工艺误差导致的阵列耦合MEMS谐振器性能变化特性研究-集成电路工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master The Research of Related Performance of Array-Composite MEMS Resonators due to Process Variations Candidate: Tao Jiaping Supervisor: Professor Dong Linxi March, 2016 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。（必威体育官网网址论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘 要 微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉融 合并具有战略意义的前沿研究领域，是未来的主导产业之一。而在谐振器方面， 圆盘式 MEMS 谐振器由于工作频率高、品质因数大、能够同射频通信系统单片 集成等优点，得到了越来越多的研究，但是圆盘 MEMS 谐振器尚存在需解决的 问题。为此，本论文研究的内容包括： 第一，工艺误差导致的 Wine-Glass 模式圆盘谐振器支撑损耗问题。研究工 艺误差导致支撑梁位置变化而带来的谐振器性能变化问题，推导出了支撑梁伸张 振动引起的能耗计算公式，据此研究了谐振器的品质因数变化特性，结果表明当 存在工艺误差时，新引入的梁伸张振动模式减小了圆盘的振幅，其影响程度要大 于弯曲模态对谐振器的性能的影响。当支撑梁发生 4°偏移时，谐振频率上偏 0.07%，圆盘振幅降低 13.7%。而当梁偏移达到 16°时，谐振频率上偏 0.96%，圆 盘振幅降低 69.8%。其品质因数也会逐渐降低，若梁偏移至 16°，品质因数 Q 下 降了 27.11%。 第二，机械阵列耦合圆盘谐振器的耦合梁尺寸偏差所引起的谐振器性能变化 问题。论文就耦合梁由于工艺偏差所导致的质心偏移问题作出了详细的理论研究 分析。论文推导出了梯形耦合梁等效电路模型，并结合已有的 Radial-Contour 振 动模式圆盘谐振器的等效电路模型设计出了一个耦合梁质心偏移程度可以控制 的双圆盘耦合谐振器电路模型。并通过 ANSYS 及 Pspice 软件分别对其机械模型 与电路模型进行仿真。分析结果表明：当耦合梁质心分别发生 6‰，12‰，18‰ 偏移时，谐振器谐振频率最大上偏 45.7ppm，110ppm，250ppm；当耦合梁质心 往两圆盘中一圆盘方向偏移时，该圆盘振幅减小，而另一圆盘振幅增大，并且该 变化过程相对质心偏移情况呈近似线性关系。如当梁质心往右盘偏至最大（18‰） 时，左盘振幅增大至 1.785μA（无偏移情况下为 1.724μA），增幅为 35.9‰；同时， 右盘振幅减小至 1.657μA，减小 38.7‰；同时品质因数也随着质心的偏移而减小， 若质心偏移 18‰，其 Q 值将减小 19‰。 关键词：微电子机械系统、谐振器、阵列耦合、支撑损耗、品质因子 I ABSTRACT Micro-electromechanical systems (MEMS), a multi-discipline integration and strategic frontier research field, which is developed on the basis of microelectronics technology, is one of the future leading industries. In the aspect of the resonators, the disk resonator has been studied more and more due to its high work