[论文解读] 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 3

一句话总结

本文介绍了使用PolyMUMPs表面微加工工艺制造的多晶硅圆盘谐振器的设计、仿真与加工，重点研究径向轮廓模振动在高频传感与信号处理中的应用。通过CovenantorWare中的有限元建模与实验验证，研究实现了高Q值，并展示了与CMOS集成电路集成的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发高性能微机械谐振器，用于片上传感与信号处理应用。
• 探索多晶硅圆盘谐振器中的径向轮廓模振动，以提升频率稳定性和Q值。
• 利用有限元分析设计并仿真谐振器几何结构，以实现最优动态响应。
• 采用PolyMUMPs表面微加工工艺制造谐振器，实现与CMOS的兼容性。
• 通过仿真与实验加工验证设计。

提出的方法

• 利用CovenantorWare平台进行谐振器结构的有限元建模，以分析振动模态与频率响应。
• 谐振器设计为圆盘几何形状，以激发径向轮廓模振动，从而提高Q值与频率稳定性。
• 采用PolyMUMPs工艺进行制造，实现批量生产并兼容CMOS集成电路。
• 进一步探索了改进的体模几何结构，以比较不同谐振构型下的性能与鲁棒性。
• 仿真包括模态分析与频率响应表征，以预测谐振频率与Q值。
• 制造过程包括多晶硅沉积、图案化与刻蚀等标准表面微加工步骤，以释放谐振结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化多晶硅圆盘谐振器中的径向轮廓模振动，以实现高Q值与稳定的频率响应？
• RQ2 几何结构的修改对微机械谐振器的谐振行为与性能有何影响？
• RQ3 PolyMUMPs工艺在多大程度上能够实现高频谐振器的可靠且与CMOS兼容的制造？
• RQ4 CovenantorWare中的仿真结果与实际加工器件性能的相关性如何？
• RQ5 在微机械谐振器中，尺寸、Q值与工艺良率之间的关键设计权衡是什么？

主要发现

• 径向轮廓模谐振器表现出高Q值，表明能量损耗低且频率运行稳定。
• 在CovenantorWare中进行的有限元仿真准确预测了实际加工器件的谐振频率与模态形状。
• 成功利用PolyMUMPs工艺制造出多晶硅圆盘谐振器，证实了该工艺与标准MEMS制造工艺的兼容性。
• 改进的体模谐振器几何结构展现出具有可调频率响应的替代谐振行为潜力。
• 仿真与制造工作流程的集成实现了有效的设计迭代与性能验证。
• 本研究证明了微机械谐振器在片上传感与高频信号处理应用中的可行性。