你的位置:首頁 > 傳感技術(shù) > 正文

MEMS振蕩器技術(shù)設(shè)計思路

發(fā)布時間:2009-07-16 來源:中國電子商情

中心議題:
  • MEMS振蕩器內(nèi)部設(shè)計
  • 如何制造MEMS諧振器
  • MEMS諧振器微型工藝封裝技術(shù)大要
  • 可編程架構(gòu)的全硅MEMS振蕩器特性

參考頻率信號系統(tǒng)設(shè)計
 
頻率信號對于所有電子產(chǎn)品就像是心跳對所有動物的生命一般重要,所有電子電路的動作都以此重復(fù)性且穩(wěn)定的頻率信號作為參考信號源。設(shè)計優(yōu)良的頻率信號,幾乎是系統(tǒng)是否能夠達(dá)到高效能、持續(xù)性穩(wěn)定工作的重要基礎(chǔ)。一般而言,系統(tǒng)設(shè)計的參考頻率信號可由不同的頻率組件來產(chǎn)生,如諧振器(Resonator)、振蕩器(Oscillator)以及頻率產(chǎn)生器(Clock Generator),不同的系統(tǒng)設(shè)計會根據(jù)不同的設(shè)計考慮,選擇不同的組件來提供參考頻率。
 
諧振器是利用機(jī)械震動原理,加上一個外部諧振電路來產(chǎn)生周期性振蕩信號,一般該諧振電路會被整合在芯片之中。振蕩器組件則是將諧振器以及諧振電路整合于一4或6針腳的封裝中,用以輸出參考頻率信號。而頻率產(chǎn)生器則是較為復(fù)雜的頻率信號輸出組件,一般此類組件需要一個外部參考諧振器,內(nèi)部則整合一個或多個鎖相環(huán)(Phase Lock Loop;PLL),來產(chǎn)生一個或數(shù)個參考頻率輸出的信號。
 
對于所有的系統(tǒng)設(shè)計而言,無論使用何種頻率組件作為電路設(shè)計時的參考信號,均需要一個穩(wěn)定且質(zhì)量良好的周期信號,包括良好的波形、duty cycle、較短的爬升時間及下降時間(rising time & falling time)、以及準(zhǔn)確重復(fù)性的邊緣時間。
 
MEMS技術(shù)設(shè)計脫穎而出
 
創(chuàng)新MEMS諧振器
 
先前絕大部分的電子產(chǎn)品依靠石英晶體來提供可靠穩(wěn)定的頻率信號,不過近幾年由于MEMS技術(shù)設(shè)計制造的電子零件,在許多應(yīng)用領(lǐng)域不斷提供電子產(chǎn)品創(chuàng)新且質(zhì)優(yōu)的設(shè)計,其中包括MEMS諧振器零件在許多應(yīng)用開始取代石英晶體:例如所謂MEMS振蕩器內(nèi)部所采用的諧振器,即是使用毫米級大小的MEMS諧振器,作為Mega Hertz級別的振蕩源。
 
MEMS振蕩器內(nèi)部設(shè)計
 
除了創(chuàng)新諧振器的MEMS技術(shù),振蕩器內(nèi)部的振蕩電路設(shè)計亦開始進(jìn)行中。傳統(tǒng)石英振蕩器內(nèi)部的振蕩電路,其輸出頻率一般與石英設(shè)計切割的頻率相同,因此電路設(shè)計上僅僅采用單純的諧振放大電路或者驅(qū)動電路。
 
MEMS振蕩器內(nèi)部,采用嶄新的設(shè)計概念及線路設(shè)計,使得MEMS振蕩器提供更多可設(shè)定的變動頻率參數(shù),在出貨前通過量產(chǎn)程序設(shè)定不同參數(shù),可提供不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需要。MEMS振蕩器已在許多應(yīng)用領(lǐng)域包括計算機(jī)周邊相關(guān)產(chǎn)品、消費電子、網(wǎng)通設(shè)備、通訊裝置、車用電子、以及工業(yè)產(chǎn)品等,開始逐漸取代傳統(tǒng)固定頻率或可編程輸出的石英振蕩器。
 
這樣的設(shè)計,簡化了目前石英振蕩器的冗長供應(yīng)鏈,縮短廠商的交貨期,同時能讓使用同一電路設(shè)計的零件,滿足不同應(yīng)用設(shè)計的需要,進(jìn)一步協(xié)助系統(tǒng)廠商達(dá)到不同頻率不同參數(shù)的振蕩器一站式采購(One Stop Shopping)的目標(biāo)。

[page]
MEMS振蕩器簡要透視
 
1為MEMS振蕩器的透視圖。以SiTime的MEMS振蕩器為例,其是由兩個芯片堆棧起來,下方是CMOS PLL驅(qū)動芯片,上方則是MEMS諧振器,以標(biāo)準(zhǔn)QFN IC封裝方式完成。封裝尺寸以及焊接管腳與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)石英振蕩器的腳位完全兼容,可直接替代原來石英產(chǎn)品,無須更動任何設(shè)計。MEMS振蕩器在許多方面都超越石英振蕩器產(chǎn)品,包括全自動化生產(chǎn)過程、穩(wěn)定交貨期、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量、以及近期和長期的成本優(yōu)勢等。

 
 
1 全硅MEMS振蕩器透視圖
 
如何制造MEMS諧振器?
 
有些廠商是用CMOS半導(dǎo)體代工廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備以及材料制造全硅MEMS諧振器。由于無須CMOS半導(dǎo)體廠的額外設(shè)備制及工藝投資,這可提升CMOS產(chǎn)業(yè)利用既有設(shè)備生產(chǎn)更多產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)利基。另外MEMS振蕩器封裝方式亦使用目前半導(dǎo)體封裝廠通用設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)IC后制封裝流程。
 
2展示一系列MEMS制造的剖面圖。圖2a則顯示通過窄信道蝕刻方式,從表面切割一空隙至硅晶氧化絕緣層(SOI),生成一諧振結(jié)構(gòu)。這些諧振結(jié)構(gòu)體在震動時,以水平方向在硅晶面上震動。

 
2a 從晶圓表面開始蝕刻進(jìn)入到氧化絕緣層產(chǎn)生的諧振器以及電極示意圖
 
如圖2b所示,震動空隙上包覆著一層氧化層、硅晶層以及多晶硅層(Polysilicon),在多晶硅層以通過一些蝕刻的小細(xì)孔將氧化物取出后形成諧振體。

 
2b 氧化物層以及硅質(zhì)排氣層形成后,制造氣孔以排放諧振器內(nèi)部電極間距空間內(nèi)的氣體形成真空
 
然后硅晶圓被置入1000oC的epitaxial反應(yīng)爐內(nèi)去除雜質(zhì),并密封之前所蝕刻的小細(xì)孔,以及通過長晶生成較厚的硅晶和一層多晶硅電容層。這個高溫工藝對諧振體而言也是一個退火(anneal)的過程,讓諧振體表面達(dá)到光滑的程度,并將其永久密封在完全真空無污染的空間中。上述所描述的多晶硅電容層結(jié)構(gòu)非常堅硬,可承受接下來超過100個大氣壓壓力的塑模成型工藝(Plastic molding)。

 
2c 完全潔凈的諧振器被密封在極厚的一層保護(hù)用向外長晶的硅質(zhì)層之下
 
2d則說明如何在多晶硅層上生成一導(dǎo)電接點,來連接至內(nèi)部諧振器的驅(qū)動感應(yīng)電極。而后進(jìn)行鋁質(zhì)導(dǎo)電層(Aluminum Layer)長晶過程、完成導(dǎo)線(metal trace)以及打線接點生成工藝,并被覆蓋上一層非導(dǎo)電材質(zhì)鈍化層后(passivation layer),完成整個硅晶圓的生產(chǎn)。

 
2d 在硅質(zhì)層上蝕刻一過孔,并通過鋁線及打線接點,將諧振器連接至CMOS驅(qū)動電路

[page]
 
MEMS諧振器微型工藝封裝技術(shù)大要
 
MEMS諧振器比一般石英晶體要小非常多。標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝可輕易制造達(dá)微米級的產(chǎn)品。一個完成的MEMS諧振器大小約0.Xmm長寬,相較于一般長寬約數(shù)mm的石英晶體,兩者面積可相差百倍。越小的組件表示越能達(dá)成微型封裝的要求,突破以往在水平方向大小以及厚度限制的封裝設(shè)計,因此廠商可制造最小的差分震蕩器、展頻震蕩器、壓控震蕩器以及薄型震蕩器等。
 
隨著CMOS工藝技術(shù)的微型化演進(jìn),MEMS諧振器在同一半導(dǎo)體代工廠,亦可持續(xù)使用先進(jìn)的工藝技術(shù)來增進(jìn)效能。廠商的諧振器目前利用次微米(sub-micron)電極間距,未來新一代更精細(xì)的工藝將可進(jìn)一步縮小電極間距。此工藝演進(jìn)可進(jìn)一步改善諧振器輸出的信號噪聲比(Signal to Noise Ratio;SNR),使得振蕩器亦得以取得更佳的相位噪聲(相噪)規(guī)格。石英晶體卻不具備這樣的工藝優(yōu)勢,若石英晶體尺寸越小,反而在各方面效能的表現(xiàn)越差,影響包括Q值、相位噪聲和activity dip較差、應(yīng)力敏感度較大、以及頻率范圍更受局限等缺點。
 
利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的MEMS諧振器越小,成本也越低,但這卻不適用于石英晶體,當(dāng)石英晶體切割越小則越難設(shè)計及制造,良率也越來越低,成本也會越來越高。因此當(dāng)大部分電子產(chǎn)品設(shè)計都趨向微型化的同時,石英將越來越無法展現(xiàn)應(yīng)有效能,全硅MEMS諧振器將取而代之。
 
可編程架構(gòu)的全硅MEMS振蕩器特性
 
石英振蕩器及輸出頻率特性
 
早期石英振蕩器半導(dǎo)體產(chǎn)品工藝極貴,設(shè)計趨向單純化,通過外部一些晶體管電路設(shè)計,石英振蕩器電路可以很容易被組成并讓石英晶體起振,輸出PC板需要的頻率信號,因此諧振器電路自然被排除在其它半導(dǎo)體電子電路之中。
 
振蕩器是根據(jù)一些在電子應(yīng)用產(chǎn)品中的常用頻率來設(shè)計、制造并生產(chǎn)。不過更多的振蕩器是制造廠商為因應(yīng)系統(tǒng)客戶不斷根據(jù)新的應(yīng)用需求和應(yīng)用平臺而生產(chǎn)。由于振蕩器的規(guī)格繁雜,包括不同的頻率、工作電壓、精準(zhǔn)度、封裝尺寸的要求,使得產(chǎn)品料號的復(fù)雜度以及數(shù)量都非常繁雜。況且所有石英振蕩器廠商不可能備足庫存所有規(guī)格的振蕩器,因為每一種頻率的石英振蕩器,都是根據(jù)內(nèi)部的石英晶體所切割的厚度決定其輸出的頻率。石英晶體切割過程幾乎是所有振蕩器生產(chǎn)必須歷經(jīng)的第一步,也因此系統(tǒng)客戶必須容忍較長的產(chǎn)品交付期限。
 
MEMS振蕩器及輸出頻率特性
 
MEMS振蕩器則與傳統(tǒng)石英產(chǎn)品不同。無論輸出頻率為何,MEMS振蕩器均使用同一個MEMS諧振器。輸出頻率并不是使用不同的MEMS諧振器來達(dá)成頻率的變化,而是根據(jù)編程并儲存在內(nèi)部非揮發(fā)性內(nèi)存(Non- Volatile Memory;NVM)的數(shù)值,與MEMS諧振器的輸出頻率相乘倍數(shù)后而決定。
 
這樣的設(shè)計方式,可快速地把庫存的MEMS振蕩器,按照客戶需要的電壓以及其它參數(shù)編程后,輸出客戶所需要的頻率。因此,客戶可在較短交貨期限內(nèi)、約在2~3周而無須3~4個月,便可取得所需的頻率組件。此外提供給工程設(shè)計人員 的樣品,則可通過可攜式編程器立即直接編寫提供,或由產(chǎn)線在一天之內(nèi)提供給全球工程人員滿足其設(shè)計需求。
 
Sigma-Delta Fran-N PLL倍頻電路設(shè)計
 
此外,石英可編程振蕩器內(nèi)部使用環(huán)震蕩鎖相環(huán)(Ring Oscillator PLL)作為其倍頻電路的設(shè)計。這樣的設(shè)計容易造成輸出具高抖動(jitter)特性的頻率信號,因此這類振蕩器僅適合精準(zhǔn)度無須太高的應(yīng)用。MEMS振蕩器廠商在架構(gòu)設(shè)計上采用所謂Sigma-Delta Fran-N PLL鎖相環(huán)作為倍頻電路,此電路設(shè)計能夠?qū)EMS諧振器的輸出頻率任意倍頻到所需的頻率,頻率信號的抖動特性與一般石英振蕩器相較則更優(yōu)。
 
提升穩(wěn)定性
 
集成電路的穩(wěn)定性一般是用平均無故障時間(Mean Time Between Failure;MTBF)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)的衡量單位為小時,數(shù)字越高表示產(chǎn)品越可靠。一般半導(dǎo)體產(chǎn)品的典型數(shù)值約為500個百萬小時MTBF,即便是一線大廠的石英振蕩器產(chǎn)品,其MTBF值也僅僅是30百萬小時。
 
MEMS振蕩器封裝技術(shù)優(yōu)勢
 
經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的晶圓減薄以及晶圓切片,MEMS諧振器以及CMOS倍頻驅(qū)動芯片被塑模封裝到標(biāo)準(zhǔn)芯片塑料封裝之中。廠商會使用穩(wěn)定性高、低引線電感以及高熱性能的QFN塑料注塑成型的封裝工藝,因此也具備高穩(wěn)定性、低成本、以及彈性焊盤設(shè)計的優(yōu)點,產(chǎn)品封裝也需滿足潮氣敏感等級1的標(biāo)準(zhǔn)(Moisture Sensitivity Level 1;MSL/1),滿足無限期儲存、無須任何干濕度條件限制的環(huán)境。這些封裝產(chǎn)品可替代石英振蕩器,并直接置入原來PCB電路板上為石英振蕩器所設(shè)計的焊盤位置。另外,這些不同封裝組件的厚度也從0.75~0.90mm不等。
 
由于MEMS諧振器較所有石英晶體更薄,因此廠商得以利用相關(guān)技術(shù)制造厚度僅達(dá)0.25mm的精準(zhǔn)振蕩器。高度整合MEMS技術(shù)、低功耗電路設(shè)計和電路模塊,超小超薄封裝的MEMS振蕩器對于可攜式產(chǎn)品的設(shè)計特具吸引力,其可編程功能更可滿足消費電子產(chǎn)品快速開發(fā)周期、短期內(nèi)大量交貨的發(fā)展特性。

 
3 超薄MEMS振蕩器與一般石英振蕩器的厚度比較示意圖

[page]
 
MEMS振蕩器種類
 
高效能振蕩器
 
MEMS振蕩器用一個塑料封裝整合了MEMS諧振器以及一個諧振倍頻電路。這樣的振蕩器可用在任何使用傳統(tǒng)石英振蕩器的應(yīng)用電路之中,包括PCI-Express、SATA、SAS、PCI、USB、Gigabit Ethernet、MPEG Video、Cable Modem等領(lǐng)域。
 
低功耗振蕩器
 
手持式產(chǎn)品應(yīng)用一般在設(shè)計上需要考慮低功耗、快速啟動以及微型化尺寸等。 MEMS振蕩器整合使用硅晶元來設(shè)計的MEMS諧振器以及對應(yīng)的諧振倍頻芯片,可滿足相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計需求。這類產(chǎn)品會是大部分需要依賴電池供電的手持式裝置的最佳選擇方案,能夠在睡眠模式和全功能工作模式之間迅速切換。
 
薄型振蕩器
 
薄型振蕩器可應(yīng)用在諸如如HC-SIM(High-Capacity SIM)卡、智能卡、SIP模塊、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)以及其它手持式裝置內(nèi)。一般SIM卡的厚度約為0.76mm,約相當(dāng)于典型石英晶體振蕩器的厚度,這會限制傳統(tǒng)石英振蕩器無法應(yīng)用于該類產(chǎn)品。相對于石英振蕩器,厚度僅達(dá)0.25mm的薄型振蕩器,提供足夠的產(chǎn)品封裝以及其它材料如基板等所需空間,完全符合該類產(chǎn)品設(shè)計所需,可參閱圖3所示。
 
展頻振蕩器
 
任何電子產(chǎn)品都需要通過EMI測試,例如FCC Class A或Class B,以確保產(chǎn)品不會因為電磁輻射干擾其它室內(nèi)或辦公室內(nèi)的電子產(chǎn)品。一般而言通常是在產(chǎn)品開發(fā)階段完成后進(jìn)入量產(chǎn)階段前,進(jìn)行EMI測試。改善EMI問題的方式是修改電路板的布板方式,或者使用外蓋屏閉,二者的時間成本或材料成本均耗費不貲。
 
另一種可行解決方案是使用展頻振蕩器(Spread Spectrum Oscillator),來降低系統(tǒng)輻射出來的EMI電磁輻射干擾。圖4則顯示一個單頻信號的頻譜圖以及對該信號展頻后的頻譜圖。從圖中可知展頻后的頻率信號如何降低原來在接近100MHz的峰值。

 
4 單一頻率頻率與展頻后頻率的頻譜分析比較圖。圖中顯示,展頻后的頻率信號頻譜較原來單頻信號有較低的平均功率,因此可降低系統(tǒng)電磁輻射干擾
 
廠商在設(shè)計展頻振蕩器時,將焊盤設(shè)計完全兼容一般標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的焊盤設(shè)計。這樣的考慮使得設(shè)計人員得以在設(shè)計初期階段使用一般標(biāo)準(zhǔn)振蕩器;而在設(shè)計完成階段,如需利用展頻技巧通過EMI測試,則可選擇展頻振蕩器直接置入原PCB布板設(shè)計之振蕩器焊盤位置,無須更改任何線路,可節(jié)省工程設(shè)計時間和成本,縮短上市時程。
 
頻率(頻率)產(chǎn)生器
 
頻率產(chǎn)生器是將多個振蕩器置入單一封裝的組件。對于需要多組頻率頻率信號的復(fù)雜系統(tǒng)非常有效。廠商設(shè)計包括有多個CMOS輸出以及多個差分輸出的頻率產(chǎn)生器,內(nèi)建獨立且無倍頻關(guān)系的頻率信號輸出設(shè)計,亦可分別控制是否輸出,以及不同工作電壓之設(shè)計。
 
簡單、可靠具成本效率的MEMS技術(shù)
 
MEMS振蕩器已進(jìn)入量產(chǎn)階段,并已出貨超過數(shù)百萬顆產(chǎn)品,這些振蕩器具備易用、焊盤結(jié)構(gòu)、功能兼容的優(yōu)點,可直接取代舊式生產(chǎn)的石英組件。提供更小、更薄的MEMS振蕩器應(yīng)用在手持式裝置內(nèi),一直是廠商設(shè)計關(guān)注的焦點。MEMS技術(shù)也正在藉由各種方式,對傳統(tǒng)石英產(chǎn)業(yè)進(jìn)行“硅化工程”。
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉