MEMS振蕩器101(圖)

MEMS振蕩器、諧振器和時(shí)鐘產(chǎn)品是計(jì)時(shí)市場(chǎng)中新的、迅速成長(zhǎng)的一部分。這些產(chǎn)品正在取代傳統(tǒng)的石英和時(shí)鐘芯片，它在單芯片上結(jié)合了上述兩者的功能。不但如此，同樣價(jià)格的MEMS產(chǎn)品比石英設(shè)備尺寸更小，還能提供極佳的可靠性，非常穩(wěn)定，且抗沖擊和振蕩的性能也是最好的。MEMS振蕩器的新功能還在不斷增加。例如，MEMS振蕩器現(xiàn)已成為目前市場(chǎng)上同等價(jià)格下尺寸最小的高質(zhì)量因數(shù)（high-Q）振蕩器、最穩(wěn)定的高質(zhì)量因數(shù)振蕩器和尺寸最小的可編程振蕩器。

時(shí)間就是金錢
一直以來(lái)，技術(shù)文章中都有對(duì)MEMS計(jì)時(shí)方案的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的很多思索。然而，現(xiàn)在這些已不再成為問(wèn)題，MEMS部件已經(jīng)以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格量產(chǎn)了。

MEMS制造工藝有極大的優(yōu)勢(shì)：200mm CMOS晶圓可以減少振動(dòng)；標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝提高了可靠性且降低了成本；時(shí)鐘輸出頻率的電子編程使得解決方案的成本更低。這些方案已經(jīng)可以大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品交付期也很短。擔(dān)心石英供貨能力跟不上的日子已經(jīng)過(guò)去了。

上述這些MEMS計(jì)時(shí)方案的優(yōu)勢(shì)是針對(duì)初學(xué)者的。今年9月，最低抖動(dòng)、尺寸最小的可編程振蕩器工程樣片就已經(jīng)開始供應(yīng)了，相位抖動(dòng)（隨機(jī)）僅為0.5ps，適合千兆位以太網(wǎng)、光纖通道和SATA/SAS設(shè)備。這一新的性能水平將MEMS可編程振蕩器帶入了曾經(jīng)由昂貴的石英設(shè)備主導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域。以后，這種高性能的趨勢(shì)將繼續(xù)提高M(jìn)EMS諧振器和鎖相環(huán)（PLL）的相位噪聲性能。

新的0.4mm超薄振蕩器也是在今年9月發(fā)布的。之所以能實(shí)現(xiàn)這一尺寸，是因?yàn)镸EMS振蕩器的晶圓厚度僅有0.15mm。這些振蕩器和諧振器是適合超薄應(yīng)用領(lǐng)域的高性能時(shí)鐘源方案。我們可以想象它們用在智能卡、高密度存儲(chǔ)模塊和微小的無(wú)線節(jié)點(diǎn)。石英的本身很脆，這就限制了它用于很多薄型產(chǎn)品，同時(shí)這類應(yīng)用也會(huì)降低產(chǎn)量，提高成本。

質(zhì)量因數(shù)Q
下面我們從更具體的角度來(lái)看看計(jì)時(shí)領(lǐng)域發(fā)生的變化和MEMS振蕩器有上述優(yōu)勢(shì)的原因。很多技術(shù)都曾承諾要取代商用級(jí)石英，但40多年來(lái)所有這些技術(shù)都沒能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。分析表明這些非石英計(jì)時(shí)技術(shù)之所以失敗是因?yàn)樗鼈兇蠖疾荒苓_(dá)到石英固有的穩(wěn)定性，也有些可以實(shí)現(xiàn)很好的穩(wěn)定性的例子，但這些都比現(xiàn)有的石英解決方案的成本高出許多。

質(zhì)量因數(shù)Q用來(lái)衡量諧振器保持其能量的效果。鐘就是在現(xiàn)實(shí)生活中的具有高質(zhì)量因數(shù)的例子，鐘被敲響以后，鐘聲要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)消散。但如果敲一個(gè)質(zhì)量因數(shù)很低的塑料杯子，其聲能量幾乎在敲響的瞬間就消失了。

石英廠商提供5～100ppm范圍的產(chǎn)品，最常見的規(guī)格是50～100ppm。這些廠商之所以能實(shí)現(xiàn)這么好的穩(wěn)定性是因?yàn)槭⒅C振器具有很高的質(zhì)量因數(shù)50 000～250 000。在某些極其學(xué)術(shù)的應(yīng)用中，石英的質(zhì)量因數(shù)能達(dá)到1000 000～3000 000。MEMS諧振器也有很高的質(zhì)量因數(shù)。SiTime公司的產(chǎn)品、Discera公司的技術(shù)資料和很多學(xué)術(shù)資料都證明已生產(chǎn)出的MEMS諧振器Q值大約是80 000，其最高可超過(guò)500 000。

Q值非常關(guān)鍵是因?yàn)樗头€(wěn)定性成正比。Q值定義為諧振器被-3dB帶寬分割的中心頻率。一個(gè)Q值僅為100的諧振器會(huì)有一個(gè)很寬的質(zhì)量因數(shù)曲線，其誤差大約高達(dá)10 000ppm。因此，封裝壓力和過(guò)程中很小的誤差都會(huì)對(duì)諧振器的頻率產(chǎn)生影響。

頻率穩(wěn)定性，或說(shuō)頻率ppm誤差實(shí)際上是被限于從諧振峰值測(cè)量-3dB的頻帶帶寬的1/2。盡管最初進(jìn)行了仔細(xì)的校準(zhǔn)，Q值不到1000的諧振器每年的老化誤差在幾十到幾百ppm都是可以接受的。MEMS諧振器500001%～2000001%的Q值是由設(shè)計(jì)決定的。100000的Q值能產(chǎn)出大約10ppm的產(chǎn)品。

圖1 未來(lái)MEMS將被直接集成到CMOS中

不是所有硅振蕩器都一樣
MEMS振蕩器是用純單晶硅制成的。不能把MEMS振蕩器和基于低Q值的LC振蕩電路的硅振蕩器混為一談。大部分基于LC振蕩電路的硅振蕩器的Q值很低，穩(wěn)定性差。這類產(chǎn)品提供某種程度的可編程性能，適合為微處理器和一些對(duì)ppm要求不高的應(yīng)用提供計(jì)時(shí)方案。

MEMS的未來(lái)
未來(lái)，MEMS將被直接集成到CMOS中，如圖1所示。這種集成將帶來(lái)很多好處，如尺寸更小、性能更高和生產(chǎn)更簡(jiǎn)單。MEMS方案無(wú)可比擬的尺寸優(yōu)勢(shì)將使無(wú)線節(jié)點(diǎn)和多芯片模塊尺寸進(jìn)一步縮小成為可能，同時(shí)還能使PCB上不再有石英。SiTime公司的EpiSEAL和MEMS First工藝就是能夠?qū)崿F(xiàn)與CMOS集成的實(shí)例。

最近的工藝發(fā)展已允許將先進(jìn)的 0.18μm CMOS電路和功能齊全的MEMS成功的集成。