Multiphysikalischer Entwurf hybrid-integrierter MEMS-Oszillatoren auf Silizium-LTCC-Substraten

Stegner, Johannes GND

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Entwurf und der Analyse von MEMS-Oszillatoren auf dem so genannten SiCer-Verbundsubstrat. Dafür wird eine Methodik erarbeitet, die den Entwurf von Mikroelektronik und Mikroelektromechanik vereint. Diese Methodik basiert auf einem analytischen Entwurfsmodell zur Synthese von Resonatorstrukturen über die elektrischen Spezifikation. In der Arbeit wird weiterhin der Entwurf zweier aufeinander aufbauender Oszillatortypen beschrieben, einem Festfrequenzoszillator für Frequenzen bis zu 600 MHz sowie einem Mehrfrequenzoszillator für Ausgangsfrequenzen im oberen MHz- bis unteren GHz-Bereich und der Bereitstellung von Referenzfrequenzen von etwa 10 MHz. Beide Typen von Oszillatoren werden in verschiedenen Varianten implementiert und auf eine möglichst kompakte Baugröße und geringes Phasenrauschen hin optimiert. Die Resultate aller Präparationen heben sich vom Stand der Technik ab, sowohl in der Aufbautechnik als auch in der Oszillationsfrequenz und im Phasenrauschen. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit die Thematik der Temperaturabhängigkeit von MEMS-Resonatoren und -Oszillatoren betrachtet, welche im Vergleich zur thermischen Drift kommerziell verfügbarer Quarz-Resonatoren und -Oszillatoren höher ausfällt. Dazu wird das analytische Entwurfsmodell für MEMS-Resonatoren derart modifiziert, dass sich die geometrischen Abmessungen und Materialparameter in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur verändern. Messungen an Resonatoren verschiedener Geometrien werden im Anschluss genutzt, um die analytischen Berechnungen zu verifizieren. Die messtechnisch ermittelte Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz liegt dabei zwischen -26 ppm/K und -20 ppm/K, was dem analytisch modellierten Temperaturkoeffizienten von -28,1 ppm/K sehr nahe kommt. Auf Basis von in der Literatur veröffentlichten Temperaturkompensationsmethoden wird das analytische Modell um eine Lage Siliziumdioxid erweitert, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und so die Temperaturabhängigkeit kompensiert.

This dissertation deals with the design and analysis of MEMS oscillators on the SiCer substrate. To reach this goal, a method for combination of microelectronic and microelectromechanic designs is elaborated. By utilising this method, which is based on an analytical design model to synthesize resonator geometries from a given specification, the design of two consecutive types of oscillators is described, namely a single-frequency oscillator for oscillation frequencies up to 600 MHz and a multi-frequency oscillator for output frequencies in the upper MHz and the lower GHz range and reference frequencies of around 10 MHz. Both oscillator types are implemented in different variants and optimised towards compact design and low phase noise. The results of all preparations stand out from the state-of-the-art, both in assembly and utilised packaging technology, and in oscillation frequency and phase noise. Furthermore, this thesis covers temperature dependence of MEMS resonators and oscillators, which is observed to be high compared to the thermal drift of commercially available quartz resonators and oscillators. The analytical design model for MEMS resonators was therefore modified towards temperature-dependent geometrical dimensions and material parameters. Measurements at different resonator geometries are then performed to verify the analytical calculations. The experimentally-determined temperature coefficient of the resonant frequency is found to be between -26 ppm/K and -20 ppm/K, which reaches nearly the temperature coefficient of the analytical model with -28.1 ppm/K. Based on methods for temperature compensation published in literature, the analytical model is extended by a silicon-dioxide layer with a positive temperature coefficient to compensate for the present temperature dependence.

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Stegner, J., 2020. Multiphysikalischer Entwurf hybrid-integrierter MEMS-Oszillatoren auf Silizium-LTCC-Substraten. Ilmenau.
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