1、微机械振动谐振器的规模集成极其振荡器实现 0英文摘要：micromechanical RF filters and reference oscillators based on recently demonstrated vibrating on-chip micromechanical resonators with Qs10,000 at 1.5 GHz are described as an attractive solution to the increasing count of RF components (e.g., filters) expected to be needed
2、by future multi-band, multimode wireless devices. Indeed, as vibrating RF MEMS devices are perceived more as circuit building blocks than as stand-alone devices, and as the frequency processing circuits they enable become larger and more complex, the makings of an integrated micromechanical circuit
3、technology begin to take shape, perhaps with a functional breadth not unlike that of integrated transistor circuits.关键词：微机械谐振器，振动，微机械规模集成，微机械振荡器一、微机械振动谐振器的前途当前电子系统的性能主要受时钟和参考频率的准确性和稳定性的限制。比如 GPS 锁定GPS 卫星伪随机信号并完成定位的能力和速度很大程度上受限于 GPS 内部时钟与卫星时钟的同步程度。不幸的是，当前最好的时钟和参考频率（比如原子钟和温度稳定晶体振荡器）经常是因为体积太大或是功耗太大而不能应
4、用于手持设备中。这使得我们只能把最好的方案放在桌面上，而不能让它出现在用户手里。这些用户常常只能选择其它不够稳定的产品。事实上，如果有种技术能够使我们最好的时钟和参考频率能够实现小型化和低功耗，进入手持设备，那它将会多么得受欢迎啊。在许多需要时钟和频率控制的应用领域，手持无线通信设备一直收益于小型化技术，自从能够实现无源器件的高 Q 值以后，无线子系统的设计前提已经悄悄地发生了变化。原因很简单：成本和体积。特别的，陶瓷滤波器、表面声波滤波器、石英晶振和现在的薄膜体声波滤波器，能够得到 50010000 的 Q 值，这是射频（RF） 、中频（IF）滤波和频率发射器所需要的。但它们都是外围器件，需
5、要用接口与晶体管模块连接，占用很大的空间，并且增加组装成本。图 1 未来多模接收机的系统框图（可以看出在不考虑直接转换结构时，射频无源部分将增多）为了减少现代手机中的外围器件，直接转换 1（direct-conversion）或低中频 2接收机结构去除了中频滤波器，同时，集成电感技术也移除了应用于偏置、匹配网络中的外围电感 3。尽管这些方法可以降低价格，但它们常常使晶体管电路变得更复杂，对电路性能（如动态范围）的要求也更加严格，整个系统的耐用性和功效都会或多或少的降低。但是，未来多波段、多模可重构手机很可能对高 Q 值射频滤波器有巨大的需求，可能每个手机都要配备各种无线标准的通道，这是去除中频
6、滤波器没法解决的问题。图 1 以多频带手机接收部分为例，展示了这类系统的简化框图。可以清楚的看到，高 Q 值射频滤波器（不是中频滤波器）是需要的。由于高 Q 值射频滤波器不能移除，找到一种新的、成本低的、可以集成的高 Q 值器件是很有必要的，尤其是需要将无源器件和晶体管集成在同一个芯片上时。基于以上考虑，MEMS 技术拥有将机械特性和机械机制缩小到微米尺度（乃至纳米尺度） ，已经为跨度显示（spanning displays） 、感应器和流体系统提供了小型化、低功耗的方案，并且正在为手持无线设备中的计数器和频率控制模块提供小型化、低功耗的方案 45。特别的，硅微加工技术现在能生产出 Q 值大于
7、 10000 的 GHz 频段的片上谐振器微机械振动 67，频率与 Q 值的乘积大于 2.75 10136，温度稳定度在 27 到 107 高于 18ppm8，C并且在一年时间里寿命稳定度高于 2ppm9 10 。它们也被集成到振荡器电路中，其相位噪声性能满足全球移动通信系统（GSM）的参考频率标准 11-13。并且 MEMS 技术和微光子学的结合，实现了 10cm3 完全原子钟，其功耗小于 200mW，在 100s 时艾伦偏移好于5 10-11 。这种器件很好地利用了压缩控制时间常数和低的热能耗，如果它能够继续缩小尺寸，很快将能够制造出尺寸小于 10cm3，功耗小于 30mW，在 1 小时艾
8、伦偏移好于 10-11的原子钟。可是振动 RF MEMS 技术所带来的好处远远超过了电子元件的简单替换。事实上，研究人员和设计者都开始察觉到这种器件不像是独立的元件，更像是片上器件的元素。将振动微机械结构与其它普通网络相连接，就能简单地制成的“集成微机械电路” 。它具有功耗和线性度方面的发展潜力，并且能够实现现在任何晶体管信号处理模块所能够实现的功能，尤其是频率处理。不像晶体管集成电路，集成微机械电路的基础是微机械连接，他拥有功能性宽度（breadth of functionality） 。在应用中，可能出现的器件有可重构 RF 选频滤波器、极稳定可重构振荡器、频域计算器和频率晶体管。当它与其
9、它微尺寸器件（比如晶体管、微恒温槽、微冷却器、原子电池(cell)等）相结合的时候，设计者可以用高 Q 值特性来实现手持设备系统级的低功耗、高续航能力。多种 MEMS 技术都能够获得微尺度机械结构，它们可以由所使用的结构材料（比如硅、碳化硅、玻璃、塑料等）加以区分，也可以由微加工方法（比如表面、体、三维生长等）和应用领域（比如光 MEMS、生物 MEMS 等） 。对于时间和手持通信设备，微机械结构与晶体管的集成需要选择只引入小电容的技术。因此，可以采用诸如多晶硅表面微加工工艺的方式，在硅 CMOS 电路上制作 MEMS 模块，它的制作是与晶体管部分分开的，因为它们截然不同。这种模块化工艺具有更
10、强的适应能力，特别是在其他模块迅速发展的情况下（如一种新的 CMOS 通道长度的出现） 。当前定时和频率控制模块对高 Q 值器件的使用数目有限制，而 MEMS 可以达到的集成度使得它们可以使用成百上千的高 Q 值元件，因为它们的小体积和低成本特性。MEMS技术的属性和成分决定了它能实现微机械电路的大规模集成（LSI）或者超大规模集成（VLSI） ，就像过去几十年晶体管集成（ IC）电路所做到的一样。它有潜力在机械域取得如 IC 在电气域方面的革命性进展。就像单晶体管，单振动单元只有有限的功能。为了扩展它们的功能范围，大量微机械元件需要结合在一起实现更复杂的电路功能，这种电路可以通过裁减来实现特
11、殊功能（比如频率滤波、发生或转换） 。相比而言，晶体管能够实现大规模集成是因为它的大增益，而机械元件的集成则要靠它的高 Q 值。一个简单的例子就是晶体管能够级联成串，这是因为它们的增益补偿了噪声和其他损耗（它们是降低信噪比的原因） 。而对于机械元件，他们也可以级联，因为它们有极低的损耗受益于高 Q 值。实际上，任何器件具有某些大参数（如增益、Q 值） ，就能用来构建庞大的电路。尽管如此，集成电路对组成元件有很多要求，远不只是小尺寸。比如压电 FBARs1718虽然已经成功地大量应用于无线手机，并且也具有体积小的优势，但是不大可能集成在一起实现电路功能，因为他们的频率很大程度上受厚度的控制，这是
12、 CAD 设计版图很难控制的。相比而言，通过 VLSI 晶体管 IC 设计中能够成功应用 CAD 的经验，我们可以想象出 CAD 对于微机械 IC 同样重要。通过 CAD，我们很容易确定谐振器和其它器件的横向尺寸，从而实现整个电路的频率或其他特性。如果受微观加工技术的约束，那么我们最需要的两个最基本的 CAD 特性服从性和结构灵活性是最难达到的。如果要求柔性梁能够工作在 GHz 频率（它的频率受横向尺寸的控制） ，那么宏观机械结构将很难达到这么高的频率。幸运的是，MEMS 技术是机械机制的分支技术，具有和 IC 一样的小尺寸优势；小体积带来的是高速、低功耗、高复杂性（从而具有强的信号处理能力）
13、和低成本特性。振动 RF MEMS 谐振器是小体积实现高速度最直接的 。二 微机械振动谐振器发展趋势图表 1 所示，为具有高频率 Q 值乘积的振动 RF MEMS 器件。第一幅图是一种 CC 梁（Clamped-Clamped Beam） ，它是两端固定的柔性梁，只有 2um 厚，工作在 30MHz 以下，在30MHz 以上锚点损耗将随频率的增加而增加。该图所示 CC 梁尺寸为 40um，工作在7.8MHz。 。第二幅图所示为 FF 梁（Free-Free Beam） ，它在真空状态下频率高于 100MHz 仍然能达到很高的 Q 值。该图所示 FF 梁尺寸为 14.3um，工作在 82MHz。
14、第三幅图所示为一种酒瓶圆盘（Wine-Glass Disk）结构，该圆盘振动在（2,1）混合模式。可以圆心固支，也可以圆周固支。这种结构可以集成到芯片中，在 VHF 频段内实现最高的 Q 值。该图所示结构的支撑方式为沿半径的四个梁，它们的长度刚好是振动的 1/4 周长，半径为 26.5um，工作在 73MHz。第四幅图为轮廓模式圆盘（Contour-Mode Disk） ，它由中央节点处的小圆柱支撑，圆盘以沿半径的轮廓模式（radial-contour mode）振动。选择不同材料制作小圆柱，使其在材质上与圆盘最大程度地失配，从而减小损耗，增大 Q 值。这种设计可以在室温下工作在片上 UHF
15、谐振器中，达到很高的频率 Q 值乘积。该 CVD 钻石圆盘的直径为 10um，工作在 1.5GHz（在 2 次模振动下） 。第五幅图所示为一种轮辐支撑环（Spoke-Supported Ring） ，它也是采用 1/4 波长尺寸来制作轮辐的，这可以使中央锚点处损耗为零，在片上谐振器中最大的 Q 值出现在大于 1GHz 时。其内环半径为 51.3um，外环半径为 60.9um，工作在433MHz（2 次轮廓模式） 。图 2 频率 Q 值乘积随时间的增长而增长如果以频率 Q 值乘积来衡量谐振器的价值的话，图 2 说明这种价值是随时间的增长而增长的。值得一提的是，使用化学气象沉积（CVD，chemi
16、cal vapor deposited）制作的钻石圆盘谐振器就有最高的频率 Q 值乘积2.75 10136。按这种趋势发展下去，片上谐振器达到 10GHz Q 值大于 10000 是很有可能的。三、微机械谐振器能够实现电路化和 CAD 的条件1 电压可以控制性能除了需要更好的 Q 值以外， CAD 设计频率需要元件的容性转换提供更灵活的结构、由电压控制的可重构性 2829，由电压控制的频率可调 30（随频率增加而缩小 22） ，更好的热稳定性 29，所使用材料与集成电路相兼容和自开关能力 29，以上这些需求都是微机械要做成电路所需要达到的。如图 3 所示，当输出端短路时，输入电压对输出电流的转
17、移函数为 22(/)1()iooxoQssvR其中 表示谐振器的谐振频率、 表示它的串联动态电阻，可以写为oxR图 3 表 1 的第四种圆盘谐振器的示意图 2 2221r roxPPomkmkAhRRQVdQVd其中 和 分别表示圆盘周边的等效质量和刚度， 表示电极和谐振器缝隙间的介电常rmk数，R 和 h 分别是圆盘的半径和厚度。由上面两式可以看出，它的转移函数是可以由电压控制的。2 热稳定性、寿命和阻抗除了频率范围和 Q 值，热稳定性、寿命和阻抗也是极其重要的。表 2 展示了一些为了处理好这些参数而特别设计的微机械谐振器。如表 2 第一幅图所示，该 CC 梁很像表 1 中的 CC 梁，但是
18、它的特殊之处在于其输出电极位于梁的上部。当温度升高时，梁与上电极间的缝隙宽度也会随之增加，从而有效地降低了电刚度（electrical stiffness） ，从而能降低工作频率。而此时材料的温度依赖性导致工作频率升高，两相抵消，工作频率就不受温度的影响了。梁的尺寸为 40um，工作在10MHz（电极为金属材质） 。第二幅图所示为绝缘体上（SOI ）硅酒瓶圆盘，同样，它也很像表 1 中的酒瓶圆盘，但是它是在厚的 SOI 硅结构层上成形的，因此有效地增大了电极与圆盘间的容性重叠部分（类似于平行板电容的面积） ，从而减小了串联动态电阻。圆盘的直径为 14.3um，SOI 硅的厚度为 18um，工作
19、在 149MHz。第三幅图所示为横向压电环（Lateral Piezoelectric Ring） ，环形 AlN（氮化铝）压电谐振器使用 d31 系数来将垂直方向驱动力转换为水平方向位移。拥有 CAD 的横向模式谐振器已经实现，它具有高效的压电驱动能力（阻抗小于 100 ） 。环的内半径为 90um，环宽 10um，工作在 473MHz。第四幅图所示为固态缝隙圆盘谐振器，它很像表 1 中的第三幅图所示的谐振器，可是使用了固态电解质填充电极与圆盘间的缝隙，从而可以增大缝隙的介电常数，由此产生更大的激励力和输出电流，从而降低了串联动态电阻。圆盘的半径为 32um，缝隙中填充的氮化物厚 20nm。
20、四、微机械电路的例子假如以上所列出的参数（频率范围、Q 值，热稳定性、寿命和阻抗）都能满足需要，那么上面所谈到的所有容性转换谐振器都能用来实现复杂的电路。表 3 总结了几种微机械电路，从带通滤波器到混频滤波器、阻抗变换机械耦合阵列和使用复合谐振器机械耦合的方式实现的滤波器。带通滤波器在带宽为 0.09%是片上插入损耗仅为 0.6dB，其中有的单元之间采用了非邻近跨接产生损耗零点。混频滤波器（mixer-filter or“mixler”）是通过无源结构同时实现了对频率的转换和滤除。阻抗变换机械耦合阵列将阻抗高好几倍的谐振器匹配到 50 。使用复合谐振器机械耦合的方式实现的滤波器是到目前为止实现
21、 50 匹配 的 VHF 微机械滤波器中插入损耗最小的。表 3 中每一个滤波器都是有一些相同的谐振器元件耦合而成的，这种耦合是通过在谐振器上非常特殊的点进行机械连接实现的。正如 1937所示，这些机械滤波器的中心频率主要由这些相同单元的谐振器的频率决定的。而不同模式的间距（比如带宽）主要由耦合梁的刚度和耦合梁接入谐振器的那个特殊点决定的。表 3 中每个滤波器的相同本质在于每个滤波器都是依靠等效电路来进行设计的，而这些等效电路又是由许多类似的电机械单元构成的 1937，这样就能进行仿真了，就像 SPICE 一样，它的特点符合广泛的自动化电路设计环境。而 SPICE 也是由 Nyuyen 所在的伯
22、克利分校所研制出来的。（a）最小化阻抗方案 （b）单片高 Q 滤波器组图 4 微机械电路的例子如图 4（a）所示，设计 1GHz 的圆盘可以用一个大圆盘实现，也可以用许多小圆盘外加一个环实现，虽然它们所占用的面积一样大，但是后者拥有更大的容性转换重叠面积，因此得到更大的机电耦合效率和更小的滤波器阻抗。而图 4（b）是将图 1 中所要用到的高Q 值滤波器和谐振器都集成到了一片 0.25mm 0.5mm 的芯片上去。如果这些滤波器的性能（如频率）能够由 CAD 来设计（比如横向设计，非厚度设计） ，同时可以用单片沉积的方式实现，那么 1 图中所有 11 个高 Q 值无源滤波器的成本很可能只有初始阶
23、段 1 个片下无源滤波器成本那么大。五、微机械谐振器振荡器图 4 62MHz 串联谐振参考振荡器如图 4 所示，这种特殊的振荡器使用了表 3 中第七幅图所示 9 给酒瓶圆盘阵列复合谐振器，它比 1 个单独的酒瓶圆盘具有更高的功率容量，其真空中 Q 值仍达到很高的118000。相比 1 个单独谐振器而言，圆盘复合阵列的能量 Q 值乘积增大了，从而有效提高了振荡器相位噪声性能。相比于过去的振荡器，这种机械电路技术可以使相位噪声提高40dB48。由它在 1kHz 出相位噪声可以推得它的功耗仅有 350uW，远离载频时相位噪声仅有-123 和-136dBc/Hz 11，而使用一个圆盘的相位噪声为 -1
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