在標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片上集成高精度振蕩器的夢(mèng)想，已經(jīng)由Silicon Labs公司和他們最新推出的Si50x CMEMS振蕩器系列變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
2010年，Silicon Labs通過(guò)收購(gòu)一家名為Silicon Clocks的公司，獲得了在大批量生產(chǎn)中把MEMS架構(gòu)直接構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓上，實(shí)現(xiàn)完全集成的、高可靠性的“CMOS+MEMS”(又稱(chēng)CMEMS) 技術(shù)，從而為推出單晶片(single-die)振蕩器解決方案，用以替代工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用中的通用型晶體振蕩器(XO)，以及MEMS和傳統(tǒng)硅振蕩器奠定了基礎(chǔ)。
“CMEMS振蕩器具有更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度?！盨ilicon Labs 公司副總裁暨時(shí)序產(chǎn)品總經(jīng)理Mike Petrowski說(shuō)，“這是頻率控制市場(chǎng)的重要技術(shù)進(jìn)步。通過(guò)結(jié)合MEMS和XO兩者的最好特性，我們能夠?yàn)槌杀竞凸氖芟薜那度胧?、工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用提供最佳的通用型振蕩器解決方案?！?
Si50x是首個(gè)采用Silicon Labs CMEMS技術(shù)的產(chǎn)品系列，由于在單晶片上了集成MEMS諧振器和CMOS振蕩器電路，其能夠在CMOS工廠(chǎng)進(jìn)行大批量生產(chǎn)制造，應(yīng)用目標(biāo)則鎖定于數(shù)碼相機(jī)、存儲(chǔ)和內(nèi)存、ATM機(jī)、POS機(jī)和多功能打印機(jī)等領(lǐng)域。
中芯國(guó)際(SMIC)負(fù)責(zé)Si50x振蕩器的生產(chǎn)制造。Mike Petrowski認(rèn)為，SMIC擁有一流的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝生產(chǎn)線(xiàn)，支持完整振蕩器系統(tǒng)的晶圓探測(cè)，易于獲得最高級(jí)的質(zhì)量和工藝控制。同時(shí)，由于CMEMS振蕩器是集成的單片IC，配合采用廣泛生產(chǎn)的模塑復(fù)合物4引腳封裝，可再次確保可預(yù)見(jiàn)和可靠的供應(yīng)鏈。
與Silicon Labs所有其他振蕩器產(chǎn)品一樣，Si50x振蕩器可提供網(wǎng)絡(luò)定制的2周樣品交付周期，也可通過(guò)Silicon Labs銷(xiāo)售合作伙伴在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)即刻編程。此外，Si50x振蕩器與現(xiàn)有的石英或MEMS振蕩器引腳和封裝兼容，可實(shí)現(xiàn)快速便捷的替換解決方案。
Silicon Labs Si501/2/3/4 CMEMS振蕩器現(xiàn)已量產(chǎn)，具有三種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4引腳DFN封裝尺寸：2mm×2.5mm、2.5mm×3.2mm和3.2mm×5mm。在一萬(wàn)顆采購(gòu)量，Si50x振蕩器單價(jià)為0.44美元起。為了方便CMEMS振蕩器評(píng)估和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，Silicon Labs還提供Si501-2-3-4-EVB評(píng)估套件，價(jià)格為99美元，包括預(yù)編程的Si504器件和適合各封裝尺寸的開(kāi)放插座，以方便客戶(hù)評(píng)估。
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CMEMS=COMS+MEMS
與任何其他集成MEMS的方法相比，CMEMS技術(shù)可以在CMOS電路上直接進(jìn)行MEMS器件的模塊化后處理，這是獨(dú)一無(wú)二的。Silicon Labs方面稱(chēng)，CMEMS是首個(gè)可以在先進(jìn)RF/混合信號(hào)CMOS技術(shù)(≤0.18μm)上直接進(jìn)行高質(zhì)量MEMS層后處理的技術(shù)，通過(guò)結(jié)合Silicon Labs混合信號(hào)的專(zhuān)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。下圖展示了CMEMS制造的基本流程：
圖1. CMEMS制造基本流程
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(a)起始材料以鈍化和平面化CMOS晶片形式存在，(b)多晶SiGe采用表面微機(jī)械形式生成集成的MEMS器件，(c)他們?cè)谡婵罩型ㄟ^(guò)晶圓級(jí)綁定。整個(gè)完成的晶圓繼續(xù)探測(cè)，(d)裸片成型和標(biāo)準(zhǔn)化小尺寸打包裝配，像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS產(chǎn)品。
CMEMS諧振器采用兩種材料制造：多晶鍺硅(poly-SiGe)和二氧化硅(SiO2)。其中，SiO2狹縫是Silicon Labs CMEMS知識(shí)產(chǎn)權(quán)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。Mike Petrowski解釋稱(chēng)，SiO2具備與SiGe相反的溫度系數(shù)。這種復(fù)合材料設(shè)計(jì)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。此外，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錨放置點(diǎn)、跳躍結(jié)構(gòu)和材料布局等，也被視作CMEMS諧振器架構(gòu)中的關(guān)鍵創(chuàng)新之處。
圖2. Si50x CMEMS諧振器影像
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本文下一頁(yè)：Si50x振蕩器不受驟冷驟熱影響
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在經(jīng)典的“魔鬼測(cè)試”中，即暴露在驟冷和驟熱環(huán)境下，能夠幫助快速驗(yàn)證CMEMS相關(guān)選項(xiàng)的好處。Silicon Labs提供的數(shù)據(jù)顯示，雙組件(Two-Die)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(huà)說(shuō)，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(guò)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(shuō)，由于偏差太大，它們?cè)谕瑯痈呔鹊腨軸上難以觀察。
圖3. Si50x振蕩器不受驟冷影響
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圖4. Si50x振蕩器不受驟熱影響
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圖5. Si50x與XO在-40至85℃時(shí)輸出頻率穩(wěn)定性對(duì)比
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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6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6. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器老化測(cè)試結(jié)果對(duì)比
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Si50x CMEMS振蕩器支持32kHz-100MHz之間的任意頻率。頻率穩(wěn)定性選項(xiàng)包括±20ppm、±30ppm和±50ppm，運(yùn)行溫度范圍支持商業(yè)應(yīng)用(-20℃至+70℃)和工業(yè)應(yīng)用(-40℃至+85℃)。CMEMS振蕩器還提供豐富的現(xiàn)場(chǎng)和工廠(chǎng)可編程特性，包括低功耗和低周期抖動(dòng)模式、可編程的上升/下降時(shí)間，以及可配置高/低輸出使能功能。
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責(zé)編：Quentin
