单晶粒整合CMOS/MEMS技术　CMEMS振荡器减小温度漂移

以CMEMS技术生产的振荡器，正逐渐在市场上崭露头角。CMEMS技术系在单晶粒中整合CMOS和MEMS电路，以实现更高整合度的MEMS振荡器，可消除传统双晶粒MEMS振荡器和石英振荡器的诸多缺陷，并提高温度和频率稳定性，因而备受市场瞩目。

石英振荡器由石英谐振器和振荡器积体电路(IC)组成，它们被封装在一个陶瓷载体中(图1)。陶瓷载体由金属盖密闭，以防止装配的元件遭受损坏，并确保在元件生命周期内具备良好的频率稳定性。振荡器IC利用石英材料的压电效能，透过使用电路反馈方法创建具备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。石英振荡器明显的缺点之一是供应商须要设计和制造许多不同尺寸的石英晶体谐振器，以便支援客户的各种频率需求。  

图1    传统石英和双晶粒MEMS振荡器结构
石英振荡器的制造过程是从合成石英锭上切割石英晶片开始，然后石英晶片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，然后谐振器安装在具备传导环氧树脂材料的陶瓷封装中，并和振荡器IC电气连接。在采用金属盖密封陶瓷封装之前，须要执行最终的频率调谐步骤，这是利用被沉积在石英振荡器上的材料去精确调谐谐振器频率。制造流程中的材料制程良率问题对于订制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。  

双晶粒MEMS振荡器　增加设计成本及复杂性

尽管石英振荡器长期做为时序基准，但是有许多电子行业已经了解这些元件的缺点并试图改善。首先，机械冲击和振动会危害石英谐振器，导致元件不能正常工作或者增加振荡器的输出相位杂讯。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元件故障或极大的频率偏移。最后，为了适应更小陶瓷封装而缩小晶体谐振器尺寸，将会带来制造和可靠性方面的挑战，形成迈向更小封装元件过程中的阻力。  

为了减轻石英振荡器技术缺陷所造成的影响，典型的微机电系统(MEMS)材料现在正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制程技术，具备在真空中制造和封存的优势，是确实可行的石英谐振器替代产品。  

MEMS振荡器通常由连接的谐振器晶粒及互补式金属氧化物半导体(CMOS)振荡器晶粒构成(图1)。这些所谓的双晶粒MEMS振荡器是当前市场上典型的第一代MEMS振荡器。第一代双晶粒MEMS振荡器消除石英振荡器所需的复杂制造技术，为振荡器制程带来重要的进步。  

此外，用于石英振荡器的高成本陶瓷封装和金属盖也由更具经济成本的塑胶封装所替代。最终，由于在矽晶粒上使用精密半导体设备进行大量制造，大幅提升了谐振器的良率。  

除了第一代MEMS元件强化了振荡器制造流程之外，还有进一步的改善空间去匹配石英解决方案效能，并保持CMOS生产线的灵活性和扩展性。双晶粒方法须要在谐振器晶粒和振荡器晶粒之间进行引线接合(Wire Bonding)。这些引线接合增加了设计成本和复杂性，并且提供了杂讯耦合进入振荡器电路的路径。  

此外，引线接合的自感应特性使得高效能应用中的电路设计变得更加复杂，而高效能应用恰恰须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元件和补偿电路的分离而低于标准，导致系统无法快速回应瞬热变化。最后，供应链问题也令人头疼，这是因为谐振器晶粒所需的材料产量很低，专业化半导体工厂与生产振荡器晶粒的大量CMOS工厂相比没有得到更多的改进。  

CMOS+MEMS制程　提高振荡器温度/频率稳定性
如图2所示，透过在单晶粒中整合MEMS和CMOS技术，可以消除传统的双晶粒MEMS振荡器解决方案和基于石英的解决方案中的许多缺陷。 


图2    单晶粒CMEMS振荡器
芯科实验室(Silicon Labs)提出的CMEMS技术，即可实现这种单晶粒振荡器解决方案，可在CMOS晶圆上进行MEMS结构后处理，并充分利用大量晶圆制造的可扩展性。换言之，CMEMS制程允许研发人员在CMOS晶圆上直接构建MEMS结构。 

使用单晶矽材料的传统MEMS制程无法直接建构于CMOS电路之上，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制程采用称为复晶矽锗(Poly-SiGe)的MEMS材料，它使用非常低的制造温度，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。 

传统双晶粒MEMS解决方案中一个值得改进的关键是谐振器温度稳定性。传统的MEMS谐振器从单晶矽或相似材料中构建，它们与各自材料弹性属性的温度系数紧密相关，因此导致频率漂移(Frequency Drift)范围较大(-30?-40ppm/℃)。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元件工作温度范围内(通常为-40?85℃)±10ppm的目标。 

透过合并二氧化矽狭缝到新型的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晶粒上整合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，因为谐振器更紧密地与底层CMOS温度感测器相耦合，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。 

目前，采用CMEMS制程的首款单晶粒MEMS振荡器产品已经问世。如图3所示，CMEMS谐振器为锁频环路(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。这种架构支援32kHz?100MHz的频率范围，MEMS振荡器支援用户选择的1、2或4个不同的频率。为了提供最大的灵活性，开发人员能够透过单线控制介面程式设计他们自己的频率。客户对于频率、输出上升和下降时间、输出启动操作和振荡器功耗模式等配置能够在制造测试阶段编程到非挥发性记忆体。无论客户进行哪种配置，支援可编程装置配置的能力，使得交货时间可缩短至两周以内。  [!--empirenews.page--]


图3    单晶粒CMEMS谐振器方块图
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。 

我们从一项测试来看振荡器如何回应温度变化：使振荡器通过瞬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元件经受瞬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、三个不同的双晶粒MEMS振荡器和一个单晶粒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，而其他晶体和双晶粒MEMS振荡器则有显著的变化，大约在30?150ppm范围。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晶片元件中相互作用。 


图4    瞬冷条件下XO、MEMS和单晶粒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。为了理解元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。这项测试的结果如图5所示，它包括各种晶体振荡器、传统双晶粒MEMS元件和单晶粒CMEMS振荡器。 


图5    老化条件下XO、MEMS和单晶粒CMEMS振荡器的长期稳定性
从这个实验可以看到，CMEMS元件表现出显著的低频率偏移特性，而传统晶体和双晶粒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。 

单晶粒CMEMS技术建构极佳　讯号完整性

单晶粒CMEMS技术在CMOS振荡器电路和MEMS谐振器之间构建极佳的讯号完整性。由于采用半导体导孔而不是接合线连接振荡器电路和谐振器，因此振荡器设计被大幅简化，而接合线的自感应系数也大幅降低。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，有助于于减少抖动。此外，与双晶粒MEMS振荡器相关的封装成本也比单晶粒的解决方案更高，单晶粒解决方案使用更传统的半导体封装而不是多晶粒模组(MCM)封装。 

所有MEMS振荡器必须进行温度补偿。在单晶粒的解决方案中，MEMS谐振器和温度感测器的位置彼此靠近，使得温度感测器跟踪谐振器温度变化的效能更佳。因此，温度感测器和谐振器之间的热迟滞时间大幅缩短，进一步提升了温度稳定性。 

单晶粒CMEMS振荡器使用被动温度补偿的谐振器，与传统双晶粒架构中的MEMS振荡器相比具备更低的温度漂移。这种单晶粒能使用简单、低功耗和更小晶粒面积的温度补偿电路，同时获得极佳温度稳定性。 

单晶粒CMEMS振荡器也提供比传统石英以及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效能。其实，其他CMEMS产品的可能性几乎是无限的，这为满足需要高效能解决方案、各种频率和功率预算以及高度单晶粒整合的新兴市场提供了机会。 

(本文作者为芯科实验室副总裁暨时序产品总经理)