[論文レビュー] Architecture for Integrated Mems Resonators Quality Factor Measurement

H. Mathias, Fabien Parrain+5 more|ArXiv.org|Feb 26, 2008

Advanced MEMS and NEMS Technologies参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、MEMS共振器のQファクターをオンチップセンシングおよび信号処理を用いて測定する統合電気的アーキテクチャを提示する。PSPICEシミュレーションを活用することで、Q > 100の範囲で5%未満の誤差を達成し、面積および消費電力のオーバーヘッドを最小限に抑え、高QのMEMSデバイスの高精度でイン・サイトでの特性評価を可能にする。

ABSTRACT

In this paper, an architecture designed for electrical measurement of the quality factor of MEMS resonators is proposed. An estimation of the measurement performance is made using PSPICE simulations taking into account the component's non-idealities. An error on the measured Q value of only several percent is achievable, at a small integration cost, for sufficiently high quality factor values (Q > 100).

研究の動機と目的

• 統合システムにおけるMEMS共振器のQファクターの正確なオンチップ電気的測定を可能にする。
• 実用的な統合を維持しながら、面積および消費電力のオーバーヘッドを最小限に抑える。
• 実際の部品に見られる非理想性がQファクター測定の精度を低下させることを解消する。
• MEMSプロセスに適したスケーラブルで、シミュレーションで検証されたアーキテクチャを提供する。
• プロダクションおよび運用中のMEMS共振器のイン・サイトテストを支援する。

提案手法

• 位相および振幅検出を用いて共振器応答からQファクターを抽出するオンチップ電気的測定アーキテクチャを設計する。
• 信号対雑音比を向上させ、分解能を向上させるために、ロックイン検出技術を採用する。
• PSPICEシミュレーションを用いて、寄生抵抗およびキャパシタンスなどの実世界の部品非理想性をモデル化する。
• 共振器と同じダイに信号調整、ミキシング、フィルタリング段階を統合する。
• 共振周波数および振幅の追跡により、測定を安定化するフィードバックループを採用する。
• MEMSシステムへの統合に適した低消費電力および最小面積の最適化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップアーキテクチャは、高QのMEMS共振器に対してQファクター測定で5%未満の誤差を達成できるか？
• RQ2 部品の非理想性は、統合システムにおけるQファクター測定の精度にどのように影響するか？
• RQ3 統合Qファクター測定回路において、測定精度と面積／消費電力オーバーヘッドのトレードオフは何か？
• RQ4 提案されたアーキテクチャは、MEMS動作中のイン・サイト、リアルタイムQファクターモニタリングをサポートできるか？
• RQ5 PSPICEシミュレーションは、統合測定システムの性能をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 提案されたアーキテクチャは、Q値が100を超える範囲で、誤差が数パーセントにとどまる。
• PSPICEシミュレーションにより、寄生素子などの非理想性がQ測定精度に与える影響は管理可能であると確認された。
• 面積および消費電力のオーバーヘッドを最小限に抑えながらも、高い測定精度を維持しており、統合に適している。
• 共振周波数および振幅の変動に対しても耐性があり、信頼性の高いイン・サイト測定が可能である。
• 外部の高精度機器を必要とせず、正確なQファクター推定が可能である。
• 生産およびテスト環境におけるMEMS共振器のオンチップでリアルタイムQファクターモニタリングの実現可能性が示された。