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用于頻率控制的MEMS技術 現在有廣泛的MEMS技術能夠獲得晶片上的微觀機械結構,每一種不僅可以通過使用的起始或結構材料

作者:物規硬核說

用于頻率控制的 MEMS 技術

現在有廣泛的MEMS技術能夠獲得晶片上的微觀機械結構,每一種不僅可以通過使用的起始或結構材料的類型(如矽、碳化矽、玻璃、塑膠等)來區分,但也通過微加工的方法(例如,表面、體積、三維(三維)生長等),以及通過應用空間(如光學MEMS、生物MEMS等)。

對于目前對定時和便攜式通信的關注,适合于低電容合并微機械結構和內建半導體電路的MEMS技術是非常值得關注的。

為此,給出了描述以子產品化方式直接在矽CMOS電路上完成的多晶矽表面微加工過程的關鍵橫截面,其中半導體和MEMS部分的工藝步驟是分開的,在不同的子產品中。

該過程需要使用在CMOS鑄造廠中已經發現的相同裝置,在已完成的CMOS電路上沉積和成型薄膜,直到達到所示的橫截面。在這裡,結構多晶矽層在其自身的沉積和圖案化過程中暫時被犧牲氧化物膜支撐。

在達到截面後,将整個晶片浸入各向同性蝕刻劑中,在這種情況下是氫氟酸,它隻攻擊氧化物犧牲層,将其去除,使結構多晶矽層完整并自由移動。

一個手表定時振蕩器的掃描電鏡,它結合了一個16khz折疊束微機械諧振器和Q50,000和維持CMOS半導體電路,但以鎢作為金屬互連,以适應625◦C結構多晶矽沉積溫度。

雖然使用鎢金屬化代替更傳統的銅和鋁阻止了過程的廣泛使用,這種子產品化過程的其他變展現在已經被證明允許更傳統的CMOS金屬。

內建的微機械電路

mems啟用的內建密度有可能改變範式,目前限制了當今時間或頻率控制功能設計中允許的高q元件的數量,而允許使用數百、數千(或更多)的高q元素,其大小或成本損失可以忽略不計。

特别是,MEMS技術的屬性和成分實作微機械電路技術,可以達到大規模內建(LSI),甚至非常大規模內建(VLSI),比例,同樣的內建電路(IC)半導體所做了在近幾十年來,和潛力的進步能力機械領域實作巨大的通過IC革命。

與單個半導體一樣,獨立振動的微機械元件的功能有限。為了擴大它們的功能範圍,微機械元件(如半導體)需要組合成更複雜的電路,以實作更好地适應特定目的的功能(例如,頻率濾波、生成或平移)。

考慮到允許半導體組合成大電路的特性本質上是它們的大增益,是以,機械元件可以通過利用它們的大Q來組合成同樣大的電路。

作為一個簡單的例子,半導體元件可以以長鍊進行級聯,因為它們的增益補償了噪聲和其他損失,否則在信号沿鍊向下移動時會使信号退化。

另一方面,機械元件可以級聯成長鍊,因為它們的損失極低——适合其高Q。本質上,如果一個元件有豐富的一些參數(即增益,Q,...),那麼這通常可以用來建構該元件的電路。

然而,請注意,微機械電路技術所需的成分遠遠不僅僅是小尺寸。例如,壓電FBARs 已經成為一個成功的大量産品在無線手機領域,雖然小,也許不适合電路設計,因為他們的頻率幾乎完全由厚度,這不是一個參數,可以指定通過計算機輔助設計(CAD)布局。

考慮到儀器CAD對VLSI半導體內建電路設計的成功,人們認為CAD的适用性對微機械內建IC同樣重要。在這方面,微機械電路設計環境中的諧振器和其他元件應該具有頻率或其他特征,可由CAD容易确定的橫向尺寸來定義。

具有上述屬性的機械電路技術可能使濾波器組能夠在射頻上選擇通道(而不是僅僅是波段);振蕩器使用多個高q諧振器來獲得改進的長期和短期穩定性;具有烤箱控制溫度穩定性的振蕩器,但隻消耗毫瓦功率;無線手機的超低功率完全機械射頻前端;所有這些都是在一個矽晶片上實作的。

文獻參考:[1] 淺析超精密微機械制造技術研究進展[J]. 王冠明.中國裝置工程,2021(11)

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