通过机械耦合提高压电MEMS谐振器的Q值并降低TCF（热系数）

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Q Enhancement and TCF Reduction for Piezoelectric MEMS Resonators via Mechanical Coupling

压电MEMS谐振器通过机械耦合技术提升品质因数Q（达80695）并降低温度系数TCF（±55ppm），采用双SCS盘与带压电堆的矩形板耦合结构，WE模式与RB模式同步振动，优化有效质量比实现性能提升。

　　

摘要：

本研究提出了一种有效的方法，通过机械耦合来提高压电MEMS谐振器的品质因数（Q）并降低频率温度系数（TCF）。所报道的谐振器由两个相同的单晶硅（SCS）圆盘组成，这两个圆盘通过一块SCS矩形板连接，矩形板上方装有压电堆栈。在运行过程中，矩形板受到压电激励而以宽度伸展（WE）模式振动，而两个圆盘则通过机械耦合被驱动进入径向呼吸（RB）模式振动。矩形板和两个圆盘可以被视为两种独立的谐振器。尽管由于模式差异以及矩形板上存在压电堆栈，它们的Q值和TCF存在显著差异，但在适当的尺寸下，它们可以在相同的共振频率下同步振动。因此，通过调整两个耦合部件之间的有效质量比，可以调控耦合谐振器的Q值和TCF。实验结果表明，所制造的耦合谐振器在25.202 MHz频率下工作，其未加载时的Q值为80695，且在-40°C至85°C的温度范围内频率变化仅为±55 ppm。与在相同条件下制造的独立WE谐振器相比，这表明其Q值提高了2.44倍，频率漂移减少了2.5倍，充分体现了机械耦合方法在优化谐振器性能方面的有效性。[2025-0077]