CMOS+MEMS融合技术重新定义传统频率控制市场

　　各种电子系统中最基本的组件是由石英晶体振荡器提供的定时参考。虽然首颗晶体振荡器诞生已经近百年，但在过去的几十年中除了晶体材料的加工工艺有所提升，以及振荡器电路技术有所发展之外，基本设计原理没有多大改变。直到最近，也没有几个石英振荡器的替代产品出现，究其原因在于石英谐振器极佳的稳定性和高Q值特性简化了构建已知特性振荡器的过程。

　　图1. 传统石英和双晶片MEMS振荡器结构

　　石英振荡器由石英谐振器和振荡器集成电路组成，它们被封装在一个陶瓷载体中，如图1所示。陶瓷载体由金属盖密闭，以阻止装配的组件被损坏，并确保在器件生命周期内具有良好的频率稳定性。振荡器集成电路利用石英材料的压电性能，通过使用电反馈方法创建具有特定频率的谐振或振荡，而该特定频率可由晶体谐振器的大小和形状决定。石英振荡器一个明显的缺点是需要供应商去设计和制造许多不同尺寸的石英晶体谐振器，以便支持客户的各种频率需求。

　　石英振荡器的加工过程是从合成石英锭上切割晶体毛坯开始的，然后晶体毛坯再经过多种材料加工步骤，包括连续抛光和X射线检测。这个过程最终结果是获得针对特定频率(例如25MHz)而设计的石英谐振器。电极被沉积到谐振器上，谐振器然后安装在具有传导环氧树脂材料的陶瓷封装中并电气连接到振荡器集成电路，如图1所示。在采用金属盖密封陶瓷封装之前，需要执行最终的频率调谐步骤，使用这些被沉积在石英振荡器上的材料去精确调谐谐振器频率。加工流程中的材料工艺良率问题对于定时频率常导致较长的交货周期，而对于标准频率常导致不可预知的交货时间。

　　尽管石英振荡器长期作为定时基准，但是这些器件有许多电子行业已经了解并试图减轻影响的缺点。首先，机械冲击和振动能够危害石英谐振器，引起器件不能正常工作或者增加振荡器的输出相位噪声。其次，在85℃或更高温度下进行石英振荡器操作会引起过早的器件故障或极大的频率偏移。最后，为了适应更小陶瓷封装而减小晶体谐振器尺寸，将会带来加工和可靠性方面的挑战，不利于发展更小封装器件。

　　为了减轻石英振荡器技术缺陷所造成的影响，传统的微机电系统(MEMS)材料现在正在被用于制造三维谐振结构。这些MEMS谐振器采用高度专业的半导体加工技术，具有在真空中制造和封存的优势，是切实可行的石英谐振器替代产品。MEMS振荡器通常通过线绑定谐振器晶片到CMOS振荡器晶片，如图1所示。这些所谓的双晶片MEMS振荡器是当前市场上典型的第一代MEMS振荡器。

　　第一代双晶片MEMS振荡器消除了石英振荡器所需的复杂加工技术，为振荡器加工工艺带来重要的进步。此外，用于石英振荡器的高成本陶瓷封装和金属盖由更具经济成本的塑料封装所替代。最终，由于在硅晶片上使用精密半导体设备进行批量制造，谐振器的成品率得到了极大提高。

　　除了第一代MEMS器件带给振荡器加工流程的增强措施之外，还有进一步的改善空间去匹配石英解决方案性能，并保持CMOS加工生产线的灵活性和扩展性。双晶片方法需要在谐振器晶片和振荡器晶片之间进行线绑定。这些绑定线增加了设计成本和复杂性，并且提供了噪声耦合进入振荡器电路的路径。此外，绑定线的自感应特性使得高性能应用中的电路设计变得更加复杂，而高性能应用恰恰需要使用高频率谐振器。温度稳定性和短期稳定性也由于快速漂移的MEMS器件和补偿电路的分离而低于标准，系统无法快速响应骤热变化。最后，供应链问题也令人头疼，这是因为谐振器晶片所需的材料产量很低，专业化半导体工厂与生产振荡器晶片的大批量CMOS工厂相比没有得到更多的优化改进。

　　如图2所示，通过在单体晶片中融合MEMS和CMO​​S技术，可以消除传统的双晶片MEMS振荡器解决方案和基于石英的解决方案中的许多缺陷。Silicon Labs的CMEMS技术是业内这种单体振荡器解决方案的基准，可在CMOS晶圆上进行MEMS结构后处理，并充分利用大批量晶圆加工的扩展性。这种创新的CMOS+MEMS工艺允许在CMOS晶圆上直接构建MEMS结构。

　　图2. 单晶片CMEMS振荡器

　　使用单晶体硅材料的传统MEMS工艺与单体CMOS实现不兼容，主要因为这些需要高温(> 1000℃)材料将会破坏底层的CMOS电路。新型的CMEMS工艺采用称为多晶硅锗(poly-SiGe)的MEMS材料，它使用非常低的加工温度，适合在CMOS晶圆上构建MEMS结构，同时保持晶体材料的优秀机械属性。

　　传统双晶片MEMS解决方案中谐振器的温度稳定性仍有待提升。传统的MEMS谐振器从单晶硅或相似材料中构建，它们与各自材料弹性属性的温度系数紧密相关，从而导致较大的-30至-40ppm/℃的频率漂移。其结果是，温度补偿电路必须持续监视谐振器的温度，并校准输出频率以便维持在器件工作温度范围内+/-10ppm的目标，其典型温度范围在-40℃至85℃。

　　通过整合二氧化硅缝隙到新型的CMEMS谐振器结构，谐振器的频率漂移能够减少十倍以上，即小于+/-1ppm/℃。这种特性以及在底层CMOS晶片上集成MEMS谐振器，使得振荡器设计得到显著改进。事实上，这也增强了频率稳定性，因为谐振器更紧密的与底层CMOS温度传感器相耦合，能够更直接感应温度变化和更密集的进行调控。最终获得一个可在全温度范围内改善频率稳定性的低成本、低功耗温度补偿电路。

　　图3. 单晶片CMEMS谐振器框图

　　Silicon Labs公司的Si50x CMEMS振荡器系列产品是业界首款单晶片MEMS振荡器产品。如图3所​​示，CMEMS谐振器为频率锁定环路(FLL)提供了稳定的频率参考，因此压控振荡器(VCO)的固有频率漂移被锁定到CMEMS谐振器的稳定性。温度补偿电路监视谐振器的温度和对FLL进行纠错，以确保稳定的频率输出。这种架构支持频率范围32kHz-100MHz，MEMS振荡器支持用户选择的单、双或四路差分频率。为了最大的灵活性，开发人员能够通过单线控制接口编程他们自己的频率。客户对于频率、输出上升和下降时间、输出使能操作和振荡器功耗模式等配置能够在加工测试阶段编程到非易失性存储器。无论客户进行哪种配置，支持可编程设备配置的能力为小于两周的超短交货时间提供了操作平台。

　　正如前面提到的，振荡器的一项关键指标是保持其输出频率在生命周期和温度范围内的稳定性。典型的石英振荡器通常能够提供20ppm或50ppm的总体稳定度，这包括由于老化或环境操作温度变化引起的频率偏移。如何测试振荡器响应温度变化?可以使振荡器通过骤冷喷射观察产生的瞬间温度变化，如图4所示。图中的比较显示了每个器件经受骤冷喷射后不同晶体振荡器受到的频率冲击，包括三个不同的晶体振荡器、三个不同的双晶片MEMS振荡器和一个Silicon Labs单晶片Si501 CMEMS振荡器。我们从这些测试结果中可以看到，CMEMS振荡器变化范围在1ppm内，而其他晶体和双晶片MEMS振荡器则具有显著的变化，大约在30-150ppm范围。Si501 CMEMS振荡器出色的温度可靠性成为一个佐证，机械温度补偿和温度补偿电路的补偿速度能够在单体器件中相互作用。

　　图4. 骤冷条件下各种XO、MEMS和单晶片CMEMS振荡器的稳定性

　　振荡器的另一个关键指标是长期稳定性。为了理解器件老化而引起的频率漂移程度，通常使振荡器工作在极高的温度环境下以便加速老化过程。这种测试的结果如图5所示，它包括各种晶体振荡器、传统双晶片MEMS器件和单晶片Si501 CMEMS振荡器。从这个实验我们可以看到，CMEMS器件表现出显著的低频率偏移特性，而传统晶体和双晶片MEMS振荡器的频率偏移与老化时间相关，时间越长频率偏移越大。

　　图5. 老化条件下各种XO、MEMS和单晶片CMEMS振荡器的长期稳定性

　　总结

　　单晶片CMEMS技术在CMOS振荡器电路和MEMS谐振器之间构建了极佳的信号完整性，由于采用半导体过孔而不是绑定线连接振荡器电路和谐振器。因此振荡器设计被大大简化，而绑定线的自感也大大降低。CMEMS技术也简化了与更高频率MEMS谐振器协同电路设计的过程，可被用于减少抖动。此外，与双晶片MEMS振荡器相关的封装成本也比单晶片的解决方案更高，单晶片解决方案使用更传统的半导体封装而不是多芯片模组(MCM)封装。

　　所有MEMS振荡器必须进行温度补偿，在单晶片的解决方案中，MEMS谐振器和温度传感器的位置彼此靠近，使得温度传感器更好的跟踪谐振器的温度变化。因此，温度传感器和谐振器之间的热滞后时间大大缩短，进一步提升了温度稳定性。

　　Silicon Labs的单晶片CMEMS振荡器使用被动温度补偿的谐振器，与传统双晶片架构中的MEMS振荡器相比具有更低的温度漂移。这种单晶片能够使用简单、低功耗和更小晶片面积的温度补偿电路，同时获得极佳的温度稳定性。CMEMS振荡器也提供了比传统石英和MEMS振荡器更佳的可制造性、更快的交货时间和更具竞争力的性能。

　　随着Si50x CMEMS振荡器系列产品的推出，Silicon Labs将持续提供创新性、颠覆性的频率控制产品改写定时产品市场历史。Si50x系列产品是首款针对成本敏感的大批量工业、嵌入式和消费市场的基于CMEMS的产品，其他可能基于CMEMS的产品事实上几乎是无限的，这为满足需要高性能解决方案、各种频率和功率预算以及高级别单芯片集成的新兴市场提供了机会。