基於均溫共振器之低功率溫控式CMOS-MEMS單石振盪器設計

劉峻佑；李銘晃；陳昭瑜；李昇憲

CMOS-MEMS ； 雙鉗音叉式共振器 ； 溫度補償 ； 微機械振盪器系統

微系統暨奈米科技協會會刊

36期（2016 / 11 / 10）

28 - 32

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本研究是利用互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）製程平台製作微機械雙鉗音叉式共振器（Double-Ended Tuning Fork, DETF），並搭配TSMC 2P4M CMOS0.35μm製程的轉阻放大器電路設計出振盪器系統為了改善振盪器之頻率穩定度，我們透過主動式的低功率消耗加熱平台進行溫度控制，其加熱效率為140℃/ mW;而在加熱平台的設計上，為了避免溫度梯度成為頻率不穩定的來源之一，我們透過均溫設計使其在真空的環境下，共振器結構本身為理想均溫，並且搭配被動式溫度補償的設計，利用材料特性有效降低振盪器系統之頻率溫度係數（Temperature Coefficient of Frequency, TC_f），在未開啟加熱平台的情況下其值約為8.4 ppm /℃。除此之外，本研究同時也驗證了此振盪器系統相位雜訊無論在是否啟用加熱平台的情況下皆能擁有相當不錯的水準，其在室溫下的偏誤不穩定度（Bias instability）約為32 ppb;而在啟用低功率消耗的加熱平台後之振盪器系統偏誤不穩定度僅略為提升至95 ppb。