CMOS 氧化物中的温度不敏感纳米机械谐振器

《Nature Communications》：Temperature-insensitive nanomechanical resonators in CMOS oxides

　　

摘要

近百年来，石英一直是稳定时钟生成材料的首选，这得益于其独特的温度不敏感刚度，使其在宽温度范围内频率变化仅为百万分之几。然而，石英无法与硅单片集成，亚百万分之一或十亿分之一级的石英模块需要离散封装，并配备温度传感和补偿电路，或采用恒温控制晶体振荡器实现方案，从而增加了封装体积、装配复杂度和功耗。这些局限性限制了在计算、无线通信以及在无法使用全球定位系统条件下的导航中分布式节能时钟的可扩展性。在此，我们介绍了一种互补金属氧化物半导体兼容的谐振器平台，该平台通过将表现出相变诱导异常弹性的氧化铪-氧化锆与二氧化硅结合，实现了温度不敏感的机械响应。这种组合能够同时补偿频率的一阶和二阶温度系数，并结合电场控制的刚度调节以实现频率稳定和参量有效品质因数放大。所得谐振器在被动补偿下频率稳定度约为百万分之九，在主动补偿下为十亿分之七，覆盖120 °C范围（?40 °C至80 °C），为单片集成、热稳健的频率参考提供了可行途径。