NXP mems resonator 
Project achtergrond
Micro-electro-mechanical systems of kortweg MEMS, zijn kleine systemen in silicium substraten die uit een combinatie van elektronische en mechanische componenten bestaan. Alle componenten van een MEMS zijn op een silicium substraat gezet via lithografische technieken. De MEMS resonator bij NXP (voormalige halfgeleiderdivisie van Philips) zijn vervaardigd via “micromachining” processen, die gebruikmaken van technologieën die ook gebruikt worden om geïntegreerde schakelingen (IC’s) te fabriceren. Tijdens de IC fabricage ondergaan wafers met MEMS structuren vele proces stappen. Elke stap levert een meer of mindere variatie op van het product. Al deze variaties werden gesimuleerd en een gedegen inzicht werd verkregen over de stabiele werking van de MEMS.
 |
 |
Project doelstelling
Inventariseer de variaties van het productieproces op de werking van een MEMS resonator, met verschillende FEM berekeningen, zoals trillingen, stress, mechanische demping, akoestische verliezen, en elektrische capaciteit.
FEM simulatie
In nauwe samenwerking met enkele afdelingen binnen NXP, werden de specificaties van de MEMS geïnventariseerd. Op basis hiervan werd een voorstel gemaakt welke onderdelen van de MEMS gesimuleerd konden worden. De simulaties bestonden uit:
- Trillingsberekeningen, eigen frequenties, overdrachtsfuncties.
- Elektrische capaciteitsberekeningen.
- Stress berekeningen ten gevolge van enkele thermische proces stappen.
- Dempingsberekeningen van het vacuüm en het resonator gedeelte.
- Akoestische verliezen uit het anker van de resonator.
Resultaat
Er werd een set aan ontwerp criteria vastgelegd op basis van de simulaties. Op deze wijze kon de jitter en de stabiele werking over meer dan 30 jaar gegarandeerd worden voor het product.
Achtergrond informatie….
Bij NXP in Nijmegen worden verschillende MEMS componenten vervaardigd. Microresonatoren worden gezien als de opvolger van de al oude kristallen die elektronische componenten aansturen via een klokfrequentie. De eisen die aan deze producten worden gesteld zijn uiteraard hoog, zo mag de frequentie niet variëren met de temperatuur en moet het ook stabiel blijven gedurende hun levensduur.
Naast deze eisen moeten de specificaties ook worden vastgelegd in verband met de maakbaarheid van de resonatoren. In dit kader werden simulaties verricht om de stabiliteit van de oscillatiefrequentie te bepalen. Ook werden de dimensies van de oscillator gevarieerd om de stabiliteit van het productieproces te bepalen. Tevens werden de invloed van de temperatuur en de vacuümdruk meegenomen. De complexe multi-fysische simulaties resulteerden in een set van specificaties voor de productieomgeving, zodat de producten met een laag uitval percentage geproduceerd kunnen worden.
Presentatie over dit project op COMSOL conferentie 2012 in Milaan klik hier