Hệ thống Micro-Mechanical,  CMEMS,  Sản phẩm điều khiển tần số chip đơn,  Tinh thể thạch anh,  Độ trôi nhiệt độ, 

Trong năm năm qua, các sản phẩm kiểm soát tần số và thời gian dựa trên công nghệ Hệ thống vi cơ điện (MEMS) đã dần làm xói mòn vị trí độc quyền 100 năm của các giải pháp tinh thể thạch anh. Được sản xuất với công nghệ sản xuất chất bán dẫn tiêu chuẩn, các sản phẩm dựa trên MEM có những cải tiến đáng kể về kích thước, độ bền và chi phí.

Tuy nhiên, tiềm năng đầy đủ của MEMS chỉ gần đây với CMEMS Corporation (từ viết tắt này có nguồn gốc từ sự thu hẹp của công nghệ sản xuất CMOS+MEMS). Quy trình độc đáo này có thể được sử dụng để sản xuất các thiết bị điện tử vi mô và CMOS trên một chip duy nhất, cho phép các nhà thiết kế tận dụng lợi thế kinh tế của quy mô được cung cấp bởi quy trình bán dẫn tiêu chuẩn để tạo ra các sản phẩm điều khiển tần số chip đơn với hệ số hình dạng nhỏ hơn, hiệu suất tốt hơn, chi phí thấp hơn và khả năng mở rộng lớn hơn.

Công nghệ MEMS sử dụng quy trình bán dẫn tiêu chuẩn để sản xuất các thành phần vi điện như cảm biến áp suất, gia tốc và cộng hưởng trên tấm silicon hoặc các chất nền thương mại khác. Trong khi hình dạng nhỏ gọn được cung cấp bởi công nghệ MEMS là động lực ban đầu để áp dụng nó, các nhà sản xuất sản phẩm chronograph nhanh chóng phát hiện ra rằng họ cũng cung cấp một số lợi thế đáng chú ý khác. Chúng bao gồm thời gian dẫn được cải thiện, ổn định nguồn cung, độ tin cậy của sản phẩm và khả năng thực hiện các thương mại tỷ lệ tình dục-giá tinh chỉnh.

Thiết bị MEMS không bị hạn chế bởi một số hạn chế vốn có của công nghệ dựa trên thạch anh yêu cầu đóng gói dựa trên gốm (Hình 1), tụ điện phù hợp ngoài chip, và quy trình sản xuất phức tạp, chuyên môn cao để đạt được mức độ tin cậy và hiệu suất chấp nhận được. Các thiết bị kết quả có thể đạt được độ chính xác chấp nhận được, nhưng chúng vẫn có độ nhạy cố hữu đối với các yếu tố môi trường, chẳng hạn như ứng suất nhiệt, đặc biệt là sốc và rung, làm tăng khả năng chúng bị hỏng tại chỗ.

Cho đến gần đây, các yếu tố MEMS đã được tích hợp vào các sản phẩm điều khiển tần số và đồng hồ, sử dụng cùng một phương pháp được phát triển cho các sản phẩm dựa trên thạch anh và các sản phẩm MEMS khác. Thiết bị vớt váng dầu mỡ cho xử lý nước thải -PetroXtractor - Well Oil Skimmer (Sơ đồ 2:Công nghệ đóng gói tiêu chuẩn hơn được cho phép, nhưng nó vẫn phụ thuộc vào thiết bị độc lập từ xưởng đúc MEMS tích hợp (tức là đắt tiền) và xưởng đúc CMOS công suất lớn, dẫn đến hiệu suất và chi phí hệ thống thấp hơn mức tối ưu.

CMEMS: Tích hợp nguyên khối CMOS và MEMS
CMEMS khắc phục phần lớn những thiếu sót này bằng cách cho phép xử lý sau mô-đun các thiết bị MEMS trực tiếp trên mạch CMOS. Phương pháp tích hợp MEMS độc đáo này là công nghệ đầu tiên thuộc loại này cho phép xử lý lại trực tiếp các lớp MEMS chất lượng cao trên công nghệ RF/Hybrid Signal CMOS tiên tiến (0,18 µm trở xuống). Các nhà sản xuất hiện có thể thêm các thành phần MEMS vào các thiết bị điện tử xử lý tín hiệu và giao diện của cảm biến bằng cách sử dụng cùng một dây chuyền sản xuất CMOS tiên tiến, một sản phẩm phụ trợ mô-đun có thể mở rộng và hiện đại (Hình 3).

(a) Vật liệu khởi đầu ở dạng wafer CMOS phẳng thụ động, (b) SiGe đa tinh thể trên đó được gia công vi mô bề mặt thành thiết bị MEMS tích hợp và (c) được đóng gói trong chân không bằng cách sử dụng liên kết cấp wafer. Các chip hoàn chỉnh tiếp tục phát hiện, (d) phân chia hạt và lắp ráp gói kích thước nhỏ tiêu chuẩn, giống như các sản phẩm CMOS tiêu chuẩn.

Bằng cách xử lý bộ cộng hưởng trực tiếp trên IC tín hiệu lai tiên tiến, công nghệ CMEMS cho phép giải pháp nguyên khối đầy đủ mang lại lợi ích đáng kể cho ngành công nghiệp kiểm soát tần số, bao gồm kích thước nhỏ hơn, hiệu suất tốt hơn, chi phí thấp hơn và khả năng mở rộng lớn hơn.

Công nghệ CMEMS sử dụng polysilicon germanium (polySiGe) làm vật liệu cấu trúc MEMS của nó. Vật liệu này được coi là "thân thiện với CMOS", tức là ngân sách nóng của nó tương thích với quy trình back-end CMOS. Polysilicon germanium có thể lắng đọng ở khoảng 400 ° C, cho phép nó lắng đọng trực tiếp trên đỉnh của các chip CMOS chính mà không làm tan chảy các thiết bị và vật liệu phụ trợ hiện có. Nó cũng cho phép sử dụng germanium tinh khiết (Ge) làm vật liệu hy sinh. Ge có thể được hòa tan bằng hydro peroxide (H2O2), thường được sử dụng trong xử lý back-end CMOS và là một chất khắc thân thiện hơn so với các hóa chất khác được tìm thấy trong quá trình giải phóng MEMS khác.

Đạt được khả năng tương thích quy trình giữa vi gia công bề mặt MEMS và sản xuất CMOS tiên tiến là rất quan trọng, nhưng các giải pháp chip đơn cũng đòi hỏi sự tập trung nghiêm ngặt vào chất lượng vật liệu. Trong hầu hết các ứng dụng MEMS, chất lượng vật liệu và nhiệt độ lắng đọng có xu hướng đi theo hướng ngược lại. Mặc dù các kim loại như nhôm và đồng tương thích với quy trình CMOS, nhưng độ ổn định cơ học kém của chúng khiến chúng không hoạt động như vật liệu kết cấu.

Mặt khác, SiGe nổi bật ở khía cạnh quan trọng này: trên 400 ° C, SiGe có thể được lắng đọng dưới dạng vật liệu đa tinh thể với các tính chất tương tự như polysilicon, một vật liệu MEMS phổ biến. Cả hai vật liệu đều có độ bền gãy cao và mất độ đàn hồi nhiệt thấp (tức là Q cao) và SiGe không thể hiện sự leo dốc hoặc độ trễ từ khi lưu thông qua ứng suất. Những đặc điểm này là hoàn toàn quan trọng để sản xuất các thiết bị MEMS hiệu suất cao, đặc biệt là cho sự ổn định lâu dài cần thiết để kiểm soát tần số.

Ngoài lợi thế vật liệu của SiGe, công nghệ CMEMS cung cấp một số tính năng quan trọng khác làm cho nó mạnh mẽ và tích hợp hệ thống tối ưu:

Xây dựng cấu trúc MEMS trên các chip CMOS hiện có liên quan đến một số thách thức. Đầu tiên, khả năng tương thích nhiệt không có nghĩa là vật liệu và thiết bị hoạt động giống nhau khi chúng trải qua chu kỳ nhiệt của quy trình sản xuất. Ví dụ, SiGe được nén và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là một chữ số ppm/^ỒPhạm vi C, trong khi ngăn xếp kim loại bên dưới thường được kéo dài và có CTE 10-20ppm/^ỒPhạm vi C. Việc sản xuất các cấu trúc MEMS khả thi và kết nối điện đáng tin cậy đòi hỏi chuyên môn về tất cả các vật liệu liên quan đến quy trình và chuyên môn kỹ thuật để thiết kế chúng cùng tồn tại.

Khử khí nền cũng là một vấn đề. Chu trình nhiệt có xu hướng giải phóng các phân tử lỏng lẻo có thể khuếch tán từ chất nền vào khoang và thay đổi các đặc tính của bộ cộng hưởng. Do đó, trong quá trình lắng đọng, phải chú ý cẩn thận đến vật lý hóa học của vật liệu phụ trợ để đạt được gói chân không, đủ cho cả hai thiết bị ngắn hạn (yếu tố khối lượng) và ổn định lâu dài (lão hóa).

Khi sự phức tạp của bất kỳ quy trình sản xuất nhất định nào tăng lên, việc xếp chồng mất sản lượng đặt ra một thách thức khác. May mắn thay, quy trình CMEMS sử dụng dây chuyền sản xuất CMOS, một trong những môi trường sản xuất được kiểm soát chặt chẽ nhất trên thế giới. Do đó, tác động tổng thể của hợp chất lợi suất là tối thiểu và lợi suất cuối cùng vẫn tương tự như CMOS - trong phạm vi hơn 90%.

Các quy tắc thiết kế hiện tại của quy trình sản xuất CMEMS cho phép tích hợp các thiết bị MEMS với khoảng cách 0,2 µm và kích thước tính năng dòng 0,5 µm trên RF/MS CMOS 0,13 µm với tám lớp kim loại. Khả năng sản xuất tương tự cũng được chứng minh bằng quy trình 0,18 µm. CMEMS hiện đang được sản xuất tại một nhà máy thế hệ CMOS hàng đầu với công suất lớn (>1000wpm) và được hỗ trợ bởi Bộ thiết kế sản phẩm/quy trình hoàn chỉnh (PDK). Tích hợp CMOS, MEMS, gói chân không, chấp nhận wafer và đầu dò chip trên cùng một dòng mang lại lợi thế đáng kể về khả năng mở rộng và đảm bảo chất lượng. CMEMS cũng có thể được coi là một công nghệ nền tảng cho phép các loại thiết bị khác nhau (bộ cộng hưởng, cảm biến quán tính, v.v.) được sản xuất trong cùng một quy trình.

Tích hợp MEMS thay đổi mọi thứ
Khả năng tích hợp các thiết bị điện tử chủ động với các thành phần MEMS sẽ làm giảm đáng kể chi phí của các sản phẩm điều khiển tần số, nhưng có lý do nào khác để tin rằng đây là xu hướng không thể đảo ngược trong ngành công nghiệp thời gian không? Dưới đây là một vài lý do tại sao câu trả lời là "có".

Áp lực thị trường Việc giảm giá không ngừng ở các thị trường trưởng thành đã thúc đẩy tích hợp nhiều tính năng hơn vào các thiết bị hệ thống trên chip (SoC). Cũng giống như việc lựa chọn kim loại cho các thiết bị thụ động tích hợp CMOS đã tạo ra một làn sóng sản phẩm đột phá vài năm trước, khả năng của CMEMS để nhúng các thiết bị MEMS trực tiếp trên CMOS sẽ thúc đẩy làn sóng đổi mới tiếp theo.

Yếu tố hình dạng - Công nghệ CMEMS loại bỏ sự cần thiết của một gói lớn với cả hai IC thụ động và hoạt động xếp chồng được sử dụng bởi các bộ dao động thế hệ hiện tại, cảm biến quán tính hoặc thiết bị thạch anh. Trong trường hợp không có tích hợp nguyên khối, hầu hết các thiết kế phải có một gói tương đối dày, chiếm không gian PCB tương đối lớn và các thành phần riêng biệt của nó làm tăng thêm sự phức tạp của hệ thống.

Trình diễn - Công nghệ tích hợp nguyên khối mang lại sự linh hoạt hơn trong việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Ví dụ (Hình 4), mức tăng quan trọng cần thiết trong bộ khuếch đại phản hồi của bộ dao động bị ảnh hưởng phần lớn bởi điện dung ký sinh tồn tại giữa phần hoạt động và bộ cộng hưởng. Điều này được thể hiện bằng các thông số,p。 Cao hơnpĐộ hòatan nguyênthủy(Việt_{mcritGenericName} (1) Cần phải tạo ra các dao động ổn định, do đó giảm công suất (Tôi₀ ), tọa độ&phương trình (Năm,₀ ).

Hình 4. Sơ đồ mạch cơ bản của bộ dao động Pierce dựa trên cộng hưởng với phương trình tăng tới hạn (g)_{mcritGenericName}), tải ký sinh (p) và biên độ điện áp đầu ra (V)_Ồ).

Tổn thất trong các yếu tố cộng hưởng cũng ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng, nhưng đối với các thiết bị nhỏ, tổn thất chèn của chúng (được biểu thị bằng điện trở chuyển động R)_xTổn thất ký sinh cực thấp của thiết bị vượt xa nó, do đó làm cho hệ thống dễ dàng tối ưu hóa cho công suất thấp hơn. Cảm biến cũng được hưởng lợi từ hiệu suất được cải thiện thông qua tích hợp MEMS, vì giảm điện dung ký sinh giữa cảm biến và mạch đọc ra làm tăng độ nhạy hiệu quả của chúng.

Giảm chi phí Đây có lẽ là động lực lớn nhất đằng sau tích hợp CMOS-MEMS monolithic. Việc tích hợp MEMS vào dây chuyền sản xuất CMOS loại bỏ nhu cầu về các nhà máy sản xuất MEMS riêng biệt, chuyên dụng (và đắt tiền). Công nghệ CMEMS cho phép các xưởng đúc CMOS thêm bộ thiết kế sản phẩm MEMS mạnh mẽ vào bộ công cụ liên quan đến dây chuyền sản xuất chung của họ. Với các quy trình mật độ cao thế hệ tiếp theo và chuyển wafer lớn hơn trong ngành công nghiệp bán dẫn, xưởng đúc có thể sản xuất các thiết bị MEMS sử dụng thiết bị gia công wafer tiêu chuẩn công nghiệp, do đó cung cấp cho khách hàng MEMS một con đường tăng trưởng trong tương lai. Việc tích hợp chung MEMS và các thiết bị điện tử cũng cho phép đóng gói cấp chip, do đó giảm đáng kể chi phí lắp ráp và thử nghiệm.

Những thách thức đối với các sản phẩm kiểm soát tần số
Mặc dù các đặc tính lão hóa tuyệt vời và sự ổn định ngắn hạn của thạch anh làm cho chúng trở thành tiêu chuẩn để kiểm soát tần số, chúng cũng bị hạn chế một số tính năng quan trọng nhất thường được tìm thấy trong các sản phẩm kiểm soát tần số dựa trên MEMS.

Các giải pháp dựa trên MEMS, đặc biệt là CMEMS, không phụ thuộc vào quy trình sản xuất chuyên nghiệp được sử dụng để sản xuất các sản phẩm Quartz Chronograph làm phức tạp chuỗi cung ứng và thời gian dẫn dài (vài tuần hoặc thậm chí vài tháng). Vì các thiết bị CMEMS sử dụng công nghệ sản xuất và đóng gói tiêu chuẩn, thời gian dẫn ngắn hơn (ít hơn hai tuần) và có thể được đóng gói với kích thước nhỏ gọn hơn dự kiến trong tương lai gần.

Cấu trúc MEMS có thể chịu được mức độ căng thẳng, rung động và sốc cao hơn so với các thiết bị thạch anh, một đặc điểm làm tăng đáng kể độ tin cậy và giảm khả năng xảy ra sự cố tại chỗ. Đồng hồ tích hợp CMEMS cũng ít nhạy cảm hơn đối với thiết kế bảng mạch và các vấn đề EMI so với bộ cộng hưởng thạch anh ngoài chip và có thể thông qua các quy trình đánh giá độ tin cậy tương tự như các sản phẩm chỉ được sử dụng cho CMOS, nghiêm ngặt hơn nhiều so với các quy trình được sử dụng để đánh giá các sản phẩm dựa trên thạch anh.

Mặc dù công nghệ cộng hưởng MEMS đã vượt qua nhiều hạn chế cơ bản của tinh thể thạch anh, nhưng nó phải đối mặt với một loạt thách thức khi bước vào thị trường điều khiển tần số. Đầu tiên, như một tác dụng phụ của kích thước nhỏ hơn của nó, bộ cộng hưởng MEMS trao đổi năng lượng ít hiệu quả hơn nhiều so với các thiết bị dựa trên thạch anh tương đương, dẫn đến tỷ lệ tín hiệu tiếng ồn thấp hơn đáng kể. Thứ hai, các vật liệu MEMS cổ điển, bao gồm monocrystalline và polycrystalline silic, và thậm chí polycrystalline germanium, cho thấy sự trôi dạt đáng kể theo nhiệt độ.

Trừ khi được thiết kế cẩn thận, bộ cộng hưởng MEMS có thể có độ ổn định tổng thể thấp do hệ số nhiệt độ tần số lên đến -30 ppm.^ỒNgoài ra, kích thước nhỏ của các thiết bị MEMS làm cho nó khó điều chỉnh vật lý hơn các thiết bị thạch anh, ảnh hưởng đến độ chính xác ban đầu. Kiến thức kỹ thuật về các đặc tính lão hóa và độ tin cậy của thiết bị MEMS kém trưởng thành hơn nhiều so với thiết bị thạch anh, đó là một trong nhiều lý do tại sao thông số kỹ thuật bù đắp của nó thường nằm trong phạm vi% thay vì ppm hoặc ppb. Do đó, phạm vi 6 Sigma của bộ cộng hưởng MEMS cơ bản là khoảng ± 0,2%, thấp hơn nhiều so với 10-20 ppm thường được yêu cầu để kiểm soát tần số.

Để giải quyết những vấn đề này, một VCO ổn định MEMS có thể được xây dựng với một bộ dao động riêng biệt được khóa vào tham chiếu MEMS thông qua các mạch bổ sung (Hình 5). Nếu có bất kỳ sự không chính xác nào trong tham chiếu MEMS, vòng điều khiển buộc tỷ lệ xác định trước giữa bộ dao động MEMS và VCO, do đó điều chỉnh tần số đầu ra của nó. PLL kỹ thuật số của mạch này cho phép lập trình tần số đầu ra của nó, một chức năng mà bộ dao động thạch anh không thể thích ứng nếu không có mạch bổ sung. VCO cũng có thể chấp nhận đầu vào cảm biến nhiệt độ, cho phép nó điều chỉnh độ trôi nhiệt độ của bộ dao động MEMS bằng cách điều chỉnh giá trị tinh chỉnh của nó.

Sự trôi dạt nhiệt độ lớn hơn vốn có trong bộ cộng hưởng MEMS tạo ra một điểm yếu khác của các giải pháp MEMS trước đó: chức năng truyền vòng hở từ cảm biến nhiệt độ đến đầu ra tần số VCO rất dốc. Điều này có thể dẫn đến các vấn đề ổn định ngắn hạn đáng kể và nhạy cảm với những thay đổi nhiệt độ thoáng qua nhanh chóng.

Công nghệ CMEMS giải quyết vấn đề này bằng cách thêm một cơ chế bù cơ học vào bộ cộng hưởng MEMS để giải quyết triệt để vấn đề, đó là sự ổn định cơ học của bộ cộng hưởng MEMS. Cơ chế này được tạo ra bằng cách hợp kim các khu vực quan trọng của cấu trúc cộng hưởng với một vật liệu khác có hành vi ngược lại ở nhiệt độ. SiGe và các vật liệu kết cấu MEMS khác thường thể hiện TC_E(Hệ số nhiệt độ mô đun Young) Giá trị trong khoảng từ -60 đến -80 ppm/^ỒC. Điều này có nghĩa là chúng mềm đi khi nhiệt độ tăng. Chất silica (SiO)_2.Là một vật liệu phổ biến trong môi trường sản xuất CMOS, nó trở nên khó khăn hơn khi nhiệt độ tăng lên. Bằng cách đặt vật liệu bù dưới dạng các khe hở nhỏ của oxit ở nơi quan trọng nhất - tại điểm căng thẳng tối đa, bộ cộng hưởng MEMS có thể đạt được sự ổn định nhiệt độ tương tự như bộ cộng hưởng thạch anh.

Bộ cộng hưởng khuôn LaméHình 6Với sự bù đắp cho mô hình co lại và giãn nở của nó, nó bao gồm các khe mô hình của oxit nhúng trong các lớp cấu trúc. Kết quả tương tác cung cấp bồi thường cho một hệ số bậc một rất gần với zero (từ khoảng -30 ppm/^ỒC được sử dụng trong các thiết bị khuôn mẫu SiGe bản địa) được chuyển đổi thành các đặc tính bậc hai, trong đó tần số ổn định về nhiệt độ, gần với hành vi cắt tinh thể thạch anh của AT. Không giống như cắt thạch anh, kỹ thuật này có thể được áp dụng cho bất kỳ hình dạng mẫu nào - trong hoặc ngoài mặt phẳng, bất kỳ tần số nào và rộng hơn là bất kỳ thiết bị cơ khí nào.

Hình 6: Biểu đồ nhìn xuống và mặt cắt ngang của bộ cộng hưởng phẳng bù cơ học cho sự ổn định nhiệt độ

Sự trôi dạt nhiệt có thể được loại bỏ bằng cách đơn giản thay đổi mô hình mặt nạ xác định khe oxit. Tính năng này, kết hợp với thiết kế cẩn thận của cảm biến nhiệt độ (được thiết kế để đạt được sự thỏa hiệp tiếng ồn/công suất tối ưu), cho phép các bộ dao động dựa trên CMEMS thể hiện sự ổn định ngắn hạn trong phạm vi vài ppb, có độ lớn thấp hơn nhiều so với các bộ dao động MEMS thế hệ đầu tiên. Hiệu chuẩn nhiệt độ sau đó hoàn thành quá trình này, bù cho sự ổn định nhiệt độ của thiết bị ở cấp độ hệ thống đến mức ppm trên toàn bộ phạm vi công nghiệp.

Công nghệ CMEMS cũng cung cấp hiệu suất tăng đáng kể so với thiết kế đa chip phức tạp, trong đó chuyển đổi nhiệt của các thành phần trở thành yếu tố chính trong vòng bù. Trong một cụm lõi ống xếp chồng lên nhau hai chip điển hình, chip CMOS, khớp dẫn và kết nối lõi epoxy, chip MEMS và bản thân gói đều ảnh hưởng đến việc truyền nhiệt giữa bộ cộng hưởng và cảm biến nhiệt độ được sử dụng để bù đắp cho sự lệch nhiệt. Các giải pháp dựa trên CMEMS khắc phục những vấn đề này bằng các thiết bị bù cơ học, đường dẫn nhiệt siêu ngắn và hằng số thời gian nhiệt nhỏ, cho phép chúng chống lại con lắc nhiệt tốt hơn bất kỳ giải pháp hiện có nào khác.

Cuối cùng, bù nhiệt độ cơ học cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tác động của tác động môi trường, ví dụ, bù đắp do căng thẳng nhiệt của cảm biến nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến bù đắp dòng chảy ngược của hàn, lão hóa và độ chính xác tổng thể. Bài viết này có nguồn gốc từ các bài báo kỹ thuật [1] trong đó chi tiết thực nghiệm được ghi lại để so sánh độ ổn định nhiệt của CMEMS, MEMS hai chip và công nghệ thạch anh. Sách trắng tương tự cũng bao gồm thông tin chi tiết về cách hệ thống CMEMS được thiết kế để giảm thiểu độ nhạy cảm với độ trôi tham chiếu nhiệt, tần số và điện áp có thể xảy ra do các yếu tố môi trường hoặc quá trình lão hóa xảy ra trong chính gói và thiết bị tích hợp sản phẩm.

Dựa trên những kết quả đã được chứng minh này, khả năng kiểm soát và mạnh mẽ vượt trội của công nghệ CMEMS trong điều kiện bất lợi cho phép giải pháp CMEMS xác định độ chính xác và ổn định ban đầu của tần số, bao gồm tất cả các tác động trong suốt tuổi thọ của thiết bị. Tính năng quan trọng này, còn được gọi là độ chính xác tổng thể, không có sẵn cho thạch anh hoặc các bộ dao động dựa trên MEMS khác.

Thay đổi mô hình kiểm soát tần số - thậm chí vượt ra ngoài
Công nghệ CMEMS sẽ kết hợp tất cả các ưu điểm của giải pháp dựa trên MEMS trong khi vẫn giữ được và thậm chí cải thiện nhiều tính năng tốt nhất của giải pháp thạch anh, hứa hẹn tạo ra những đột phá tích cực trong ngành công nghiệp kiểm soát tần số. Những đặc điểm có lợi này bao gồm:

Khả năng của công nghệ CMEMS để hỗ trợ đóng gói cấp chip wafer mở ra khả năng mở rộng lộ trình đóng gói và yếu tố hình thức vượt ra ngoài gói dao động tiêu chuẩn. Các sản phẩm hoàn thiện CMEMS cũng có thể được phân phối dưới dạng wafer nếu cần, cho phép bán tham chiếu tần số được hiệu chuẩn wafer, đảm bảo để tích hợp gói trong hệ thống. Một mô hình kinh doanh như vậy sẽ cho phép các thiết bị hẹn giờ này được tích hợp vào mỗi SoC riêng lẻ dưới dạng chip đồng hành hoặc trong một số trường hợp, sử dụng công nghệ xử lý hậu kỳ trực tiếp trên chính SoC.

bởi Emanuel QueveyÔng là Giám đốc Kỹ thuật Hệ thống Micro-Mechanical Systems tại Silicon Labs (www.silabs.com), chịu trách nhiệm thiết kế và tích hợp các giải pháp thời gian bằng cách sử dụng công nghệ hệ thống Micro-Mechanical Systems độc quyền của Silicon Labs. Trước khi gia nhập Silicon Labs, ông là đồng sáng lập, giám đốc và CTO của Silicon Clocks (được Silicon Labs mua lại vào năm 2010), dẫn đầu phát triển sản phẩm dựa trên MEMS và công nghệ. Ông là đồng tác giả của hơn 40 ấn phẩm kỹ thuật trong lĩnh vực MEMS, đồng phát minh ra hơn 25 bằng sáng chế của Hoa Kỳ đã được cấp và thường xuyên làm việc như một nhà phê bình và thành viên ủy ban cho các tạp chí và hội nghị khác nhau. Năm 1999, ông nhận bằng kỹ sư từ ISEN ở Lille, Pháp và bằng thạc sĩ về kỹ thuật điện và khoa học máy tính từ Đại học Khoa học và Công nghệ Lille (USTL), Pháp. Năm 2002, ông nhận bằng tiến sĩ về kỹ thuật điện từ Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Kỳ.

Tài liệu tham khảo:
1.E.P. Quivey,Công nghệ CMEMS: Sử dụng sản xuất CMOS khối lượng lớn để đạt được điều khiển tần số dựa trên MEMS, "Sách trắng được xuất bản bởi Silicon Labs Tích hợp MEMS thay đổi mọi thứ
Khả năng tích hợp các thiết bị điện tử chủ động với các thành phần MEMS sẽ giảm đáng kể chi phí của các sản phẩm điều khiển tần số, nhưng có lý do nào khác để cho rằng đây là xu hướng không thể đảo ngược trong ngành công nghiệp thời gian không? Dưới đây là một vài lý do tại sao câu trả lời là "có".

Áp lực thị trường Các thị trường trưởng thành được đặc trưng bởi việc giảm giá liên tục, thúc đẩy nhiều tính năng hơn được tích hợp vào các thiết bị hệ thống trên chip (SoC). Cũng giống như các tùy chọn kim loại để tích hợp các thiết bị thụ động trên CMOS đã tạo ra một làn sóng sản phẩm đột phá vài năm trước, CMEMS có thể nhúng các thiết bị MEMS trực tiếp trên CMOS, điều này sẽ thúc đẩy làn sóng đổi mới tiếp theo.

Yếu tố hình dạng - Công nghệ CMEMS loại bỏ sự cần thiết của một gói lớn với cả hai IC thụ động và hoạt động xếp chồng được sử dụng bởi các bộ dao động thế hệ hiện tại, cảm biến quán tính hoặc thiết bị thạch anh. Trong trường hợp không có tích hợp nguyên khối, hầu hết các thiết kế phải sử dụng một gói tương đối dày, chiếm không gian PCB tương đối lớn và các thành phần riêng biệt của chúng làm tăng thêm sự phức tạp của hệ thống.

Trình diễn - Công nghệ tích hợp nguyên khối mang lại sự linh hoạt hơn trong việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Ví dụ (Hình 4), mức tăng quan trọng cần thiết cho bộ khuếch đại phản hồi dao động bị ảnh hưởng phần lớn bởi điện dung ký sinh giữa phần hoạt động và bộ cộng hưởng. Điều này được thể hiện bằng các thông số,p。 Cao hơnpĐộ hòatan nguyênthủy(Việt_{mcritGenericName} (1) Cần phải tạo ra các dao động ổn định, do đó giảm công suất (Tôi₀ ), tọa độ&phương trình (Năm,₀ ).

Hình 4. Sơ đồ mạch cơ bản của bộ dao động Pierce dựa trên cộng hưởng với phương trình tăng tới hạn (g)_{mcritGenericName}), tải ký sinh (p) và biên độ điện áp đầu ra (V)_Ồ).

Tổn thất trong các yếu tố cộng hưởng cũng ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng, nhưng đối với các thiết bị nhỏ, tổn thất chèn của chúng (được biểu thị bằng điện trở chuyển động R)_x) Vượt xa tổn thất ký sinh cực thấp của thiết bị, do đó làm cho hệ thống dễ dàng tối ưu hóa cho công suất thấp hơn. Cảm biến cũng được hưởng lợi từ hiệu suất được cải thiện thông qua tích hợp MEMS, vì giảm điện dung ký sinh giữa cảm biến và mạch đọc ra làm tăng độ nhạy hiệu quả của chúng.

Giảm chi phí Đây có lẽ là động lực lớn nhất đằng sau tích hợp CMOS-MEMS monolithic. Việc tích hợp MEMS vào dây chuyền sản xuất CMOS loại bỏ nhu cầu về các nhà máy wafer MEMS riêng biệt, chuyên dụng (và tốn kém). Công nghệ CMEMS cho phép các xưởng đúc CMOS thêm một bộ thiết kế sản phẩm MEMS mạnh mẽ vào thư viện công cụ liên quan đến dây chuyền sản xuất chung của họ. Với các quy trình mật độ cao thế hệ tiếp theo và chuyển wafer lớn hơn trong ngành công nghiệp bán dẫn, xưởng đúc có thể sản xuất các thiết bị MEMS sử dụng thiết bị gia công wafer tiêu chuẩn công nghiệp, cung cấp cho khách hàng MEMS một con đường tăng trưởng trong tương lai. Sự tích hợp chung của các hệ thống vi điện tử và điện tử cũng cho phép đóng gói cấp chip wafer, do đó giảm đáng kể chi phí lắp ráp và thử nghiệm.

Những thách thức đối với các sản phẩm kiểm soát tần số
Mặc dù các đặc tính lão hóa tuyệt vời và sự ổn định ngắn hạn của thạch anh làm cho chúng trở thành tiêu chuẩn để kiểm soát tần số, chúng cũng bị hạn chế nghiêm trọng để cung cấp một số tính năng quan trọng nhất thường thấy trong các sản phẩm kiểm soát tần số dựa trên MEMS.

Các giải pháp dựa trên MEMS, đặc biệt là CMEMS, không phụ thuộc vào các quy trình sản xuất chuyên dụng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm Quartz Chronograph làm phức tạp chuỗi cung ứng với thời gian dẫn dài (vài tuần hoặc thậm chí vài tháng). Vì các thiết bị CMEMS sử dụng công nghệ sản xuất và đóng gói tiêu chuẩn, thời gian dẫn ngắn hơn (ít hơn hai tuần) và có thể được đóng gói với kích thước nhỏ gọn hơn dự kiến trong tương lai gần.

So với các thiết bị thạch anh, cấu trúc MEMS có thể chịu được mức độ căng thẳng, rung động và sốc cao hơn, một đặc tính làm tăng đáng kể độ tin cậy và giảm khả năng xảy ra lỗi trong trường. Đồng hồ tích hợp CMEMS cũng ít nhạy cảm hơn với thiết kế bảng và các vấn đề EMI so với các bộ cộng hưởng thạch anh ngoài chip và có thể được thực hiện thông qua các luồng đánh giá độ tin cậy tương tự như các quy trình đánh giá độ tin cậy chỉ được sử dụng cho các sản phẩm CMOS, nghiêm ngặt hơn nhiều so với độ tin cậy được sử dụng để đánh giá các sản phẩm dựa trên thạch anh.

Mặc dù công nghệ cộng hưởng MEMS đã vượt qua nhiều hạn chế cơ bản của tinh thể thạch anh, nhưng ban đầu nó đã bước vào thị trường điều khiển tần số với một loạt các thách thức riêng. Đầu tiên, như một tác dụng phụ của kích thước nhỏ hơn của nó, bộ cộng hưởng MEMS có hiệu quả trao đổi năng lượng thấp hơn nhiều so với các thiết bị dựa trên thạch anh tương đương, dẫn đến tỷ lệ tín hiệu tiếng ồn thấp hơn đáng kể. Thứ hai, các vật liệu MEMS cổ điển, bao gồm monocrystalline và polycrystalline silic, và thậm chí polycrystalline germanium, cho thấy sự thay đổi nhiệt độ đáng kể.

Trừ khi được thiết kế cẩn thận, bộ cộng hưởng MEMS có thể có độ ổn định tổng thể thấp do hệ số nhiệt độ tần số lên đến -30 ppm.^ỒC. Ngoài ra, kích thước nhỏ của thiết bị MEMS khiến việc cắt tỉa vật lý trở nên khó khăn hơn so với thiết bị thạch anh, điều này ảnh hưởng đến độ chính xác ban đầu. Kiến thức kỹ thuật về các đặc tính lão hóa và độ tin cậy của thiết bị MEMS kém trưởng thành hơn nhiều so với thiết bị thạch anh, đó là một trong nhiều lý do tại sao thông số kỹ thuật bù đắp của nó thường nằm trong phạm vi% thay vì ppm hoặc ppb. Do đó, phạm vi 6 Sigma của bộ cộng hưởng MEMS cơ bản là khoảng ± 0,2%, thấp hơn nhiều so với 10-20 ppm thường được yêu cầu để kiểm soát tần số.

Để giải quyết những vấn đề này, một VCO ổn định MEMS có thể được xây dựng bằng cách sử dụng một bộ dao động riêng biệt được khóa vào tham chiếu MEMS thông qua các mạch bổ sung (Hình 5). Nếu có bất kỳ sự không chính xác nào trong tham chiếu MEMS, vòng điều khiển buộc tỷ lệ xác định trước giữa bộ dao động MEMS và VCO, do đó điều chỉnh tần số đầu ra của nó. PLL kỹ thuật số của mạch này cho phép lập trình tần số đầu ra, một tính năng mà bộ dao động thạch anh không thể thích ứng nếu không có mạch bổ sung. VCO cũng có thể chấp nhận đầu vào cảm biến nhiệt độ, do đó điều chỉnh độ trôi nhiệt độ của bộ dao động MEMSo bằng cách điều chỉnh các giá trị tinh chỉnh.

Sự trôi dạt nhiệt độ khổng lồ của bộ cộng hưởng MEMS đã tạo ra một điểm yếu khác của các giải pháp MEMS trước đó: chức năng truyền vòng hở từ cảm biến nhiệt độ đến đầu ra tần số VCO rất dốc. Điều này có thể dẫn đến các vấn đề ổn định ngắn hạn nghiêm trọng và nhạy cảm với những thay đổi nhiệt độ thoáng qua nhanh chóng.

Công nghệ CMEMS giải quyết vấn đề này bằng cách thêm một cơ chế bù cơ học vào bộ cộng hưởng MEMS để giải quyết triệt để vấn đề, đó là sự ổn định cơ học của bộ cộng hưởng MEMS. Cơ chế này được tạo ra bằng cách trộn các khu vực quan trọng của cấu trúc cộng hưởng với một vật liệu khác có hành vi ngược lại ở nhiệt độ. SiGe và các vật liệu kết cấu MEMS khác thường thể hiện TC_E(Hệ số nhiệt độ mô đun Young) Giá trị trong khoảng từ -60 đến -80 ppm/^ỒC. Điều này có nghĩa là chúng mềm đi khi nhiệt độ tăng. Chất silica (SiO)_2.Là một vật liệu phổ biến trong môi trường sản xuất CMOS, nó trở nên khó khăn hơn khi nhiệt độ tăng lên. Bằng cách đặt vật liệu bồi thường dưới dạng các khe hở nhỏ của oxit ở những nơi quan trọng nhất - tại điểm căng thẳng tối đa, bộ cộng hưởng MEMS có thể đạt được sự ổn định quá nhiệt tương tự như bộ cộng hưởng thạch anh.

Bộ cộng hưởng khuôn LaméHình 6Với sự bù đắp cho mô hình co lại và giãn nở của nó, nó bao gồm các khe mô hình oxit được nhúng trong các lớp cấu trúc. Các tương tác kết quả cung cấp bồi thường cho hệ số bậc nhất, rất gần với 0 (khoảng -30 ppm/^ỒC được sử dụng trong các thiết bị khuôn mẫu SiGe bản địa) được chuyển đổi thành các đặc tính bậc hai, trong đó tần số ổn định trên toàn bộ nhiệt độ, gần với hành vi cắt tinh thể thạch anh của AT. Không giống như cắt thạch anh, kỹ thuật này có thể được áp dụng cho bất kỳ hình dạng mẫu nào - trong hoặc ngoài mặt phẳng, bất kỳ tần số nào và rộng hơn là bất kỳ thiết bị cơ khí nào.

Hình 6: Biểu đồ nhìn xuống và mặt cắt ngang của bộ cộng hưởng phẳng bù cơ học cho sự ổn định nhiệt độ

Các vết nứt nhiệt có thể được loại bỏ chỉ bằng cách thay đổi mô hình mặt nạ xác định khe oxit. Tính năng này, kết hợp với thiết kế cẩn thận của các cảm biến nhiệt độ (được thiết kế để đạt được sự thỏa hiệp tiếng ồn/công suất tối ưu), cho phép các bộ dao động dựa trên CMEMS thể hiện sự ổn định ngắn hạn trong phạm vi vài ppb, thấp hơn nhiều bậc so với các bộ dao động MEMS thế hệ đầu tiên. Hiệu chuẩn nhiệt độ sau đó hoàn thành quá trình này, bù lại sự ổn định nhiệt độ của thiết bị ở cấp độ hệ thống đến mức ppm trên toàn bộ phạm vi công nghiệp.

Công nghệ CMEMS cũng cung cấp hiệu suất tăng đáng kể so với thiết kế đa chip phức tạp, trong đó chuyển đổi nhiệt của toàn bộ thành phần trở thành yếu tố chính trong vòng bù. Trong các thành phần xếp chồng chip kép điển hình, chip CMOS, liên kết chì và lõi kết nối epoxy, MEMSchip và bản thân gói đều ảnh hưởng đến việc truyền nhiệt giữa bộ dao động và cảm biến nhiệt độ được sử dụng để bù lại kích thích nhiệt. Các giải pháp dựa trên CMEMS khắc phục những vấn đề này bằng các thiết bị bù cơ học, đường dẫn nhiệt siêu ngắn và hằng số thời gian nhiệt nhỏ, làm cho chúng chịu được con lắc nhiệt tốt hơn bất kỳ giải pháp hiện có nào khác.

Cuối cùng, bù nhiệt độ cơ học cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tác động môi trường, ví dụ, bù đắp do căng thẳng nhiệt của cảm biến nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến bù đắp sau hàn, lão hóa và độ chính xác tổng thể. Chi tiết thực nghiệm so sánh độ ổn định nhiệt của CMEMS, MEMS hai chip và công nghệ thạch anh đã được ghi lại trong các bài báo kỹ thuật từ nguồn này [1]. Sách trắng tương tự cũng bao gồm thông tin chi tiết về cách hệ thống CMEMS được thiết kế để giảm thiểu độ nhạy cảm với sự trôi dạt tham chiếu nhiệt, tần số và điện áp có thể xảy ra do các yếu tố môi trường hoặc quá trình lão hóa xảy ra trong chính thiết bị tích hợp bao bì và sản phẩm.

Dựa trên các kết quả được chứng minh này, khả năng kiểm soát và ổn định vượt trội của công nghệ CMEMS trong điều kiện bất lợi cho phép giải pháp CMEMS xác định độ chính xác và ổn định ban đầu của tần số, bao gồm tất cả các tác động trong suốt tuổi thọ của thiết bị. Tính năng quan trọng này, còn được gọi là độ chính xác tổng thể, không có sẵn cho thạch anh hoặc các bộ dao động dựa trên MEMS khác.

Thay đổi mô hình kiểm soát tần số - thậm chí vượt ra ngoài
Công nghệ CMEMS sẽ kết hợp tất cả các lợi thế của giải pháp dựa trên MEMS trong khi vẫn giữ lại và thậm chí cải thiện nhiều tính năng tốt nhất của giải pháp thạch anh, từ đó mang lại những đột phá tích cực cho ngành công nghiệp kiểm soát tần số. Những đặc điểm có lợi này bao gồm:

Khả năng của công nghệ CMEMS để hỗ trợ đóng gói cấp wafer, cấp chip mở ra khả năng mở rộng lộ trình đóng gói và yếu tố hình thức cũng như dấu chân dao động tiêu chuẩn. Các sản phẩm hoàn thiện CMEMS cũng có thể được phân phối dưới dạng wafer nếu cần, cho phép bán các tham chiếu tần số được hiệu chuẩn bằng năng lượng để tích hợp gói trong hệ thống. Một mô hình kinh doanh như vậy sẽ cho phép các thiết bị hẹn giờ này được tích hợp vào mỗi SoC như một chip đồng hành hoặc trong một số trường hợp, sử dụng công nghệ xử lý hậu kỳ trực tiếp vào chính SoC.

bởi Emanuel QueveyÔng là Giám đốc Kỹ thuật Hệ thống Micro-Mechanical Systems tại Silicon Labs (www.silabs.com), chịu trách nhiệm thiết kế và tích hợp các giải pháp thời gian bằng cách sử dụng công nghệ hệ thống Micro-Mechanical Systems độc quyền của Silicon Labs. Trước khi gia nhập Silicon Labs, ông là đồng sáng lập, giám đốc và CTO của Silicon Clocks (được Silicon Labs mua lại vào năm 2010), dẫn đầu phát triển sản phẩm dựa trên MEMS và công nghệ. Ông là đồng tác giả của hơn 40 ấn phẩm kỹ thuật trong lĩnh vực MEMS, đồng phát minh ra hơn 25 bằng sáng chế của Hoa Kỳ đã được cấp và thường xuyên làm việc như một nhà phê bình và thành viên ủy ban cho các tạp chí và hội nghị khác nhau. Năm 1999, ông nhận bằng kỹ sư từ ISEN ở Lille, Pháp và bằng thạc sĩ về kỹ thuật điện và khoa học máy tính từ Đại học Khoa học và Công nghệ Lille (USTL), Pháp. Năm 2002, ông nhận bằng tiến sĩ về kỹ thuật điện từ Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Kỳ.

Tài liệu tham khảo:
1. E.P. Quevy, "Công nghệ CMEMS: Sử dụng sản xuất CMOS khối lượng lớn để đạt được điều khiển tần số cơ sở MEMS", whitepaper được xuất bản bởi Silicon Labs