Experimental investigation of the in-plane and out-of-plane dynamics of capacitively actuated silicon MEMS resonators

Abstract

Elektrische Oszillatoren bilden das zentrale Komponent nahezu aller modernen elektronischen Systeme, von Smartphones bis zu Hochgeschwindigkeits-, und Kommunikationstechnologien. Mit steigendem Datenverkehr (z.B. 5G/6G) werden immer strengere Anforderungen an die zeitliche Präzision vorausgesetzt, wobei die zulässigen Jitter-Werte in den Bereich von wenigen zehn Femtosekunden fallen. Diese werden derzeit nur von quarzbasierten Technologien erreicht, können jedoch auch von MEMS-Oszillatoren mit ausreichend hohen Q-Faktoren erzielt werden. In dieser Arbeit werden MEMS-Resonatoren für neu-Generation Oszillatoren untersucht, indem ein rechteckförmiger, elektrostatisch angeregter MEMS-Resonator hergestellt und experimentell analysiert wird. Die Si-Resonatoren werden mittels Photolithographie und Bosch-Ätzen gefertigt, wobei aufgedampfte Metallschichten für die elektrostatische Anregung verwendet werden. Frequenzsweeps wurden durchgeführt, um die Resonanzfrequenzen sowie die Modenformen sowohl außerhalb der Ebene (out-of-plane) als auch in der Ebene (in-plane) zu bestimmen. Die $Q$-Faktoren wurden für jeden Resonator mithilfe eines Lock-in-Verstärkers bestimmt, basierend auf der durch Laser-Doppler-Vibrometrie gemessenen Auslenkung. Q-Faktor Werte in Vakuum bis zu 300.000 wurden bei out-of-plane Moden, während bei in-plane Moden bis zu 91.000 beobachtet.54

Timing devices are at the core of nearly all modern electronic systems, from smartphones to high-speed communication technologies. As data rates continue to increase (e.g., 5G/6G), the required timing precision becomes extremely demanding, with allowable jitter approaching the few tens of femtoseconds, currently achievable only by the best quartz-based technologies, but which can be matched by MEMS timing devices with sufficiently high quality factors. Here, we investigate MEMS resonators for next-generation timing devices by fabricating and experimentally analyzing a square-shaped electrostatically actuated MEMS resonator. The silicon resonators are fabricated using photolithography, Bosch etching techniques and evaporated metal layers for capacitive actuation. Frequency sweeps were performed to detect the resonance frequency and the mode shapes, both out-of-plane and in-plane. The Q-factors have been determined for each sample with a lock-in amplifier based on the displacement measured by laser Doppler vibrometry. In this study, Q-factors under vacuum as high as 300.000 have been observed for in-plane modes investigated here, and up to 91.000 for out-of-plane modes.