Существует несколько альтернатив кварцевым резонаторам. Данная статья посвящена МЭМС-резонаторам. Их отличает высокое быстродействие, компактность и надежность.
Резонатор pMEMSсостоит из пьезоэлектрической подложки AlN и кристалла кремния. В отличие от чисто кремниевых емкостных резонаторов для их работы не требуется напряжение смещения. Структурная схема резонатора представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурарезонатора pMEMS
При приложении электрического поля на один из верхних электродов возникает акустическая волна. Резонатор начинает вибрировать, и это механическое возбуждение преобразуется в электрический сигнал, который улавливается вторым электродом. Резонанснаячастотаопределяетсяформулой:
где L – длина резонатора, EEFF– эффективная постоянная упругости, ρEFF – эффективная массовая плотность.
Акустическая волна рассеивается по всем направлениям. Для увеличения энергии в заданном направлении подбирается профиль толщины и ширины резонатора. Из графика на рисунке 2 видно, что для стандартного резонатора 107 МГц измеренное значение добротности Qсоставляет 7453, IL= -12,4 дБ.
Рис. 2. График S21 для типичного резонатора pMEMS
При изготовлении резонаторов pMEMS используется совместимый КМОП процесс с корпусированием на уровне пластины (WLP). На пластину из кремния на изоляторе (КНИ, SOI) осаждается пьезоэлектрический слой, формируются электроды. Затем изготавливаются выводы и контактные площадки.
Рис. 3. Модель резонатора pMEMS
На рисунке 4 размер резонаторов сравнивается с крупинкой риса.
Рис. 4. Реальный размер резонатора
На рисунке 5 показана внутренняя структура законченного резонатора pMEMS.
Рис. 5. Внутренняя структура ИС
Характеристики
Пьезоэлектрические МЭМС-резонаторы по сравнению с кварцевыми могут генерировать сигналы более высокой частоты.
Кроме того, у них не наблюдается провала на температурной зависимости активности. МЭМС-резонаторы обладают меньшей чувствительностью к механическому шоку и вибрации. Если кварцевые резонаторы выдерживают шок 50-100g, то pMEMS – более 1500g (см. рис. 6).
Рис. 6. Результаты испытаний на стойкость к механическим ударам и вибрации
Поскольку МЭМС-резонаторы имеют малый размер, они более надежны и менее чувствительны к механическому шоку и вибрации. Они удовлетворяют требованиям военного диапазона и сохраняют функционирование после шока 70 000g.
Испытания на долговременную стабильность частоты показали, что при температуре 25°C частота колебания резонаторов pMEMSотклоняется на ±2,5 ppmза 21 месяц. Частота кварца при этих же условиях отклоняется на ±5 ppm (см. рис. 7). При 125°C частота колебания рMEMSотклоняется менее чем на ±3 ppmза 4500 ч. Аналогичный показатель для кварцевого резонатора составляет ±10 ppm.
Рис. 7. Результаты испытаний 10 МЭМС-резонаторов на долговечность
Резонаторы pMEMSустанавливаются методом поверхностного монтажа. Выходной сигнал может быть двух типов: дифференциальный с низким напряжением (LVDS) и положительный ЭСЛ с низким напряжением (LVPECL). Частотавыходногосигналаможетдостигать 625 МГц.
Результаты измерения джиттера на диапазоне 12 кГц – 20 МГц приведены на рисунке 8.
Рис. 8. Джиттер в сетевом устройстве, FPGAи микросхеме памяти