幾十年來,幾乎所有電子系統(tǒng)中的頻率參考應用都使用了石英晶振(XTAL)和振蕩器(XO),因為它們具有穩(wěn)定性和卓越的電氣性能.但是,性能限制和可靠性問題仍然困擾著XO.
pMEMS諧振器
pMEMS諧振器由具有單晶硅(SCS)的壓電材料(AlN)組成,因此結合了壓電石英諧振器和硅MEMS晶振的優(yōu)點.與典型的純硅電容諧振器不同,pMEMS諧振器不需要直流偏置電壓進行操作.
復合pMEMS諧振器改善了運動阻抗和線性功率處理,并保持了長期頻率穩(wěn)定性(圖1).受益于壓電材料的強機電耦合和SCS的穩(wěn)定性和低阻尼,pMEMS諧振器還抑制了運動阻力和提升質量因子.

1.在pMEMS諧振器中,壓電層和電極堆疊在SCS層的頂部.

將電刺激施加到頂部電極之一激勵壓電層,其中橫向壓電系數(shù)e31在整個裝置中產(chǎn)生體聲波.然后諧振器橫向振動,并且機械運動通過壓電層轉換以由另一個頂部電極感測.器件的橫向長度L,組合諧振器本體EEFF的有效彈性常數(shù)和有效質量密度決定了基模的諧振頻率.

當體聲波在諧振器主體中沿不同方向分散時,通過設計諧振器的厚度和寬度以使來自其他方向的損失最小化,可以使所需長度方向上的能量最大化.例如,典型的107-MHz諧振器圖顯示測得的Q值為7453,IL為-12.4dB(圖2).

2.典型pMEMS諧振器的S21圖表示測得的Q值為7453,IL為-12.4dB.

pMEMS諧振器的制造涉及與晶圓級封裝(WLP)的CMOS有源晶振兼容工藝.首先,用壓電和電極材料沉積SOI晶片.在圖案化電極之后,通過圖案化壓電層和SCS疊層來限定諧振器本體.隨后,帽晶片結合到器件晶片,并且沉積焊盤金屬層以形成WLP器件的氣密密封.
圖3示出了具有WLP的550×450×200mm3諧振器的3D視圖.為了正確看待事物,將切塊的WLPpMEMS諧振器放在一粒米上(圖4).最終,pMEMS諧振器被引線鍵合到IC管芯以形成振蕩器(圖5).