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Article Dans Une Revue Microsystem Technologies Année : 2019

High Q 2D-length extension mode resonators for potential time–frequency applications

Résonateurs à haut Q en mode d'extension 2D pour possibles applications temps-fréquence

Résumé

This paper presents recent advances on two dimensional length-extension mode (2D-LEM) quartz resonators providing high quality (Q) factor on resonances at a few MHz. The resonators have been collectively manufactured using one or two steps quartz deep reactive-ion etching (DRIE) processes. These resonators combine the intrinsic qualities of quartz in comparison to silicon (i.e. high Q factor, low temperature sensitivity and piezoelectricity) and the advantages of microelectromechanical systems (MEMS) resonators: small dimensions, low power consumption and collective processes. Samples vibrating at frequencies f of 2.2, 3 and 4.5 MHz have shown promising results with very high Q factor. Q factor as high as 180,000 for fundamental mode vibrating at 2.2 MHz and 89,000 for harmonic mode at 8.9 MHz were measured which lead to quality factor and resonance frequency products (Q·f) figure of merit near 10^12 Hz at the state of the art for 2D-LEM quartz resonators and the higher Q factor measured for DRIE made quartz resonators. Two designs, several dimensions and two processes have been investigated. Two main limiting damping mechanisms were identified and one of them is strongly linked to the technological limits of the etching process.
Ce document présente les avancées récentes sur les résonateurs à quartz en mode d'extension bidimensionnelle de la longueur (2D-LEM) qui fournissent facteur de haute qualité (Q) sur les résonances à quelques MHz. Les résonateurs ont été fabriqués collectivement en utilisant un ou deux étapes des processus de gravure profonde par ions réactifs du quartz (DRIE). Ces résonateurs combinent les qualités intrinsèques du quartz dans par rapport au silicium (facteur Q élevé, faible sensibilité à la température et piézoélectricité) et les avantages de la microélectromécanique les résonateurs des systèmes MEMS : petites dimensions, faible consommation d'énergie et processus collectifs. Des échantillons vibrant à des fréquences f de 2,2, 3 et 4,5 MHz ont donné des résultats prometteurs avec un facteur Q très élevé. Le facteur Q comme jusqu'à 180 000 pour le mode fondamental vibrant à 2,2 MHz et 89 000 pour le mode harmonique à 8,9 MHz ont été mesurés qui conduisent à un facteur de qualité et à des produits de fréquence de résonance (Qxf) d'un mérite proche de 10^12 Hz à l'état de l'art pour Les résonateurs à quartz 2D-LEM et le facteur Q plus élevé mesuré pour le MEIR ont fait des résonateurs à quartz. Deux modèles, plusieurs et deux processus ont été étudiés. Deux principaux mécanismes d'amortissement limitatifs ont été identifiés et l'un des est fortement liée aux limites technologiques du processus de gravure.
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hal-02470334 , version 1 (07-02-2020)

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Citer

Paul Chapellier, Pierre Lavenus, Olivier Le Traon, Bernard Dulmet. High Q 2D-length extension mode resonators for potential time–frequency applications. Microsystem Technologies, 2019, pp.1-12. ⟨10.1007/s00542-019-04575-0⟩. ⟨hal-02470334⟩
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