石英晶體/全矽MEMS難分高下　振盪器大戰一觸即發

然而，隨著近年來全矽微機電系統(MEMS)共振器及振盪器廠商的大力推廣，市場上重新開啟以全矽微機電取代石英晶體技術的討論，並再次開啟時脈來源整合的前景。本文將就全矽微機電系統振盪器陣營的論點與瓶頸、石英晶體及振盪器市場的發展狀態，以及兩種技術振盪器的比較與應用進行討論。  

市場需求有增無減　振盪器市場戰火持續延燒  

可攜式設備採用石英晶體及振盪器的實例之一便是手機。早期一般的全球行動通訊系統(GSM)手機具有四種不同的壓電式頻率控制元件組：用來傳輸及接收天線與收發器晶片組間濾波的射頻表面聲波濾波器(SAW)，使用壓電式鉭酸鋰或鈮酸鋰之頻率為900M～2GHz；超外差式接收機下轉換使用時的中頻SAW，使用主要石英為50M～400MHz；在接收器合成器的頻道化時做為時脈參考的溫度補償晶體振盪器(TCXO)、使用石英晶體為13/26MHz；在基頻部分做為待命計時時脈的音叉，使用石英晶體為32.768kHz，頻率為215=32768Hz。  

後來，直接轉換技術的成功開發，使得許多GSM手機淘汰掉中頻SAW濾波器(圖1)，而內建數位補償石英振盪(DCXO)線路的GSM收發器晶片組出現，也免除了TCXO存在的必要性。但在行動電話收發器晶片外部的石英晶體，仍有著不可取代的地位(圖2)。

圖1　一般雙頻GSM手機(GSM900/DCS1800)的壓電式頻率控制元件

圖2　含DCXO的GSM接收器晶片組

經過多年的努力，這些晶片外壓電式頻率控制元件的體積已變得非常小，並能提供優異的頻率產生及濾波功能，以支援手機設計人員的嚴苛需求。而這些元件獨特的製作及封裝需求，使得它們幾乎無法整合至成熟的矽晶片平台。隨著手機市場持續成長，在手機的射頻部分，開發微機電系統式的射頻元件，如電閘、濾波器、共振器、振盪器、壓控振盪器(VCO)等，似乎是朝向整合發展的合理途徑(圖3)。

圖3　在手機TxRx部分所提議的射頻微機電系統更換裝置(陰影部分)

Discera搶先打造MEMS共振器  

儘管隨著產業與技術的演進，各式元件都有一些成就，但石英晶體、SAW與薄膜體聲波共振器(FBAR)元件仍主宰手機的射頻領域，而石英音叉依然是在手機的基頻部分提供待命時脈的可靠解決方案。此外，為了加入如拍照、攝影、MP3播放、全球衛星定位系統(GPS)、網路瀏覽、藍牙(Bluetooth)、數位電視(DTV)等更多功能，現今的手機尺寸幾乎已至極限而不會變得更小。與早期隨著時間進展、對壓電式頻率控制元件的需求將會越來越少的想法相反，現今的手機反而具有更多的晶片外壓電式頻率控制元件--也就是前述的石英音叉、石英晶體、石英振盪器(XO)、壓控晶體振盪器(VCXO)、TCXO以及射頻SAW/FBAR濾波器/雙工器等。而早在2001年就因獲得美國國防部先進研究計畫署(DARPA)資金挹注而成立的微機電系統技術開發商Discera，也因採用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)而在共振器產品線有所斬獲。不過，直至2009年，晶片系統仍無法全面取代石英晶體解決方案。  

SiTime最大化MEMS優勢

另一方面，2004年成立的SiTime乃以博世(Bosch)所授權的IP為基礎，並專心發展矽晶計時、時脈及射頻晶片，盼在標準矽晶電子晶片內運用微機電系統計時參考裝置，以降低客戶對石英晶體之需求。該公司在2006年引進的第一項產品為可程式化微機電系統振盪器，以及固定頻率微機電系統振盪器。這些全矽微機電系統振盪器規格為7毫米×5毫米、5毫米×3.2毫米、3.2毫米及2.5毫米×2毫米，清楚鎖定在腳位相容之石英晶體振盪器市場。此微機電系統振盪器的強烈市場推動動作，促使Discera由其早期致力於取代手機中射頻部分元件的企圖，轉而變為提供腳位完全相容微機電系統振盪器之產品線。  

全矽微機電系統/石英晶體重啟戰端  

全矽微機電系統共振器及振盪器廠商的大動作，似乎重新點燃市場對於全矽微機電系統與石英晶體技術的比較。而廠商也回歸到技術本質上的探討，同時進而在特性上進行拉鋸，詳細比較如下：  

全矽微機電系統振盪器性能易受限  

以微機電系統技術達成振盪器應用的共振器並非全新構想。不同於石英晶體共振器的振動是以壓電特性為基礎，這些共振器採簡單的平面圓形或矩形，並具有上方及底部電極。全矽微機電系統共振器的振動乃以靜電動力學為基礎，通常由微機械技術所製造。全矽微機電系統共振器具有不同的複雜形狀，像是梳形(Comb)、桁架(Beam Web)、碟形(Disc)等，由驅動及感應電極圍繞，其轉換器間隙通常低於1μm(圖4)。全矽微機電系統共振器體積可以做到非常小，因此相當堅固，但其與IC的整合雖然可行，卻困難許多。

圖4　碟形微機電系統共振器的靜電動力振動

2003年，Discera為多頻帶無線接收器應用領域提供其第一個19.2MHz全矽微機電系統振盪器(圖5A)，為30μm×8μm微機電系統桁架所設計。到了2004年，Discera亦展示第一個1.6GHz可調振盪器，適用於無線收發器應用領域與本地振盪器的VCO(通常為離散RLC式)。Discera的早期目標是致力於取代手機射頻部分的元件，但直至今日，在公眾領域仍然無法取得上述兩種振盪器的詳細規格，因此很難評估它們在商業市場上的接受度。但無論如何，兩者的產品依舊在市場上並存。

圖5　(A)Discera的3毫米×3毫米微機電系統振盪器，(B)SiTime的微機電系統振盪器

2006年則由SiTime引進第一個微機電系統振盪器系列產品(圖5B)，該全矽微機電系統振盪器規格為7毫米×5毫米、5毫米×3.2毫米、3.2毫米及2.5毫米×2毫米，瞄準腳位相容的石英振盪器市場。此系列振盪器一開始是以線焊在由導線架所支撐的振盪器IC上之封裝四桁架微機電系統共振器(圖6)，然後將整個組件以膠模封裝推出。

圖6　以四桁架結構為基礎的微機電系統共振器

在SiTime之前，微機電系統共振器(圖7)的相關資訊並不多。此大小為0.8毫米×0.6毫米×0.15毫米的微機電共振器，是以6焊墊在5MHz之下操作，與石英共振器為人所熟悉的2焊墊不同。此外，全矽微機電系統共振器必須偏置電壓。驅動微機電系統共振器的專業知識、等同參數、振盪器的設計方法等，皆僅能在不公開的收費協議下取得。目前並無任何已知市售振盪器IC可與微機電等共振器配對。

圖7　封裝的0.8毫米×0.6毫米×0.15毫米微機電系統共振器(紅外線及相位對比可見光顯微鏡照片)

此系列微機電系統共振器內部有一個5MHz全矽微機電系統共振器，且振盪器輸出頻率是透過與PCXO相似的分數-N型PLL所設計(圖8)。如前所述，到目前為止，AT切割石英晶體是唯一已知能提供低於100ppm的溫度穩定性，而不需要任何補償的共振元件。全矽微機電系統共振器能展現固有的-20～-30ppm/℃頻率溫度穩定性，但為達成微機電系統振盪器供應商所宣稱的頻率穩定性，則需有與TCXO相似的溫度補償(較簡單的線性補償)。簡言之，現階段全矽微機電系統振盪器必須具有可程式化之頻率(如同PCXO)及經過補償的頻率穩定性(如同TCXO)。

圖8　SiT8002系統架構(0.18μm CMOS)

PCXO在封裝測試之後，還須要通過程式化及測試步驟(皆在室溫下完成)。TCXO在封裝-頻率溫度測試(工作溫度範圍下)之後，還須要通過補償及驗證測試(工作溫度範圍下)等複雜而昂貴的步驟。  

會須要額外進行這些步驟的原因，主要是因為全矽微機電系統共振器能展現較為線性的頻率溫度穩定性，在許多接近室溫的溫度點的補償便可能足以達成±50～100ppm的穩定性。若想達成更佳的穩定性，可能需要在更廣範圍溫度進行補償。總之，在最終測試之前的額外程式化及補償步驟皆會增加成本。目前正在進行以沈積矽氧化物對全矽微機電系統共振器進行溫度補償的研究，並已取得部分的成功結果，但易老化的二氧化矽似乎會快速降低微機電共振器的Q值。  

石英晶體振盪器嚴陣以待  

有鑑於全矽微機電系統共振器及振盪器的大動作，石英晶體及石英振盪器業界先後發表兩分定性回應(圖9、10)。而根據上述報告及許多石英振盪器供應商之間的討論，可得知全矽微機電系統振盪器在應用上，雖在數位溫度補償時，可輕易將穩定性變為±10ppm或甚至更低，但亦會觀察到頻率時脈幾個ppm的跳動。這會造成具有過多相位雜訊及訊號抖動的短期穩定性不良。而包括耗電量、啟動時間與頻率老化等，都仍有進步空間。

圖9　106.25 MHz全矽微機電系統振盪器及石英振盪器的頻率對溫度變化

圖10　106.25及50 MHz全矽微機電振盪器的短期頻率穩定性

由於許多由石英振盪器所提供的應用方案，現在皆須要對應於溫度及時間更平順的頻率變化，而目前市面上的全矽微機電振盪器則難以提供，且也無法完全符合規格。但因為全矽微機電系統振盪器具有非常堅固、體積小且薄(最低至0.25毫米)的特性，一般預期仍可在一些利基市場上尋找初步的應用，並隨著技術演進在未來搶占更多風采。  

(本文作者任職於愛普生)