Fabrication and characterisation of a high-Q micromechanical silicon oscillator

Abstract

Työn tavoitteena oli valmistaa ja karakterisoida mikromekaaninen oskillaattori, jolla olisi mahdollisimman suuri hyvyysluku eli Q-arvo. Korkea Q-arvo mahdollistaa erittäin herkkien mekaanisten värähtelijöiden käytön mm. fysiikan perustutkimuksessa ja useissa anturisovelluksissa. Suuren hyvyysluvun edellytyksenä on oskillaattorin energiahäviöiden minimoiminen. Häviöiden suuruuteen voidaan vaikuttaa mm. materiaalin valinnalla ja rakenteen suunnittelulla.

Oskillaattorit valmistettiin TKK:n Mikroelektroniikkakeskuksen puhdastilassa. Materiaaliksi valittiin yksikiteinen pii sen erinomaisten elastisten ominaisuuksien sekä puhdastilassa käytössä olevien valmistusmenetelmien vuoksi. Valmistusprosessia pyrittiin kehittämään helposti toistettavaksi. Suurin huomio kiinnitettiin anisotrooppisen märkäetsausprosessin kehittämiseen.

Valmistetut oskillaattorit perustuivat torsionaalisesti värähtelevään tasapainotettuun perusrakenteeseen johtuen kirjallisuudessa raportoiduista hyvistä tuloksista vastaavanlaisten rakenteiden mittauksista. Tunnettuja konstruktioita pyrittiin pienentämään ja muuttamaan siten, että värähtelyenergian siirtyminen aktiiviselta alueelta ympäröivään kehysrakenteeseen vähenisi entisestään. Oskillaattorien karakterisointiin käytettiin optisia mittausmenetelmiä, jotka eivät itsessään häiritse oskillaattorien liikettä, eivätkä vaadi ylimääräisten mittauselektrodien tms. integrointia oskillaattorien yhteyteen.

Työn tuloksena onnistuttiin valmistamaan ja karakterisoimaan piioskillaattoreita, joiden mekaanisen resonanssin Q-arvo taajuudella 80 kHz oli n. 1,2 miljoonaa tyhjiössä ja huoneen lämpötilassa. Taajuusyksiköissä vastaava resonanssin leveys oli 70 mHz, jota voidaan pitää kansainvälisesti varsin hyvänä arvona mikromekaanisille rakenteille. Mittauksia suoritettiin varioimalla ulkoista painetta, lämpötilaa ja kiinnitystapaa, joista erityisesti paineen vaikutus voitiin systemaattisesti selittää, mutta erilaisilla oskillaattorin kiinnitystavoilla havaittiin olevan ennalta arvioitua huomattavasti suurempi merkitys lopulliseen kokonaishyvyyslukuun.