以CMEMS技術(shù)生產(chǎn)的振蕩器，正逐漸在市場上嶄露頭角。CMEMS技術(shù)系在單晶粒中整合CMOS和MEMS電路，以實現(xiàn)更高整合度的MEMS振蕩器，可消除傳統(tǒng)雙晶粒MEMS振蕩器和石英振蕩器的諸多缺陷，并提高溫度和頻率穩(wěn)定性，因而備受市場矚目。

石英振蕩器由石英諧振器和振蕩器積體電路(IC)組成，它們被封裝在一個陶瓷載體中(圖1)。陶瓷載體由金屬蓋密閉，以防止裝配的元件遭受損壞，并確保在元件生命周期內(nèi)具備良好的頻率穩(wěn)定性。振蕩器IC利用石英材料的壓電效能，透過使用電路反饋方法創(chuàng)建具備特定頻率的諧振或振蕩，而該特定頻率可由晶體諧振器的大小和形狀決定。石英振蕩器明顯的缺點之一是供應(yīng)商須要設(shè)計和制造許多不同尺寸的石英晶體諧振器，以便支援客戶的各種頻率需求。  

圖1    傳統(tǒng)石英和雙晶粒MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)
石英振蕩器的制造過程是從合成石英錠上切割石英晶片開始，然后石英晶片再經(jīng)過多種材料加工步驟，包括連續(xù)拋光和X射線檢測。這個過程最終結(jié)果是獲得針對特定頻率(例如25MHz)而設(shè)計的石英諧振器。電極被沉積到諧振器上，然后諧振器安裝在具備傳導(dǎo)環(huán)氧樹脂材料的陶瓷封裝中，并和振蕩器IC電氣連接。在采用金屬蓋密封陶瓷封裝之前，須要執(zhí)行最終的頻率調(diào)諧步驟，這是利用被沉積在石英振蕩器上的材料去精確調(diào)諧諧振器頻率。制造流程中的材料制程良率問題對于訂制頻率常導(dǎo)致較長的交貨周期，而對于標準頻率常導(dǎo)致不可預(yù)知的交貨時間。  

雙晶粒MEMS振蕩器　增加設(shè)計成本及復(fù)雜性

盡管石英振蕩器長期做為時序基準，但是有許多電子行業(yè)已經(jīng)了解這些元件的缺點并試圖改善。首先，機械沖擊和振動會危害石英諧振器，導(dǎo)致元件不能正常工作或者增加振蕩器的輸出相位雜訊。其次，在85℃或更高溫度下進行石英振蕩器操作會引起過早的元件故障或極大的頻率偏移。最后，為了適應(yīng)更小陶瓷封裝而縮小晶體諧振器尺寸，將會帶來制造和可靠性方面的挑戰(zhàn)，形成邁向更小封裝元件過程中的阻力。  

為了減輕石英振蕩器技術(shù)缺陷所造成的影響，典型的微機電系統(tǒng)(MEMS)材料現(xiàn)在正被用于制造三維諧振結(jié)構(gòu)。這些MEMS諧振器采用高度專業(yè)的半導(dǎo)體制程技術(shù)，具備在真空中制造和封存的優(yōu)勢，是確實可行的石英諧振器替代產(chǎn)品。  

MEMS振蕩器通常由連接的諧振器晶粒及互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)振蕩器晶粒構(gòu)成(圖1)。這些所謂的雙晶粒MEMS振蕩器是當前市場上典型的第一代MEMS振蕩器。第一代雙晶粒MEMS振蕩器消除石英振蕩器所需的復(fù)雜制造技術(shù)，為振蕩器制程帶來重要的進步。  

此外，用于石英振蕩器的高成本陶瓷封裝和金屬蓋也由更具經(jīng)濟成本的塑膠封裝所替代。最終，由于在矽晶粒上使用精密半導(dǎo)體設(shè)備進行大量制造，大幅提升了諧振器的良率。  

除了第一代MEMS元件強化了振蕩器制造流程之外，還有進一步的改善空間去匹配石英解決方案效能，并保持CMOS生產(chǎn)線的靈活性和擴展性。雙晶粒方法須要在諧振器晶粒和振蕩器晶粒之間進行引線接合(Wire Bonding)。這些引線接合增加了設(shè)計成本和復(fù)雜性，并且提供了雜訊耦合進入振蕩器電路的路徑。  

此外，引線接合的自感應(yīng)特性使得高效能應(yīng)用中的電路設(shè)計變得更加復(fù)雜，而高效能應(yīng)用恰恰須要使用高頻率諧振器。溫度穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性也由于快速漂移的MEMS元件和補償電路的分離而低于標準，導(dǎo)致系統(tǒng)無法快速回應(yīng)瞬熱變化。最后，供應(yīng)鏈問題也令人頭疼，這是因為諧振器晶粒所需的材料產(chǎn)量很低，專業(yè)化半導(dǎo)體工廠與生產(chǎn)振蕩器晶粒的大量CMOS工廠相比沒有得到更多的改進。  

CMOS+MEMS制程　提高振蕩器溫度/頻率穩(wěn)定性
如圖2所示，透過在單晶粒中整合MEMS和CMOS技術(shù)，可以消除傳統(tǒng)的雙晶粒MEMS振蕩器解決方案和基于石英的解決方案中的許多缺陷。 


圖2    單晶粒CMEMS振蕩器
芯科實驗室(Silicon Labs)提出的CMEMS技術(shù)，即可實現(xiàn)這種單晶粒振蕩器解決方案，可在CMOS晶圓上進行MEMS結(jié)構(gòu)后處理，并充分利用大量晶圓制造的可擴展性。換言之，CMEMS制程允許研發(fā)人員在CMOS晶圓上直接構(gòu)建MEMS結(jié)構(gòu)。 

使用單晶矽材料的傳統(tǒng)MEMS制程無法直接建構(gòu)于CMOS電路之上，主要因為這些需要高溫(>1000℃)材料將會破壞底層的CMOS電路。新型的CMEMS制程采用稱為復(fù)晶矽鍺(Poly-SiGe)的MEMS材料，它使用非常低的制造溫度，適合在CMOS晶圓上構(gòu)建MEMS結(jié)構(gòu)，同時保持晶體材料的優(yōu)秀機械屬性。 

傳統(tǒng)雙晶粒MEMS解決方案中一個值得改進的關(guān)鍵是諧振器溫度穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的MEMS諧振器從單晶矽或相似材料中構(gòu)建，它們與各自材料彈性屬性的溫度系數(shù)緊密相關(guān)，因此導(dǎo)致頻率漂移(Frequency Drift)范圍較大(-30?-40ppm/℃)。其結(jié)果是，溫度補償電路必須持續(xù)監(jiān)視諧振器的溫度，并校準輸出頻率以便維持在元件工作溫度范圍內(nèi)(通常為-40?85℃)±10ppm的目標。 

透過合并二氧化矽狹縫到新型的CMEMS諧振器結(jié)構(gòu)，諧振器的頻率漂移能夠減少十倍以上，即小于±1ppm/℃。這種特性以及在底層CMOS晶粒上整合MEMS諧振器，使得振蕩器設(shè)計得到顯著改進。事實上，這也增強了頻率穩(wěn)定性，因為諧振器更緊密地與底層CMOS溫度感測器相耦合，能夠更直接感應(yīng)溫度變化和更密集的進行調(diào)控。最終獲得一個可在全溫度范圍內(nèi)改善頻率穩(wěn)定性的低成本、低功耗溫度補償電路。 

目前，采用CMEMS制程的首款單晶粒MEMS振蕩器產(chǎn)品已經(jīng)問世。如圖3所示，CMEMS諧振器為鎖頻環(huán)路(FLL)提供了穩(wěn)定的頻率參考，因此壓控振蕩器(VCO)的固有頻率漂移被鎖定到CMEMS諧振器的穩(wěn)定性。溫度補償電路監(jiān)視諧振器的溫度和對FLL進行糾錯，以確保穩(wěn)定的頻率輸出。這種架構(gòu)支援32kHz?100MHz的頻率范圍，MEMS振蕩器支援用戶選擇的1、2或4個不同的頻率。為了提供最大的靈活性，開發(fā)人員能夠透過單線控制介面程式設(shè)計他們自己的頻率?？蛻魧τ陬l率、輸出上升和下降時間、輸出啟動操作和振蕩器功耗模式等配置能夠在制造測試階段編程到非揮發(fā)性記憶體。無論客戶進行哪種配置，支援可編程裝置配置的能力，使得交貨時間可縮短至兩周以內(nèi)。  [!--empirenews.page--]


圖3    單晶粒CMEMS諧振器方塊圖
正如前面提到的，振蕩器的一項關(guān)鍵指標是保持其輸出頻率在生命周期和溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。典型的石英振蕩器通常能夠提供20ppm或50ppm的總體穩(wěn)定度，這包括由于老化或環(huán)境操作溫度變化引起的頻率偏移。 

我們從一項測試來看振蕩器如何回應(yīng)溫度變化：使振蕩器通過瞬冷噴射觀察產(chǎn)生的瞬間溫度變化，如圖4所示。圖中的比較顯示了每個元件經(jīng)受瞬冷噴射后不同晶體振蕩器受到的頻率沖擊，包括三個不同的晶體振蕩器、三個不同的雙晶粒MEMS振蕩器和一個單晶粒CMEMS振蕩器。我們從這些測試結(jié)果中可以看到，CMEMS振蕩器變化范圍在1ppm內(nèi)，而其他晶體和雙晶粒MEMS振蕩器則有顯著的變化，大約在30?150ppm范圍。CMEMS振蕩器出色的溫度可靠性成為一個佐證，機械溫度補償和溫度補償電路的補償速度能夠在單晶片元件中相互作用。 


圖4    瞬冷條件下XO、MEMS和單晶粒CMEMS振蕩器的穩(wěn)定性
振蕩器的另一個關(guān)鍵指標是長期穩(wěn)定性。為了理解元件老化而引起的頻率漂移程度，通常使振蕩器工作在極高的溫度環(huán)境下以便加速老化過程。這項測試的結(jié)果如圖5所示，它包括各種晶體振蕩器、傳統(tǒng)雙晶粒MEMS元件和單晶粒CMEMS振蕩器。 


圖5    老化條件下XO、MEMS和單晶粒CMEMS振蕩器的長期穩(wěn)定性
從這個實驗可以看到，CMEMS元件表現(xiàn)出顯著的低頻率偏移特性，而傳統(tǒng)晶體和雙晶粒MEMS振蕩器的頻率偏移與老化時間相關(guān)，時間越長頻率偏移越大。 

單晶粒CMEMS技術(shù)建構(gòu)極佳　訊號完整性

單晶粒CMEMS技術(shù)在CMOS振蕩器電路和MEMS諧振器之間構(gòu)建極佳的訊號完整性。由于采用半導(dǎo)體導(dǎo)孔而不是接合線連接振蕩器電路和諧振器，因此振蕩器設(shè)計被大幅簡化，而接合線的自感應(yīng)系數(shù)也大幅降低。CMEMS技術(shù)也簡化了與更高頻率MEMS諧振器協(xié)同電路設(shè)計的過程，有助于于減少抖動。此外，與雙晶粒MEMS振蕩器相關(guān)的封裝成本也比單晶粒的解決方案更高，單晶粒解決方案使用更傳統(tǒng)的半導(dǎo)體封裝而不是多晶粒模組(MCM)封裝。 

所有MEMS振蕩器必須進行溫度補償。在單晶粒的解決方案中，MEMS諧振器和溫度感測器的位置彼此靠近，使得溫度感測器跟蹤諧振器溫度變化的效能更佳。因此，溫度感測器和諧振器之間的熱遲滯時間大幅縮短，進一步提升了溫度穩(wěn)定性。 

單晶粒CMEMS振蕩器使用被動溫度補償?shù)闹C振器，與傳統(tǒng)雙晶粒架構(gòu)中的MEMS振蕩器相比具備更低的溫度漂移。這種單晶粒能使用簡單、低功耗和更小晶粒面積的溫度補償電路，同時獲得極佳溫度穩(wěn)定性。 

單晶粒CMEMS振蕩器也提供比傳統(tǒng)石英以及MEMS振蕩器更佳的可制造性、更快的交貨時間和更具競爭力的效能。其實，其他CMEMS產(chǎn)品的可能性幾乎是無限的，這為滿足需要高效能解決方案、各種頻率和功率預(yù)算以及高度單晶粒整合的新興市場提供了機會。 

(本文作者為芯科實驗室副總裁暨時序產(chǎn)品總經(jīng)理)