Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)

CMEMS振蕩器簡介

CMEMS 技術(shù)是由領(lǐng)先的時序解決方案供應商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，包括可擴展性、客戶可編程性、0天樣品生成以及長期的可靠性和性能。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。

每年30億美元的頻率控制市場已經(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。雖然這些制造進步是重要且顯而易見的，但是就所需的工藝步驟來說，整個過程沒有發(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，工藝流程不斷改進石英晶體以滿足所需的規(guī)格。在每一個步驟中，各組成部件的產(chǎn)出都有可能受到影響。當石英晶體與硅放大器一起被密封在陶瓷封裝時，整個系統(tǒng)直到最終封裝完成后才能進行產(chǎn)量評估和性能測試。圖2展示了極其復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目標系統(tǒng)特定頻率的獨特晶體形狀和切片。

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，它也消除了供應鏈風險?；贒SPLL的XO已經(jīng)被廣泛用于電子行業(yè)，并且成為Silicon Labs公司的主營業(yè)務。

隨著CMEMS的出現(xiàn)，Silicon Labs又一次為頻率控制市場帶來重要的技術(shù)進步。CMEMS采用微機械半導體諧振器取代XO中的晶體諧振元件。CMEMS是一種經(jīng)過驗證的技術(shù)，它能夠把高性能MEMS直接構(gòu)建在標準的具有先進工藝節(jié)點的CMOS晶圓（<180nm）上。結(jié)合Silicon Labs混合信號的專業(yè)知識，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。它針對關(guān)注功耗和尺寸的大批量、低成本應用而優(yōu)化，例如在工業(yè)、嵌入式和消費類電子市場。更多即將到來的CMEMS產(chǎn)品也將支持其它有特殊需求的高性能市場，例如超低功耗和多同步頻率。

在過去的十年中，MEMS振蕩器已經(jīng)進入基于石英晶體的頻率控制市場。類似于石英振蕩器設(shè)計，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)的兩個示例。

圖3. 雙組件振蕩器架構(gòu)對比

這些結(jié)構(gòu)之間的相似性是顯而易見的：每一個都有兩個組件，一個是振蕩器裸片（Die），一個是諧振器。另一個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，包括磨蝕化學品和極端高溫。然而，不像晶體，這些代工廠的規(guī)模經(jīng)濟效應才剛剛開始，這可能導致對供應持續(xù)性的擔憂。

不同于標準的XO，基于MEMS的器件使用基板裸片內(nèi)的溫度補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)補償電路之間產(chǎn)生了一個重要的熱遲延。當CMOS老化后，溫度傳感器測量上的錯誤以及它的熱遲延能夠?qū)е螺^大的頻率補償誤差，并最終反映到頻率輸出。CMEMS技術(shù)采用它的集成化設(shè)計和諧振器材料構(gòu)成和分布克服了這個弱點，這將在后面的文中進行討論。

另一個可以改善混合MEMS+IC架構(gòu)的地方就是復雜的封裝，如圖3所示，以及提升它在加工復雜度、成本、CMOS設(shè)計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、故障點和復雜度?；旌螹EMS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需求和晶圓工藝步驟?？傊?，雙組件架構(gòu)和封裝的復雜性帶來成本、可靠性、供給和加工上的挑戰(zhàn)。

CMEMS晶圓級的工藝流程頂層視圖如圖4所示。它以標準的鈍化和平整后的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)建微機械結(jié)構(gòu)，而不會破壞底層的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晶圓上完成生長后，CMEMS振蕩器就可以在真空中使用易熔的晶圓級綁定進行封裝（如圖4（c）所示）。這種方法為諧振器創(chuàng)建了一個超潔凈和高質(zhì)量的氣密性真空環(huán)境。那時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)線上進行工藝探測和質(zhì)量監(jiān)控。CMEMS方法的獨特之處是為基于MEMS的振蕩器在大規(guī)模測試、成本和工藝改善上邁出了重要的一大步。

晶圓探測之后，裸片可以被分割，再用標準模塑復合物封裝，塑料封裝可來自不同的頂級供應商（如圖4（d）所示）。同樣，這是CMEMS的一個重要優(yōu)點，因為與混合架構(gòu)所需的多芯片模組或密封陶瓷封裝相比，這種封裝工藝更簡單、更可靠和具有成本效益。

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)，但是它進行了重新設(shè)計以便減少功耗和降低成本。它特別適用于大批量工業(yè)、嵌入式和消費類市場的需求，而同時現(xiàn)有的Silicon Labs基于晶體振蕩器系列產(chǎn)品服務于通信和網(wǎng)絡市場。

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)中有幾個關(guān)鍵的創(chuàng)新，它包括拓撲結(jié)構(gòu)、錨放置點、跳躍結(jié)構(gòu)和材料布局。金屬板被設(shè)計用于避免對寄生模式敏感，它是通過調(diào)整材料變動和分布、形狀、結(jié)構(gòu)尺寸的影響而實現(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)計中Silicon Labs CMEMS知識產(chǎn)權(quán)（IP）中的一個關(guān)鍵組成部分。而其它MEMS諧振器采用單晶硅或類似性質(zhì)材料進行制造。就自身而言，它們本質(zhì)上與各個材料的溫度系數(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)換到時鐘同步電路中，因此，可能在輸出上獲得相對較大的頻率誤差和噪聲。正如前面所討論的，當MEMS諧振器與CMOS基板物理分離時，CMOS溫度傳感器的測量誤差被放大了，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，如果補償電路沒有針對這些溫度系數(shù)所產(chǎn)生的頻率漂移進行很好的設(shè)計，振蕩器的頻率精度可能會隨著時間而衰減。

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有一個與SiGe相反的溫度系數(shù)。Si50x諧振器中對這些材料溫度系數(shù)的平衡和設(shè)計生成個位數(shù)ppm/℃的溫度系數(shù)，如圖8所示。這種復合材料補償提供了諧振器的被動補償，允許CMOS系統(tǒng)使用更小、更簡單、更低電能和更高成本效率的電路，以便更精確的補償整個產(chǎn)品運行生命周期中的頻率漂移。

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

圖8. 被動補償?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)意味著來自溫度傳感器的隨機測量波動（噪聲）將按照更小的因數(shù)成比例關(guān)系驅(qū)動頻率鎖環(huán)路（FLL）產(chǎn)生預期的輸出時鐘。因此，一個更低功率（高噪聲）的溫度傳感器能夠用于獲得與未補償諧振器相同的性能等級。此外，因為被動補償?shù)闹C振器的溫度系數(shù)與未補償?shù)闹C振器（~-1ppm 對 ~-30ppm）相比低5%，因此任何由老化引起的溫度計錯誤幾乎不怎么影響振蕩器系統(tǒng)性能。

Si50x CMEMS系列產(chǎn)品使用被動補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)和輸出時鐘，如圖9所示。FLL使用MEMS參考頻率連同來自片上數(shù)字控制的VCO的分頻信號一起驅(qū)動頻率比較器，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)路濾波器累積并進一步連同數(shù)字溫度補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)字溫度補償信息，振蕩器使用高分辨率、低噪聲溫度傳感器和溫度補償算法。在最終測試中，每個芯片針對溫度和MEMS諧振頻率對進行校準，并把數(shù)值存儲在片上存儲器。當溫度變動時，補償電路使用該校準信息去為FLL器件驅(qū)動相關(guān)的高次多項式。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。由于整個系統(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較長的周期，并且提供低偏置電路給VCO，這為需要滿足相關(guān)抖動規(guī)范的應用減少一半以上的功耗。

使用CMEMS工藝的器件在整個生命周期、溫度范圍和各種負荷中提供比其它現(xiàn)有技術(shù)更穩(wěn)定的振蕩器性能。這些好處將會減少現(xiàn)場故障，提高整個生命周期內(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“魔鬼測試”，包括暴露在驟冷和驟熱環(huán)境中，能夠幫助快速驗證CMEMS相關(guān)選項的好處。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，很難進行熱環(huán)境下的系統(tǒng)補償，導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軸坐標上展示了Si50x CMEMS振蕩器的變化，而對于傳統(tǒng)的晶體振蕩器和MEMS振蕩器圖來說，由于偏差太大，它們在同樣高精度的Y軸上難以觀察。

圖11. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器的驟熱測試結(jié)果

圖12. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器驟冷測試結(jié)果對比

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

圖13. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器老化測試結(jié)果對比

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品包括針對工業(yè)、嵌入式和消費電子市場的四種可編程芯片，如表1所示。每種芯片都可通過網(wǎng)絡或現(xiàn)場定制。網(wǎng)絡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)場編程器電路板進行編程，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

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、負載變動、10年老化、撞擊和振動。

作為訂購選項，所有芯片都支持擴展的商業(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)標準的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)場編程器電路板

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

圖15. Si50x CMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性價對比表

隨著Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品的推出，Silicon Labs延續(xù)了為時序市場提供創(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、更快的交貨時間和更有競爭力的性能。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)、嵌入式和消費市場。基于CMEMS其它產(chǎn)品的可能性幾乎是無限的，這為滿足需要更高性能解決方案、寬頻率范圍和功率預算以及更高級別單芯片集成的新興市場提供了機遇。