IEEE MEMS2025 | 基于磁性互连的微机电系统谐振器串扰消除技术

逍遥设计自动化

引言
在现代技术中，微机电系统(MEMS)谐振器广泛应用于消费电子到国防系统等多个领域。然而，这些器件面临着一个持续存在的挑战：寄生串扰信号会显著降低性能。本文探讨了一种创新技术，通过利用磁性互连来消除MEMS谐振器中的串扰，在空气和液体环境中都展现出显著的改进效果[1]。
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  e+ p* x( t/ l* s  Z串扰信号的挑战
; k& a5 @" v3 K$ W- d4 ~MEMS谐振器虽然在应用中表现出色，但受到器件结构中电容耦合产生的寄生串扰(FT)信号的影响。这种耦合现象在电极间距较小或重叠的设计中尤为明显。由于MEMS器件的微型化特性，谐振器电极之间的寄生电容变得不可忽略，导致交流激励信号绕过预期的结构谐振行为，直接与感应电极耦合。
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* c4 ]* }* x4 c+ C- i, g图1：展示了通过RL产生的驱动电流如何创建交流磁场，当输出端以合适节点处的电阻终止时，感应电流可抵消寄生电容。
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8 ], W- ?3 ]5 r# y  q* V$ X: I器件结构与制造
演示器件采用了薄膜压电硅(TPoS)谐振器，通过五次掩模工艺制造。结构包括两个金顶电极、一层1微米厚的氮化铝(AlN)压电层，以及两个作为接地连接的图案化底电极。
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图2：氮化铝谐振器的共焦图像及其横截面示意图
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磁抑制工作原理
这种创新技术通过互连实现电磁效应，达到显著的串扰抑制效果。在器件布局中，每个顶电极连接到两侧的两个互连/焊盘，形成平行配置。当负载电阻(RL)连接到每侧的一个焊盘时，形成一个电路环路。施加在此环路上的周期性驱动信号产生时变电流，在互连周围创建波动磁场。

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( e5 w; [" ?4 m# ~& G6 ~8 G图3：显示最大化感应电流的测量结果
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- D5 H' X/ L2 M) M4 A1 ~性能优化与验证
通过使用网络分析仪进行详细的4端口测量，全面评估了该技术的有效性。收集的数据导入Advanced Design System (ADS)软件进行仿真和优化。

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3 ~7 {5 f1 z! M$ V; s, h  }' B图4：测量设置和仿真配置
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0 K! _9 {1 H* }6 Q/ k& e图5：RL变化的仿真结果
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" W4 [  F3 E7 Z+ C& K环境测试与实际性能
为验证该技术的稳健性，在空气和液体（去离子水）环境中进行了广泛测试。结果显示阻带抑制(SBR)性能有显著提升。

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5 ]& k1 I# D5 a图6：液体环境中的器件操作设置

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图7：相位噪声性能比较
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* m4 V# U2 ~; n# L5 H图8：艾伦偏差性能结果

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  T/ t( Y/ h) @4 s/ `+ m; P实际应用分析
) ~/ U' k( `" H7 V" T该技术具有通用性，无需复杂的重新设计或额外组件即可应用于各种MEMS器件。在液体环境中达到4.36 pg的质量分辨率，展示了在高精度传感应用方面的潜力。这种方法为MEMS在各种环境中的应用提供了新的技术思路，特别是在传统方法难以保持信号清晰度的液体传感系统中。

5 W! ?0 S1 t" w* |- U# s8 e% r这种技术的意义超出了在TPoS谐振器中的直接应用。其通用性使其适用于各种MEMS器件架构，为解决微系统中的串扰挑战提供了新思路。在液体环境中保持高性能的能力，特别扩展了生物传感和水下传感系统的应用范围。

2 O8 K+ q! z+ q参考文献
[1] Z. -W. Lin, A. A. Zope, and S. -S. Li, "Harnessing Magnetic Interconnects for Generic Feedthrough Cancellation in MEMS Resonators," in Proceedings of the 2025 IEEE 38th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 24-27.
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