Low Impedance Wheel Resonators for Low Voltage and Low Power Applications

dc.contributor.advisorFischer, Georg
dc.contributor.authorNawaz, Mohsin
dc.date.accessioned2010-02-23
dc.date.available2023-10-16T13:42:27Z
dc.date.created2009
dc.date.issued2010-02-23
dc.description.abstractThis dissertation describes the development of MEMS resonators which are capable of replacing quartz crystal resonators, in particular for oscillator applications. The study is targeted towards local oscillators used in transceivers of frontend modules for GSM applications. The motivation for using MEMS resonators, such as miniaturization and power consumption reduction are emphasized. The current research issues with MEMS resonators are described and state of the art solutions thereof are presented. The deficiencies of state of the art solutions are highlighted and the requirements for an ideal resonator required for GSM applications are deduced. The key attributes of such a resonator are identified as high quality factor, low impedance, low voltage, low phase noise and thermal stability. The theoretical aspects of MEMS resonators are described in detail, in order to acquaint the reader with the concepts and phenomenas described. A novel and patented wheel resonator which reduces the effect of parasitic flexural modes, typical for bulk mode resonators, is presented. It is proven by measurements that the novel resonator has a high quality factor and low phase noise which meets the specifications, but the impedance as well as the voltage of the wheel resonator is considerably higher than the specifications. It has been identified that both, the impedance and voltage, can be reduced by decreasing the gap width between the electrodes. To accomplish this, a novel narrow gap process capable of producing sub-lithographic gap widths, is developed. The proposed process has the ability to fabricate gap widths, which are ten times smaller than the lithographic limitations. It has been proven by means of measurements that the novel narrow gap resonator has the tendancy to meet the specifications of high quality factor, low impedance, low voltage and low phase noise. To resolve the issue of thermal stability a novel and patented trimming technique is introduced, using a secondary bias voltage source applied at an additional electrode. This technique is proven, analytically, to completely compensate for the second order temperature coefficient of resonance frequency. The proposed technique consumes power which is considerably lower than state of the art solutions. A block level description of an oscillator system based on the proposed solutions is presented and it is proven by means of simulations that all the specifications for GSM applications can be met.en
dc.description.abstractIn der vorliegenden Arbeit werden MEMS Resonatoren, als Ersatz von Quarz Resonatoren, vor allem in Oszillatoranwendungen vorgestellt. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung von Resonatoren für den Einsatz in Front-End Modulen in Sende- und Empfangsgeräten für GSM Anwendungen. Im Rahmen der Arbeit wird zunächst auf die Motivation für den Einsatz von MEMS Resonatoren, wie beispielsweise die Reduktion der Leitungsaufnahme sowie die Größenreduktion, eingegangen. Ferner werden aktuelle Forschungsschwerpunkte, sowie publizierte Lösungsansätze besprochen. Die Schwachstellen der vorgeschlagenen Lösungen werden diskutiert und die Anforderungen an einen idealen Resonator für GSM Anwendungen abgeleitet. Die Schlüsseleigenschaften werden als hohe Güte, niedrige Impedanz, niedrige Spannung, geringes Phasenrauschen und thermische Stabilität identifiziert. Folgend wird ausführlich, zum besseren Verständnis für den Leser, auf die theoretischen Grundlagen von MEMS Resonatoren eingegangen. Ein neuartiger Wheel Resonator, der den Einfluss parasitärer vertikaler Biegungen, die typisch für Bulk-Resonatoren sind, verringert, wird vorgestellt. Messungen zeigen, dass der Wheel Resonator die Spezifikationen hinsichtlich Güte und Phasenrauschen erfüllt, jedoch über eine zu hohe Impedanz verfügt, sowie eine zu hohe Versorgungsspannung benötigt. Da beide Parameter, Impedanz und Versorgungsspannung, durch eine Reduktion des Elektrodenabstands minimiert werden können, wird ein sogenannter Narrow-Gap-Prozess vorgestellt, der die Fertigung von sublithographischen Elektrodenabständen ermöglicht. Messungen an Resonatoren, die bis zu zehnmal kleinere Spaltabstände, als durch die Lithographie begrenzt, haben, zeigen, dass neben der hohen Güte und dem geringen Phasenrauschen auch die Anforderungen nach geringer Versorgungsspannung und kleiner Impedanz erfüllt werden. Um die Problematik der thermischen Stabilität zu lösen wird ein neuartiges aktives Trimverfahren vorgestellt. Die Verwendung einer zusätzlichen dedizierten Trimelektrode ermöglicht das Anlegen einer Stellspannung. Eine vollständige analytische Betrachtung erfolgt zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Resonanzfrequenz. Das vorgeschlagene Verfahren reduziert, im vergleich zu derzeitigen Lösungen, deutlich die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems. Abschließend wird ein Blockdiagramm eines MEMS Resonator basierten Oszillators auf Systemebene vorgestellt Simulationen zeigen, dass der Oszillator die Spezifikation für den Einsatz in GSM Anwendungen erfüllt.de
dc.identifier.opus-id1098
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/1098
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus-16350
dc.language.isoen
dc.subjectMEMS
dc.subjectResonator
dc.subjectNarrow Gap
dc.subjectThermal-Compensation
dc.subjectGSM
dc.subjectUMTS
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.titleLow Impedance Wheel Resonators for Low Voltage and Low Power Applicationsen
dc.titleNiederohmige Speichenrad-Resonatoren für die Anwendungen in Systemen mit kleiner Spannung und geringer Leistungde
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted2009-07-17
local.sendToDnbfree*
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
local.subject.gndMEMS
local.subject.gndResonatoren
local.subject.gndNarrow Gap
local.subject.gndTemperatur Kompensation
local.subject.gndGSM
local.subject.gndUMTS
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
1098_MohsinNawazDissertation.pdf
Size:
4.76 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Faculties & Collections