从嵌入CMOS MEMS振荡器展望IC设计的潜在变革

摘要： 随着CMOS MEMS振荡器大规模制造技术的成熟，应用将涉及汽车、电视、摄像机、个人电脑、便携式设备等等几乎一切电子设备，本文向中国工程师概要介绍CMOS MEMS谐振器主流技术及行业动态、在IC中嵌入CMOS MEMS振荡器的设计流程以及相关支持工具的发展趋势。

关键词： MEMS，振荡器，CMOS MEMS，IC设计，EDA

MEMS技术将会给几乎所有种类的电子产品带来一场革命，特别是随着CMOS MEMS振荡器大规模制造技术的成熟，消费电子产品制造商、硬盘制造商以及其它产品制造商都将会从中受益，其中包括减少必需材料的使用量、缩短设计时间、提高结构的稳固性及降低能耗等等。

据Sitime公司提供的数据，目前全球石英晶体振荡器市场年规模为30亿美元，每年生产90亿颗石英晶体振荡器，应用涉及汽车、电视、摄像机、个人电脑、便携式设备等等几乎一切电子设备，如图1所示为电子设备中所需振荡器的数量。因此，CMOS MEMS谐振器的推广应用具有真正意义上的颠覆性。本文概要介绍CMOS MEMS谐振器主流技术及行业动态、在IC中嵌入CMOS MEMS振荡器的设计流程以及相关支持工具的发展趋势。

图1  电子设备中所需振荡器的数量
来源：Sitime公司

CMOS MEMS振荡器技术：两大领先公司对决

MEMS振荡器是未来频率控制市场上一个非常重要的产品领域。CMOS MEMS谐振器技术领域里的全球领导者及下一代定时解决方案提供商主要有美国SiTime、Discera和Silicon Clocks等三家公司。目前，Sitime与台积电及JAZZ半导体合作、Discera公司与Vectron International公司合作为电子产品制造商生产MEMS振荡器。它们代表的主流CMOS MEMS振荡器技术分别是：

SiTime的MEMS First和EpiSeal CMOS技术

MEMS First制造工艺技术是在8英寸的SOI(硅绝缘层)晶圆上，以深度离子蚀刻技术，产生出极细小且坚硬的机械结构，作为谐振器。在实际工作时，这些硅谐振器会受到电子信号的引导，而在与晶圆表面水平的方向产生振动。然后，利用EpiSeal CMOS技术，将硅谐振器在高温情况下封装于CMOS硅晶层之下。由于高温处理能够排除蚀刻时产生的空气和污染，因此被封装在硅晶层下的硅谐振器便可处于近乎真空无尘的环境内工作，确保振荡的可靠度与准确度。

据Sitime公司介绍，一片8英寸晶圆可以制作出高达5万颗的硅晶振荡器，以体积来看，比同类型石英组件的体积小1,000倍。此外，就性能相比，不管是就长期稳定性、老化程度和温度补偿特性来看，新产品均不逊于石英装置，反而具备更佳的CMOS集成能力与抗冲击特性。 此外， EpiSeal CMOS技术容许SiTime振荡器舍弃传统的陶瓷封装，改使用任何标准的IC封装技术。

Discera公司的PureSilicon谐振器技术

它是一项拥有专利的基础性技术，基于PureSilicon的CMOS振荡器能够集成进其它基于CMOS的电路中。此外，Discera公司的封装技术容许利用工业标准的、低成本塑模封装技术来提供最小的振荡器器件。

在基于CMOS工艺的MEMS振荡器技术取得重大突破即将转入大规模商业化应用之时，如何加快MEMS振荡器的商用化应用是一个重要课题，为此Discera公司提出了一种业务合作伙伴商业模式，对中国电子行业或许是重大的机会，特别值得关注。

从2006年8月开始，Discera公司旋风般地分别与亚太地区的一流分销商世健科技有限公司、韩国领先的半导体和IT方案提供商MJL Technology有限公司、欧洲的高科技半导体及系统产品供应商Azzurri Technology有限公司、日本的微波器件、组件及子系统主要分销商M-RF公司宣布结成合作伙伴关系，分销Discera公司基于CMOS MEMS振荡器的定时产品。

Discera公司表示，加入其业务合作伙伴(Business Partner)之后，就可以接触其现有的以及快速演变之中的技术和产品，包括Discera独特的、经过验证的基于CMOS工艺的MEMS振荡器技术。通过这种合作伙伴关系，合作双方可以利用Discera的设计规则共同开发具有高集成度的产品，从而满足制造商合作伙伴以及最终数字消费电子及移动应用用户的特殊需要。

从消息面看，Sitime在全球布局方面显得不如Discera主动，后续情况如何，尚要拭目以待。但是，至少有一点是清楚的：CMOS MEMS振荡器入市的时间可能会比人们想象的要快。竞争涉及设计、制造、分销等整个产业链，国际顶级制造商的商业模式创新尤其值得关注。

嵌入MEMS振荡器模块：混合信号设计流程是关键

据市场研究机构WTC预测，从2007年起第一代MEMS振荡器开始大规模商用，其典型的技术指标是：温度稳定性20到100ppm，-40℃ 到85℃；典型的应用为数码相机和数码摄像机以及便携式音频播放器，主要取代传统的晶体振荡器(XO)。第二代MEMS振荡器将针对需要温度补偿的TCXO市场，大约在2008到2009年间上市。MEMS振荡器市场的新玩家Silicon Clocks、NXP和VTI将针对这个市场。第三代MEMS振荡器有望与多个锁相环路集成，实现一个裸片输出多个频率。如图2所示为WTC提供的MEMS振荡器技术发展的路线图。

图2  MEMS振荡器技术发展的路线图

对于即将来临的MEMS应用大潮，中国设计工程师除了采用Sitime和Discera等公司提供的已集成并封装好的MEMS振荡器之外，如何才能把MEMS振荡器模块嵌入到IC之中实现电子系统设计的升级呢？可能是目前值得探讨并关注的重要课题。

对此，美国密歇根州大学的研究人员认为，集成CMOS MEMS振荡器涉及模拟、数字以及微机电系统三大领域，目前，业界尚没有满足所有设计要求的单一设计框架和工具。他们在文献中[3]指出，要综合采用多种EDA工具，其中，Cadence AMS环境用于对微系统技术的系统级开发。此外，在这个过程中，还要采用Spectre工具来进行模拟子系统和晶体管级的设计，用Coventorware对MEMS元器件做有限元分析(FEA)，用Synopsys Design Compiler实现数字综合，用Cadence Silicon Ensemble进行自动布局和布线(APR)，以及采用Mentor Graphics Calibre的工具进行设计规则检查(DRC)和电路与版图一致性验证(LVS)。掌握如此多的工具，对设计工程师来说，无疑是一大挑战，EDA行业有望在这里寻求新的发展机会。

如图3所示为文献[3]详细介绍的一种集成CMOS MEMS时钟参考源的设计流程。它采用的是自顶向下的设计方法，模拟、数字、MEMS三个部分采取并行设计的流程，设计出来的16位混合信号微系统已经在TSMC成功实现流片。

图3  集成CMOS MEMS时钟参考源的混合信号IC设计流程

另一方面，据来自芯片代工厂TSMC的消息， TSMC承诺于2006年提供基于CMOS工艺的MEMS工艺模块；而意法半导体已经投资大约4000万美元改建最先进的MEMS生产线。因此，从密歇根州大学的设计案例以及MEMS器件可制造性两方面判断，随着各方面条件的不断完善，嵌入MEMS振荡器或时钟参考源不久必将成为IC设计行业发展的重要趋势之一。

应对可制造性挑战：先进EDA工具的发展机会

从MEMS器件设计工具领域来看，Coventor公司和Tanner EDA公司是业界的领先公司，目前相关EDA工具的焦点在于解决上千种MEMS工艺所带来的可制造性问题。

Coventor公司针对业界存在的数百个代工厂和上千种MEMS工艺的问题，提供的SEMulator3-D工具方便工艺工程师之间的交流。SEMulator 3-D工具的三维可视性有助于良率分析以及进行优化。用户可以观察到复杂的数据结构和电气/机械连接，观看动态或交互式横截面，测量距离，控制横截面的层属性，导入内部使用的各种CAD格式，操纵三维图像并且保存屏幕画面。SEMulator 3-D工具的输入是GDSII版图文档和工艺库描述。此外，还支持UNV、DXF、Ansys或TCAD等数据格式。据Coventor公司透露，SEMulator 3-D运行在Windows平台上，未来将支持Linux，起价约为25,000美元。

Tanner EDA公司已在其L-Edit微机电系统(MEMS)设计工具中增加设计规则检查(DRC)功能，针对IC设计工程师需要能同时处理MEMS和模拟、数字部分设计的难题，L-Edit MEMS设计工具能够提供一种立即验证功能。据称L-Edit MEMS设计工具起价为1,1995美元。

除了工具方面的支持之外，Coventor公司和剑桥大学的研究人员指出[4]，为了实现低成本和高效率地制造MEMS器件，设计和工艺工程师团队需要采用自顶向下的设计方法，以设计参变量可重用的MEMS元器件，设计过程中包含的工艺特征和材料特性必须经过质量认证和可重用设计，这样才能提高设计效率并最大限度地提供一次流片成功的概率，从而减少开发成本并缩短设计周期。据称，其可制造性(DFM)方法已经被用于两种MEMS制造工艺(金属-氮化物表面和SOI显微机械加工)。

结语

据市场预测，MEMS市场从2005年到2010年五年内将会增长50%左右，预计全球MEMS产品市场到2010年前将达到100亿美元，因此是世界上半导体行业增长最快的市场之一。

随着可制造性技术的成熟，在具有微控制器(MCU)的控制集成电路中嵌入MEMS振荡器或时钟参考源，取代传统的MCU所需要的外围石英晶体振荡器和电容，并集成MEMS传感器及相关模拟电路，以构成智能化的、具备MEMS传感功能的混合信号专用IC，有希望成为IC设计行业发展的重要趋势之一，其潜在应用领域广阔，值得业界关注。

参考文献：

1. Has the time come for MEMS oscillators
2. CMOS MEMS Integration—The Springboard for MEMS Proliferation
3. A 16-Bit Mixed-Signal Microsystem with Integrated CMOS-MEMS Clock Reference
4. Designing Manufacturable MEMS in CMOS Compatible- Methodology and Case Studies
5. MEMS振荡器供应商网站：