基于高品质因数横向伸缩谐振器的双温箱MEMS振荡器的长期频率稳定性

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Long-Term Frequency Stability of a Dual-Oven MEMS Oscillator Based on a High-Q Lateral Extensional Resonator

　　

摘要：本文展示了一种基于高品质因数（$Q_{unloaded}>50,000$）横向伸缩（LE）模态硅基氮化铝（AlN）谐振器的 5 兆赫兹微机电系统（MEMS）振荡器，用于稳定时钟应用。该谐振器设计为具有高于 100°C 的转折温度（ToT），制备于 350 微米厚的单晶硅基底上以实现高 Q 值，同时优化其横向尺寸以获得低运动阻抗。为了提高频率稳定性，该振荡器在高真空下运行，并使用两种热控配置进行评估。单温箱配置利用谐振器上的集成加热器，并在转折温度附近施加固定的集成加热器偏置；而双温箱配置则额外通过受控外部加热来稳定真空腔内的环境温度波动。两种配置在 τ=1 秒时均达到约 1.7×10?10 的阿伦偏差（ADEV），展示了得益于高 Q 谐振器而获得的优异短期稳定性。然而，双温箱配置抑制了长平均时间下 ADEV 的增长，在 τ=1000 秒时将 ADEV 维持在约 1.6×10?10，而单温箱操作为 9.5×10?9，并且在 32 小时内表现出 0.85 ppb/h 的平均净漂移率。结果表明，高 Q 谐振器和外部腔室热稳定分别在实现短期和长期频率稳定性方面发挥了作用。[2026-0044]