几十年来,几乎所有电子系统中的频率参考应用都使用了石英晶振(XTAL)和振荡器(XO),因为它们具有稳定性和卓越的电气性能.但是,性能限制和可靠性问题仍然困扰着XO.
pMEMS谐振器
pMEMS谐振器由具有单晶硅(SCS)的压电材料(AlN)组成,因此结合了压电石英谐振器和硅MEMS晶振的优点.与典型的纯硅电容谐振器不同,pMEMS谐振器不需要直流偏置电压进行操作.
复合pMEMS谐振器改善了运动阻抗和线性功率处理,并保持了长期频率稳定性(图1).受益于压电材料的强机电耦合和SCS的稳定性和低阻尼,pMEMS谐振器还抑制了运动阻力和提升质量因子.

1.在pMEMS谐振器中,压电层和电极堆叠在SCS层的顶部.

将电刺激施加到顶部电极之一激励压电层,其中横向压电系数e31在整个装置中产生体声波.然后谐振器横向振动,并且机械运动通过压电层转换以由另一个顶部电极感测.器件的横向长度L,组合谐振器本体EEFF的有效弹性常数和有效质量密度决定了基模的谐振频率.

当体声波在谐振器主体中沿不同方向分散时,通过设计谐振器的厚度和宽度以使来自其他方向的损失最小化,可以使所需长度方向上的能量最大化.例如,典型的107-MHz谐振器图显示测得的Q值为7453,IL为-12.4dB(图2).

2.典型pMEMS谐振器的S21图表示测得的Q值为7453,IL为-12.4dB.

pMEMS谐振器的制造涉及与晶圆级封装(WLP)的CMOS有源晶振兼容工艺.首先,用压电和电极材料沉积SOI晶片.在图案化电极之后,通过图案化压电层和SCS叠层来限定谐振器本体.随后,帽晶片结合到器件晶片,并且沉积焊盘金属层以形成WLP器件的气密密封.
图3示出了具有WLP的550×450×200mm3谐振器的3D视图.为了正确看待事物,将切块的WLPpMEMS谐振器放在一粒米上(图4).最终,pMEMS谐振器被引线键合到IC管芯以形成振荡器(图5).

所示为具有微壳的550×450×200mm3pMEMS谐振器的三维模型.

在这张照片中,将单个晶圆级封装的pMEMS晶振放在一粒米上.

采用塑料QFN封装的pMEMS振荡器的拆解表明pMEMS谐振器通过引线键合到IC管芯.

正在发挥作用的一个潜在的石英替代候选者是压电转换的pMEMS晶振,特别是对于高频,低相位噪声参考应用.根据IDT晶振,冲击和振动测试以及长期稳定性测量证明,pMEMS振荡器可以成为高频定时参考应用中XO的可靠且经济的替代品.

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