Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)

CMEMS振蕩器簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)介

CMEMS 技術(shù)是由領(lǐng)先的時(shí)序解決方案供應(yīng)商Silicon Labs開發(fā)的一種創(chuàng)新的CMOS+MEMS制造工藝。CMEMS是CMOS首字母和MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的縮寫。CMEMS技術(shù)提供了許多超越傳統(tǒng)振蕩器制造方法的好處，包括可擴(kuò)展性、客戶可編程性、0天樣品生成以及長(zhǎng)期的可靠性和性能。本白皮書將主要介紹CMEMS工藝技術(shù)、目前的混合振蕩器架構(gòu)和Si501/2/3/4（Si50x）CMEMS振蕩器架構(gòu)。其它相關(guān)的主題白皮書，可瀏覽網(wǎng)站：www.silabs.com/cmems。

晶體振蕩器簡(jiǎn)介

每年30億美元的頻率控制市場(chǎng)已經(jīng)由石英晶體和基于石英的振蕩器占據(jù)了幾十年，幾乎所有類型的電子設(shè)備都依賴一小片由機(jī)器加工的石英巖的發(fā)揮作用去生成至少一種可能的操作頻率。圖1顯示了傳統(tǒng)的基于石英的振蕩器及其組成。

圖1. 晶體振蕩器組成

在過去的幾十年里，石英制造業(yè)已經(jīng)達(dá)到了新的成熟水平，它能夠提供更小、更薄和更高頻率的解決方案。雖然這些制造進(jìn)步是重要且顯而易見的，但是就所需的工藝步驟來(lái)說，整個(gè)過程沒有發(fā)生太大變化。

制造工藝從一片空白的石英開始，它被切割、研磨、拋光、電鍍，然后進(jìn)一步處理以獲得其所需的輸出頻率。在這一系列初始的大致步驟之后，工藝流程不斷改進(jìn)石英晶體以滿足所需的規(guī)格。在每一個(gè)步驟中，各組成部件的產(chǎn)出都有可能受到影響。當(dāng)石英晶體與硅放大器一起被密封在陶瓷封裝時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)直到最終封裝完成后才能進(jìn)行產(chǎn)量評(píng)估和性能測(cè)試。圖2展示了極其復(fù)雜的石英晶體制造工藝的頂層流程概況，它支持即使沒有上千種也有上百種針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)特定頻率的獨(dú)特晶體形狀和切片。

圖2.晶體振蕩器生產(chǎn)步驟

2004年，Silicon Labs公司推出了石英振蕩器（XO）系列產(chǎn)品，這些XO利用創(chuàng)新和專利的混合信號(hào)專業(yè)技術(shù)，從單一基于晶體的參考頻率中生成任意的頻率輸出。這種革命性的技術(shù)稱為DSPLL^®，可獲得與最高性能晶體振蕩器類似的性能，但它不需要不同頻率所需的特定晶體，因此最小化了大部分晶體制造工藝流程，包括特定的切片和電鍍。這種方法把從接收訂單到交付樣片所需的時(shí)間從幾周縮短到兩周內(nèi)。通過使用批量生產(chǎn)的單一晶體頻率，它也消除了供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)?；贒SPLL的XO已經(jīng)被廣泛用于電子行業(yè)，并且成為Silicon Labs公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)。

隨著CMEMS的出現(xiàn)，Silicon Labs又一次為頻率控制市場(chǎng)帶來(lái)重要的技術(shù)進(jìn)步。CMEMS采用微機(jī)械半導(dǎo)體諧振器取代XO中的晶體諧振元件。CMEMS是一種經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，它能夠把高性能MEMS直接構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)的具有先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的CMOS晶圓（<180nm）上。結(jié)合Silicon Labs混合信號(hào)的專業(yè)知識(shí)，CMEMS技術(shù)可以采用單一參考頻率生成幾乎所有頻率輸出，并且輸出頻率與大批量生產(chǎn)的晶體振蕩器一樣穩(wěn)定。

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品是首款采用CMEMS技術(shù)的產(chǎn)品。它針對(duì)關(guān)注功耗和尺寸的大批量、低成本應(yīng)用而優(yōu)化，例如在工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)類電子市場(chǎng)。更多即將到來(lái)的CMEMS產(chǎn)品也將支持其它有特殊需求的高性能市場(chǎng)，例如超低功耗和多同步頻率。

頻率控制中的MEMS和CMEMS

在過去的十年中，MEMS振蕩器已經(jīng)進(jìn)入基于石英晶體的頻率控制市場(chǎng)。類似于石英振蕩器設(shè)計(jì)，這些MEMS振蕩器采用雙組件“混合”架構(gòu)，包括兩種物理差異明顯的組件：諧振器和放大器，還有相關(guān)電路。圖3顯示了MEMS振蕩器和XO —— 這種混合架構(gòu)的兩個(gè)示例。

圖3. 雙組件振蕩器架構(gòu)對(duì)比

這些結(jié)構(gòu)之間的相似性是顯而易見的：每一個(gè)都有兩個(gè)組件，一個(gè)是振蕩器裸片（Die），一個(gè)是諧振器。另一個(gè)不太明顯的相似性是：和晶體一樣，混合振蕩器中的MEMS結(jié)構(gòu)是在專業(yè)化的高端晶圓廠中加工制造而成。這些工廠聚焦于特殊的材料和工藝制造，包括磨蝕化學(xué)品和極端高溫。然而，不像晶體，這些代工廠的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)才剛剛開始，這可能導(dǎo)致對(duì)供應(yīng)持續(xù)性的擔(dān)憂。

不同于標(biāo)準(zhǔn)的XO，基于MEMS的器件使用基板裸片內(nèi)的溫度補(bǔ)償去抵消全溫度范圍內(nèi)諧振器的頻率偏移，也稱為它的溫度系數(shù)。使用兩個(gè)分離的組件在諧振器和基板CMOS IC中的CMOS溫度傳感器和相關(guān)補(bǔ)償電路之間產(chǎn)生了一個(gè)重要的熱遲延。當(dāng)CMOS老化后，溫度傳感器測(cè)量上的錯(cuò)誤以及它的熱遲延能夠?qū)е螺^大的頻率補(bǔ)償誤差，并最終反映到頻率輸出。CMEMS技術(shù)采用它的集成化設(shè)計(jì)和諧振器材料構(gòu)成和分布克服了這個(gè)弱點(diǎn)，這將在后面的文中進(jìn)行討論。

另一個(gè)可以改善混合MEMS+IC架構(gòu)的地方就是復(fù)雜的封裝，如圖3所示，以及提升它在加工復(fù)雜度、成本、CMOS設(shè)計(jì)和總體性能上的性能。首先最為明顯的是封裝和成本差異，晶體振蕩器和其它MEMS解決方案需要使用環(huán)氧樹脂和/或封裝接合線以物理方式把諧振器連接到放大器。例如，在圖3中，MEMS需要六條封裝接合線連接諧振器到它的基板。這種方法增加了成本、故障點(diǎn)和復(fù)雜度。混合MEMS成本也受到諧振器和CMOS基板晶圓代工廠的影響，它們每一家都有自己的利潤(rùn)需求和晶圓工藝步驟。總之，雙組件架構(gòu)和封裝的復(fù)雜性帶來(lái)成本、可靠性、供給和加工上的挑戰(zhàn)。

CMEMS工藝概述

CMEMS晶圓級(jí)的工藝流程頂層視圖如圖4所示。它以標(biāo)準(zhǔn)的鈍化和平整后的CMOS為開始（如圖4（a）所示），多晶鍺硅（Poly-SiGe）和純鍺（Ge）的表面是采用微機(jī)械化的，以便在CMOS電路和互連結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建完整的MEMS設(shè)備（如圖4（b）所示）。Silicon Labs專利的CMEMS工藝技術(shù)能夠使用這些材料創(chuàng)建微機(jī)械結(jié)構(gòu)，而不會(huì)破壞底層的CMOS IC。

圖4. 頂層CMEMS工藝概述

MEMS結(jié)構(gòu)在創(chuàng)建完整振蕩器系統(tǒng)的CMOS晶圓上完成生長(zhǎng)后，CMEMS振蕩器就可以在真空中使用易熔的晶圓級(jí)綁定進(jìn)行封裝（如圖4（c）所示）。這種方法為諧振器創(chuàng)建了一個(gè)超潔凈和高質(zhì)量的氣密性真空環(huán)境。那時(shí)在晶圓上就包含了完整的可工作的振蕩器系統(tǒng)，能夠在生產(chǎn)線上進(jìn)行工藝探測(cè)和質(zhì)量監(jiān)控。CMEMS方法的獨(dú)特之處是為基于MEMS的振蕩器在大規(guī)模測(cè)試、成本和工藝改善上邁出了重要的一大步。

晶圓探測(cè)之后，裸片可以被分割，再用標(biāo)準(zhǔn)模塑復(fù)合物封裝，塑料封裝可來(lái)自不同的頂級(jí)供應(yīng)商（如圖4（d）所示）。同樣，這是CMEMS的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榕c混合架構(gòu)所需的多芯片模組或密封陶瓷封裝相比，這種封裝工藝更簡(jiǎn)單、更可靠和具有成本效益。

Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)概述Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)概述

Silicon Labs基于CMEMS的振蕩器架構(gòu)與目前為止使用的混合架構(gòu)相比提供了更簡(jiǎn)潔的方法。CMEMS 裸片如圖5所示。

圖5. 不帶晶圓蓋（左）和帶晶圓蓋（右）的CMEMS器件

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品重用了許多Silicon Labs基于晶體振蕩器系列產(chǎn)品中所采用的DSPLL技術(shù)，但是它進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)以便減少功耗和降低成本。它特別適用于大批量工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)類市場(chǎng)的需求，而同時(shí)現(xiàn)有的Silicon Labs基于晶體振蕩器系列產(chǎn)品服務(wù)于通信和網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)。

Si50x諧振器結(jié)構(gòu)是帶有二氧化硅（SiO2）狹縫的正方形金屬板，如圖6所示。在專利的CMEMS諧振器架構(gòu)中有幾個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新，它包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錨放置點(diǎn)、跳躍結(jié)構(gòu)和材料布局。金屬板被設(shè)計(jì)用于避免對(duì)寄生模式敏感，它是通過調(diào)整材料變動(dòng)和分布、形狀、結(jié)構(gòu)尺寸的影響而實(shí)現(xiàn)的。

圖6. Si50x CMEMS諧振器影像

諧振器的SiO2狹縫是材料組成和MEMS架構(gòu)設(shè)計(jì)中Silicon Labs CMEMS知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。而其它MEMS諧振器采用單晶硅或類似性質(zhì)材料進(jìn)行制造。就自身而言，它們本質(zhì)上與各個(gè)材料的溫度系數(shù)關(guān)聯(lián)，典型值在-30ppm/℃至-40 ppm/℃之間。這些溫度系數(shù)作為極大的增益因子，把噪聲、擠壓和老化轉(zhuǎn)換到時(shí)鐘同步電路中，因此，可能在輸出上獲得相對(duì)較大的頻率誤差和噪聲。正如前面所討論的，當(dāng)MEMS諧振器與CMOS基板物理分離時(shí)，CMOS溫度傳感器的測(cè)量誤差被放大了，從而用于判斷諧振器溫度的精度被降低，特別是在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)材料和電路不斷老化的情況下。其結(jié)果是，如果補(bǔ)償電路沒有針對(duì)這些溫度系數(shù)所產(chǎn)生的頻率漂移進(jìn)行很好的設(shè)計(jì)，振蕩器的頻率精度可能會(huì)隨著時(shí)間而衰減。

與此相反，CMEMS諧振器采用兩種材料制造：多晶鍺硅（poly-SiGe）和二氧化硅（SiO2）。如圖7所示，SiO2有一個(gè)與SiGe相反的溫度系數(shù)。Si50x諧振器中對(duì)這些材料溫度系數(shù)的平衡和設(shè)計(jì)生成個(gè)位數(shù)ppm/℃的溫度系數(shù)，如圖8所示。這種復(fù)合材料補(bǔ)償提供了諧振器的被動(dòng)補(bǔ)償，允許CMOS系統(tǒng)使用更小、更簡(jiǎn)單、更低電能和更高成本效率的電路，以便更精確的補(bǔ)償整個(gè)產(chǎn)品運(yùn)行生命周期中的頻率漂移。

圖7. 模擬的SiO2和SiGe未補(bǔ)償?shù)臏囟认禂?shù)曲線圖顯示±30-40ppm/℃

圖8. 被動(dòng)補(bǔ)償?shù)腟iGe+SiO2諧振器曲線圖（紅線）顯示~1ppm/℃溫度系數(shù)

例如，如果諧振器有較大的溫度系數(shù)，降低諧振器溫度系數(shù)意味著來(lái)自溫度傳感器的隨機(jī)測(cè)量波動(dòng)（噪聲）將按照更小的因數(shù)成比例關(guān)系驅(qū)動(dòng)頻率鎖環(huán)路（FLL）產(chǎn)生預(yù)期的輸出時(shí)鐘。因此，一個(gè)更低功率（高噪聲）的溫度傳感器能夠用于獲得與未補(bǔ)償諧振器相同的性能等級(jí)。此外，因?yàn)楸粍?dòng)補(bǔ)償?shù)闹C振器的溫度系數(shù)與未補(bǔ)償?shù)闹C振器（~-1ppm 對(duì) ~-30ppm）相比低5%，因此任何由老化引起的溫度計(jì)錯(cuò)誤幾乎不怎么影響振蕩器系統(tǒng)性能。

Si50x CMEMS系列產(chǎn)品使用被動(dòng)補(bǔ)償諧振器作為其參考頻率。它采用成本優(yōu)化的、低功耗數(shù)字FLL架構(gòu)去產(chǎn)生設(shè)備的系統(tǒng)和輸出時(shí)鐘，如圖9所示。FLL使用MEMS參考頻率連同來(lái)自片上數(shù)字控制的VCO的分頻信號(hào)一起驅(qū)動(dòng)頻率比較器，該比較器可生成頻率誤差值并反饋它們給FLL數(shù)字環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器累積并進(jìn)一步連同數(shù)字溫度補(bǔ)償信息一起處理頻率誤差值，生成數(shù)字碼以通過DAC傳輸?shù)絍CO，最終生成目標(biāo)輸出頻率。

圖9. Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)和框圖

該器件也使用溫度補(bǔ)償?shù)男畔⑷サ窒魏蜯EMS振蕩器的溫度漂移。為了使FLL產(chǎn)生數(shù)字溫度補(bǔ)償信息，振蕩器使用高分辨率、低噪聲溫度傳感器和溫度補(bǔ)償算法。在最終測(cè)試中，每個(gè)芯片針對(duì)溫度和MEMS諧振頻率對(duì)進(jìn)行校準(zhǔn)，并把數(shù)值存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器。當(dāng)溫度變動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償電路使用該校準(zhǔn)信息去為FLL器件驅(qū)動(dòng)相關(guān)的高次多項(xiàng)式。采用CMEMS技術(shù)的單芯片集成電路使得頻率控制系統(tǒng)變得快速和精準(zhǔn)。由于整個(gè)系統(tǒng)在密閉的亞微米距離內(nèi)，因此具有非常緊密的熱耦合特性。

圖10. Si50x CMEMS全溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性

完整的FLL過程每秒發(fā)生成千上萬(wàn)次，提供全溫度范圍內(nèi)極好的頻率精確度和穩(wěn)定度，如圖10所示，振蕩器也提供了這種環(huán)路架構(gòu)的低功耗版本，它把FLL采樣周期降低到一個(gè)較長(zhǎng)的周期，并且提供低偏置電路給VCO，這為需要滿足相關(guān)抖動(dòng)規(guī)范的應(yīng)用減少一半以上的功耗。

Si50x振蕩器負(fù)荷測(cè)試性能Si50x振蕩器負(fù)荷測(cè)試性能

使用CMEMS工藝的器件在整個(gè)生命周期、溫度范圍和各種負(fù)荷中提供比其它現(xiàn)有技術(shù)更穩(wěn)定的振蕩器性能。這些好處將會(huì)減少現(xiàn)場(chǎng)故障，提高整個(gè)生命周期內(nèi)的系統(tǒng)可靠性，幫助系統(tǒng)免于外部影響，從而獲得更高可靠性。

使用經(jīng)典的“魔鬼測(cè)試”，包括暴露在驟冷和驟熱環(huán)境中，能夠幫助快速驗(yàn)證CMEMS相關(guān)選項(xiàng)的好處。正如我們之前在圖11和圖12中討論和演示的內(nèi)容，雙組件的解決方案容易受到熱遲延影響，很難進(jìn)行熱環(huán)境下的系統(tǒng)補(bǔ)償，導(dǎo)致操作頻率有很大偏差。換句話說，單片CMEMS解決方案僅有極小的變化。這在非控制的或非預(yù)期的環(huán)境中提供了更好的穩(wěn)定性。值得注意的是在兩幅圖中通過閉合的高精度Y軸坐標(biāo)上展示了Si50x CMEMS振蕩器的變化，而對(duì)于傳統(tǒng)的晶體振蕩器和MEMS振蕩器圖來(lái)說，由于偏差太大，它們?cè)谕瑯痈呔鹊腨軸上難以觀察。

圖11. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器的驟熱測(cè)試結(jié)果

圖12. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器驟冷測(cè)試結(jié)果對(duì)比

與現(xiàn)有的混合技術(shù)相比，CMEMS長(zhǎng)期老化性能也很優(yōu)秀。圖13提供了幾個(gè)晶體和MEMS振蕩器與Si50x CMEMS振蕩器的對(duì)比圖。在這個(gè)圖中，晶體振蕩器根據(jù)MIL-0-5530B在70℃進(jìn)行老化，而所有MEMS和CMEMS器件在125℃進(jìn)行老化，然后推算到相同時(shí)間。此外，CMEMS芯片對(duì)現(xiàn)有的MEMS技術(shù)方法進(jìn)行了相當(dāng)多的改進(jìn)，為采用CMEMS技術(shù)的系統(tǒng)提供了整個(gè)生命周期內(nèi)的更高穩(wěn)定性。

圖13. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器老化測(cè)試結(jié)果對(duì)比

Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品包括針對(duì)工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)電子市場(chǎng)的四種可編程芯片，如表1所示。每種芯片都可通過網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)定制。網(wǎng)絡(luò)定制的樣片可在兩周內(nèi)交付。芯片也可在客戶辦公室使用現(xiàn)場(chǎng)編程器電路板進(jìn)行編程，如圖14所示。這種靈活的可編程性，使得Si50x系列產(chǎn)品可以快速滿足客戶的特殊需求。

表1 - Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品概述

型號(hào)

功能

控制方式

頻率

范圍

頻率穩(wěn)定度

溫度范圍

封裝尺寸

Si501

單頻

輸出使能

32kHz-100MHz

+/- 20ppm

+/- 30ppm

+/- 50ppm

頻率穩(wěn)定性包括初始頻率容限、操作溫度范圍、額定電源電壓變動(dòng)、負(fù)載變動(dòng)、10年老化、撞擊和振動(dòng)。

作為訂購(gòu)選項(xiàng)，所有芯片都支持?jǐn)U展的商業(yè)（-20℃至70℃）和工業(yè)（-40℃至85℃）溫度范圍。

2 x 2.5mm

2.5 x 3.2mm

3.2 x 5mm

封裝可直接替換工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4引腳封裝。

Si502

雙頻

頻率選擇/輸出使能

Si503

四頻

頻率選擇

Si504

可為任意支持的頻率和配置選項(xiàng)編程。

芯片支持專利技術(shù)的單線C1接口。提供示例代碼。

圖14. Si50x現(xiàn)場(chǎng)編程器電路板

如圖15所示，Si50x性價(jià)比是對(duì)Silicon Labs現(xiàn)在用于全球許多復(fù)雜頻率控制應(yīng)用中的高性能晶體振蕩器系列產(chǎn)品的有效補(bǔ)充。Si50x系列產(chǎn)品滿足大批量工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)成本和性能的需求，同時(shí)Silicon Labs晶體振蕩器提供更高性能以滿足更為苛刻的應(yīng)用需求，例如通信和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用。

圖15. Si50x CMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性價(jià)對(duì)比表

結(jié)論

隨著Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品的推出，Silicon Labs延續(xù)了為時(shí)序市場(chǎng)提供創(chuàng)新性、顛覆性頻率控制產(chǎn)品的歷史。CMEMS振蕩器與傳統(tǒng)的石英及MEMS振蕩器產(chǎn)品相比，提供了更優(yōu)秀的可制造性、更快的交貨時(shí)間和更有競(jìng)爭(zhēng)力的性能。Si50x系列產(chǎn)品是首款基于CMEMS的產(chǎn)品，特別適用于成本敏感的大批量工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)市場(chǎng)。基于CMEMS其它產(chǎn)品的可能性幾乎是無(wú)限的，這為滿足需要更高性能解決方案、寬頻率范圍和功率預(yù)算以及更高級(jí)別單芯片集成的新興市場(chǎng)提供了機(jī)遇。