【翻譯mems相關(guān)論文】微機械振動諧振器的規(guī)模集成極其振蕩器實現(xiàn)

1、微機械振動諧振器的規(guī)模集成極其振蕩器實現(xiàn)0英文摘要：micromechanical RF filters and reference oscillators based on recently demonstrated vibrating on-chip micromechanical resonators with Qs10,000 at 1.5 GHz are described as an attractive solution to the increasing count of RF components (e.g., filters) expected to be needed b

2、y future multi-band, multimode wireless devices. Indeed, as vibrating RF MEMS devices are perceived more as circuit building blocks than as stand-alone devices, and as the frequency processing circuits they enable become larger and more complex, the makings of an integrated micromechanical circuit t

3、echnology begin to take shape, perhaps with a functional breadth not unlike that of integrated transistor circuits.關(guān)鍵詞：微機械諧振器，振動，微機械規(guī)模集成，微機械振蕩器一、微機械振動諧振器的前途當(dāng)前電子系統(tǒng)的性能主要受時鐘和參考頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的限制。比如GPS鎖定GPS衛(wèi)星偽隨機信號并完成定位的能力和速度很大程度上受限于GPS內(nèi)部時鐘與衛(wèi)星時鐘的同步程度。不幸的是，當(dāng)前最好的時鐘和參考頻率（比如原子鐘和溫度穩(wěn)定晶體振蕩器）經(jīng)常是因為體積太大或是功耗太大而不能應(yīng)用于手持設(shè)備

4、中。這使得我們只能把最好的方案放在桌面上，而不能讓它出現(xiàn)在用戶手里。這些用戶常常只能選擇其它不夠穩(wěn)定的產(chǎn)品。事實上，如果有種技術(shù)能夠使我們最好的時鐘和參考頻率能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和低功耗，進入手持設(shè)備，那它將會多么得受歡迎啊。在許多需要時鐘和頻率控制的應(yīng)用領(lǐng)域，手持無線通信設(shè)備一直收益于小型化技術(shù)，自從能夠?qū)崿F(xiàn)無源器件的高Q值以后，無線子系統(tǒng)的設(shè)計前提已經(jīng)悄悄地發(fā)生了變化。原因很簡單：成本和體積。特別的，陶瓷濾波器、表面聲波濾波器、石英晶振和現(xiàn)在的薄膜體聲波濾波器，能夠得到50010000的Q值，這是射頻（RF）、中頻（IF）濾波和頻率發(fā)射器所需要的。但它們都是外圍器件，需要用接口與晶體管模塊連接，

5、占用很大的空間，并且增加組裝成本。圖1 未來多模接收機的系統(tǒng)框圖（可以看出在不考慮直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時，射頻無源部分將增多）為了減少現(xiàn)代手機中的外圍器件，直接轉(zhuǎn)換1（direct-conversion）或低中頻2接收機結(jié)構(gòu)去除了中頻濾波器，同時，集成電感技術(shù)也移除了應(yīng)用于偏置、匹配網(wǎng)絡(luò)中的外圍電感3。盡管這些方法可以降低價格，但它們常常使晶體管電路變得更復(fù)雜，對電路性能（如動態(tài)范圍）的要求也更加嚴(yán)格，整個系統(tǒng)的耐用性和功效都會或多或少的降低。但是，未來多波段、多?？芍貥?gòu)手機很可能對高Q值射頻濾波器有巨大的需求，可能每個手機都要配備各種無線標(biāo)準(zhǔn)的通道，這是去除中頻濾波器沒法解決的問題。圖1以多頻帶手機

6、接收部分為例，展示了這類系統(tǒng)的簡化框圖。可以清楚的看到，高Q值射頻濾波器（不是中頻濾波器）是需要的。由于高Q值射頻濾波器不能移除，找到一種新的、成本低的、可以集成的高Q值器件是很有必要的，尤其是需要將無源器件和晶體管集成在同一個芯片上時?；谝陨峡紤]，MEMS技術(shù)擁有將機械特性和機械機制縮小到微米尺度（乃至納米尺度），已經(jīng)為跨度顯示（spanning displays）、感應(yīng)器和流體系統(tǒng)提供了小型化、低功耗的方案，并且正在為手持無線設(shè)備中的計數(shù)器和頻率控制模塊提供小型化、低功耗的方案45。特別的，硅微加工技術(shù)現(xiàn)在能生產(chǎn)出Q值大于10000的GHz頻段的片上諧振器微機械振動67，頻率與Q值的乘積

7、大于2.7510136，溫度穩(wěn)定度在27到107高于18ppm8，并且在一年時間里壽命穩(wěn)定度高于2ppm9 10 。它們也被集成到振蕩器電路中，其相位噪聲性能滿足全球移動通信系統(tǒng)（GSM）的參考頻率標(biāo)準(zhǔn) 11-13。并且MEMS技術(shù)和微光子學(xué)的結(jié)合，實現(xiàn)了10cm3完全原子鐘，其功耗小于200mW，在100s時艾倫偏移好于510-11 。這種器件很好地利用了壓縮控制時間常數(shù)和低的熱能耗，如果它能夠繼續(xù)縮小尺寸，很快將能夠制造出尺寸小于10cm3，功耗小于30mW，在1小時艾倫偏移好于10-11的原子鐘?？墒钦駝覴F MEMS技術(shù)所帶來的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子元件的簡單替換。事實上，研究人員和設(shè)計者

8、都開始察覺到這種器件不像是獨立的元件，更像是片上器件的元素。將振動微機械結(jié)構(gòu)與其它普通網(wǎng)絡(luò)相連接，就能簡單地制成的“集成微機械電路”。它具有功耗和線性度方面的發(fā)展?jié)摿Γ⑶夷軌驅(qū)崿F(xiàn)現(xiàn)在任何晶體管信號處理模塊所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，尤其是頻率處理。不像晶體管集成電路，集成微機械電路的基礎(chǔ)是微機械連接，他擁有功能性寬度（breadth of functionality）。在應(yīng)用中，可能出現(xiàn)的器件有可重構(gòu)RF選頻濾波器、極穩(wěn)定可重構(gòu)振蕩器、頻域計算器和頻率晶體管。當(dāng)它與其它微尺寸器件（比如晶體管、微恒溫槽、微冷卻器、原子電池(cell)等）相結(jié)合的時候，設(shè)計者可以用高Q值特性來實現(xiàn)手持設(shè)備系統(tǒng)級的低功耗、

9、高續(xù)航能力。多種MEMS技術(shù)都能夠獲得微尺度機械結(jié)構(gòu)，它們可以由所使用的結(jié)構(gòu)材料（比如硅、碳化硅、玻璃、塑料等）加以區(qū)分，也可以由微加工方法（比如表面、體、三維生長等）和應(yīng)用領(lǐng)域（比如光MEMS、生物MEMS等）。對于時間和手持通信設(shè)備，微機械結(jié)構(gòu)與晶體管的集成需要選擇只引入小電容的技術(shù)。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分開的，因為它們截然不同。這種模塊化工藝具有更強的適應(yīng)能力，特別是在其他模塊迅速發(fā)展的情況下（如一種新的CMOS通道長度的出現(xiàn)）。當(dāng)前定時和頻率控制模塊對高Q值器件的使用數(shù)目有限制，而MEMS可以達到的集成

10、度使得它們可以使用成百上千的高Q值元件，因為它們的小體積和低成本特性。MEMS技術(shù)的屬性和成分決定了它能實現(xiàn)微機械電路的大規(guī)模集成（LSI）或者超大規(guī)模集成（VLSI），就像過去幾十年晶體管集成（IC）電路所做到的一樣。它有潛力在機械域取得如IC在電氣域方面的革命性進展。就像單晶體管，單振動單元只有有限的功能。為了擴展它們的功能范圍，大量微機械元件需要結(jié)合在一起實現(xiàn)更復(fù)雜的電路功能，這種電路可以通過裁減來實現(xiàn)特殊功能（比如頻率濾波、發(fā)生或轉(zhuǎn)換）。相比而言，晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模集成是因為它的大增益，而機械元件的集成則要靠它的高Q值。一個簡單的例子就是晶體管能夠級聯(lián)成串，這是因為它們的增益補償了噪

11、聲和其他損耗（它們是降低信噪比的原因）。而對于機械元件，他們也可以級聯(lián)，因為它們有極低的損耗受益于高Q值。實際上，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。盡管如此，集成電路對組成元件有很多要求，遠(yuǎn)不只是小尺寸。比如壓電FBARs1718雖然已經(jīng)成功地大量應(yīng)用于無線手機，并且也具有體積小的優(yōu)勢，但是不大可能集成在一起實現(xiàn)電路功能，因為他們的頻率很大程度上受厚度的控制，這是CAD設(shè)計版圖很難控制的。相比而言，通過VLSI晶體管IC設(shè)計中能夠成功應(yīng)用CAD的經(jīng)驗，我們可以想象出CAD對于微機械IC同樣重要。通過CAD，我們很容易確定諧振器和其它器件的橫向尺寸，從而實現(xiàn)整個電路

12、的頻率或其他特性。如果受微觀加工技術(shù)的約束，那么我們最需要的兩個最基本的CAD特性服從性和結(jié)構(gòu)靈活性是最難達到的。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），那么宏觀機械結(jié)構(gòu)將很難達到這么高的頻率。幸運的是，MEMS技術(shù)是機械機制的分支技術(shù)，具有和IC一樣的小尺寸優(yōu)勢；小體積帶來的是高速、低功耗、高復(fù)雜性（從而具有強的信號處理能力）和低成本特性。振動RF MEMS諧振器是小體積實現(xiàn)高速度最直接的 。二 微機械振動諧振器發(fā)展趨勢圖表1所示，為具有高頻率Q值乘積的振動RF MEMS器件。第一幅圖是一種CC梁（Clamped-Clamped Beam），它是兩端固定的柔性梁，只有

13、2um厚，工作在30MHz以下，在30MHz以上錨點損耗將隨頻率的增加而增加。該圖所示CC梁尺寸為40um，工作在7.8MHz。第二幅圖所示為FF梁（Free-Free Beam），它在真空狀態(tài)下頻率高于100MHz仍然能達到很高的Q值。該圖所示FF梁尺寸為14.3um，工作在82MHz。第三幅圖所示為一種酒瓶圓盤（Wine-Glass Disk）結(jié)構(gòu)，該圓盤振動在（2,1）混合模式?？梢詧A心固支，也可以圓周固支。這種結(jié)構(gòu)可以集成到芯片中，在VHF頻段內(nèi)實現(xiàn)最高的Q值。該圖所示結(jié)構(gòu)的支撐方式為沿半徑的四個梁，它們的長度剛好是振動的1/4周長，半徑為26.5um，工作在73MHz。第四幅圖為輪廓

14、模式圓盤（Contour-Mode Disk），它由中央節(jié)點處的小圓柱支撐，圓盤以沿半徑的輪廓模式（radial-contour mode）振動。選擇不同材料制作小圓柱，使其在材質(zhì)上與圓盤最大程度地失配，從而減小損耗，增大Q值。這種設(shè)計可以在室溫下工作在片上UHF諧振器中，達到很高的頻率Q值乘積。該CVD鉆石圓盤的直徑為10um，工作在1.5GHz（在2次模振動下）。第五幅圖所示為一種輪輻支撐環(huán)（Spoke-Supported Ring），它也是采用1/4波長尺寸來制作輪輻的，這可以使中央錨點處損耗為零，在片上諧振器中最大的Q值出現(xiàn)在大于1GHz時。其內(nèi)環(huán)半徑為51.3um，外環(huán)半徑為60.9

15、um，工作在433MHz（2次輪廓模式）。圖2 頻率Q值乘積隨時間的增長而增長如果以頻率Q值乘積來衡量諧振器的價值的話，圖2說明這種價值是隨時間的增長而增長的。值得一提的是，使用化學(xué)氣象沉積（CVD，chemical vapor deposited）制作的鉆石圓盤諧振器就有最高的頻率Q值乘積2.7510136。按這種趨勢發(fā)展下去，片上諧振器達到10GHz Q值大于10000是很有可能的。三、微機械諧振器能夠?qū)崿F(xiàn)電路化和CAD的條件1 電壓可以控制性能除了需要更好的Q值以外，CAD設(shè)計頻率需要元件的容性轉(zhuǎn)換提供更靈活的結(jié)構(gòu)、由電壓控制的可重構(gòu)性2829，由電壓控制的頻率可調(diào)30（隨頻率增加而縮小

16、22），更好的熱穩(wěn)定性29，所使用材料與集成電路相兼容和自開關(guān)能力29，以上這些需求都是微機械要做成電路所需要達到的。如圖3所示，當(dāng)輸出端短路時，輸入電壓對輸出電流的轉(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。由上面兩式可以看出，它的轉(zhuǎn)移函數(shù)是可以由電壓控制的。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。表2展示了一些為了處理好這些參數(shù)而特別設(shè)計的微機械諧振器。如表2第一幅圖所示，該CC梁很像表1中

17、的CC梁，但是它的特殊之處在于其輸出電極位于梁的上部。當(dāng)溫度升高時，梁與上電極間的縫隙寬度也會隨之增加，從而有效地降低了電剛度（electrical stiffness），從而能降低工作頻率。而此時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。梁的尺寸為40um，工作在10MHz（電極為金屬材質(zhì)）。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)動態(tài)電阻。圓盤的直徑為14.3um，SOI硅的厚度為18um，工作在149M

18、Hz。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)動力轉(zhuǎn)換為水平方向位移。擁有CAD的橫向模式諧振器已經(jīng)實現(xiàn)，它具有高效的壓電驅(qū)動能力（阻抗小于100）。環(huán)的內(nèi)半徑為90um，環(huán)寬10um，工作在473MHz。第四幅圖所示為固態(tài)縫隙圓盤諧振器，它很像表1中的第三幅圖所示的諧振器，可是使用了固態(tài)電解質(zhì)填充電極與圓盤間的縫隙，從而可以增大縫隙的介電常數(shù)，由此產(chǎn)生更大的激勵力和輸出電流，從而降低了串聯(lián)動態(tài)電阻。圓盤的半徑為32um，縫隙中填充的氮化物厚20nm。四、微機械電路的例子假如以上所列出的參數(shù)（頻

19、率范圍、Q值，熱穩(wěn)定性、壽命和阻抗）都能滿足需要，那么上面所談到的所有容性轉(zhuǎn)換諧振器都能用來實現(xiàn)復(fù)雜的電路。表3總結(jié)了幾種微機械電路，從帶通濾波器到混頻濾波器、阻抗變換機械耦合陣列和使用復(fù)合諧振器機械耦合的方式實現(xiàn)的濾波器。帶通濾波器在帶寬為0.09%是片上插入損耗僅為0.6dB，其中有的單元之間采用了非鄰近跨接產(chǎn)生損耗零點。混頻濾波器（mixer-filter or“mixler”）是通過無源結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)了對頻率的轉(zhuǎn)換和濾除。阻抗變換機械耦合陣列將阻抗高好幾倍的諧振器匹配到50。使用復(fù)合諧振器機械耦合的方式實現(xiàn)的濾波器是到目前為止實現(xiàn)50匹配的VHF微機械濾波器中插入損耗最小的。表3中每一個

20、濾波器都是有一些相同的諧振器元件耦合而成的，這種耦合是通過在諧振器上非常特殊的點進行機械連接實現(xiàn)的。正如1937所示，這些機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。而不同模式的間距（比如帶寬）主要由耦合梁的剛度和耦合梁接入諧振器的那個特殊點決定的。表3中每個濾波器的相同本質(zhì)在于每個濾波器都是依靠等效電路來進行設(shè)計的，而這些等效電路又是由許多類似的電機械單元構(gòu)成的1937，這樣就能進行仿真了，就像SPICE一樣，它的特點符合廣泛的自動化電路設(shè)計環(huán)境。而SPICE也是由Nyuyen所在的伯克利分校所研制出來的。（a）最小化阻抗方案 （b）單片高Q濾波器組圖4 微機械電路的例子如圖

21、4（a）所示，設(shè)計1GHz的圓盤可以用一個大圓盤實現(xiàn)，也可以用許多小圓盤外加一個環(huán)實現(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，因此得到更大的機電耦合效率和更小的濾波器阻抗。而圖4（b）是將圖1中所要用到的高Q值濾波器和諧振器都集成到了一片0.25mm0.5mm的芯片上去。如果這些濾波器的性能（如頻率）能夠由CAD來設(shè)計（比如橫向設(shè)計，非厚度設(shè)計），同時可以用單片沉積的方式實現(xiàn)，那么1圖中所有11個高Q值無源濾波器的成本很可能只有初始階段1個片下無源濾波器成本那么大。五、微機械諧振器振蕩器圖4 62MHz串聯(lián)諧振參考振蕩器如圖4所示，這種特殊的振蕩器使用了表3中第七幅圖

22、所示9給酒瓶圓盤陣列復(fù)合諧振器，它比1個單獨的酒瓶圓盤具有更高的功率容量，其真空中Q值仍達到很高的118000。相比1個單獨諧振器而言，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。相比于過去的振蕩器，這種機械電路技術(shù)可以使相位噪聲提高40dB48。由它在1kHz出相位噪聲可以推得它的功耗僅有350uW，遠(yuǎn)離載頻時相位噪聲僅有-123和-136dBc/Hz11，而使用一個圓盤的相位噪聲為-110和-132dBc/Hz。參考文獻0 Nguyen, Clark T.-C.,” MEMS technology for timing and frequency control,”

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