MEMS振荡器的频率稳定技术研究

发布时间：2020-08-02 21:56

【摘要】：振荡器是电子设备中最重要、最基础的部分,其机能指标的高低影响着系统的整体性能好坏。在电子系统中,振荡器一般被用作产生一个提供基准频率的标准信号源,作为参考时钟信号。现代社会科技的发展对电子设备优越的性能追求愈加热切,追求设备超小型、低成本、低能耗。而在应用上最多是传统的石英晶体振荡器,它的体积比较大、不易集成、成本高的特点已经渐渐不能满足要求了,因而人们希望用MEMS振荡器来代替。本文详细叙述了MEMS谐振器的工作方式和设计原理,分析了MEMS电容式和MEMS压电式谐振器工作方式的不同和性能指标上的差异。设计了基于AlN压电材料的TPoS(Thin-Film Piezoelectric-on-Substrate)结构的压电式谐振器,设计频率为100MHz,并基于MEMS CAPs公司的PiezoMUMPs加工工艺完成实物加工,并对加工后实物在探针台上进行裸片测试和结果分析。基于芯片的测试结果建立等效RLC谐振回路并设计振荡回路完成振荡器的设计。振荡器的输出频率为101.438MHz,输出功率为8.63dBm,相位噪声为-110.49d Bc/Hz@1kHz,-125.78dBc/Hz@100kHz,-148.07dBc/Hz@1MHz。对MEMS振荡器的稳定性进行测试分析,结果显示振荡器的稳定性较差,频率偏差在温度为-30℃到-85℃范围内达3958.3ppm。最后研究了振荡器的温度补偿方案,设计了恒温温度补偿系统和温度控制锁相频率合成型温度补偿系统。实验结果显示恒温温度补偿系统的频率稳定度在-30℃到-85℃范围内达?40 ppm,温度控制锁相频率合成型温度补偿系统频率稳定度-30℃到45℃范围内达?50ppm。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN752
【图文】：

电子科技大学硕士学位论文展动态展动态8 年就开始了 MEMS 谐振器以及振荡器的研究，省理工学院、Northrop Grumman 公司、ADI 公司撑梁、自由梁、圆环、方块谐振器等[10-14]。Nguyen 团队是研究 MEMS 电容式谐振器最具有引，他们提出并建立了固定支撑梁谐振器的等效机路的电气模型，研究了固定支撑梁、自由梁、圆，加工制作了谐振器的实物样品，并且还设计制图 1-1 所示为 Nguyen 团队研制的全单片 CMOS 镍为 10.92MHz，其相位噪声为-95dBc/Hz@10kHz[1

图 1-2 具有微型加热器的振荡器[23]本文的工作安排文主要工作是压电式MEMS谐振器的研究和MEMS振荡器设计以及其是对 MEMS 振荡器的频率温度稳定性研究。一章主要叙述了 MEMS 振荡器的发展背景及意义和国内外的进展。二章研究 MEMS 谐振器的设计以及等效电路模型的建立。对 MEMS和MEMS压电式谐振器的工作原理进行研究以及Q值、插损等性能的目标频率在 100MHz 的 MEMS 压电式谐振器。研究了谐振器振动模 值的提高，锚点损耗降低等，研究谐振器的加工工艺流程，完成实续测试。三章主要是振荡器的理论研究以及性能的优化。具体内容有振荡器，电路设计仿真，相位噪声研究，电路制作，振荡器频率稳定性的。

圆盘结构谐振器的简单示意图

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本文编号：2779117