CMOS-MEMS para aplicaciones de RF: Osciladores

Abstract

En los últimos años el mercado asociado a los dispositivos MEMS/NEMS para comunicaciones está experimentando un constante aumento debido principalmente al auge en los dispositivos móviles inteligentes que incorporan un gran número de sensores inerciales y que van aumentando en función de las propias exigencias del mercado NEMS. Una de las múltiples aplicaciones de los MEMS es su uso como osciladores para substitución de referencias de reloj. Se espera que los resonadores RF MEMS sigan aumentando sus prestaciones siendo el reto más importante conseguir los requisitos de ruido de fase, de consumo de potencia y estabilidad en temperatura. Se ha demostrado cómo la sensibilidad de los MEMS se incrementa a medida que aumenta su frecuencia de resonancia. La consecución de frecuencias elevadas implica directamente una drástica reducción de las dimensiones del MEMS. Como consecuencia directa el movimiento se ve reducido. Esta reducción del movimiento plantea inconvenientes. En particular, se dificulta la transducción del movimiento, forzando a implementar amplificadores con mayor ganancia. Además, el MEMS entra más fácilmente en zona de funcionamiento no lineal, puesto que se ve reducido su rango dinámico de movimiento. Este problema, aunque pueda parecer una desventaja para el MEMS-NEMS como sensor, explotado convenientemente el fenómeno de la no linealidad puede convertir el dispositivo NEMS no lineal en un sensor con más sensibilidad. Desde el punto de vista de referencia de reloj, el uso de MEMS trabajando en zona no lineal implica un ruido de fase en las cercanías de la frecuencia portadora. El grupo de investigación ECAS ha sido pionero en el desarrollo de osciladores CMOS-MEMS. La presente tesis doctoral está encaminada al estudio de las opciones a la hora de implementar un oscilador CMOS-MEMS para lograr optimizar las prestaciones del sistema oscilador teniendo como único límite el propio resonador MEMS.

In recent years the market associated with MEMS / NEMS devices for communications, is experiencing a steady increase mainly due to the popularity of smart mobile devices that incorporate a large number of inertial sensors. One of the many applications of MEMS oscillators is focused on using them as a reference clock. In order for RF MEMS resonators to continue to improve their properties and increase their benefits the most important challenges to overcome remain: the phase noise requirements, power consumption and temperature stability. It has been shown that the sensitivity of MEMS devices increases with an increase in resonant frequency. Attaining high frequencies directly implies a drastic reduction in the dimensions of the MEMS. As a direct consequence the movement is reduced. This reduction of movement implies some problems. In particular, the output signal of the transduced movement is reduced, forcing the implementation of higher gain amplifiers, which becomes a difficult task. In addition, the MEMS resonator enters more easily into a nonlinear domain, since the power handling is reduced with the dimensions. This nonlinear regime, although it may seem a disadvantage for the MEMS-NEMS as a sensor, can be conveniently exploited to convert the nonlinear NEMS device into a sensor with a bigger sensitivity. From the viewpoint of a clock reference, the use of MEMS in the nonlinear regime implies the deterioration of the phase noise near the carrier frequency, but an improvement far from the carrier frequency. During the last decade, ECAS research group has pioneered the development of CMOS-MEMS oscillators. This thesis is focused in the study of the different implementation options for a CMOS-MEMS oscillator with the objective of optimizing its performance, until this performance is only limited by the MEMS resonator.