A 7.25 μ K Ultrahigh Resolution MEMS Resonant Thermometer

温度计 微电子机械系统 温度测量 分辨率(逻辑) 材料科学 光电子学 电气工程 物理 光学 工程类 计算机科学 量子力学 人工智能
作者
Z. Wang,Liangbo Ma,Xiaorui Bie,Xingyin Xiong,Zhaoyang Zhai,Wuhao Yang,Yongjian Lu,Xudong Zou
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:24 (8): 12161-12168
标识
DOI:10.1109/jsen.2024.3370956
摘要

This article proposes an ultrahigh-resolution MEMS resonant thermometer that exploits differences in Young's modulus and coefficient of thermal expansion (CTE) between structural layers to increase thermal stress due to temperature variation. The increased thermal stress eventually acts on the resonator to produce a large frequency shift, and the temperature coefficient of frequency (TCF) can be increased to 17.4 times the original, which is consistent with theoretical analysis and finite element method simulations. The MEMS resonator chip is manufactured by the standard silicon-on-insulator (SOI) process and stacked on a ceramic chip carrier through multiple layers of materials. A self-sustaining oscillator, mainly composed of a packaged MEMS resonator chip and a low-noise application-specific integrated circuit (ASIC), is built to track the resonant frequency shift of the resonator. This MEMS resonant thermometer prototype demonstrates a high TCF of −866.84 ppm/K from −50 °C to 40 °C and exhibits good linearity. An ultrahigh resolution of $7.25 ~\mu \text{K}$ is achieved in the closed-loop experimental test. This is the best result achieved for a MEMS thermometer employing the resonant sensing paradigm to date.
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