Temperature compensated radio-frequency free-free beam MEMS resonators using a commercial process

• Main Author: Xereas, George
• Other Authors: Vamsy Chodavarapu (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Engineering - Electronics and Electrical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121226

Frequency references are needed in every modern electronic device including mobile phones, personal computers, and medical instrumentation. With modern consumer mobile devices imposing stringent requirements of low cost, low complexity, compact system integration and low power consumption, there has been significant interest in developing batch-manufactured MicroElectroMechanical Systems (MEMS) Radio-Frequency (RF) resonators. An important challenge for MEMS resonators is to match the temperature stability of quartz resonators.The first part of this Thesis focuses on developing Free-Free beam MEMS resonators using PolyMUMPs, a commercial multi-user process available from MEMSCAP. An analytical method is derived in order to enable the design of resonators operating at 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz and 30 MHz. Their performance is evaluated using the CoventorWare Finite Element Method (FEM) software suite. In the second part of this Thesis, we present a 20 MHz temperature compensated Free-Free beam MEMS resonator that is also developed using PolyMUMPS. We introduce a novel temperature compensation technique that enables high frequency stability over an industrial grade temperature range. The approach is based on two strategic principles, passive compensation by using a structural gold layer on the resonator, and a Free-Free beam design that minimizes the effects of thermal mismatch between the vibrating structure and the substrate. Numerical simulation results showed that in the passively compensated design, a strategic deposition of gold on top of the resonator induces a positive frequency shift that counterbalances the characteristic negative Temperature Coefficient of Frequency (TCf) of polysilicon resonators. Temperature stability increased from -8.48 ppm/℃ to -1.66ppm/℃. The performance of the proposed designs is comparable to resonators fabricated through complicated custom processes that are characterized from low fabrication yields and high costs. === Les références de fréquence sont nécessaires dans tous les appareils électroniques modernes, incluant téléphones mobiles, ordinateurs personnels et instruments médicaux. Les applications mobiles requièrent des oscillateurs à coûts réduits, faible complexité et grande capacité d'intégration pour une consommation faible. Ceci a induit, en particulier, un intérêt considérable pour les résonateurs radiofréquences (RF) 'MicroElectroMechanical Systems (MEMS)' produits à grande échelle. Un défi important pour les résonateurs MEMS est d'avoir une stabilité en température comparable avec les résonateurs quartz.La première partie de cette Thèse se concentre sur le développement des résonateurs MEMS du type 'Free-Free beam' avec PolyMUMPS, un processus commercial à utilisateurs multiples disponible par MEMSCAP. Une méthode d'analyse est présentée pour permettre la conception de résonateurs qui fonctionnent à 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz et 30 MHz. Leur performance est évaluée en utilisant la suite logicielle 'Finite Element Method (FEM)' de CoventorWare.Dans la deuxième partie de cette Thèse, nous présentons un résonateur MEMS du type 'Free-Free beam' fonctionnant à 20 MHz avec une compensation de température, qui est développé avec PolyMUMPS. Nous introduisons une nouvelle technique de compensation de la température qui permet une stabilité à haute fréquence sur une gamme de températures compatibles avec les normes industrielles. L'approche est basée sur deux principes stratégiques: compensation passive en utilisant une couche d'or structurel sur le résonateur, et une conception ‘Free-Free beam' qui minimise les effets de non-concordance thermique entre la structure vibrante et le substrat. Les simulations numériques ont montré que par compensation passive, un dépôt stratégique de l'or sur le dessus du résonateur induit un déplacement de fréquence positif qui contrebalance le coefficient de température de la fréquence (TCf) négatif caractéristique des résonateurs polysiliciums. La stabilité thermique a augmenté de -8.48 ppm/℃ à 1.66ppm/℃. La performance des résonateurs proposés est comparable à celle des résonateurs fabriqués par des processus complexes qui sont caractérisés par des coûts élevés et des rendements de fabrication faibles.