Implementierung von MEMS-basierter Frequenzregelung unter Verwendung von CMOS mit hoher Kapazität
In den letzten fünf Jahren haben Frequenzsteuerungs- und Timingprodukte, die auf MEMS-Technologie basieren, das 100-jährige Monopol von Quarzkristallösungen stetig erodiert. Hergestellt unter Verwendung der Standard-Halbleiterfertigungstechnologie, haben MEMs basierte Produkte in Bezug auf Größe, Haltbarkeit und Kosten erheblich verbessert. Das volle Potenzial von MEMS hat sich jedoch erst kürzlich herausgestellt
In den letzten fünf Jahren haben Frequenzsteuerungs- und Timingprodukte, die auf MEMS-Technologie basieren, das 100-Jahres-Monopol von Quarzkristallösungen stetig erodiert. Hergestellt unter Verwendung der Standard-Halbleiterfertigungstechnologie, haben MEM-basierte Produkte in Bezug auf Größe, Haltbarkeit und Kosten deutlich verbessert
Das volle Potenzial von MEMS ist jedoch erst kürzlich mit CMEMS aufgetaucht (diese Abkürzung kommt von der Kontraktion der CMOS+MEMS Fertigungstechnologie). Dieses einzigartige Verfahren kann verwendet werden, um elektronische MEMS- und CMOS-Geräte auf einem einzigen Chip herzustellen, was es Designern ermöglicht, die Skaleneffekte von Standard-Halbleiterprozessen zu nutzen, um Single-Chip-Frequenzsteuerungsprodukte mit kleinerem Formfaktor, besserer Leistung, niedrigeren Kosten und größerer Skalierbarkeit zu erstellen
Die MEMS-Technologie verwendet Standard-Halbleiterprozesse, um MEMS-Komponenten wie Drucksensoren, Beschleunigungsmesser und Resonatoren auf Siliziumwafern oder anderen handelsüblichen Substraten herzustellen. Obwohl das kompakte Erscheinungsbild der MEMS-Technologie die erste Motivation für ihre Einführung war, entdeckten Timing-Produkthersteller schnell, dass sie auch einige andere signifikante Vorteile boten. Dazu gehören verbesserte Lieferzyklen, Lieferstabilität, Produktzuverlässigkeit und die Möglichkeit, Kosteneffizienz-Kompromisse zu optimieren
Bis vor kurzem wurden MEMS-Komponenten in Frequenzsteuerungs- und Taktprodukte mit den gleichen Methoden integriert, wie sie für Quarz-basierte Produkte und andere MEMS-Produkte entwickelt wurden. Die gleichzeitige Kombination von MEMS-Resonator-Chips mit unabhängigen ICs in Multi-Chip-Modulen (Abbildung 2:) ermöglicht den Einsatz von Standard-Verpackungstechniken, setzt aber immer noch auf die Integration hochwertiger (d.h. teurer) unabhängiger Geräte von MEMS-Gießereien und CMOS-Gießereien mit hoher Kapazität, was zu geringerer Systemleistung und Kosten als optimalen Niveaus führt
CMEMS: Die monolithische Integration von CMOS und MEMS
CMEMS überwindet diese Mängel weitgehend und kann direkt modulare Nachbearbeitung auf MEMS-Geräten auf CMOS-Schaltungen durchführen. Diese einzigartige MEMS-Integrationsmethode ist die erste ihrer Art, die eine direkte Nachbearbeitung von hochwertigen MEMS-Schichten auf der Grundlage fortschrittlicher RF/Mixed Signal CMOS-Technologie (0,18 µ m und darunter) ermöglicht. Hersteller können nun MEMS-Komponenten zur Signalverarbeitung und Schnittstellenelektronik von Sensoren hinzufügen, indem sie dieselbe fortschrittliche CMOS-Fertigungslinie verwenden, die ein skalierbares und hochmodernes modulares Back-End-Produkt ist (Abbildung 3)
(a) Passiviertes planares CMOS-Chip-Ausgangsmaterial, (b) Polykristallines SiGe wird oberflächenmikroskopisch darauf mikrobearbeitet, um integrierte MEMS-Geräte zu bilden, und (c) unter Verwendung von Chip-Level-Bonding im Vakuum verpackt. Der vollständig fertige Chip wird weiterhin erkannt, (d) Kornsegmentierung und standardmäßige kleinteilige Verpackungsmontage, genau wie Standard-CMOS-Produkte<
Durch die direkte Verarbeitung von Resonatoren auf fortschrittlichen Mixed Signal ICs ermöglicht die CMEMS-Technologie eine vollständig monolithische Lösung, die erhebliche Vorteile für die Frequenzsteuerungsindustrie bringt, einschließlich kleinerer Abmessungen, besserer Leistung, niedrigerer Kosten und größerer Skalierbarkeit
CMEMS-Technologie verwendet polykristallines Silizium Germanium (Poly SiGe) als sein MEMS-Strukturmaterial. Dieses Material gilt als "CMOS-freundlich", was bedeutet, dass sein thermisches Budget mit dem CMOS-Backend-Prozess kompatibel ist. Polykristallines Siliziumdermanium kann bei ca. 400° C abgeschieden werden, so dass es sich direkt auf Mainstream-CMOS-Chips ablagern kann, ohne vorhandene Geräte und Back-End-Materialien zu schmelzen. Es erlaubt auch die Verwendung von reinem Germanium (Ge) als Opfermaterial. Ge kann mit Wasserstoffperoxid (H2O2) gelöst werden, das üblicherweise für die CMOS-Backend-Verarbeitung verwendet wird und ein freundlicherer Ätz ist als andere Chemikalien, die während MEMS-Freisetzungsprozessen gefunden werden
Es ist wichtig, Prozesskompatibilität zwischen MEMS-Oberflächenmikrobearbeitung und fortschrittlicher CMOS-Fertigung zu erreichen, aber Einzelchiplösungen erfordern auch strenge Aufmerksamkeit auf Materialqualität. In den meisten MEMS-Anwendungen entwickeln sich Materialqualität und Abscheidungstemperatur oft in die entgegengesetzte Richtung. Obwohl Metalle wie Aluminium und Kupfer mit CMOS-Prozessen kompatibel sind, sind sie aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität als Strukturmaterialien ungeeignet
Auf der anderen Seite sticht SiGe in diesem entscheidenden Aspekt hervor: Ab 400° C kann SiGe als polykristallines Material abgeschieden werden, mit Eigenschaften ähnlich wie polykristallines Silizium, ein gängiges MEMS-Material. Beide Materialien weisen eine hohe Bruchfestigkeit und einen geringen thermoelastischen Verlust (d.h. hohe Q) auf, und SiGe weist bei zyklischer Beanspruchung weder Kriechen noch Hysterese auf. Diese Eigenschaften sind absolut entscheidend für die Herstellung von Hochleistungs-MEMS-Geräten, insbesondere für die Langzeitstabilität, die für die Frequenzregelung erforderlich ist
Neben den Materialvorteilen von SiGe bietet die CMEMS-Technologie auch einige weitere Schlüsselmerkmale, die sie robust und optimal in die Systemintegration integrieren:
Der Aufbau von MEMS-Strukturen auf bestehenden CMOS-Chips birgt mehrere Herausforderungen. Erstens bedeutet thermische Verträglichkeit nicht, dass Materialien und Geräte während des thermischen Zyklus des Herstellungsprozesses gleich funktionieren. Zum Beispiel wird SiGe komprimiert, und der Koeffizient der thermischen Ausdehnung (CTE) liegt im Bereich von einstelligen ppm/ohC. Der Metallstapel unten ist normalerweise gestreckt und hat einen CTE/ohC Bereich von 10-20ppm. Die Herstellung von durchführbaren MEMS-Strukturen und zuverlässigen elektrischen Verbindungen erfordert professionelle Kenntnisse aller am Prozess beteiligten Materialien sowie technisches Know-how bei der Gestaltung ihrer Koexistenz
Die Entgasung von Substraten ist ebenfalls ein Problem. Der thermische Kreislauf setzt oft lose Moleküle frei, die vom Substrat in den Hohlraum diffundieren und die Eigenschaften des Resonators verändern können. Daher muss während des Abscheideprozesses auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Backend-Materialien geachtet werden, um eine Vakuumverpackung zu erreichen, die sowohl für die kurzfristige (Qualitätsfaktor) als auch für die Langzeitstabilität (Alterung) des Gerätes ausreicht
Da die Komplexität jedes Herstellungsprozesses zunimmt, stellt das Stapeln von Produktionsverlusten eine weitere Herausforderung dar. Glücklicherweise nutzt der CMEMS-Prozess CMOS-Fertigungslinien, die eine der am stärksten kontrollierten Fertigungsumgebungen der Welt ist. Daher ist der Gesamteffekt der Mischmittelausbeute minimal, und die Endausbeute bleibt ähnlich wie die von CMOS, im Bereich von über 90%
Die aktuellen Designregeln des CMEMS-Herstellungsprozesses ermöglichen die Integration von MEMS-Geräten mit 0,2 µ m Abstand und 0,5 µ m Liniengröße auf 0,13 µ m RF/MS CMOS mit acht Metallschichten. Auch das 0,18 µ m Verfahren weist die gleiche Fertigungsfähigkeit auf. CMEMS wird derzeit in einer Top-CMOS-Gießerei mit einer großen Kapazität (> 1000wpm) und Unterstützung durch ein komplettes und ausgereiftes Produkt/Process Design Kit (PDK) produziert. Die Integration von CMOS, MEMS, Vakuumverpackung, Wafer-Akzeptanz und Chip-Sonden in derselben Linie bietet erhebliche Vorteile bei Skalierbarkeit und Qualitätssicherung. CMEMS kann auch als Plattformtechnologie betrachtet werden, die die Herstellung verschiedener Arten von Geräten (Resonatoren, Trägheitssensoren, etc.) innerhalb desselben Prozesses ermöglicht
Die Fähigkeit, aktive elektronische Geräte mit MEMS-Komponenten zu integrieren, wird die Kosten für Frequenzsteuerungsprodukte erheblich senken, aber gibt es einen anderen Grund zu glauben, dass dies ein irreversibler Trend in der Zeitindustrie ist? Hier sind ein paar Gründe, warum die Antwort überwiegend "ja" lautet
Marktdruck- Die unerbittlichen Preissenkungen in reifen Märkten haben mehr Integration von Funktionen in System on Chip (SoC)-Geräte vorangetrieben. So wie die Metallauswahl der integrierten passiven CMOS-Geräte vor einigen Jahren eine Welle bahnbrechender Produkte ausgelöst hat, wird die Fähigkeit von CMEMS, MEMS-Geräte direkt in CMOS einzubetten, die nächste Innovationswelle antreiben
Form Factor- CMEMS-Technologie macht große Pakete mit passiven und aktiven IC-Stacks überflüssig, die in Oszillatoren der aktuellen Generation, Inertialsensoren oder Quarzgeräten verwendet werden. In Ermangelung einer monolithischen Integration müssen die meisten Designs relativ dick sein und relativ große PCB-Platzverpackungen belegen, und seine diskreten Komponenten erhöhen die Systemkomplexität
Performance- Monolithische Integrationstechnologie bietet mehr Flexibilität bei der Optimierung des Systemdesigns. Beispielsweise (Abbildung 4) wird die kritische Verstärkung, die im Rückkopplungsverstärker des Oszillators benötigt wird, weitgehend durch die parasitäre Kapazität zwischen dem aktiven Teil und dem Resonator beeinflusst. Dies wird durch Parameter,p dargestellt. Je höher derpParameter, desto geringer ist der Gain (gmcrit company), der eine stabile Oszillation zur Leistungsreduzierung benötigt (sub>0). Der gleiche Ausgangspegel muss erzeugt werden (V.0)
Abbildung 4. Das grundlegende Schaltbild eines resonatorbasierten Pierce-Oszillators mit kritischer Verstärkungsgleichung (gmcrit company), parasitärer Last (p) und Ausgangsspannungsaumplitude (Voh)
Die Verluste in resonanten Komponenten können sich auch auf den Stromverbrauch auswirken, aber bei Mikrogeräten übersteigen ihre Einfügeverluste (dargestellt durch den Bewegungswiderstand Rx) bei weitem ihre extrem niedrigen parasitären Verluste, wodurch das System leichter für geringe Leistung optimiert werden kann. Sensoren profitieren auch von verbesserter Leistung durch MEMS-Integration, da die Verringerung der parasitären Kapazität zwischen Sensoren und Ausleseschaltungen ihre effektive Empfindlichkeit erhöht
Reduzierte Kosten- Dies könnte die größte Motivation hinter der monolithischen Integration von CMOS MEMS sein. Die Integration von MEMS in CMOS Fertigungslinien eliminiert die Notwendigkeit für separate, spezialisierte (und teure) MEMS Fertigungsanlagen. Die CMEMS-Technologie ermöglicht es CMOS-Gießereien, leistungsfähige MEMS-Produktdesign-Suiten zu ihren gemeinsamen Produktionslinien-bezogenen Toolsets hinzuzufügen. Da sich die Halbleiterindustrie in Richtung der nächsten Generation von hochdichten Prozessen und größeren Wafern bewegt, können Gießereien industrieübliche Waferverarbeitungsausrüstungen verwenden, um MEMS-Geräte herzustellen und einen Wachstumspfad zur Verfügung zu stellen, der zukünftigen Tests für ihre MEMS-Kunden standhalten kann. Die gemeinsame Integration von MEMS und elektronischen Geräten ermöglicht auch Chip-Level-Packaging, was die Montage- und Prüfkosten deutlich reduziert
Die Herausforderungen, denen Frequenzsteuerungsprodukte gegenüberstehen
Obwohl Quarz ausgezeichnete Alterungseigenschaften und kurzfristige Stabilität es zum Standard für Frequenzregelung machen, sind sie auch begrenzt in der Bereitstellung einiger der wichtigsten Funktionen, die üblicherweise in MEMS-basierten Frequenzsteuerungsprodukten gefunden werden
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MEMS-basierte Lösungen, insbesondere CMEMS, verlassen sich nicht auf professionelle Fertigungsprozesse für die Herstellung von Quarz-Timing-Produkten, die die Lieferkette erschweren und zu langen Lieferzeiten (Wochen oder sogar Monate) führen. Durch den Einsatz von Standard-Fertigungs- und Verpackungstechniken in CMEMS-Anlagen ist der Lieferzyklus kürzer (weniger als zwei Wochen) und es können hochkompakte Verpackungen verwendet werden, wobei kleinere Größen in naher Zukunft erwartet werden
Verglichen mit Quarzgeräten können MEMS-Strukturen höheren Belastungen, Vibrationen und Stößen standhalten, was die Zuverlässigkeit erheblich verbessert und die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen vor Ort verringert. Im Vergleich zu Off-Chip Quarz-Resonatoren sind CMEMS integrierte Uhren auch weniger empfindlich auf Leiterplattendesign und EMI-Probleme und können Zuverlässigkeitsqualifizierungsprozesse bestehen, die denen ähneln, die nur für CMOS-Produkte verwendet werden, die viel strenger sind als diejenigen, die für die Qualifizierung von Quarz-basierten Produkten verwendet werden
Obwohl die MEMS-Resonator-Technologie viele grundlegende Einschränkungen von Quarzkristallen überwunden hat, stand sie vor einer Reihe von Herausforderungen, als sie zum ersten Mal in den Frequenzsteuerungsmarkt eintrat. Erstens ist als Nebeneffekt seiner kleineren Größe die Energieübertragungseffizienz von MEMS-Resonatoren viel niedriger als die von äquivalenten Quarzgeräten, was zu einer signifikanten Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses führt. Zweitens zeigen klassische MEMS-Materialien, einschließlich Einkristall und polykristallines Silizium und sogar polykristallines Silizium Germanium, signifikante Drift mit Temperatur
Wenn nicht sorgfältig konstruiert, können MEMS-Resonatoren eine niedrigere Gesamtstabilität aufgrund eines Frequenztemperaturkoeffizienten von bis zu -30 ppm haben. Darüber hinaus macht die geringe Größe von MEMS-Geräten es schwieriger, physikalische Feinabstimmung durchzuführen als Quarzgeräte, die die anfängliche Genauigkeit beeinflussen können. Das technische Wissen über die Alterungs- und Zuverlässigkeitseigenschaften von MEMS-Geräten ist weit weniger ausgereift als das von Quarzgeräten, was einer der Gründe ist, warum ihre Offset-Spezifikationen normalerweise im Bereich von% anstatt ppm oder ppb liegen. Daher ist der 6-Sigma-Bereich eines grundlegenden MEMS-Resonators ungefähr ± 0,2%, der viel niedriger ist als der 10-20ppm, der typischerweise für die Frequenzregelung benötigt wird
Um diese Probleme zu beheben, kann ein MEMS stabiler VCO mit einem separaten Oszillator konstruiert werden, der durch komplementäre Schaltungen an die MEMS-Referenz gebunden ist (Abbildung 5) Wenn es eine Ungenauigkeit in der MEMS-Referenz gibt, erzwingt der Regelkreis ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen dem MEMS-Oszillator und VCO, um seine Ausgangsfrequenz zu korrigieren. Die digitale PLL dieser Schaltung ermöglicht die Programmierung ihrer Ausgangsfrequenz, eine Funktion, die Quarzoszillatoren ohne zusätzliche Schaltungen nicht anpassen können. VCO kann auch den Eingang des Temperatursensors akzeptieren, der es ermöglicht, die Temperaturdrift des MEMS Oszillators durch Anpassung seines Feinabstimmungswertes zu korrigieren
Die inhärente große Temperaturdrift von MEMS-Resonatoren führte zu einer weiteren Schwäche der frühen MEMS-Lösungen: Die Open-Loop-Übertragungsfunktion vom Temperatursensor zum VCO-Frequenzausgang war sehr steil. Dies kann zu erheblichen kurzfristigen Stabilitätsproblemen und Empfindlichkeit gegenüber schnellen transienten Temperaturänderungen führen
CMEMS-Technologie löst grundlegend das Problem der mechanischen Stabilität von MEMS-Resonatoren durch Hinzufügen eines mechanischen Kompensationsmechanismus zu ihnen. Dieser Mechanismus wird durch Legierung der Schlüsselbereiche der Resonatorstruktur mit einem anderen Material erzeugt, das bei Temperatur ein entgegengesetztes Verhalten aufweist. SiGe und andere MEMS-Strukturmaterialien weisen typischerweise TCE (Young's Modultemperaturkoeffizient) Werte im Bereich von -60 bis -80 ppm auf, was effektiv bedeutet, dass sie mit steigender Temperatur erweichen. Siliziumdioxid (SiO2.), als gängiges Material in CMOS-Fertigungsumgebungen, wird mit steigender Temperatur immer schwieriger. Durch Platzieren des Kompensationsmaterials in Form von kleinen Oxidspalten an der wichtigsten Stelle und am maximalen Spannungspunkt können MEMS-Resonatoren Temperaturstabilität ähnlich wie Quarzresonatoren erreichen
Der Lam-é-ResonatorAbbildung 6hat eine Kompensation für seine Kontraktions- und Expansionsmodi, bestehend aus gemusterten Schlitzen, die in die Oxidstrukturschicht eingebettet sind. Die resultierende Wechselwirkung bietet eine Kompensation für Koeffizienten erster Ordnung, die sehr nahe an Null liegen (von etwa -30 ppm/OhC für native SiGe Bulk Mode Geräte) bis zu Eigenschaften zweiter Ordnung, bei denen die Frequenz bei Temperatur stabil ist, ähnlich dem Verhalten von AT schneidenden Quarzkristallen. Anders als Quarzit-Schneiden kann diese Technologie auf jede Modenform in der Ebene oder aus der Ebene, jede Frequenz und allgemeiner jede mechanische Ausrüstung angewendet werden
Abbildung 6: Top- und Querschnittsansichten eines flachen Resonators mit mechanischer Kompensation für Temperaturstabilität
Durch einfaches Ändern des Maskenmusters, das den Oxidspalt begrenzt, kann thermische Drift beseitigt werden. Diese Eigenschaft, kombiniert mit dem sorgfältigen Design von Temperatursensoren, die darauf abzielen, den besten Rausch-/Leistungsausgleich zu erzielen, ermöglicht CMEMS-basierten Oszillatoren, kurzfristige Stabilität über einen Bereich von mehreren ppb zu zeigen, der mehrere Größenordnungen niedriger ist als die MEMS-Oszillatoren der ersten Generation. Die Temperaturkalibrierung vervollständigte diesen Prozess und kompensierte die Temperaturstabilität der Anlage auf Systemebene auf ppm-Niveau über den gesamten Industriebereich
Im Vergleich zu komplexen Multi-Chip-Designs bietet die CMEMS-Technologie auch signifikante Leistungsverbesserungen, bei denen die thermische Umwandlung von Komponenten zum Hauptfaktor in der Kompensationsschaltung wird. In einer typischen Zwei-Chip-gestapelten Chip-Baugruppe beeinflussen CMOS-Chip, Blei-Bonding und Chip-Bonding-Epoxidharz, MEMS-Chip und Verpackung selbst die Wärmeübertragung zwischen dem Resonator und dem Temperatursensor, der verwendet wird, um den thermischen Offset zu kompensieren. CMEMS-basierte Lösungen überwinden diese Probleme durch mechanische Kompensationsvorrichtungen, ultrakurze Wärmewege und kleine thermische Zeitkonstanten und machen sie widerstandsfähiger gegen thermische Schwingungen als jede andere bestehende Lösung
Schließlich spielt die mechanische Temperaturkompensation auch eine entscheidende Rolle bei der Minimierung der Auswirkungen von Umwelteinflüssen, wie dem Offset, der durch thermische Belastung in Temperatursensoren verursacht wird, der sich direkt auf den Lotreflow-Offset, die Alterung und die Gesamtgenauigkeit auswirkt. Dieser Artikel wird von einem technischen Papier [1] abgeleitet, das detaillierte experimentelle Details liefert, die die thermische Stabilität von CMEMS, Dual Chip MEMS und Quarztechnologie vergleichen. Das gleiche Whitepaper enthält auch detaillierte Informationen darüber, wie ein CMEMS-System entworfen werden kann, um die Empfindlichkeit gegenüber thermischer, Frequenz- und Spannungsreferenzdrift zu minimieren, die aufgrund von Umweltfaktoren oder Alterungsprozessen in Verpackungs- und Produktintegrationsanlagen selbst auftreten kann
Basierend auf diesen bewährten Ergebnissen ermöglichen die ausgezeichnete Kontrolle und Robustheit der CMEMS-Technologie unter widrigen Bedingungen CMEMS-Lösungen, die anfängliche Frequenzgenauigkeit und -stabilität, einschließlich aller Auswirkungen über die Lebensdauer der Ausrüstung, spezifizieren. Diese Schlüsselcharakteristik, auch bekannt als Totalgenauigkeit, ist durch Quarz- oder andere MEMS-basierte Oszillatoren nicht erreichbar
Der Paradigmenwechsel in der Frequenzregelung, der sogar übertrifft
CMEMS-Technologie kombiniert alle Vorteile von MEMS-basierten Lösungen, während viele der besten Eigenschaften von Quarzlösungen beibehalten oder sogar verbessert werden, die positive Durchbrüche in der Frequenzregelungsindustrie zu schaffen erwartet werden. Zu diesen vorteilhaften Eigenschaften gehören:
Die Fähigkeit der CMEMS-Technologie, Chip-Level-Verpackung auf Wafer-Ebene zu unterstützen, eröffnet die Möglichkeit, die Verpackung und Formfaktor-Roadmap über Standard-Oszillatorverpackungen hinaus zu erweitern. Bei Bedarf können CMEMS-Fertigprodukte auch in Waferform geliefert werden, was den Verkauf von Waferkalibrierten, garantierten Frequenzreferenzen für die interne Systemverpackungsintegration ermöglicht. Dieses Geschäftsmodell ermöglicht es, diese Zeitmessgeräte als unterstützende Chips in jeden einzelnen SoC zu integrieren, oder in einigen Fällen direkt in den SoC selbst mittels Post-Processing Technologie zu integrieren
Emmanuel Quiwie ist Engineering Director von Micro Electro Mechanical Systems for Timing Products bei Silicon Labs (www.silabs.com), verantwortlich für die Entwicklung und Integration von Timing-Lösungen unter Verwendung der firmeneigenen mikroelektromechanischen Systemtechnologie von Silicon Labs. Bevor er zu Silicon Labs kam, war er Mitbegründer, Direktor und Chief Technology Officer von Silicon Clocks (erworben von Silicon Labs im 2010), führender Technologie- und MEMS-basierter Produktentwicklung. Er ist Co-Autor von mehr als 40 technischen Publikationen im Bereich MEMS, Miterfinder von über 25 ausgestellten US-Patenten und ist regelmäßig Gutachter und Ausschussmitglied für verschiedene Zeitschriften und Konferenzen. Im 1999 erwarb er einen Ingenieurabschluss an der ISEN in Lille, Frankreich und einen Master in Elektrotechnik und Informatik an der USTL in Lille, Frankreich. In 2002 promovierte er in Elektrotechnik an der American University of Science and Technology< Referenz:
Marktdruck- Das Merkmal reifer Märkte ist kontinuierliche Preissenkungen, wodurch mehr Funktionen in System on Chip (SoC)-Geräte integriert werden. So wie die Metalloption, passive Geräte auf CMOS zu integrieren, vor einigen Jahren eine Welle bahnbrechender Produkte ausgelöst hat, kann CMEMS MEMS-Geräte direkt in CMOS einbetten, was die nächste Innovationsrunde antreiben wird
Shape Factor- CMEMS-Technologie eliminiert die Notwendigkeit für große Pakete mit passiven und aktiven IC-Stacks, die in Oszillatoren der aktuellen Generation, Inertialsensoren oder Quarzgeräten verwendet werden. In Ermangelung einer monolithischen Integration müssen die meisten Designs relativ dicke Verpackungen verwenden, die relativ großen PCB-Platz einnehmen, und ihre diskreten Komponenten erhöhen die Systemkomplexität
Performance- Monolithische Integrationstechnologie bietet größere Flexibilität in der Systementwurfsoptimierung. Beispielsweise (Abbildung 4) wird die für den Oszillator-Rückkopplungsverstärker erforderliche kritische Verstärkung weitgehend durch die parasitäre Kapazität zwischen dem aktiven Teil und dem Resonator beeinflusst. Dies wird durch Parameter,p dargestellt. Je höher derpParameter, desto geringer der Gain (gmcrit company), der eine stabile Oszillation erfordert, um die Leistung zu reduzieren (I0), die den gleichen Ausgangspegel (V.0))
Abbildung 4. Das grundlegende Schaltbild eines resonatorbasierten Pierce-Oszillators mit kritischer Verstärkungsgleichung (gmcrit company), parasitärer Last (p) und Ausgangsspannungsaumplitude (Voh) Die Verluste in resonanten Komponenten können sich auch auf den Stromverbrauch auswirken, aber bei Mikrogeräten übersteigen ihre Einfügeverluste (dargestellt durch Bewegungswiderstand Rx) bei weitem die extrem niedrigen parasitären Verluste des Geräts, was es für das System einfacher macht, für geringe Leistung zu optimieren. Sensoren profitieren auch von verbesserter Leistung durch MEMS-Integration, da die Verringerung der parasitären Kapazität zwischen Sensoren und Ausleseschaltungen ihre effektive Empfindlichkeit erhöht
Reduzierte Kosten- Dies könnte die größte Motivation hinter der monolithischen CMOS MEMS Integration sein. Die Integration von MEMS in CMOS Produktionslinien eliminiert die Notwendigkeit für separate, spezialisierte (und teure) MEMS Wafer Fabriken. CMEMS-Technologie ermöglicht es CMOS-Gießereien, eine leistungsstarke MEMS-Produktdesign-Suite zu ihrer gemeinsamen Produktionslinie-bezogenen Werkzeugbibliothek hinzuzufügen. Da sich die Halbleiterindustrie in Richtung der nächsten Generation von hochdichten Prozessen und größeren Wafern verschiebt, sind Gießereien in der Lage, MEMS-Geräte unter Verwendung industrieüblicher Wafer-Verarbeitungsanlagen herzustellen, die einen Wachstumspfad bieten, der zukünftigen Tests für ihre MEMS-Kunden standhalten kann. Die gemeinsame Integration von MEMS und Elektronik hat auch das Verpacken auf Chipebene auf Wafer-Ebene ermöglicht, was die Montage- und Testkosten deutlich reduziert. p>
Herausforderungen gegenüber Frequenzsteuerungsprodukten MEMS-basierte Lösungen, insbesondere CMEMS, verlassen sich bei der Herstellung von Quarz-Timing-Produkten nicht auf spezialisierte Fertigungsverfahren, die die Lieferkette erschweren und zu langen Lieferzeiten (Wochen oder sogar Monate) führen. Durch den Einsatz von Standard-Fertigungs- und Verpackungstechniken in CMEMS-Anlagen ist der Lieferzyklus kürzer (weniger als zwei Wochen) und es können hochkompakte Verpackungen verwendet werden, wobei kleinere Größen in naher Zukunft erwartet werden
Verglichen mit Quarzgeräten können MEMS-Strukturen höheren Belastungen, Vibrationen und Stößen standhalten, was die Zuverlässigkeit erheblich verbessert und die Möglichkeit von Feldfehlern reduziert. Im Vergleich zu Off-Chip Quarz-Resonatoren ist die Empfindlichkeit von CMEMS integrierten Uhren gegenüber Leiterplattendesign und EMI-Problemen ebenfalls geringer, und sie können einen Zuverlässigkeitsbewertungsprozess durchlaufen, der dem ähnelt, der nur für CMOS-Produkte verwendet wird, der viel strenger ist als derjenige, der verwendet wird, um die Zuverlässigkeit von Quarz-basierten Produkten zu bewerten
Obwohl die MEMS-Resonator-Technologie viele grundlegende Einschränkungen von Quarzkristallen überwunden hat, trat sie zunächst mit ihrer eigenen Reihe von Herausforderungen in den Frequenzsteuerungsmarkt ein. Erstens ist als Nebeneffekt seiner kleineren Größe die Energieübertragungseffizienz von MEMS-Resonatoren viel niedriger als die von äquivalenten Quarzgeräten, was zu deutlich niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnissen führt. Zweitens weisen klassische MEMS-Materialien, einschließlich Einkristall und polykristallines Silizium und sogar polykristallines Silizium Germanium, eine signifikante Temperaturdrift auf
Wenn nicht sorgfältig konstruiert, können MEMS-Resonatoren eine niedrigere Gesamtstabilität aufgrund eines Frequenztemperaturkoeffizienten von bis zu -30 ppm haben. Darüber hinaus macht die geringe Größe von MEMS-Geräten sie schwieriger, physisch zu trimmen als Quarzgeräte, was die anfängliche Genauigkeit beeinflussen kann. Das technische Wissen über die Alterungs- und Zuverlässigkeitseigenschaften von MEMS-Geräten ist weit weniger ausgereift als das von Quarzgeräten, was einer der Gründe ist, warum ihre Offset-Spezifikationen normalerweise im Bereich von% anstatt ppm oder ppb liegen. Daher ist der 6-Sigma-Bereich eines grundlegenden MEMS-Resonators ungefähr ± 0,2%, der viel niedriger ist als der 10-20ppm, der typischerweise für die Frequenzregelung benötigt wird
Um diese Probleme zu beheben, kann ein MEMS stabiler VCO mit einem separaten Oszillator konstruiert werden, der durch eine komplementäre Schaltung an die MEMS-Referenz gebunden ist (Abbildung 5) Wenn es eine Ungenauigkeit in der MEMS-Referenz gibt, erzwingt der Regelkreis ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen dem MEMS-Oszillator und VCO, um seine Ausgangsfrequenz zu korrigieren. Die digitale PLL dieser Schaltung ermöglicht die Programmierung der Ausgangsfrequenz, eine Funktion, die Quarzoszillatoren ohne zusätzliche Schaltungen nicht anpassen können. VCO kann auch Temperatursensoreingang akzeptieren, um die Temperaturdrift des MEMSo Oszillators durch Einstellen des Feinabstimmungswertes zu korrigieren
Die enorme Temperaturdrift der MEMS-Resonatoren verursachte eine weitere Schwäche der frühen MEMS-Lösungen: Die Open-Loop-Übertragungsfunktion vom Temperatursensor zum VCO-Frequenzausgang war sehr steil. Dies kann zu ernsthaften kurzfristigen Stabilitätsproblemen und Empfindlichkeit gegenüber schnellen transienten Temperaturänderungen führen
CMEMS-Technologie löst grundlegend das Problem der mechanischen Stabilität von MEMS-Resonatoren durch Hinzufügen eines mechanischen Kompensationsmechanismus zu ihnen. Dieser Mechanismus wird durch Mischen der Schlüsselbereiche der Resonatorstruktur mit einem anderen Material erzeugt, das bei Temperatur ein entgegengesetztes Verhalten aufweist. SiGe und andere MEMS-Strukturmaterialien weisen typischerweise TCE (Young's Modultemperaturkoeffizient) Werte im Bereich von -60 bis -80 ppm auf, was effektiv bedeutet, dass sie mit steigender Temperatur erweichen. Siliziumdioxid (SiO2.), als gängiges Material in CMOS-Fertigungsumgebungen, wird mit steigender Temperatur immer schwieriger. Durch Platzieren des Kompensationsmaterials in Form von kleinen Oxidspalten an der wichtigsten Stelle bzw. am maximalen Spannungspunkt können MEMS-Resonatoren Übertemperaturstabilität erreichen, ähnlich wie Quarzresonatoren
Der Lam é Mode ResonatorAbbildung 6hat eine Kompensation für seine Kontraktions- und Expansionsmodi, bestehend aus Oxidmustersplitzen, die in der Strukturschicht eingebettet sind. Die generierte Wechselwirkung kompensiert den Koeffizienten erster Ordnung, der sehr nahe an Null liegt (etwa -30 ppm/OhC für native SiGe Bulk Mode Geräte) und wandelt sich in Eigenschaften zweiter Ordnung um, bei denen die Frequenz während der gesamten Temperatur stabil ist, ähnlich dem Verhalten von AT schneidenden Quarzkristallen. Anders als Quarzit-Schneiden kann diese Technologie auf jede Modenform in der Ebene oder aus der Ebene, jede Frequenz und allgemeiner jede mechanische Ausrüstung angewendet werden
Abbildung 6: Top- und Querschnittsansichten eines flachen Resonators mit mechanischer Kompensation für Temperaturstabilität Durch einfaches Ändern des Maskenmusters, das den Oxidspalt begrenzt, kann thermische Risse beseitigt werden. Diese Eigenschaft, kombiniert mit dem sorgfältigen Design von Temperatursensoren, die darauf abzielen, den besten Rausch/Leistung-Kompromiss zu erzielen, ermöglicht CMEMS-basierte Oszillatoren, kurzfristige Stabilität über einen Bereich von mehreren ppb zu zeigen, der mehrere Größenordnungen niedriger ist als die MEMS-Oszillatoren der ersten Generation. Die Temperaturkalibrierung vervollständigte diesen Prozess und kompensierte die Temperaturstabilität der Anlage auf Systemebene auf ppm-Niveau über den gesamten Industriebereich
Im Vergleich zu komplexen Multi-Chip-Designs bietet die CMEMS-Technologie auch signifikante Leistungsverbesserungen, bei denen die thermische Umwandlung der gesamten Komponente zum Hauptfaktor in der Kompensationsschaltung wird. In typischen Dual-Chip-gestapelten Komponenten beeinflussen CMOS-Chips, Blei-Bonding und Chip-Bonding-Epoxidharz, MEMS-Chips und Verpackungen selbst die Wärmeübertragung zwischen Oszillator und Temperatursensoren, die verwendet werden, um Wärmeschock auszugleichen. CMEMS-basierte Lösungen lösen diese Probleme durch mechanische Kompensationsvorrichtungen, ultrakurze Wärmewege und kleine thermische Zeitkonstanten und machen sie hitzebeständiger als jede andere bestehende Lösung
Schließlich spielt die mechanische Temperaturkompensation auch eine entscheidende Rolle bei der Minimierung von Umweltauswirkungen, wie der Offset, der durch thermische Dehnung in Temperatursensoren verursacht wird, der sich direkt auf den Nachschweißreflow-Offset, die Alterung und die Gesamtgenauigkeit auswirkt. Die experimentellen Details zum Vergleich der thermischen Stabilität von CMEMS, Dual Chip MEMS und Quarztechnologie sind in dem technischen Papier, das aus diesem Artikel stammt, gut dokumentiert [1]. Das gleiche Whitepaper enthält auch detaillierte Informationen darüber, wie ein CMEMS-System entworfen werden kann, um die Empfindlichkeit gegenüber thermischer, Frequenz- und Spannungsreferenzdrift zu minimieren, die aufgrund von Umweltfaktoren oder Alterungsprozessen in Verpackungs- und Produktintegrationsanlagen selbst auftreten kann
Basierend auf den Ergebnissen dieser Beweise ermöglichen die ausgezeichnete Kontrolle und Stabilität der CMEMS-Technologie unter widrigen Bedingungen CMEMS-Lösungen, die anfängliche Genauigkeit und Stabilität der Frequenzen, einschließlich aller Auswirkungen während der Lebensdauer der Ausrüstung, anzugeben. Diese Schlüsselcharakteristik, auch bekannt als Totalgenauigkeit, ist durch Quarz- oder andere MEMS-basierte Oszillatoren nicht erreichbar
Der Paradigmenwechsel in der Frequenzregelung, der sogar Die Fähigkeit der CMEMS-Technologie, Wafer-Level- und Chip-Level-Packaging zu unterstützen, eröffnet die Möglichkeit, die Packaging- und Formfaktor-Roadmap sowie den Footprint von Standard-Oszillatoren zu erweitern. Bei Bedarf können CMEMS-Fertigprodukte auch in Waferform geliefert werden, was den Verkauf von leistungskalibrierten, garantierten Frequenzreferenzen für die interne Systemverpackungsintegration ermöglicht. Dieses Geschäftsmodell ermöglicht es, diese Zeitmessgeräte als unterstützende Chips in jedes einzelne SoC zu integrieren, oder in einigen Fällen direkt in das SoC selbst zu integrieren
Emmanuel Quiwieist Engineering Director von Timing Products, Mikroelektromechanische Systeme, bei Silicon Labs (www.silabs.com), verantwortlich für die Entwicklung und Integration von Timing-Lösungen unter Verwendung der proprietären MEMS-Technologie von Silicon Labs. Bevor er zu Silicon Labs kam, war er Mitbegründer, Direktor und Chief Technology Officer von Silicon Clocks (erworben von Silicon Labs im 2010), führender Technologie- und MEMS-basierter Produktentwicklung. Er ist Co-Autor von mehr als 40 technischen Publikationen im Bereich MEMS, Miterfinder von über 25 ausgestellten US-Patenten und ist regelmäßig Gutachter und Ausschussmitglied für verschiedene Zeitschriften und Konferenzen. Im 1999 erwarb er einen Ingenieurabschluss an der ISEN in Lille, Frankreich und einen Master in Elektrotechnik und Informatik an der USTL in Lille, Frankreich. In 2002 promovierte er in Elektrotechnik an der American University of Science and Technology< Referenz: -------------------------------------------------<-----------------)----------------------------------------------------------------------------------------
Obwohl Quarz aufgrund seiner hervorragenden Alterungseigenschaften und der kurzfristigen Stabilität zum Standard für Frequenzregelung wird, sind sie auch stark eingeschränkt und können einige der wichtigsten Funktionen, die häufig in MEMS-basierten Frequenzsteuerungsprodukten gefunden werden, nicht bereitstellen.
CMEMS-Technologie übertrifft, kombiniert alle Vorteile von MEMS-basierten Lösungen, während viele der besten Eigenschaften von Quarzlösungen beibehalten oder sogar verbessert werden, wodurch positive Durchbrüche in der Frequenzregelungsindustrie gebracht werden. Zu diesen vorteilhaften Eigenschaften gehören: