【技术】集成CMOS+MEMS的单模CMEMS振荡器,频率漂移比传统双模MEMS振荡器减少10倍以上

2018-11-09 Silicon Labs

为了克服石英基振荡器技术的缺点,目前使用传统的微机电系统(MEMS)材料来制造三维谐振结构。基于MEMS的振荡器通常通过将谐振器模键合到CMOS振荡器模来构造(图1)。这些所谓的双模MEMS振荡器是当今市场上第一代MEMS振荡器的典型代表。他们通过克服了石英基振荡器所需的复杂材料加工技术,对振荡器的制造进行了重大改进,使用更经济的塑料包装代替了陶瓷包装和金属盖。并且,使用精密半导体设备在硅片上批量制造谐振器,提高了谐振器的制造成品率。


图1 传统的双模MEMS振荡器封装图


双模方法需要谐振器模和振荡器模之间的引线键合。这些引线键合增加了设计的成本和复杂性,并为噪声耦合到振荡器电路提供了路径。此外,由于MEMS器件与其补偿电子器件之间的分离状态使得系统不能快速响应热瞬变,导致了温度稳定性和短期稳定性低于标准。因为谐振器模具所需的材料是在体积较小的精品半导体铸造厂制造的,所以也存在一定的供应链问题。

 

整体模具

将MEMS和CMOS技术集成在单个单块芯片中,可以克服传统双模MEMS振荡器解决方案的许多缺点(图2)。Silicon Labs的CMEMS技术是单模振荡器解决方案的基础,使CMOS晶片上的MEMS结构后期处理成为可能,并且具有大容量晶片制造的可扩展性优势。该CMOS+MEMS工艺使MEMS结构能直接在CMOS晶片上制造。



图2 单片CMEMS振荡器封装图

 

使用单晶硅材料的传统MEMS工艺与单片CMOS实现是不兼容的,因为这些材料要求非常高的制造温度(>1000oC),这将破坏底层的CMOS电路。新的CMEMS工艺结合了称为多硅锗(poly-SiGe)的MEMS材料,该材料使用较低的制造温度,该温度不但可以将MEMS在CMOS晶片上构建,而且保留了晶体材料的优异机械性能。传统双模MEMS解决方案的一个关键点是谐振器的温度稳定性,其由单晶硅或类似的均匀材料制成,这与个别材料的弹性性质的温度系数有关,所以会导致-30至-40ppm/°C的频率漂移。因此,需要温度补偿电路连续监测谐振器的温度,并在器件的整个工作范围内(通常为-40°C至85°C)校正输出频率,使其保持在目标的±10ppm范围内。通过将二氧化硅狭缝结合到新的CMEMS谐振器结构中,谐振器的频率漂移可以减少10倍以上,达到小于±1ppm/℃。根据上面的特性将MEMS谐振器与下面的CMOS管芯集成在一起,会使得振荡器的设计得到极大改进。

 

由于谐振器与底层的CMOS温度传感器耦合得更紧密,所以能够更直接地感测温度变化,并且能够对温度更严格地控制,所以实现了增强的频率稳定性,得到一个更经济、更小、更省电的温度补偿电路,使得总频率相对于温度的稳定性得到了改善(图3)。


图3 温度补偿电路

 

Si50x CMEMS振荡器系列包含Silicon Labs的首款单片MEMS振荡器产品。CMEMS谐振器提供对频率锁定环(FLL)的稳定参考,因此压控振荡器(VCO)的固有频率漂移被锁定到CMEMS谐振器的稳定范围内。温度补偿电路监测谐振器的温度,并将误差校正馈送到FLL,以确保频率稳定的输出。该架构支持32kHz至100MHz之间的频率,并且MEMS振荡器设备可在一个,两个或四个不同频率下进行用户可选操作。开发人员可以通过单引脚控制接口对自己的频率进行编程。

 

振荡器稳定性

振荡器的一个关键规格是随时间和温度保持其输出频率的稳定性。典型的石英基振荡器提供20ppm或50ppm的总稳定性,包括由老化和环境工作温度变化引起的频率漂移。图4显示了一个关键测试,这个测试通过使用冷冻喷雾将振荡器置于瞬间的温度变化来说明振荡器如何响应温度变化。该图比较了三个不同的晶体振荡器,三个不同的双模MEMS振荡器和Silicon Labs的单片Si501 CMEMS振荡器的频率偏移。

图4  各种晶体振荡器,MEMS和单片CMEMS振荡器的冷冻喷雾稳定性测试结果

 

CMEMS振荡器的变化小于1ppm,而其他晶体和双模MEMS振荡器的漂移都在30至150ppm之间。Si501 CMEMS振荡器优异的温度稳定性证明了机械温度补偿和温度补偿电路在单片器件中的反应速度。

 

振荡器的另一个关键规格是长期稳定性。为了了解器件老化引起频移的程度,振荡器通常在高温环境中操作以加速老化过程。

图5各种晶体振荡器,MEMS和单片CMEMS振荡器的高温老化测试结果

 

图5显示了各种晶体振荡器,传统双模MEMS器件和单片Si501 CMEMS振荡器的高温老化测试结果。与传统的晶体和双模MEMS振荡器相比,CMEMS器件的老化频率显著降低。

 

单模CMEMS技术在CMOS振荡器电路和MEMS谐振器之间实现了极好的信号完整性,相比于引线键合,使用半导体通孔将振荡器电路与谐振器连接简化了振荡器设计,保持了电感的稳定。CMEMS技术可以通过简单的设计与更高频率的MEMS谐振器配合使用,这些谐振器可用于减少抖动。此外,双模MEMS振荡器的封装成本高于单模解决方案,后者使用更传统的半导体封装而非多芯片模块(MCM)封装。所有的MEMS振荡器必须进行温度补偿。采用单模解决方案,MEMS谐振器和温度传感器封装在一起,这样温度传感器就能够更密切地跟踪谐振器中的温度变化,降低了温度传感器和谐振器之间的热滞后,从而提高了温度稳定性。

 

Silicon Labs的单模CMEMS振荡器采用被动温度补偿谐振器,与基于双模架构的传统MEMS振荡器相比,其温度漂移明显更小。这种单模方法可以使用更简单,更低功耗和更小的芯片面积温度补偿电路,同时实现卓越的温度稳定性。与传统的石英和MEMS振荡器产品相比,CMEMS振荡器还具有出色的可制造性,更快的交付周期和更具竞争力的性能。

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