VHF波段的MEMS振荡器研究

摘要

时钟是电子系统的关键部件，而MEMS振荡器具有替代石英晶体振荡器的前景和竞争性。VHF（甚高频）波段频率范围为30MHz-300MHz，计算机和通信系统中使用的石英晶体振荡器的工作频率大多数也在该波段内。对于替代传统的石英晶体振荡器，重点研究VHF波段的MEMS振荡器显得尤其重要。
　　本文中分析了主流的静电式和压电式谐振器设计方案，根据性能对比最终选取压电式谐振器方案。压电式谐振器的具体实现采用AlN作为压电换能材料的TPoS(Thin-Film Piezoelectric-on-Substrate)结构，设计频率为70MHz、100MHz和150MHz。基于MEMS CAPs的PiezoMUMPs加工工艺，利用L-EDIT软件完成谐振器的版图设计，并由MEMS CAPs公司完成加工。
　　加工后利用探针台进行了裸片测试，然后在封装完成后做了常温和高低温实验，研究输入功率和温度对谐振器的影响。基于MBVD(Modified Butterworth-VanDyke)模型对100MHz谐振器进行建模，并基于模型在ADS内完成振荡器电路的设计和仿真。然后在常温条件下进行了频率稳定度测试，测试结果表明MEMS振荡器的频率稳定度较差。最后研究了MEMS振荡器的温度补偿方案，创新性地提出了双MEMS谐振器结构的高精度温度测量方案，理论推导了多层材料的温度系数公式。
　　本课题研制了VHF波段的MEMS振荡器，其实际工作频率为101.97MHz，相位噪声指标为-110dBc/Hz@1kHz，-119dBc/Hz@10kHz，-126dBc/Hz@100kHz，-148dBc/Hz@1MHz，输出功率为8dBm。
　　本文的主要工作为：
　　1、MEMS谐振器实现方案
　　2、MEMS谐振器设计制作
　　3、MEMS谐振器测试建模
　　4、MEMS振荡器电路研究和制作
　　5、MEMS振荡器温度补偿研究

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外发展动态

1.3 本文的主要研究内容

第二章 MEMS谐振器实现方案

2.1 电容式谐振器

2.2 压电式谐振器

2.3 电容式谐振器与压电式谐振器的性能综合对比

2.4 本章小结

第三章 AlN压电谐振器的设计制作及测试建模

3.1 引言

3.2 TPoS压电谐振器设计

3.3 TPoS谐振器的测试与建模

3.4 本章小结

第四章 振荡器电路

4.1 引言

4.2 振荡器电路的分析

4.3 相位噪声分析

4.4 频率稳定度测试和分析

4.5 本章小结

第五章 MEMS振荡器的温度补偿方案

5.1 引言

5.2 温度补偿方案

5.3 本章小结

第六章 结论

6.1 本文工作

6.2 不足与改进

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果