【導(dǎo)讀】市場上的各種電子產(chǎn)品都會使用到晶體或晶體振蕩器，而隨著需求的增大，使得更小、更薄、頻率更高的晶體出現(xiàn)了。特別是MEMS振蕩器，憑借絕佳的可靠性，可提供具有成本優(yōu)勢的各種封裝尺寸等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。本文要講解的是如何整合MEMS+CMOS技術(shù)，助你更好控制頻率？
20世紀(jì)中期以來，頻率控制的市場就是由石英晶體諧振器和石英振蕩器所主導(dǎo)的。甚至到了今天，幾乎所有的電子設(shè)備在某方面仍是依賴機械石英晶體來產(chǎn)生多種可能運行頻率中的至少一種。現(xiàn)今市場上有無數(shù)的電子器件，從吉他擴音器到腕表，從智能手機到叉車等，其中絕大多數(shù)都使用晶體或晶體振蕩器(XO)。
由于電子市場每年要用到無數(shù)的晶體，龐大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)促進(jìn)了石英晶體和石英振蕩器的制造精密程度達(dá)到了新高——提供了更小、更薄、頻率更高的解決方案。在此之前，可行的石英晶體替代方案屈指可數(shù)，因為石英壓電諧振器的特性和穩(wěn)定性眾所皆知，所以很容易做出性能可靠的晶體振蕩器。
可是過去幾年來，效仿?lián)碛袃蓚€元件(諧振器和放大器)架構(gòu)的晶體振蕩器的微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器已打入了頻率控制市場。這些MEMS振蕩器具有絕佳的可靠性，并且可提供具有成本優(yōu)勢的各種封裝尺寸，尤其是在晶體振蕩器上屬于高成本結(jié)構(gòu)的小巧型封裝。此外，通過引進(jìn)單芯片MEMS解決方案，把MEMS諧振器直接疊放在CMOS放大器基座的上方后，MEMS振蕩器的可靠性、可編程性、溫度穩(wěn)定性和成本水平如今也得以更上一層樓。
晶體振蕩器
晶體振蕩器的工作頻率范圍廣——從幾千赫茲一直到幾百兆赫茲。晶體振蕩器在金屬蓋密封陶瓷封裝中結(jié)合了石英諧振器以及放大器電路。陶瓷封裝和金屬蓋為非常脆弱的晶體提供了強大的防護(hù)罩，使組裝好的元件避免受損。一般來說，放大器電路會充分運用晶體的壓電性，以電反饋來創(chuàng)造特定頻率的共振或振蕩，并由晶體諧振器的大小、切割和電鍍來控制。為了支持電子產(chǎn)業(yè)所需的范圍寬廣的頻率，頻率控制供應(yīng)供應(yīng)商必須設(shè)計、儲存和制造數(shù)百、甚至數(shù)千種不同的定制晶體諧振器。
除了定制晶體諧振器，石英振蕩器解決方案還面臨著制造上的挑戰(zhàn)。在整個晶體市場上，便攜設(shè)備占據(jù)很大的比重。更加輕薄小型的便攜設(shè)備使所有的供應(yīng)商必須提供體積愈來愈小的元件。而隨著所有需求頻率的石英諧振器尺寸的縮減，更小、更脆弱的晶體給制造的復(fù)雜度與可靠性帶來了挑戰(zhàn)，這就為晶體式振蕩器帶來了問題。此外，晶振方案在每個市場上都面臨著一大難題，那就是它們先天上對環(huán)境因素很敏感，像震動、搖晃、熱應(yīng)力和制造上的變化都會造成啟動問題和后續(xù)的使用故障。
MEMS諧振器
過去幾年來，MEMS振蕩器已成為石英解決方案的可行替代方案，原因有幾點。第一，MEMS振蕩器是在以硅材料為基礎(chǔ)(硅工藝，silicon-based processes)的工藝流程中制造，其品質(zhì)管理十分嚴(yán)格，因此只要供應(yīng)商設(shè)計、保障和賦予振蕩器的特性得當(dāng)，所生產(chǎn)的眾多元件都能具備非常可靠的性能。
第二，硅工藝的直接結(jié)果就是符合摩爾定律，亦即處理能力會愈來愈強大，成本會愈來愈低。換句話說，更小、更先進(jìn)的硅器件在成本上勢必會逐漸降低。而遺憾的是，晶振方案則和這項定律背道而馳，亦即材料會隨著它體積的縮小而變得更貴，原因就在于上述的制造難題。此外，隨著晶體的制造變得更難且更貴，其產(chǎn)量也會因為器件愈來愈脆弱與小巧而下降。
第三個優(yōu)點同樣源于硅工藝。屬于硅解決方案的MEMS振蕩器天生就對環(huán)境因素比較有抵抗力。但這并不代表所有的MEMS解決方案在這方面都一樣理想，產(chǎn)品設(shè)計會大大影響到不同的MEMS振蕩器的工作能力。不過，硅解決方案比晶體、尤其是小晶體在抵抗震動與搖晃能力方面更強，這是不爭的事實。
第一代MEMS振蕩器
第一代的MEMS振蕩器跟石英振蕩器的架構(gòu)類似，都是把兩個截然不同的元件結(jié)合起來，一是諧振器，一是能補償諧振器頻率的任何漂移(drift)的放大器IC/基座芯片。采用MEMS使振蕩器的制造大為改善，因為它免除了石英振蕩器所需要的復(fù)雜材料處理技術(shù)，并且把石英振蕩器所使用成本較高的陶瓷封裝和金屬蓋換成了比較經(jīng)濟(jì)實惠的塑料封裝。
不過，這種第一代的做法在先天上還是受到石英振蕩器所使用的雙重元件架構(gòu)的限制。這些限制首先表現(xiàn)在兩個元件的封裝復(fù)雜，同時電路數(shù)量至少是類似的單晶式組裝所需要的兩倍。這會使得封裝比較昂貴，潛在失效點也會比類似的單晶/組裝工藝要多。
另一層限制是，雙重元件的解決方案缺乏能夠有效補償所有溫度變化的能力，而這也是晶振方案所面臨的問題。這點是因為雙重元件(諧振器和放大器/基座)所組成的系統(tǒng)必須同步運行。基座則是在補償由溫度造成的諧振器的頻率變化。由于兩種器件沒有整合，而是各自獨立并靠多條焊線相連，因此當(dāng)溫度變化時，它們并不會同步運行。這種缺乏直接聯(lián)系的情形會造成這些系統(tǒng)在溫度變化時產(chǎn)生偏移。事實上，在溫度變動的多種情況下，晶體振蕩器的表現(xiàn)還是比多芯片的MEMS器件要好。
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第二代MEMS振蕩器
近期在工藝技術(shù)上的新進(jìn)展使MEMS振蕩器得以直接制造在CMOS基座芯片的上方。這是很大的進(jìn)步，原因有幾點。第一，在標(biāo)準(zhǔn)代工廠里制造單芯片時，成本會低于用多家代工廠的元件來制作雙芯片解決方案，或是制造晶體式解決方案。第二，在單芯片的架構(gòu)中，諧振器是直接和基座補償與放大器芯片整合起來的，等于是單一的整合系統(tǒng)，穩(wěn)定性一流，能克服晶體和第一代MEMS所應(yīng)付不了的震動、搖晃、老化和溫度波動等問題。最后，一如摩爾定律所示，單芯片解決方案比以往的解決方案提供了更大的彈性與作用，其價位一般來說也比較低。
CMEMS技術(shù)(CMOS和MEMS這兩個縮寫的簡稱)的問世實現(xiàn)了MEMS和CMOS的單芯片整合。這項獨特的技術(shù)與工藝是由Silicon Labs聯(lián)合其他領(lǐng)先的代工業(yè)者開發(fā)而成。CMEMS是同類工藝的先驅(qū)，它能把高質(zhì)量的MEMS層直接構(gòu)建于先進(jìn)CMOS技術(shù)之上，而成為單一的單芯片。Silicon Labs的首批CMEMS產(chǎn)品是MEMS振蕩器，在設(shè)計上可提供10年的可靠性保障，不受震動與搖晃的影響，靈活的可編程方式滿足許多的應(yīng)用需求，在溫度變化的環(huán)境中展現(xiàn)優(yōu)異的性能。
探討單芯片的優(yōu)點
第一代雙重芯片MEMS振蕩器的架構(gòu)必須把MEMS諧振器芯片和振蕩器芯片線焊起來，所以會增加成本、復(fù)雜度，以及多芯片模塊(MCM)設(shè)計中的許多失效點。再者，在第一代雙重芯片的解決方案中，MEMS諧振器是由位于歐洲的專業(yè)MEMS代工廠所打造，制造成本多半比在亞洲要高。這些MEMS諧振器的晶圓會經(jīng)過單一化(singulated)，再跟位于遠(yuǎn)東成本較低的代工廠所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片共同封裝。
CMEMS振蕩器是由世界第二大標(biāo)準(zhǔn)CMOS代工廠中芯國際(SMIC)所打造。CMEMS諧振器采用應(yīng)用廣泛價格便宜的硅鍺(SiGe)材料直接建構(gòu)于CMOS之上。這種工藝創(chuàng)新使CMEMS解決方案得以受惠于單一來源的較低成本晶圓，而避免了多芯片和大量焊線所導(dǎo)致的裕量堆棧(margin stacking)與復(fù)雜封裝。
溫度補償
跟雙重芯片的架構(gòu)比起來，單芯片CMEMS振蕩器在性能上還有別的優(yōu)勢。基于上述的種種原因，雙重芯片的架構(gòu)所提供的輸出頻率可能會受到溫度變化的負(fù)面影響。
如圖1所示，把領(lǐng)先的晶體振蕩器、第一代MEMS振蕩器和Silicon Labs的CMEMS暴露在溫度快速變化的情形中來測量輸出頻率的穩(wěn)定性。理想的結(jié)果是Y軸的零值沒有產(chǎn)生變化，這代表溫度的變化并沒有使輸出頻率改變。
圖1：溫度驟冷對晶體振蕩器、第一代MEMS和CMEMS的影響。
晶體振蕩器(XO)所產(chǎn)生的頻率偏移達(dá)到了宣稱的20 ppm的兩倍，第一代MEMS解決方案所產(chǎn)生的頻率偏移則達(dá)到了20ppm規(guī)格的八倍。這兩種解決方案跟CMEMS形成了強烈的對比，CMEMS和目標(biāo)頻率相差不到1ppm。
Si50x CMEMS振蕩器概述
圖2顯示了Silicon Labs Si50x CMEMS振蕩器的單芯片架構(gòu)。
圖2：Silicon Labs單芯片CMEMS諧振器電路圖。
Si50x振蕩器系列產(chǎn)品可支持32kHz和100MHz之間的分辨率達(dá)到六位數(shù)的任何頻率。此振蕩器系列產(chǎn)品包含了四種基座器件，并可依照供電電壓、輸出升降時間、頻率穩(wěn)定性、溫度支持等來做配置。這些器件在功能上與很多晶體振蕩器和第一代MEMS解決方案兼容，并且是以引腳兼容的4引腳封裝來供應(yīng)(2mm×2.5mm、2.5mm×3.2mm和3.2mm×5mm)。
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