Temperature Compensation of Silicon MEMS Resonators by Multiple Doping

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18666
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Tanaka Shuji 東北大学, 工学研究科, 教授 (00312611)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 駿介 東北大学, 工学研究科, 助教 (50811634)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Keywords: MEMS / 共振子 / 周波数温度特性 / ドーピング

Outline of Final Research Achievements

In this study, we expanded the temperature compensation technology for MEMS resonators to enhance design flexibility. This was accomplished by employing multiple doping conditions for a Si resonant body. Firstly, we developed a method to simulate the temperature characteristic of frequency (TCF) for Si resonators under different doping conditions. Next, by considering a cantilever-type resonator with bending and twisting regions, we demonstrated that the TCF can be minimized by applying distinct doping conditions to each region. Additionally, we fabricated MEMS resonators based on the simulation results and observed that the measured and simulated results were in approximate agreement. This confirmed the validity of the simulation method developed in this study. Furthermore, a local heavy doping method using a spin-on dopant was developed.

Free Research Field

MEMS、センサ

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年、広いセンシングレンジと高分解能を両立するために、周波数変調（FM）方式のMEMSセンサが研究されている。このようなセンサでは、温度による周波数変化がバイアスの発生やスケールファクタの変化に直結するため、周波数温度特性の改善が重要である。これまでに高濃度ドーピングによるSi共振子の温度補正技術が使われていたが、これが有効である共振子構造は限られていた。本研究では、複数の異なるドーピング条件をSi共振子に適用することによって、より高い自由度で周波数補償MEMS共振子を実現できることを示した。本研究成果はFM方式のMEMSセンサの高性能化に利用でき、Society 5.0の発展に貢献しうる。