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Temperature Compensation and Performance Enhancement Techniques for Lamé Mode MEMS Resonators

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Kolahdouz Moghaddam, Amir Reza (2022). Temperature Compensation and Performance Enhancement Techniques for Lamé Mode MEMS Resonators. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The importance of micromachined resonators continues to grow as they become increasingly prevalent in a wide range of applications, from wearable devices to more complex applications such as wireless communication and aerospace. As a result of this increased demand, academics and industry are developing oscillators with higher performance and stability while focusing on cost reduction.

Although numerous resonator architectures and electrical circuits to drive the resonator have been studied for many years, the problem of producing a fully compensated resonator that operates independently of ambient temperature remains unsolved.

This work presents an analytical model for predicting the performance of a Lamé resonator with varying rotation angles, and different structure varieties are proposed. The adaptability of the proposed analytical model is demonstrated, and the model’s versatility is experimentally validated by fabricating multiple resonator variants and analyzing their frequency responses and temperature behavior.

Afterward, a novel Lamé mode electrostatic resonator employing a chevron-shaped thermal actuator is proposed, which decreases the transducer gap resulting in a reduced motional resistance and overcoming the micro-fabrication process limitation in the minimum spacing of the structural silicon layer. It is shown that combining the heaters and the resonator in a small area may result in frequency stability over temperature by applying the ovenization concept utilized in oscillators.

Titre traduit

Compensation de la température et amélioration des performances des résonateurs MEMS de type Lamé

Résumé traduit

L’importance des résonateurs micro-usinés ne cesse de croître à mesure qu’ils s’imposent dans un large éventail d’applications, des dispositifs portables aux applications plus complexes telles que les communications sans fil et les applications aérospatiales. En raison de cette demande accrue, les universitaires et l’industrie développent des oscillateurs plus performants et plus stables tout en se concentrant sur la réduction des coûts.

Bien que de nombreuses architectures de résonateurs et de circuits électriques pour piloter les résonateurs ont été étudiés depuis de nombreuses années, le problème de la production d’un résonateur entièrement compensé qui fonctionne indépendamment de la température ambiante reste non résolu.

Ce travail présente un modèle analytique pour prédire la performance de résonateurs de type Lamé avec différents degrés de rotation, et géométries. L’adaptabilité du modèle analytique proposé a été démontrée, et la polyvalence du modèle a été validée expérimentalement en fabriquant plusieurs variantes de résonateurs et en analysant leurs réponses en fréquence et leur comportement en température.

Ensuite, un nouveau résonateur électrostatique en mode Lamé utilisant un actuateur thermique en forme de chevron est proposé, celui-ci permet de diminuer les pertes d’insertion réduisant ainsi la résistance parasitaire et surmontant une des limitation du processus de micro-fabrication. Il est démontré que la combinaison des éléments chauffants et du résonateur dans une petite zone peut permettre une stabilité de la fréquence en fonction de la température.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 99-110).
Mots-clés libres: résonateurs MEMS, micro-usinage en masse, caractérisation du comportement résonant, coefficient de température de fréquence, résonateur compensé en température, fermeture d’entrefer, électrode mobile, résistance motionnelle
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nabki, Frédéric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 27 févr. 2023 15:46
Dernière modification: 27 févr. 2023 15:46
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3183

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