Si50x CMEMS振荡器架构剖析，超越传统振荡器性能

简介

CMEMS 技术是由领先的时序解决方案供应商SILICON LABS开发的一种创新的CMOS+MEMS制造工艺。CMEMS是CMOS首字母和MEMS（微机电系统）的缩写。CMEMS技术提供了许多超越传统振荡器制造方法的好处，包括可扩展性、客户可编程性、0天样品生成以及长期的可靠性和性能。本文将主要介绍CMEMS工艺技术、目前的混合振荡器架构和Si501/2/3/4（Si50x）CMEMS振荡器架构。

晶体振荡器简介

每年30亿美元的频率控制市场已经由石英晶体和基于石英的振荡器占据了几十年，几乎所有类型的电子设备都依赖一小片由机器加工的石英岩的发挥作用去生成至少一种可能的操作频率。图1显示了传统的基于石英的振荡器及其组成。

图1： 晶体振荡器组成

在过去的几十年里，石英制造业已经达到了新的成熟水平，它能够提供更小、更薄和更高频率的解决方案。虽然这些制造进步是重要且显而易见的，但是就所需的工艺步骤来说，整个过程没有发生太大变化。

制造工艺从一片空白的石英开始，它被切割、研磨、抛光、电镀，然后进一步处理以获得其所需的输出频率。在这一系列初始的大致步骤之后，工艺流程不断改进石英晶体以满足所需的规格。在每一个步骤中，各组成部件的产出都有可能受到影响。当石英晶体与硅放大器一起被密封在陶瓷封装时，整个系统直到最终封装完成后才能进行产量评估和性能测试。图2展示了极其复杂的石英晶体制造工艺的顶层流程概况，它支持即使没有上千种也有上百种针对目标系统特定频率的独特晶体形状和切片。

图2：晶体振荡器生产步骤

2004 年，Silicon Labs 公司推出了石英振荡器（XO）系列产品，这些XO 利用创新和专利的混合信号专业技术，从单一基于晶体的参考频率中生成任意的频率输出。这种革命性的技术DSPLL，可获得与最高性能晶体振荡器类似的性能，但它不需要不同频率所需的特定晶体，因此最小化了大部分晶体制造工艺流程，包括特定的切片和电镀。这种方法把从接收订单到交付样片所需的时间从几周缩短到两周内。通过使用批量生产的单一晶体频率，它也消除了供应链风险。基于DSPLL 的XO 已经被广泛用于电子行业，并且成为Silicon Labs 公司的主营业务。

随着CMEMS 的出现，Silicon Labs 又一次为频率控制市场带来重要的技术进步。CMEMS 采用微机械半导体谐振器取代XO 中的晶体谐振元件。CMEMS 是一种经过验证的技术，它能够把高性能MEMS 直接构建在标准的具有先进工艺节点的CMOS 晶圆（<180 nm）上。结合Silicon Labs 混合信号的专业知识，CMEMS 技术可以采用单一参考频率生成几乎所有频率输出，并且输出频率与大批量生产的晶体振荡器一样稳定。

Si50x CMEMS 振荡器系列产品是首款采用CMEMS 技术的产品。它针对关注功耗和尺寸的大批量、低成本应用而优化，例如在工业、嵌入式和消费类电子市场。更多即将到来的CMEMS 产品也将支持其它有特殊需求的高性能市场，例如超低功耗和多同步频率。

频率控制中的MEMS 和CMEMS

在过去的十年中，MEMS 振荡器已经进入基于石英晶体的频率控制市场。类似于石英振荡器设计，这些MEMS 振荡器采用双组件“混合”架构，包括两种物理差异明显的组件：谐振器和放大器，还有相关电路。图3 显示了MEMS 振荡器和XO —— 这种混合架构的两个示例。

图3：双组件振荡器架构对比

这些结构之间的相似性是显而易见的：每一个都有两个组件，一个是振荡器裸片（Die），一个是谐振器。另一个不太明显的相似性是：和晶体一样，混合振荡器中的MEMS结构是在专业化的高端晶圆厂中加工制造而成。这些工厂聚焦于特殊的材料和工艺制造，包括磨蚀化学品和极端高温。然而，不像晶体，这些代工厂的规模经济效应才刚刚开始，这可能导致对供应持续性的担忧。

不同于标准的XO，基于MEMS的器件使用基板裸片内的温度补偿去抵消全温度范围内谐振器的频率偏移，也称为它的温度系数。使用两个分离的组件在谐振器和基板CMOS IC中的CMOS温度传感器和相关补偿电路之间产生了一个重要的热迟延。当CMOS老化后，温度传感器测量上的错误以及它的热迟延能够导致较大的频率补偿误差，并最终反映到频率输出。CMEMS技术采用它的集成化设计和谐振器材料构成和分布克服了这个弱点，这将在后面的文中进行讨论。

另一个可以改善混合MEMS + IC架构的地方就是复杂的封装，如图3所示，以及提升它在加工复杂度、成本、CMOS设计和总体性能上的性能。首先最为明显的是封装和成本差异，晶体振荡器和其它MEMS解决方案需要使用环氧树脂和/或封装接合线以物理方式把谐振器连接到放大器。例如，在图3中，MEMS需要六条封装接合线连接谐振器到它的基板。这种方法增加了成本、故障点和复杂度。混合MEMS成本也受到谐振器和CMOS基板晶圆代工厂的影响，它们每一家都有自己的利润需求和晶圆工艺步骤。总之，双组件架构和封装的复杂性带来成本、可靠性、供给和加工上的挑战。

CMEMS工艺概述

CMEMS晶圆级的工艺流程顶层视图如图4所示。它以标准的钝化和平整后的CMOS为开始（如图4（a）所示），多晶锗硅（Poly-SiGe）和纯锗（Ge）的表面是采用微机械化的，以便在CMOS电路和互连结构上创建完整的MEMS设备（如图4（b）所示）。Silicon Labs专利的CMEMS工艺技术能够使用这些材料创建微机械结构，而不会破坏底层的CMOS IC。

图4.：顶层CMEMS工艺概述

MEMS结构在创建完整振荡器系统的CMOS晶圆上完成生长后，CMEMS振荡器就可以在真空中使用易熔的晶圆级绑定进行封装（如图4（c）所示）。这种方法为谐振器创建了一个超洁净和高质量的气密性真空环境。那时在晶圆上就包含了完整的可工作的振荡器系统，能够在生产线上进行工艺探测和质量监控。CMEMS方法的独特之处是为基于MEMS的振荡器在大规模测试、成本和工艺改善上迈出了重要的一大步。

晶圆探测之后，裸片可以被分割，再用标准模塑复合物封装，塑料封装可来自不同的顶级供应商（如图4（d）所示）。同样，这是CMEMS的一个重要优点，因为与混合架构所需的多芯片模组或密封陶瓷封装相比，这种封装工艺更简单、更可靠和具有成本效益。

Si50x CMEMS振荡器架构概述

Silicon Labs基于CMEMS的振荡器架构与目前为止使用的混合架构相比提供了更简洁的方法。CMEMS 裸片如图5所示。

图5： 不带晶圆盖（左）和带晶圆盖（右）的CMEMS器件

Si50x CMEMS振荡器系列产品重用了许多Silicon Labs基于晶体振荡器系列产品中所采用的DSPLL技术，但是它进行了重新设计以便减少功耗和降低成本。它特别适用于大批量工业、嵌入式和消费类市场的需求，而同时现有的Silicon Labs基于晶体振荡器系列产品服务于通信和网络市场。

Si50x谐振器结构是带有二氧化硅（SiO2）狭缝的正方形金属板，如图6所示。在专利的CMEMS谐振器架构中有几个关键的创新，它包括拓扑结构、锚放置点、跳跃结构和材料布局。金属板被设计用于避免对寄生模式敏感，它是通过调整材料变动和分布、形状、结构尺寸的影响而实现的。

图6： Si50x CMEMS谐振器影像

谐振器的SiO2狭缝是材料组成和MEMS架构设计中Silicon Labs CMEMS知识产权（IP）中的一个关键组成部分。而其它MEMS谐振器采用单晶硅或类似性质材料进行制造。就自身而言，它们本质上与各个材料的温度系数关联，典型值在-30 ppm/℃至-40 ppm/℃之间。这些温度系数作为极大的增益因子，把噪声、挤压和老化转换到时钟同步电路中，因此，可能在输出上获得相对较大的频率误差和噪声。正如前面所讨论的，当MEMS谐振器与CMOS基板物理分离时，CMOS温度传感器的测量误差被放大了，从而用于判断谐振器温度的精度被降低，特别是在整个产品生命周期内材料和电路不断老化的情况下。其结果是，如果补偿电路没有针对这些温度系数所产生的频率漂移进行很好的设计，振荡器的频率精度可能会随着时间而衰减。

与此相反，CMEMS谐振器采用两种材料制造：多晶锗硅（poly-SiGe）和二氧化硅（SiO2）。如图7所示，SiO2有一个与SiGe相反的温度系数。Si50x谐振器中对这些材料温度系数的平衡和设计生成个位数ppm/℃的温度系数，如图8所示。这种复合材料补偿提供了谐振器的被动补偿，允许CMOS系统使用更小、更简单、更低电能和更高成本效率的电路，以便更精确的补偿整个产品运行生命周期中的频率漂移。

图7.：模拟的SiO2和SiGe未补偿的温度系数曲线图显示±30-40 ppm/℃

图8： 被动补偿的SiGe+SiO2谐振器曲线图（红线）显示~1 ppm/℃温度系数

例如，如果谐振器有较大的温度系数，降低谐振器温度系数意味着来自温度传感器的随机测量波动（噪声）将按照更小的因数成比例关系驱动频率锁环路（FLL）产生预期的输出时钟。因此，一个更低功率（高噪声）的温度传感器能够用于获得与未补偿谐振器相同的性能等级。此外，因为被动补偿的谐振器的温度系数与未补偿的谐振器（~-1 ppm 对 ~-30 ppm）相比低5%，因此任何由老化引起的温度计错误几乎不怎么影响振荡器系统性能。

Si50x CMEMS系列产品使用被动补偿谐振器作为其参考频率。它采用成本优化的、低功耗数字FLL架构去产生设备的系统和输出时钟，如图9所示。FLL使用MEMS参考频率连同来自片上数字控制的VCO的分频信号一起驱动频率比较器，该比较器可生成频率误差值并反馈它们给FLL数字环路滤波器。环路滤波器累积并进一步连同数字温度补偿信息一起处理频率误差值，生成数字码以通过DAC传输到VCO，最终生成目标输出频率。

图9：Si50x CMEMS振荡器架构和框图

该器件也使用温度补偿的信息去抵消任何MEMS振荡器的温度漂移。为了使FLL产生数字温度补偿信息，振荡器使用高分辨率、低噪声温度传感器和温度补偿算法。在最终测试中，每个芯片针对温度和MEMS谐振频率对进行校准，并把数值存储在片上存储器。当温度变动时，补偿电路使用该校准信息去为FLL器件驱动相关的高次多项式。采用CMEMS技术的单芯片集成电路使得频率控制系统变得快速和精准。由于整个系统在密闭的亚微米距离内，因此具有非常紧密的热耦合特性。

图10：Si50x CMEMS全温度范围内的频率稳定性

完整的FLL过程每秒发生成千上万次，提供全温度范围内极好的频率精确度和稳定度，如图10所示，振荡器也提供了这种环路架构的低功耗版本，它把FLL采样周期降低到一个较长的周期，并且提供低偏置电路给VCO，这为需要满足相关抖动规范的应用减少一半以上的功耗。

Si50x振荡器负荷测试性能

使用CMEMS工艺的器件在整个生命周期、温度范围和各种负荷中提供比其它现有技术更稳定的振荡器性能。这些好处将会减少现场故障，提高整个生命周期内的系统可靠性，帮助系统免于外部影响，从而获得更高可靠性。

使用经典的“魔鬼测试”，包括暴露在骤冷和骤热环境中，能够帮助快速验证CMEMS相关选项的好处。正如我们之前在图11和图12中讨论和演示的内容，双组件的解决方案容易受到热迟延响，很难进行热环境下的系统补偿，导致操作频率有很大偏差。换句话说，单片CMEMS解决方案仅有极小的变化。这在非控制的或非预期的环境中提供了更好的稳定性。值得注意的是在两幅图中通过闭合的高精度Y轴坐标上展示了Si50x CMEMS振荡器的变化，而对于传统的晶体振荡器和MEMS振荡器图来说，由于偏差太大，它们在同样高精度的Y轴上难以观察。

图11： 晶体、MEMS和CMEMS振荡器的骤热测试结果

图12：晶体、MEMS和CMEMS振荡器骤冷测试结果对比

与现有的混合技术相比，CMEMS长期老化性能也很优秀。图13提供了几个晶体和MEMS振荡器与Si50x CMEMS振荡器的对比图。在这个图中，晶体振荡器根据MIL-0-5530B在70 ℃进行老化，而所有MEMS和CMEMS器件在125 ℃进行老化，然后推算到相同时间。此外，CMEMS芯片对现有的MEMS技术方法进行了相当多的改进，为采用CMEMS技术的系统提供了整个生命周期内的更高稳定性。

图13：晶体、MEMS 和CMEMS 振荡器老化测试结果对比

Si50x CMEMS 振荡器系列产品

Si50x CMEMS 振荡器系列产品包括针对工业、嵌入式和消费电子市场的四种可编程芯片，如表1 所示。每种芯片都可通过网络或现场定制。网络定制的样片可在两周内交付。芯片也可在客户办公室使用现场编程器电路板进行编程，如图14 所示。这种灵活的可编程性，使得Si50x 系列产品可以快速满足客户的特殊需求。

表1 ： Si50x CMEMS 振荡器系列产品概述

图14： Si50x 现场编程器电路板

如图15所示，Si50x性价比是对Silicon Labs现在用于全球许多复杂频率控制应用中的高性能晶体振荡器系列产品的有效补充。Si50x系列产品满足大批量工业、嵌入式和消费市场对成本和性能的需求，同时Silicon Labs晶体振荡器提供更高性能以满足更为苛刻的应用需求，例如通信和网络基础设施等应用。

图15： Si50x CMEMS振荡器与Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性价对比表

结论

随着Si50x CMEMS振荡器系列产品的推出，Silicon Labs延续了为时序市场提供创新性、颠覆性频率控制产品的历史。CMEMS振荡器与传统的石英及MEMS振荡器产品相比，提供了更优秀的可制造性、更快的交货时间和更有竞争力的性能。Si50x系列产品是首款基于CMEMS的产品，特别适用于成本敏感的大批量工业、嵌入式和消费市场。基于CMEMS其它产品的可能性几乎是无限的，这为满足需要更高性能解决方案、宽频率范围和功率预算以及更高级别单芯片集成的新兴市场提供了机遇。