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採用MEMS技術的振盪器投入主流市場

上網時間: 2006年06月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  振盪器  CMOS製程  iMEMS加速計  DLP晶片 

微機電系統(MEMS)從60年代開始就一直致力於進入主流市場。隨著一些MEMS應用取得成功,使得更多的競爭者正進入這個領域。但這些競爭者所瞄準的市場目標多半不大,只有SiTime公司刻意地推出能與石英晶體振盪器接腳相容的MEMS第一套振盪器系列產品。

“我們打算提供一款與標準CMOS製程完全相容的矽MEMS振盪器來徹底改變石英晶體產業,”SiTime公司策略聯盟經理Joe Brown表示。“真空管已經被電晶體所取代,而現在,石英晶體也將可能被矽技術所取代。”

ADI公司推出可作為安全氣囊感測器應用的iMEMS加速計,以及TI公司推出的DLP晶片,使得MEMS開始成為一個大量生產的產業。最近,Akustica公司推出的矽MEMS麥克風感測器也已引起重視。現在,SiTime公司正努力成為一家更大規模的企業,因為幾乎在目前生產的所有電子設備中都以石英晶體振盪器作為時基。

Gartner公司則預測類比石英晶體市場發展相當持平,年銷售額在10億美元以上,出貨量為10億顆,平均售價為15美分。但SiTime公司的產品雖然仍處於試產階段,卻已售出超過100萬個原型產品,而開始進軍這個龐大的市場。SiTime預計2006年底開始量產該產品。

“目前業界的共同的看法是,在大多數應用中MEMS振盪器的性能與傳統的石英振盪器不相上下,”In-Stat公司特約分析師Stephen Cullen說。“但我預期,最初的應用將出現在振盪器尺寸縮減以符合成本優勢之處。”

長期來看,SiTime公司和Discera、Innovative公司等競爭者們可能會迴避這個問題。這些公司不會以低成本的石英晶體來進行競爭,而是透過MEMS時基與CMOS晶片的整合來降低成本。

Cullen說,“該技術的長期優勢是我們可以把MEMS和CMOS矽整合在同一個晶片上,以減少尺寸並因而降低總成本。最終目標是把MEMS時脈整合在每個需要時脈的晶片中,而不是從單一的石英晶體上引出多個時脈訊號。”

SiTime公司打算將MEMS振盪器授權給消費晶片製造商以實現該單晶片方案,使製造商可以把MEMS時基與應用系統的電路一起整合在CMOS晶片上。

圖2: MEMS振盪器的內部架構,該振盪器與石英晶體振盪器接腳相容。

“我們的技術是明確可行的,LSI Logic、Actel與Cypress等半導體製造商都已經採用了,因為該技術恰好與其計劃一致,”SiTime公司行銷副總裁John McDonald說。

這種單晶片方案是要讓CMOS晶片製造商重組現有的晶粒,以便與整合型MEMS時基協同工作,但這可能需花費多年。作為過渡的方案,SiTime公司打算下一步先推出一種特殊的雙晶片方案,該方案把MEMS晶片置於標準CMOS晶粒上面,從上面提供所有的時脈訊號。

對消費性晶片主要製造商來說,單晶片和雙晶片方案具有一個隱藏的優勢,即可在單一晶片上為多個PLL提供幾個時脈頻率的能力。因此,可以把整個晶片的所有時序訊號都放在騎背式的MEMS晶片中,以降低目前大多數消費晶片的複雜性,並可削減MEMS振盪器的高成本,特別是與單一頻率的石英晶體相較。

“透過改變音叉的幾何結構,”Brown說,“我們可以把來自多個振盪器的多個頻率嵌入到CMOS晶圓的前四層之中,因而讓每個晶片都可以根據需要連接到多個不同的時基。”

由於所有的振盪器都可內建於一顆晶片中,我們就不必在一個電子設備中使用多個時基晶片。Brown說,“你可以把一個32kHz的即時時脈、一個執行在幾百MHz的通訊頻率振盪器、任何數量的KHz或MHz振盪器以及其所有的PLL放在一個單晶片上。而這是石英振盪器無法做到的。"

元件內部

SiTime公司的振盪器以內部MEMS諧振器為基礎,並用以取代石英晶體諧振器。其他公司已針對表面聲波(SAW)濾波器、陶瓷濾波器和薄膜膨脹聲學諧振器(FBAR)等RF和IF應用開發出可替代石英晶體的固態諧振器。SiTime公司表示其MEMS諧振器不僅可用於這些應用系統,而且可以較低的成本添加到系統中,同時,可靠性更高、體積更小且無需量身定製。

SiTime公司的首款產品SiT8002與Epson公司的SG-8002接腳相容,但抖動更小、相位雜訊和功耗更低,且封裝尺寸更小,該公司表示。

為了製造MEMS振盪器,SiTime公司首先在絕緣矽(SOI)晶圓加入四個光罩平面,在此基礎上加工機械的‘音叉’或連接到基底一側的‘樑’(beam),並用一種深溝蝕刻製程與其他部份隔開。該製程為高10微米、寬度可依照所需頻率來決定的樑開了一條400奈米寬的溝,當樑在被電極以靜電方式驅動時可以自由振盪。在樑的另一側設有一個電容感測器,以檢測振盪頻率並驅動用來調節該訊號的PLL ,產生類似於傳統石英晶體的時基。

為確保長期的可靠性,SiTime公司在一個圍繞整個晶圓的多晶矽層上長出一種磊晶包覆,以安全穩定地把MEMS振盪器包裹起來,並提供一個可在其上發展正常CMOS電路的極光滑表面。為了消除可能的污染(如濕氣),包覆作業在1,100攝氏度下完成。該磊晶包覆可以把結構與環境隔離開來,以使環境因素不致影響性能,確保長期的穩定性,而這便是長久以來一直困擾MEMS的難題。

困擾MEMS諧振器設計者的還有溫滯特性不良和溫度係數偏大(達30ppm/攝氏度)等一些難題。SiTime公司聲稱,透過向其雙晶片方案的CMOS部份增加電路,這些問題已得到解決。

“在我們的晶圓表面上存在約0.8%的頻率偏移,”Brown說,“所以,我們把這些諧振器連接到CMOS晶片以便把頻率偏移壓縮到正負5ppm以內。該電路也執行溫度補償和A/D轉換,並用PLL把頻率鎖定在期望的頻率。"

另外,Brown也宣稱SiTime公司的MEMS第一套振盪器系列產品可以完全精確的頻率‘立即啟動工作’,而石英晶體則要求一般可使電路其他部份等待時脈穩定下來才能繼續工作的預熱時間。他進一步指出,MEMS諧振器因高頻率而微縮尺寸也相當容易。

“MEMS第一套振盪器系列產品技術最引人注目的一個特點是,”Brown說,“當該振盪器尺寸隨著高頻率而微縮時,其性能實際上是在提高;石英振盪器則完全相反,其性能會隨著尺寸縮小而降低。”

該公司聲稱已經使用標準的CMOS光罩蝕刻技術為其像音叉一的諧振器製造出許多幾何結構。成功的幾何結構包括一種只在中間相連的4樑結構、一種單樑結構和一種碟式結構,所有這些結構都需要在頻率和性能之間進行不同的權衡折衷。

作者:R. Colin Johnson




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