Oscillatori MEMS ad alta frequenza : caratterizzazione del risonatore e progettazione integrata

Quartz oscillators have been used since the first half of the 20th century. It’s a technology that has undergone continuous improvements over the years to increase its performance and reduce the area occupation. Nowadays the global trend is still the same, however quartz technology has come to a standstill: quartz resonators can’t be integrated into the same package of integrated electronics and, therefore, must be mounted externally and connected together. In this Thesis, a temperature compensated oscillator based on a MEMS resonator is proposed as a replacement of quartz technology. In fact, by exploiting the same production process used for integrated electronics, it’s possible to produce mechanical resonators on Silicon. The work begins with a general presentation of the entire system including temperature compensation and its specifications. Then, it focuses on the characterization of the MEMS resonator and the development of the integrated oscillator. Different architectures are analyzed and compared. In the end, the one that best fits the specifications is chosen.

Gli oscillatori al quarzo sono dispositivi in uso già dalla prima metà del ’900. È una tecnologia che negli anni ha subito miglioramenti continui per aumentare le performance e ridurre lo spazio occupato. Oggigiorno si cerca di seguire ancora questo percorso che, tuttavia, è giunto ad uno stallo: i risonatori al quarzo non possono essere integrati nello stesso package dell’elettronica e, quindi, devono essere montati esternamente e collegati insieme. In questa Tesi si propone di sostituire questa tecnologia con un oscillatore compensato in temperatura basato su un risonatore MEMS. Infatti, sfruttando lo stesso processo produttivo usato per l’elettronica integrata, è possibile realizzare risonatori meccanici su silicio. Si inizia con una presentazione generale dell’intero sistema compreso di compensazione in temperatura e delle sue specifiche. Successivamente, la Tesi si concentra sulla caratterizzazione del risonatore MEMS e sullo sviluppo dell’oscillatore integrato. Diverse architetture vengono analizzate e confrontate. Infine, quella che meglio soddisfa le specifiche viene scelta.