CMOS+MEMS融合技術(shù)重新定義傳統(tǒng)頻率控制市場

　　各種電子系統(tǒng)中最基本的組件是由石英晶體振蕩器提供的定時參考。雖然首顆晶體振蕩器誕生已經(jīng)近百年，但在過去的幾十年中除了晶體材料的加工工藝有所提升，以及振蕩器電路技術(shù)有所發(fā)展之外，基本設(shè)計原理沒有多大改變。直到最近，也沒有幾個石英振蕩器的替代產(chǎn)品出現(xiàn)，究其原因在于石英諧振器極佳的穩(wěn)定性和高Q值特性簡化了構(gòu)建已知特性振蕩器的過程。

　　圖1. 傳統(tǒng)石英和雙晶片MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)

　　石英振蕩器由石英諧振器和振蕩器集成電路組成，它們被封裝在一個陶瓷載體中，如圖1所示。陶瓷載體由金屬蓋密閉，以阻止裝配的組件被損壞，并確保在器件生命周期內(nèi)具有良好的頻率穩(wěn)定性。振蕩器集成電路利用石英材料的壓電性能，通過使用電反饋方法創(chuàng)建具有特定頻率的諧振或振蕩，而該特定頻率可由晶體諧振器的大小和形狀決定。石英振蕩器一個明顯的缺點是需要供應(yīng)商去設(shè)計和制造許多不同尺寸的石英晶體諧振器，以便支持客戶的各種頻率需求。

　　石英振蕩器的加工過程是從合成石英錠上切割晶體毛坯開始的，然后晶體毛坯再經(jīng)過多種材料加工步驟，包括連續(xù)拋光和X射線檢測。這個過程最終結(jié)果是獲得針對特定頻率(例如25MHz)而設(shè)計的石英諧振器。電極被沉積到諧振器上，諧振器然后安裝在具有傳導(dǎo)環(huán)氧樹脂材料的陶瓷封裝中并電氣連接到振蕩器集成電路，如圖1所示。在采用金屬蓋密封陶瓷封裝之前，需要執(zhí)行最終的頻率調(diào)諧步驟，使用這些被沉積在石英振蕩器上的材料去精確調(diào)諧諧振器頻率。加工流程中的材料工藝良率問題對于定時頻率常導(dǎo)致較長的交貨周期，而對于標(biāo)準(zhǔn)頻率常導(dǎo)致不可預(yù)知的交貨時間。

　　盡管石英振蕩器長期作為定時基準(zhǔn)，但是這些器件有許多電子行業(yè)已經(jīng)了解并試圖減輕影響的缺點。首先，機械沖擊和振動能夠危害石英諧振器，引起器件不能正常工作或者增加振蕩器的輸出相位噪聲。其次，在85℃或更高溫度下進行石英振蕩器操作會引起過早的器件故障或極大的頻率偏移。最后，為了適應(yīng)更小陶瓷封裝而減小晶體諧振器尺寸，將會帶來加工和可靠性方面的挑戰(zhàn)，不利于發(fā)展更小封裝器件。

　　為了減輕石英振蕩器技術(shù)缺陷所造成的影響，傳統(tǒng)的微機電系統(tǒng)(MEMS)材料現(xiàn)在正在被用于制造三維諧振結(jié)構(gòu)。這些MEMS諧振器采用高度專業(yè)的半導(dǎo)體加工技術(shù)，具有在真空中制造和封存的優(yōu)勢，是切實可行的石英諧振器替代產(chǎn)品。MEMS振蕩器通常通過線綁定諧振器晶片到CMOS振蕩器晶片，如圖1所示。這些所謂的雙晶片MEMS振蕩器是當(dāng)前市場上典型的第一代MEMS振蕩器。

　　第一代雙晶片MEMS振蕩器消除了石英振蕩器所需的復(fù)雜加工技術(shù)，為振蕩器加工工藝帶來重要的進步。此外，用于石英振蕩器的高成本陶瓷封裝和金屬蓋由更具經(jīng)濟成本的塑料封裝所替代。最終，由于在硅晶片上使用精密半導(dǎo)體設(shè)備進行批量制造，諧振器的成品率得到了極大提高。

　　除了第一代MEMS器件帶給振蕩器加工流程的增強措施之外，還有進一步的改善空間去匹配石英解決方案性能，并保持CMOS加工生產(chǎn)線的靈活性和擴展性。雙晶片方法需要在諧振器晶片和振蕩器晶片之間進行線綁定。這些綁定線增加了設(shè)計成本和復(fù)雜性，并且提供了噪聲耦合進入振蕩器電路的路徑。此外，綁定線的自感應(yīng)特性使得高性能應(yīng)用中的電路設(shè)計變得更加復(fù)雜，而高性能應(yīng)用恰恰需要使用高頻率諧振器。溫度穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性也由于快速漂移的MEMS器件和補償電路的分離而低于標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)無法快速響應(yīng)驟熱變化。最后，供應(yīng)鏈問題也令人頭疼，這是因為諧振器晶片所需的材料產(chǎn)量很低，專業(yè)化半導(dǎo)體工廠與生產(chǎn)振蕩器晶片的大批量CMOS工廠相比沒有得到更多的優(yōu)化改進。

　　如圖2所示，通過在單體晶片中融合MEMS和CMO??S技術(shù)，可以消除傳統(tǒng)的雙晶片MEMS振蕩器解決方案和基于石英的解決方案中的許多缺陷。Silicon Labs的CMEMS技術(shù)是業(yè)內(nèi)這種單體振蕩器解決方案的基準(zhǔn)，可在CMOS晶圓上進行MEMS結(jié)構(gòu)后處理，并充分利用大批量晶圓加工的擴展性。這種創(chuàng)新的CMOS+MEMS工藝允許在CMOS晶圓上直接構(gòu)建MEMS結(jié)構(gòu)。

　　圖2. 單晶片CMEMS振蕩器

　　使用單晶體硅材料的傳統(tǒng)MEMS工藝與單體CMOS實現(xiàn)不兼容，主要因為這些需要高溫(> 1000℃)材料將會破壞底層的CMOS電路。新型的CMEMS工藝采用稱為多晶硅鍺(poly-SiGe)的MEMS材料，它使用非常低的加工溫度，適合在CMOS晶圓上構(gòu)建MEMS結(jié)構(gòu)，同時保持晶體材料的優(yōu)秀機械屬性。

　　傳統(tǒng)雙晶片MEMS解決方案中諧振器的溫度穩(wěn)定性仍有待提升。傳統(tǒng)的MEMS諧振器從單晶硅或相似材料中構(gòu)建，它們與各自材料彈性屬性的溫度系數(shù)緊密相關(guān)，從而導(dǎo)致較大的-30至-40ppm/℃的頻率漂移。其結(jié)果是，溫度補償電路必須持續(xù)監(jiān)視諧振器的溫度，并校準(zhǔn)輸出頻率以便維持在器件工作溫度范圍內(nèi)+/-10ppm的目標(biāo)，其典型溫度范圍在-40℃至85℃。

　　通過整合二氧化硅縫隙到新型的CMEMS諧振器結(jié)構(gòu)，諧振器的頻率漂移能夠減少十倍以上，即小于+/-1ppm/℃。這種特性以及在底層CMOS晶片上集成MEMS諧振器，使得振蕩器設(shè)計得到顯著改進。事實上，這也增強了頻率穩(wěn)定性，因為諧振器更緊密的與底層CMOS溫度傳感器相耦合，能夠更直接感應(yīng)溫度變化和更密集的進行調(diào)控。最終獲得一個可在全溫度范圍內(nèi)改善頻率穩(wěn)定性的低成本、低功耗溫度補償電路。

　　圖3. 單晶片CMEMS諧振器框圖

　　Silicon Labs公司的Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品是業(yè)界首款單晶片MEMS振蕩器產(chǎn)品。如圖3所??示，CMEMS諧振器為頻率鎖定環(huán)路(FLL)提供了穩(wěn)定的頻率參考，因此壓控振蕩器(VCO)的固有頻率漂移被鎖定到CMEMS諧振器的穩(wěn)定性。溫度補償電路監(jiān)視諧振器的溫度和對FLL進行糾錯，以確保穩(wěn)定的頻率輸出。這種架構(gòu)支持頻率范圍32kHz-100MHz，MEMS振蕩器支持用戶選擇的單、雙或四路差分頻率。為了最大的靈活性，開發(fā)人員能夠通過單線控制接口編程他們自己的頻率。客戶對于頻率、輸出上升和下降時間、輸出使能操作和振蕩器功耗模式等配置能夠在加工測試階段編程到非易失性存儲器。無論客戶進行哪種配置，支持可編程設(shè)備配置的能力為小于兩周的超短交貨時間提供了操作平臺。

　　正如前面提到的，振蕩器的一項關(guān)鍵指標(biāo)是保持其輸出頻率在生命周期和溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。典型的石英振蕩器通常能夠提供20ppm或50ppm的總體穩(wěn)定度，這包括由于老化或環(huán)境操作溫度變化引起的頻率偏移。如何測試振蕩器響應(yīng)溫度變化?可以使振蕩器通過驟冷噴射觀察產(chǎn)生的瞬間溫度變化，如圖4所示。圖中的比較顯示了每個器件經(jīng)受驟冷噴射后不同晶體振蕩器受到的頻率沖擊，包括三個不同的晶體振蕩器、三個不同的雙晶片MEMS振蕩器和一個Silicon Labs單晶片Si501 CMEMS振蕩器。我們從這些測試結(jié)果中可以看到，CMEMS振蕩器變化范圍在1ppm內(nèi)，而其他晶體和雙晶片MEMS振蕩器則具有顯著的變化，大約在30-150ppm范圍。Si501 CMEMS振蕩器出色的溫度可靠性成為一個佐證，機械溫度補償和溫度補償電路的補償速度能夠在單體器件中相互作用。

　　圖4. 驟冷條件下各種XO、MEMS和單晶片CMEMS振蕩器的穩(wěn)定性

　　振蕩器的另一個關(guān)鍵指標(biāo)是長期穩(wěn)定性。為了理解器件老化而引起的頻率漂移程度，通常使振蕩器工作在極高的溫度環(huán)境下以便加速老化過程。這種測試的結(jié)果如圖5所示，它包括各種晶體振蕩器、傳統(tǒng)雙晶片MEMS器件和單晶片Si501 CMEMS振蕩器。從這個實驗我們可以看到，CMEMS器件表現(xiàn)出顯著的低頻率偏移特性，而傳統(tǒng)晶體和雙晶片MEMS振蕩器的頻率偏移與老化時間相關(guān)，時間越長頻率偏移越大。

　　圖5. 老化條件下各種XO、MEMS和單晶片CMEMS振蕩器的長期穩(wěn)定性

　　總結(jié)

　　單晶片CMEMS技術(shù)在CMOS振蕩器電路和MEMS諧振器之間構(gòu)建了極佳的信號完整性，由于采用半導(dǎo)體過孔而不是綁定線連接振蕩器電路和諧振器。因此振蕩器設(shè)計被大大簡化，而綁定線的自感也大大降低。CMEMS技術(shù)也簡化了與更高頻率MEMS諧振器協(xié)同電路設(shè)計的過程，可被用于減少抖動。此外，與雙晶片MEMS振蕩器相關(guān)的封裝成本也比單晶片的解決方案更高，單晶片解決方案使用更傳統(tǒng)的半導(dǎo)體封裝而不是多芯片模組(MCM)封裝。

　　所有MEMS振蕩器必須進行溫度補償，在單晶片的解決方案中，MEMS諧振器和溫度傳感器的位置彼此靠近，使得溫度傳感器更好的跟蹤諧振器的溫度變化。因此，溫度傳感器和諧振器之間的熱滯后時間大大縮短，進一步提升了溫度穩(wěn)定性。

　　Silicon Labs的單晶片CMEMS振蕩器使用被動溫度補償?shù)闹C振器，與傳統(tǒng)雙晶片架構(gòu)中的MEMS振蕩器相比具有更低的溫度漂移。這種單晶片能夠使用簡單、低功耗和更小晶片面積的溫度補償電路，同時獲得極佳的溫度穩(wěn)定性。CMEMS振蕩器也提供了比傳統(tǒng)石英和MEMS振蕩器更佳的可制造性、更快的交貨時間和更具競爭力的性能。

　　隨著Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品的推出，Silicon Labs將持續(xù)提供創(chuàng)新性、顛覆性的頻率控制產(chǎn)品改寫定時產(chǎn)品市場歷史。Si50x系列產(chǎn)品是首款針對成本敏感的大批量工業(yè)、嵌入式和消費市場的基于CMEMS的產(chǎn)品，其他可能基于CMEMS的產(chǎn)品事實上幾乎是無限的，這為滿足需要高性能解決方案、各種頻率和功率預(yù)算以及高級別單芯片集成的新興市場提供了機會。