MEMS諧振器的發展史 Si50x CMEMS振蕩器概述

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蕩器所主導的。甚至到了今天，幾乎所有的電子設備在某方面仍是依賴機械石英晶體來產生多種可能運行頻率中的至少一種。現今市場上有無數的電子器件，從吉他擴音器到腕錶，從智慧型手機到叉車等，其中絕大多數都使用晶體或晶體振蕩器（XO）。

由於電子市場每年要用到無數的晶體，龐大的規模經濟促進了石英晶體和石英振蕩器的製造精密程度達到了新高——提供了更小、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，所以很容易做出性能可靠的晶體振蕩器。

可是過去幾年來，效仿擁有兩個元件（諧振器和放大器）架構的晶體振蕩器的微機電系統（MEMS）振蕩器已打入了頻率控制市場。這些MEMS振蕩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，尤其是在晶體振蕩器上屬於高成本結構的小巧型封裝。此外，通過引進單晶片MEMS解決方案，把MEMS諧振器直接疊放在CMOS放大器基座的上方後，MEMS振蕩器的可靠性、可編程性、溫度穩定性和成本水平如今也得以更上一層樓。

晶體振蕩器

晶體振蕩器的工作頻率範圍廣——從幾千赫茲一直到幾百兆赫茲。晶體振蕩器在金屬蓋密封陶瓷封裝中結合了石英諧振器以及放大器電路。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，使組裝好的元件避免受損。一般來說，放大器電路會充分運用晶體的壓電性，以電反饋來創造特定頻率的共振或振蕩，並由晶體諧振器的大小、切割和電鍍來控制。為了支持電子產業所需的範圍寬廣的頻率，頻率控制供應供應商必須設計、儲存和製造數百、甚至數千種不同的定製晶體諧振器。

除了定製晶體諧振器，石英振蕩器解決方案還面臨著製造上的挑戰。在整個晶體市場上，便攜設備佔據很大的比重。更加輕薄小型的便攜設備使所有的供應商必須提供體積愈來愈小的元件。而隨著所有需求頻率的石英諧振器尺寸的縮減，更小、更脆弱的晶體給製造的複雜度與可靠性帶來了挑戰，這就為晶體式振蕩器帶來了問題。此外，晶振方案在每個市場上都面臨著一大難題，那就是它們先天上對環境因素很敏感，像震動、搖晃、熱應力和製造上的變化都會造成啟動問題和後續的使用故障。

MEMS諧振器

過去幾年來，MEMS振蕩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振蕩器是在以矽材料為基礎（矽工藝，silicon-based processes）的工藝流程中製造，其品質管理十分嚴格，因此只要供應商設計、保障和賦予振蕩器的特性得當，所生產的眾多元件都能具備非常可靠的性能。

第二，矽工藝的直接結果就是符合摩爾定律，亦即處理能力會愈來愈強大，成本會愈來愈低。換句話說，更小、更先進的矽器件在成本上勢必會逐漸降低。而遺憾的是，晶振方案則和這項定律背道而馳，亦即材料會隨著它體積的縮小而變得更貴，原因就在於上述的製造難題。此外，隨著晶體的製造變得更難且更貴，其產量也會因為器件愈來愈脆弱與小巧而下降。

第三個優點同樣源於矽工藝。屬於矽解決方案的MEMS振蕩器天生就對環境因素比較有抵抗力。但這並不代表所有的MEMS解決方案在這方面都一樣理想，產品設計會大大影響到不同的MEMS振蕩器的工作能力。不過，矽解決方案比晶體、尤其是小晶體在抵抗震動與搖晃能力方面更強，這是不爭的事實。

第一代MEMS振蕩器

第一代的MEMS振蕩器跟石英振蕩器的架構類似，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的任何漂移（drift）的放大器IC/基座晶片。採用MEMS使振蕩器的製造大為改善，因為它免除了石英振蕩器所需要的複雜材料處理技術，並且把石英振蕩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蕩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/組裝工藝要多。

另一層限制是，雙重元件的解決方案缺乏能夠有效補償所有溫度變化的能力，而這也是晶振方案所面臨的問題。這點是因為雙重元件（諧振器和放大器/基座）所組成的系統必須同步運行。基座則是在補償由溫度造成的諧振器的頻率變化。由於兩種器件沒有整合，而是各自獨立並靠多條焊線相連，因此當溫度變化時，它們並不會同步運行。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，晶體振蕩器的表現還是比多晶片的MEMS器件要好。

第二代MEMS振蕩器

近期在工藝技術上的新進展使MEMS振蕩器得以直接製造在CMOS基座晶片的上方。這是很大的進步，原因有幾點。第一，在標準代工廠裡製造單晶片時，成本會低於用多家代工廠的元件來製作雙晶片解決方案，或是製造晶體式解決方案。第二，在單晶片的架構中，諧振器是直接和基座補償與放大器晶片整合起來的，等於是單一的整合系統，穩定性一流，能克服晶體和第一代MEMS所應付不了的震動、搖晃、老化和溫度波動等問題。最後，一如摩爾定律所示，單晶片解決方案比以往的解決方案提供了更大的彈性與作用，其價位一般來說也比較低。

CMEMS技術（CMOS和MEMS這兩個縮寫的簡稱）的問世實現了MEMS和CMOS的單晶片整合。這項獨特的技術與工藝是由Silicon Labs聯合其他領先的代工業者開發而成。CMEMS是同類工藝的先驅，它能把高質量的MEMS層直接構建於先進CMOS技術之上，而成為單一的單晶片。Silicon Labs的首批CMEMS產品是MEMS振蕩器，在設計上可提供10年的可靠性保障，不受震動與搖晃的影響，靈活的可編程方式滿足許多的應用需求，在溫度變化的環境中展現優異的性能。

探討單晶片的優點

第一代雙重晶片MEMS振蕩器的架構必須把MEMS諧振器晶片和振蕩器晶片線焊起來，所以會增加成本、複雜度，以及多晶片模塊（MCM）設計中的許多失效點。再者，在第一代雙重晶片的解決方案中，MEMS諧振器是由位於歐洲的專業MEMS代工廠所打造，製造成本多半比在亞洲要高。這些MEMS諧振器的晶圓會經過單一化（singulated），再跟位於遠東成本較低的代工廠所生產的標準CMOS晶片共同封裝。

CMEMS振蕩器是由世界第二大標準CMOS代工廠中芯國際（SMIC）所打造。CMEMS諧振器採用應用廣泛價格便宜的矽鍺（SiGe）材料直接建構於CMOS之上。這種工藝創新使CMEMS解決方案得以受惠於單一來源的較低成本晶圓，而避免了多晶片和大量焊線所導致的裕量堆棧（margin stacking）與複雜封裝。

溫度補償

跟雙重晶片的架構比起來，單晶片CMEMS振蕩器在性能上還有別的優勢。基於上述的種種原因，雙重晶片的架構所提供的輸出頻率可能會受到溫度變化的負面影響。

如圖1所示，把領先的晶體振蕩器、第一代MEMS振蕩器和Silicon Labs的CMEMS暴露在溫度快速變化的情形中來測量輸出頻率的穩定性。理想的結果是Y軸的零值沒有產生變化，這代表溫度的變化並沒有使輸出頻率改變。

圖1：溫度驟冷對晶體振蕩器、第一代MEMS和CMEMS的影響。

晶體振蕩器（XO）所產生的頻率偏移達到了宣稱的20 ppm的兩倍，第一代MEMS解決方案所產生的頻率偏移則達到了20ppm規格的八倍。這兩種解決方案跟CMEMS形成了強烈的對比，CMEMS和目標頻率相差不到1ppm。

Si50x CMEMS振蕩器概述

圖2顯示了Silicon Labs Si50x CMEMS振蕩器的單晶片架構。

圖2：Silicon Labs單晶片CMEMS諧振器電路圖。

Si50x振蕩器系列產品可支持32kHz和100MHz之間的解析度達到六位數的任何頻率。此振蕩器系列產品包含了四種基座器件，並可依照供電電壓、輸出升降時間、頻率穩定性、溫度支持等來做配置。這些器件在功能上與很多晶體振蕩器和第一代MEMS解決方案兼容，並且是以引腳兼容的4引腳封裝來供應（2mm×2.5mm、2.5mm×3.2mm和3.2mm×5mm）。

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