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感測器/MEMS  

整合MEMS+CMOS技術實現更佳頻率控制

上網時間: 2014年04月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:CMEMS  振盪器  CMOS  MEMS  SiGe 

作者:Wade Gillham,Silicon Labs時序產品行銷總監

20世紀中期以來,頻率控制的市場就是由石英晶體諧振器和石英振盪器所主導的。甚至到了今天,幾乎所有的電子設備在某方面仍然依賴機械石英晶體來產生多種可能執行頻率中的至少一種。目前市場上有無數的電子元件,從吉他擴音器到腕錶,從智慧型手機到堆高機等,其中絕大多數都使用石英晶體或晶體振盪器(XO)。

由於電子市場每年要耗用掉無數的晶體,龐大的規模經濟促進了石英晶體和石英振盪器的製造精密程度達到新高──提供更小、更薄、頻率更高的解決方案。在此之前,可行的石英晶體替代方案屈指可數,因為石英壓電諧振器的特性和穩定性眾所皆知,所以很容易製造出性能可靠的晶體振盪器。

但在過去幾年來,同樣內建兩款元件(諧振器和放大器)架構的晶體振盪器——微機電系統(MEMS)振盪器已打入了頻率控制市場。這些MEMS振盪器具有絕佳的可靠性,並且可提供具有成本優勢的各種封裝尺寸,尤其是在晶體振盪器上屬於高成本結構的精巧型封裝。此外,透過引進單晶片MEMS解決方案,把MEMS諧振器直接疊放在CMOS放大器基座上方後,MEMS振盪器的可靠性、可程式性、溫度穩定性和成本水準如今也得以更上一層樓。

晶體振盪器

晶體振盪器的工作頻率範圍廣──從幾千赫茲一直到幾百兆赫茲。晶體振盪器在金屬蓋密封陶瓷封裝中結合了石英諧振器與放大器電路。陶瓷封裝和金屬蓋為非常脆弱的晶體提供了強大的防護罩,使組裝好的元件免於受損。一般來說,放大器電路會充分運用晶體的壓電性,以壓電反饋來創造特定頻率的共振或振盪,並由晶體諧振器的大小、切割和電鍍來控制。為了支援電子產業所需範圍寬廣的頻率,頻率控制供應商必須設計、儲存以及製造數百、甚至數千種不同的客製化晶體諧振器。

除了客製晶體諧振器以外,石英振盪器解決方案還面臨著製造上的挑戰。在整個晶體市場上,可攜式設備佔據很大的比重。更加輕薄小型的可攜式設備使所有的供應商必須提供體積越來越小的元件。而隨著所需頻率的石英諧振器尺寸持續縮減,更小、更脆弱的晶體為製造的複雜度與可靠性帶來了挑戰,從而為晶體振盪器帶來了問題。此外,晶體振盪方案在每個市場上都面臨著一大難題,即其在先天上對環境因素相當敏感,如震動、搖晃、熱應力和製造上的變化,都可能造成啟動問題以及後續的使用故障。

MEMS諧振器

過去幾年來,MEMS振盪器已成為石英解決方案的可行替代方案,原因有幾點:第一,MEMS振盪器是透過以矽晶材料為基礎的矽晶製程中所製造的,其品質管理十分嚴格,因此只要供應商設計、保障和賦予振盪器的特性得當,所生產的眾多元件都能具備非常可靠的性能。

第二,矽製程的直接結果就是符合摩爾定律,亦即處理能力會越來越強大,成本也會越來越低。換句話說,更小、更先進的矽晶元件在成本上勢必會逐漸降低。但遺憾的是,晶體振盪方案則和這項定律背道而馳,亦即材料會隨著體積的縮小而變得更昂貴,原因就在於上述的製造挑戰。此外,隨著晶體的製造變得更困難且更昂貴,其產量也會因為元件愈來愈脆弱與精巧而減少。

第三個優點同樣源於矽製程。屬於矽晶解決方案的MEMS振盪器天生就對環境因素比較具有抵抗力。但這並不代表所有的MEMS解決方案在這方面都十分理想,產品設計仍會大幅影響到不同MEMS振盪器的工作能力。不過,矽晶解決方案比晶體(尤其是小晶體)的抗震動與搖晃能力更強,這是不爭的事實。

第一代MEMS振盪器

第一代的MEMS振盪器跟石英振盪器的架構類似,都是把兩個截然不同的元件結合起來,一是諧振器,一是能補償諧振器頻率發生任何漂移的放大器IC/基座晶片。採用MEMS使振盪器的製造大為改善,因為它免除了石英振盪器所需的複雜材料處理技術,並且把石英振盪器所使用成本較高的陶瓷封裝和金屬蓋換成了比較經濟實惠的塑料封裝。

不過,這種第一代的做法在先天上還是受到石英振盪器所使用的雙重元件架構的限制。這些限制首先表現在兩個元件的封裝複雜,同時電路數量至少是類似的單晶式組裝所需要的兩倍。這會使得封裝比較昂貴,潛在失效點也會比類似的單晶式組裝製程要多。

另一層限制是雙重元件的解決方案缺乏有效補償所有溫度變化的能力,而這也是晶體振盪方案所面臨的問題。這是因為雙重元件(諧振器和放大器/基座)所組成的系統必須同步執行。基座則是在補償由溫度造成的諧振器頻率變化。由於兩種元件並未整合,而是各自獨立且靠多條焊線相連,因此當溫度變化時,它們並不會同步執行。這種缺乏直接聯繫的情形會造成這些系統在溫度變化時產生偏移。事實上,在溫度變動的多種情況下,晶體振盪器的表現還是比多晶片的MEMS元件要好。

(下一頁繼續:第二代MEMS振盪器)


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