Piezoelectrically transduced temperature compensated silicon resonators for timing and frequency reference applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-01-29
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
99 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 6/2016, VTT Science, 122
Abstract
Reference oscillators are used in a wide range of electronic devices for timing and for providing the frequency reference signals for wireless communications. Typically, an oscillator has to be based on a mechanical resonator, and for many decades, quartz crystals have served for this purpose. With the progress of microelectromechanical system (MEMS) technologies, silicon resonators have been developed for providing similar functionality as quartz. A silicon MEMS resonator can offer several advantages over quartz, such as smaller device size, decreased costs, and integration with other electronics. This work focuses on two challenges in silicon resonators: First, electromechanical transduction of silicon resonators has typically been achieved with electrostatic coupling, which is inherently quite weak and requires DC biasing of the devices and tends to complicate fabrication. Transduction based on a piezoelectric thin film on top of the resonator has been investigated as an alternative. Second, the resonance frequency of a silicon resonator is orders of magnitude more sensitive to temperature variations than that of a quartz crystal. Degenerate doping of silicon can be used to drastically reduce this effect. The first part of the work concentrates on the design, fabrication and characterization of piezoelectrically transduced silicon resonators. An oscillator based on a width extensional resonator operating at a frequency 24 MHz is demonstrated to have a phase noise -128 dBc/Hz at a 1-kHz offset from the carrier. An experimental test is conducted on piezoelectrically transduced square extensional mode resonators, whose dimensions are varied so that the main resonance mode occurs at a frequency range of f = 13 ... 30 MHz. As a result, an anchor coupling effect is identified and a subharmonic nonlinear coupling mechanism is discovered. In the second part of the work, the effect of degenerate doping on the elastic parameters of silicon is investigated experimentally, with a focus on temperature compensation. Resonance modes that can be temperature compensated using doping are identified, and design rules for the optimization of the frequency stability are developed. The elastic parameters of silicon are determined as a function of temperature and n-type doping up to a level of n = 7.5x1019cm-3, enabling modelling of the frequency-vs-temperature characteristics of an arbitrary resonator design. Extrapolation from the results yields a prediction of full second order temperature compensation in optimally designed resonators for n-type doping level above 1020cm-3. The prediction is experimentally verified by the demonstration of piezoelectrically transduced resonators with frequency stability within +/- 10 ppm on a temperature range ofT = -40 ... +85C, on par with the best quartz crystals.

Referenssioskillaattoreita käytetään monissa elektronisissa laitteissa ajastukseen ja langattomassa kommunikoinnissa tarvittavina taajuusreferensseinä. Yleensä oskillaattorissa on mekaaninen värähtelijä, ja vuosikymmenien ajan tähän tarkoitukseen on käytetty kvartsikiteitä. Mikroelektromekaanisten systeemien (MEMS) valmistusteknologian kypsyessä piiresonaattoreita on kehitetty kvartsikiteen korvaajaksi. Piistä tehdyllä MEMS-resonaattorilla on kvartsiin nähden useita etuja, kuten pienempi koko, pienemmät valmistuskustannukset ja parempi integroitavuus muuhun elektroniikkaan. Tässä työssä keskitytään piiresonaattorin kahteen kehitystarpeeseen. Ensimmäiseksi, piiresonaattorin sähkömekaaninen transduktio järjestetään tyypillisesti sähköstaattisella kytkennällä, joka on luonnostaan melko heikko, vaatii DC-biasoinnin ja on valmistusnäkökulmasta monimutkainen. Vaihtoehtoisena tapana on kehitetty resonaattorin päälle kasvatetun pietsosähköisen ohutkalvon avulla tapahtuvaa transduktiota. Toiseksi, piistä valmistetun resonaattorin taajuus on suuruusluokkia herkempi lämpötilanvaihteluille kuin mitä kvartsikiteillä saavutetaan. Hyvin voimakasta seostusta voidaan käyttää tehokkaasti piin lämpötilaherkkyyden pienentämiseen. Työn ensimmäisessä osassa suunnitellaan, valmistetaan ja karakterisoidaan pietsosähköisesti herätettyjä piiresonaattoreita. Taajuudeltaan 24 MHz:n leveysvenymämoodiresonaattoriin perustuvalle oskillaattorille mitataan -128 dBc/Hz vaihekohina 1 kHz:n päässä kantoaallosta. Neliövenymämoodiresonaattoreille tehdään koesarja, jossa resonaattorin kokoa varioidaan siten, että pääresonanssin taajuus on alueella f = 13 ... 30 MHz. Tuloksena löydetään ankkurikytkentäefekti sekä aliharmoninen epälineaarinen kytkentämekanismi. Työn toisessa osassa tutkitaan kokeellisesti hyvin vahvan seostuksen vaikutusta piin elastisiin vakioihin keskittyen seostuksen sovellettavuuteen lämpötilakompensoinnissa. Lämpötilakompensoitavia resonanssimoodeja identifioidaan, ja esitetään suunnittelusäännöt optimaalisen taajuusstabiilisuuden saavuttamiseksi. Piin elastiset vakiot määritetään lämpötilan ja seostustason funktiona seostukseen n = 7.5x1019cm-3 asti, mikä mahdollistaa mielivaltaisen resonaattorin taajuuden lämpötilariippuvuuden mallintamisen. Tulosten ekstrapolointiin perustuen ennustetaan, että toisen kertaluvun lämpötilakompensointi on mahdollista optimaalisesti suunnitelluissa resonaattoreissa, kun n-tyypin seostustaso on yli 1020cm-3. Ennustuksen paikkansapitävyys varmistetaan kokeellisesti pietsosähköisesti herätetyillä resonaattoreilla, joiden taajuusstabiilisuus saavuttaa lämpötila-alueella T = -40 ... 85C arvon +/- 10 ppm, mikä vastaa parhaita kvartsikiteitä.
Description
Supervising professor
Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Pensala, Tuomas, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd., Finland
Keywords
MEMS, silicon resonators, temperature compensation, doping, AlN, piiresonaattorit, lämpötilakompensointi, seostus, AlN
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Jaakkola, M. Prunnila, T. Pensala, J. Dekker and P. Pekko, “Design Rules for Temperature Compensated Degenerately n-type Doped Silicon MEMS Resonators”, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, 24(6), pp. 1832—1839, 2015.
    DOI: 10.1109/JMEMS.2015.2443379 View at publisher
  • [Publication 2]: A. Jaakkola, P. Pekko, J. Dekker, M. Prunnila, T. Pensala, “Second Order Temperature Compensated Piezoelectrically Driven 23 MHz Heavily Doped Silicon Resonators with ±10 ppm Temperature Stability”, Proc. IEEE International Frequency Control Symposium, 2015, pp. 420—422.
    DOI: 10.1109/FCS.2015.7138871 View at publisher
  • [Publication 3]: A. Jaakkola, M. Prunnila, T. Pensala, J. Dekker, and P. Pekko, “Determination of Doping and Temperature Dependent Elastic Constants of Degenerately Doped Silicon from MEMS Resonators”, IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 61(7), pp. 1063—1074, 2014.
    DOI: 10.1109/TUFFC.2014.3007 View at publisher
  • [Publication 4]: A. Jaakkola, S. Gorelick, M. Prunnila, J. Dekker, T. Pensala, P. Pekko, ”Long term stability and quality factors of degenerately n-type doped silicon resonators”, Proc. IEEE International Frequency Control Symposium, 2014, pp. 1—5.
    DOI: 10.1109/FCS.2014.6859866 View at publisher
  • [Publication 5]: L. Lipiäinen, A. Jaakkola, K. Kokkonen, M. Kaivola, ”Frequency splitting of the main mode in a microelectromechanical resonator due to coupling with an anchor resonance”. Applied Physics Letters, 100(1), 013503, pp. 013503-1—3, 2012.
    DOI: 10.1063/1.3673558 View at publisher
  • [Publication 6]: L. Lipiäinen, A. Jaakkola, K. Kokkonen, M. Kaivola, ”Nonlinear excitation of a rotational mode in a piezoelectrically excited square-extensional mode resonator”. Applied Physics Letters, 100(15), pp. 153508-1—4, 2012.
    DOI: 10.1063/1.3703119 View at publisher
  • [Publication 7]: T. Pensala, A. Jaakkola, M. Prunnila, J. Dekker, “Temperature compensation of silicon MEMS resonators by heavy doping”, Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium, 2011, pp. 1952—1955.
    DOI: 10.1109/ULTSYM.2011.0486 View at publisher
  • [Publication 8]: A. Jaakkola, J. Lamy, J. Dekker, T. Pensala, L. Lipiäinen, K. Kokkonen, “Experimental study of the effects of size variations on piezoelectrically transduced MEMS resonators”, Proc. IEEE International Frequency Control Symposium, 2010, pp. 410—414.
    DOI: 10.1109/FREQ.2010.5556299 View at publisher
  • [Publication 9]: A. Jaakkola, P. Rosenberg, S. Asmala, A. Nurmela, T. Pensala, T. Riekkinen, J. Dekker, T. Mattila, A. Alastalo, O. Holmgren, K. Kokkonen, “Piezoelectrically transduced single-crystal-silicon plate resonators”, Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium, 2008, pp. 717—720.
    DOI: 10.1109/ULTSYM.2008.0171 View at publisher
  • [Publication 10]: A. Jaakkola, P. Rosenberg, A. Nurmela, T. Pensala, T. Riekkinen, J. Dekker, T. Mattila, A. Alastalo, “Piezotransduced Single-Crystal Silicon BAW Resonators”, Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium, 2007, pp. 1653—1656.
    DOI: 10.1109/ULTSYM.2007.416 View at publisher
Citation