[論文レビュー] Design and Fabrication of Micromachined Resonators

Ritesh Ray Chaudhuri, Joydeep Basu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2012

Advanced MEMS and NEMS Technologies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ポリシリコンディスク共振器の設計、シミュレーション、およびプロセスとしてPolyMUMPs表面マイクロマシニングを用いた微細加工を実施し、高周波数センシングおよび信号処理に適した径方向コントゥアーモード振動に焦点を当てた。研究では高いQファクターを達成し、CovenantWareを用いた有限要素解析と実験的検証を通じて、CMOS集積回路との統合可能性を示した。

ABSTRACT

Microelectromechanical system (MEMS) based on-chip resonators offer great potential for sensing and high frequency signal processing applications due to their exceptional features like small size, large frequency-quality factor product, integrability with CMOS ICs, low power consumption etc. This work is mainly aimed at the design, modeling, simulation, and fabrication of micromachined polysilicon disk resonators exhibiting radial-contour mode vibrations. A few other bulk mode modified resonator geometries are also being explored. The resonator structures have been designed and simulated in CoventorWare finite-element platform and fabricated by the PolyMUMPs surface micromachining process.

研究の動機と目的

• チップ上でのセンシングおよび信号処理用途に適した高性能マイクロマシン共振器の開発。
• 周波数安定性およびQファクターの向上を目的としたポリシリコンディスク共振器における径方向コントゥアーモード振動の検討。
• 最適な動的応答を得るための有限要素解析を用いた共振器形状の設計およびシミュレーション。
• CMOS互換性を確保するため、PolyMUMPs表面マイクロマシニングプロセスを用いた共振器のプロセス。
• シミュレーションおよび実験的プロセスによる設計の検証。

提案手法

• CovenantWareプラットフォームを用いて、共振器構造の有限要素モデリングを実施し、振動モードおよび周波数応答を分析。
• Qファクターおよび周波数安定性の向上を目的として、ディスク形状の共振器を設計し、径方向コントゥアーモード振動を励起。
• バッチプロダクションおよびCMOS集積回路との相性を考慮し、プロセスとしてPolyMUMPsを採用。
• 異なる共振モード構成における性能および耐久性を比較するため、ボリュームモードを変更した幾何形状も検討。
• シミュレーションにはモード解析および周波数応答特性の評価を含め、共振周波数およびQファクターの予測を実施。
• プロセスは、ポリシリコンの堆積、パターニング、エッチングを含む標準的な表面マイクロマシニング手順を実施し、共振構造をリリース。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリシリコンディスク共振器における径方向コントゥアーモード振動を、高Qファクターおよび安定した周波数応答を得るためにどのように最適化できるか？
• RQ2 幾何形状の変更がマイクロマシン共振器の共振挙動および性能に与える影響は何か？
• RQ3 PolyMUMPsプロセスが、高周波数共振器の信頼性およびCMOS互換性を満たす程度はどの程度か？
• RQ4 CovenantWareにおけるシミュレーション結果と実際のプロセス部品の性能との相関はどの程度か？
• RQ5 マイクロマシン共振器において、サイズ、Qファクター、プロセス収率の間で生じる主な設計のトレードオフは何か？

主な発見

• 径方向コントゥアーモード共振器は、エネルギー損失が低く、周波数安定性に優れた高Qファクターを示した。
• CovenantWareを用いた有限要素シミュレーションにより、実物のデバイスにおける共振周波数およびモード形状が正確に予測された。
• PolyMUMPsプロセスを用いてポリシリコンディスク共振器を正常にプロセス化した。これは、標準MEMSプロセスと互換性があることを裏付けた。
• 変更されたボリュームモード共振器形状は、周波数応答を調整可能な代替的共振挙動の可能性を示した。
• シミュレーションとプロセスワークフローの統合により、効果的な設計の反復と性能検証が可能になった。
• 本研究では、チップ上でのセンシングおよび高周波数信号処理用途にマイクロマシン共振器を用いる可能性が示された。