制作的諧振器掃描電子顯微鏡（SEM）圖像分別如圖2a和b所示。PnC結構的孔內包含輔助柱體。這些輔助柱體直接與襯底硅相連，與諧振器結構無關。采用輔助柱體可以減少蝕刻面積，從而確保PnC結構具有良好的蝕刻均勻性和輪廓。因此，PnC孔是部分蝕刻的。
圖2 所制備壓電MEMS諧振器的SEM圖像及表征
從圖2c和d中可以看出，隨著器件長度的增加，兩種類型壓電WE模式諧振器的頻率降低，并且所有頻率都落在蜂窩晶格PnC的完整PBG中。諧振頻率測量值和模擬值之間的差異可能是由于有限元模擬中使用的材料參數(shù)不準確造成的。對于任何器件長度，與不帶PnC微恒溫箱的諧振器相比，帶PnC微恒溫箱的諧振器具有更低的插入損耗（IL）值和更高的有載Ql值，因而具有更高的空載Qu值和更低的Rm值。結果表明，PnC微恒溫箱可以防止彈性波泄漏到襯底中，從而改善MEMS諧振器的性能。
結論
本研究提出了一種基于二維蜂窩晶格PnC的微恒溫箱，用于提高壓電WE模式諧振器的Q值。通過有限元分析和實驗驗證了所提出PnC微恒溫箱的有效性。實驗結果表明，PnC微恒溫箱設計具有Q值優(yōu)勢。與裸諧振器相比，帶有微恒溫箱的諧振器在不同尺寸下的平均Qu值可重復提高1.7倍以上。研究人員探究了溫度對微恒溫箱控制諧振器性能的影響，即使在高溫工作環(huán)境下，微恒溫箱控制諧振器仍顯示出不錯的Q值。此外，研究人員還對頻率穩(wěn)定性進行了測量。在穩(wěn)定的周圍環(huán)境下，微恒溫箱控制諧振器的頻率穩(wěn)定性小于±10 ppb。出色的頻率穩(wěn)定性顯示了其在高端時鐘領域的應用潛力。
與現(xiàn)有的文獻相比，該研究的意義在于將PnC結構集成到MEMS時鐘元件之中，從而推動了高端時鐘應用的發(fā)展。探索其它PnC結構或材料有望進一步提高MEMS時鐘性能。例如，使用具有不同溫度特性的材料來形成PnC，可以實現(xiàn)溫度補償，同時還能達到所需的帶隙。此外，在設計PnC微恒溫箱時，還可以考慮熱隔離設計，使MEMS時鐘元件的溫度分布更加均勻，并減少恒溫箱中的溫度滯后。這些策略有望為同步以太網(wǎng)、汽車、宏基站等大量高端應用提供先進的高性能時鐘解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.chip.2024.100108
