MEMS振荡器技术及其应用研究
随着电子系统小型化、集成化的速度不断加快,对小型化、可集成的高性能振荡器的研究成为热点。而MEMS谐振器以其高Q值、可集成、抗冲击性好等优点,为研制出小型化、可集成的高性能振荡器提供了可能。由于MEMS谐振器的动态阻抗和Q值对MEMS振荡器的设计与性能有着重要的影响,本文以得到低动态阻抗和高Q值MEMS谐振器为研究重点,并综合考虑加工工艺以及封装的难易程度,对电容式MEMS谐振器和压电式MEMS谐振器进行了理论分析。由于压电耦合系数比电容耦合系数一般大很多(可达三个数量级),而动态阻抗与耦合系数的二次方成反比,故压电式MEMS谐振器的动态阻抗一般比电容式MEMS谐振器的动态阻抗小。
气体阻尼通常是限制电容式MEMS谐振器Q值的主要因素,故为了得到高Q值,电容式MEMS谐振器需要真空封装,甚至不真空封装谐振器不能正常工作,而气体阻尼对压电式MEMS谐振器的影响不大,非真空封装也能获得较高的Q值。对长度扩展模体声波谐振器进行理论分析,得到其动态阻抗与谐振体厚度成正比,与谐振体宽度和谐振器Q值成反比,并以此为基础进行了仿真设计。此外对环形轮廓模谐振器进行了理论分析,并进行了仿真验证。基于压电加工技术,给出了 MEMS谐振器的加工工艺流程,根据设计的尺寸用L-Edit完成了谐振器的版图设计,并按照版图对这两种不同形状和模态的谐振器进行了加工实现。
最终设计实现的长度扩展模体声波谐振器的谐振频率为31.23MHz,插损为21dB,品质因数为1951;环形轮廓模谐振器的谐振频率为186.22MHz,插损为15.39dB,品质因数为5207。对加工实现的MEMS谐振器进行测试,并对测试数据进行了分析。建立长度扩展模体声波谐振器的等效电路模型,并以此为基础设计MEMS振荡器。最终经过调试测得的MEMS振荡器的振荡频率为31.037MHz,相位噪声为-95.71dBc/Hz@1kHz。对频率合成技术进行了简要的介绍,并用ADIsimPLL建立MEMS振荡器模型,以此模型代入ADIsimPLL中进行锁相环的仿真设计。根据仿真结果对MEMS振荡器在频率源中的应用进行分析和说明。
