Monolithic packaging and transduction approaches for CMOS-MEMS resonators

Abstract

El gran increment en el rendiment dels MEMS i la seva aplicació a multitud de camps ha motivat la seva recerca i desenvolupament. Des de la primera demostració d’un MEMS, moltes aplicacions han sorgit, essent el camp dels sensors el seu sector més competitiu. Aquesta dissertació tracta sobre dispositius MEMS amb aplicacions en el domini de la radiofreqüència, com per exemple ressonadors i oscil·ladors amb l’objectiu d’utilitzar-los com a referències de freqüència. El mètode implementat en el disseny i fabricació de tots els dispositius presentats en aquesta tesis es basa en una tecnologia comercial CMOS de 0.35µm. La utilització d’una tecnologia CMOS estàndard proporciona la capacitat d’integrar monolíticament els dispositius MEMS amb circuits CMOS incrementant-ne el rendiment i la fiabilitat. Relacionat amb l’àrea de fabricació, s’ha dissenyat, fabricat i caracteritzat un encapsulat per ressonadors CMOS-MEMS. S’han utilitzat varies aproximacions per aconseguir el segellat de la cavitat. També s’han encapsulat diferents tipus de ressonadors MEMS. S’ha demostrat que l’encapsulat proporciona protecció addicional als dispositius MEMS mantenint-ne la seva fiabilitat. Aquesta tesis també s’ha centrat en dos mètodes de transducció: capacitiu i piezoresistiu. S’han fabricat i mesurat diferents dispositius CMOS-MEMS amb sensat capacitiu amb freqüències dins de les bandes d’HF i VHF. S’han testejat oscil·ladors basats en diferents estructures mecàniques demostrant unes bones prestacions amb petites senyals de polarització. Des del punt de vista de transducció piezoresistiva s’han fabricat i testejat també diferents estructures mecàniques ressonants, essent la mesura obtinguda amb el pont de polisilici la demostració de l’aplicació del esquema de transducció piezoresistiu a ressonadors CMOS-MEMS.

The increasingly performance of MEMS and their applicability to a wide range of fields has motivated the research and development of such devices. From the first demonstration of MEMS several applications have grown being the field of sensors their most competitive area. The present dissertation deals with MEMS devices in radiofrequency domain such as resonators and oscillators with the aim to be used as frequency references. The approach employed in the design and fabrication of all the devices presented in this thesis is based on a 0.35µm commercial CMOS technology. The employment of a standard CMOS technology provides the capability to monolithically integrate MEMS devices with CMOS circuits enhancing their performance and reliability. Related with the fabrication, a package for CMOS-MEMS resonators has been designed, fabricated and characterized. Several approaches have been employed to perform the sealing of the cavity and different resonators were packaged. It is demonstrated that the package provides additional protection to the MEMS devices maintaining their reliability. The thesis was also focused on two major transduction methods: capacitive and piezoresistive. Different CMOS-MEMS devices with capacitive transduction were fabricated and measured providing resonant frequencies on the HF and VHF range. Some oscillators based on DETF and Free-free mechanical structures were also tested, demonstrating good performance with low biasing signals. From the piezoresistive sensing point of view several resonators were also fabricated and tested, being the measure obtained from a CCB the demonstration of the applicability of piezoresistive transduction to polysilicon CMOS-MEMS resonators.