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

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPensala, Tuomas, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd., Finland
dc.contributor.authorJaakkola, Antti
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorKaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2016-01-08T10:01:45Z
dc.date.available2016-01-08T10:01:45Z
dc.date.defence2016-01-29
dc.date.issued2016
dc.description.abstractReference 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.en
dc.description.abstractReferenssioskillaattoreita 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.fi
dc.format.extent99 + app. 54
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-6616-5 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-6615-8 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn978-951-38-8387-4 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn978-951-38-8388-1 (VTT, printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn2242-119X (VTT, printed)
dc.identifier.issn2242-119X (VTT, ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/19353
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-6616-5
dc.language.isoenen
dc.opnKuypers, Jan H., Dr., TriQuint Semiconductor GmbH, Germany
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries6/2016
dc.relation.ispartofseriesVTT Science
dc.relation.ispartofseries122
dc.revParpia, Jeevak, Prof., Cornell University, USA
dc.revWesterholm, Jan, Prof., Åbo Akademi University, Finland
dc.subject.keywordMEMSen
dc.subject.keywordsilicon resonatorsen
dc.subject.keywordtemperature compensationen
dc.subject.keyworddopingen
dc.subject.keywordAlNen
dc.subject.keywordpiiresonaattoritfi
dc.subject.keywordlämpötilakompensointifi
dc.subject.keywordseostusfi
dc.subject.keywordAlNfi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titlePiezoelectrically transduced temperature compensated silicon resonators for timing and frequency reference applicationsen
dc.titlePietsosähköisesti herätetyt lämpötilakompensoidut piiresonaattorit ajastin- ja taajuusreferenssisovelluksiinfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2016_01_08_klo_10_49
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526066165.pdf
Size:
7.13 MB
Format:
Adobe Portable Document Format