Contrôle avancé de fréquence grâce à l'intégration des technologies CMOS et MEMS

Depuis le milieu des années 1900, le marché du contrôle de fréquence a été dominé par les résonateurs à quartz et les oscillateurs à quartz.  Même aujourd'hui, presque tous les équipements électroniques dépendent d'une manière ou d'une autre d'un quartz taillé pour générer une fréquence spécifique. Les quartz ou oscillateurs à quartz (XO) sont présents dans la plupart des dispositifs électroniques disponibles sur le marché actuel, depuis les amplificateurs de guitare aux montres de poignet, ou des smartphones aux chariots élévateurs.

Grâce aux vastes économies d'échelle offertes chaque année par les milliards de quartz du marché de l'électronique, la fabrication de quartz et d’oscillateurs à quartz a atteint de nouveaux niveaux de sophistication. Les solutions sont plus compactes, plus fines, supportant des fréquences plus élevées. Jusqu'à récemment, les alternatives fiables étaient rares, face à la maîtrise des caractéristiques et à la stabilité des résonateurs piézoélectriques à quartz, qui ont facilité la construction d'oscillateurs à quartz (XO) offrant des niveaux de performance éprouvés.

Cependant au cours des dernières années, des oscillateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) qui émulent l'architecture XO en combinant un résonateur et un amplificateur, ont progressé sur le marché du contrôle de fréquence. Ils offrent une fiabilité supérieure et des prix plus attractifs à tous les niveaux de l'offre, mais surtout avec les modèles les plus compacts, où les XO gardent une structure de coûts élevés.  En outre, grâce aux solutions MEMS monopuces, qui positionnent le résonateur MEMS directement sur la matrice de l'amplificateur CMOS, des progrès supplémentaires sont maintenant possibles en termes de fiabilité, de programmation, de stabilité en température et de coûts des oscillateurs MEMS.

 

Oscillateurs à quartz

Les oscillateurs à quartz sont conçus pour opérer sur une plage de fréquences très étendue, de quelques kilohertz à plusieurs centaines de mégahertz. Les oscillateurs à quartz combinent un résonateur à quartz et un circuit d'amplification dans un boîtier en céramique hermétique avec un couvercle en métal. Cette combinaison céramique et métal apporte une protection extrêmement robuste au quartz très fragile et aux autres composants assemblés. En général, le circuit d'amplification exploite les propriétés piézoélectriques du quartz. Grâce à une boucle de retour, il crée une résonance ou oscillation à une fréquence spécifique contrôlée par la taille, la découpe et le revêtement du résonateur. Pour supporter la gamme étendue de fréquences exigée par l'industrie électronique, les fournisseurs doivent concevoir, fabriquer et stocker des centaines, voire des milliers, de résonateurs à quartz différents et spécialisés.

En plus de la spécialisation des résonateurs à quartz, les solutions à quartz sont confrontées à des challenges de fabrication.  Les dispositifs mobiles représentent une immense part du marché global des quartz. Les dispositifs mobiles sont de plus en plus minces, de plus en plus petits, exigeant de tous les fournisseurs des composants de plus en plus miniaturisés. De telles exigences posent d'importants problèmes. La réduction des dimensions du résonateur à quartz pour toutes les fréquences demandées augmente les challenges en termes de complexité de la fabrication et de la fiabilité des quartz plus petits et donc plus fragiles. Quel que soit le marché, les solutions à quartz sont toujours confrontées à leur inhérente sensibilité aux facteurs environnementaux, tels que chocs, vibrations, contraintes thermiques, irrégularité des lots de fabrication, pouvant générer des problèmes de démarrage et des défaillances pendant les utilisations.

 

Résonateurs MEMS

Au cours des dernières années, les oscillateurs MEMS sont devenus des alternatives fiables, capables de remplacer des solutions à quartz, pour de multiples raisons.  Premièrement, les oscillateurs MEMS sont fabriqués par des processus de silicium. Intégrant des contrôles de qualité extrêmement rigoureux, ces processus produisent des milliards d'unités offrant constamment des performances très fiables, à condition d'être correctement conçus, garantis et spécifiés par le fournisseur.

Deuxièmement, et conséquence directe des processus de silicium, ils sont soumis à la loi de Moore, qui stipule qu'une puissance de fabrication en augmentation constante générera une baisse constante des coûts.  En d'autres termes, des dispositifs silicium plus avancés coûteront inévitablement moins à long terme. Malheureusement, les solutions utilisant un quartz obéissent à une loi inverse, qui stipule que le coût de leurs matériaux augmente avec la réduction de leurs dimensions, sous l'effet des difficultés de fabrication déjà mentionnées. De plus, parallèlement à la progression des coûts et des difficultés de fabrication des quartz, leur rendement diminue puisque les composants sont de plus en plus petits et plus fragiles.

Le troisième avantage dépend également du processus de silicium.  En tant que solution au silicium, les oscillateurs MEMS sont conçus  pour offrir une meilleure résistance aux facteurs environnementaux. Ce qui ne veut pas dire que toutes les solutions MEMS sont   équivalentes au regard de ce critère. La conception du produit joue un rôle déterminant dans la performance d'un oscillateur MEMS comparée à un autre. Il n'en demeure pas moins qu'une solution au silicium peut être conçue pour offrir une meilleure résistance aux chocs et aux vibrations qu'une solution à quartz, surtout si ce quartz est petit.

 

Oscillateurs MEMS de première génération

La première génération d'oscillateurs MEMS est similaire aux architectures d'oscillateurs à quartz parce qu'ils combinent deux composants physiquement différents, le résonateur et le circuit d'amplification/matrice de base, qui compense toute déviation de la fréquence du résonateur.  L'application du MEMS dans la fabrication des oscillateurs représente un progrès considérable. Elle a éliminé des techniques de traitement complexes des matériaux indispensables aux oscillateurs à quartz. Elle a aussi permis de remplacer le couvercle métallique et le boîtier en céramique coûteux par une protection en plastique nettement plus économique.

Cependant, cette première génération est encore limitée par l'architecture à deux composants, qui est également utilisée par les oscillateurs à quartz.  Ces limitations commencent par un package complexe avec deux composants connectés par au moins deux fois plus de fils qu'un montage monolithique similaire. Le package est donc plus coûteux, et offre plus de risques de défaillance que les solutions monolithiques similaires.

Les solutions à deux composants ne peuvent pas compenser efficacement les changements de température. Les solutions à quartz sont également confrontées à ce problème.  Il trouve son origine dans les deux composants (résonateur et amplificateur/base) qui forment un système sans pouvoir évoluer de manière cohérente. Le circuit amplificateur/base compense les variations de fréquences du résonateur dues aux changements de température. Comme les deux composants ne sont pas intégrés, mais uniquement connectés par un grand nombre de fils, ils ne se comportent pas de manière identique sous l'effet des changements de température. Ce manque de corrélation directe induit une déviation des deux composants lorsque les conditions thermiques changent. En fait, les oscillateurs à quartz offrent de meilleures performances que les dispositifs MEMS multi-puces dans ces situations de température variables.

 

Oscillateurs MEMS de deuxième génération

Récemment, de nouveaux progrès permettent aux résonateurs MEMS d'être fabriqués directement sur la matrice d'un circuit intégré CMOS.  Pour plusieurs raisons, ceci constitue un important progrès technologique. Premièrement, la fabrication d'une matrice simple dans une fonderie standard coûte moins cher qu'une solution avec deux matrices nécessitant des composants provenant de différentes fonderies ou la fabrication d'une solution à quartz. Deuxièmement, dans les architectures à matrice simple, le résonateur est directement intégré à la compensation de base et à la matrice. Il constitue donc un système unifié et simple, offrant une excellente résistance aux chocs, aux vibrations, au vieillissement et aux fluctuations de températures, qui sont des domaines où les quartz et les MEMS de première génération trouvent leurs limites. Finalement, d'après la loi de Moore, la solution à matrice simple offre une plus grande flexibilité et de meilleures caractéristiques que ses prédécesseurs, avec l'avantage d'un coût inférieur.

L'intégration des technologies MEMS et des CMOS dans une même matrice a été rendue possible par l'avènement de la technologie CMEMS, qui est la contraction de ces deux acronymes.  Silicon Laboratories a développé ce processus et cette technologie de fabrication unique, en collaboration avec d'autres leaders de la fonderie de matrices. CMEMS est le premier procédé de ce genre qui supporte le post-traitement direct des couches MEMS de haute qualité sur la technologie CMOS avancée, comme une simple matrice monolithique. Les premiers produits CMEMS de l'entreprise sont des oscillateurs MEMS conçus pour fournir une fiabilité garantie pendant dix ans, une immunité aux chocs et aux vibrations, une programmabilité extensive supportant un grand nombre d'applications, des performances inégalées dans des environnements caractérisés par des changements de température.

 

Avantages de la matrice monolithique

L'architecture des oscillateurs MEMS à doubles matrices de la première génération nécessitait un montage filaire entre la matrice de l'oscillateur et celle du résonateur MEMS, ce qui augmente les coûts, la complexité, le nombre de points de défaillance, dans une module multi-puce (MCM).  En outre, dans les solutions à deux matrices de première génération, les résonateurs MEMS sont fabriqués dans des fonderies MEMS spécialisées en Europe, où les coûts de fabrication sont généralement plus élevés qu'en Asie. Ces tranches de résonateurs MEMS sont séparées et assemblées avec une matrice CMOS standard fournie par des fonderies plus économiques d'Extrême-Orient.

Les oscillateurs CMEMS sont fabriqués dans des CMOS standard par Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC), la deuxième fonderie du monde.  Le résonateur CMEMS est directement fabriqué sur la couche CMOS avec du silicium-germanium (SiGe), un matériau largement utilisé et donc économique. Cette innovation permet aux solutions CMEMS d'utiliser des tranches plus économiques provenant d'un seul fournisseur, éliminant les coûts intermédiaires et l'assemblage complexe de plusieurs matrices et des connexions de fils en très grands nombres.

 

Compensation de température

Les oscillateurs CMEMS à matrice simple offrent des avantages supplémentaires par rapport aux architectures à deux matrices. Pour les raisons indiquées, la génération de fréquence sur une architecture à deux matrices est sensible aux changements de températures.

Comme indiqué à la Figure 1, des oscillateurs à quartz, des oscillateurs MEMS de première génération et des oscillateurs CMEMS de Silicon Labs ont été exposés à des changements de température rapide pour mesurer leur stabilité en fréquence.  Un résultat idéal correspond à une valeur nulle sur l'axe Y, indiquant une stabilité totale et des fréquences inchangées sous l'effet des changements de température.

Figure 1 : Changements rapides des basses températures sur XO,  MEMS et CMEMS de première génération

Sur les oscillateurs à quartz (XO), les déviations de fréquence atteignent le double de leur spécification de 20 ppm. Sur les solutions MEMS de première génération, les déviations atteignent jusqu'à huit fois leur spécification de 20 ppm. Ces deux solutions donnent donc des résultats considérablement différents des solutions CMEMS, où la déviation n'a pas dépassé 1 ppm par rapport à la fréquence cible.

 

Présentation de l'oscillateur CMEMS Si501

Figure 2 : Architecture monolithique des oscillateurs CMEMS Si50x de Silicon Labs.

Figure 2 : Architecture monolithique du résonateur CMEMS de Silicon Labs

La gamme des oscillateurs Si50x supporte toutes les fréquences entre 32 kHz et 100 MHz avec une résolution jusqu'à six chiffres.  Cette gamme inclut quatre modèles de base, qui sont extrêmement configurables en fonction de la tension d'alimentation, du temps de montée et de descente de la sortie, de la stabilité en fréquence, du support thermique, etc. Ils sont fonctionnellement compatibles avec un grand nombre d'oscillateurs à quartz et de solutions MEMS de première génération. Ils sont disponibles dans des packages à quatre broches (2 x 2,5 mm ; 2,5 x 3,2 mm et 3,2 x 5 mm).

Chaque oscillateur Si50x génère une seule fréquence de sortie d'horloge à la fois.  Les oscillateurs sont segmentés en fonction du nombre de fréquences d'horloge stockées dans leur mémoire interne. L'oscillateur Si501 supporte une seule fréquence stockée, activée par une fonction Output-Enable (OE).  Le Si502 a deux fréquences qui peuvent être sélectionnées par la fonction Frequency-Select (FS) et activées/désactivées par la fonction OE. Le Si503 stocke quatre fréquences sélectionnées par la fonction FS et n'a pas de fonction OE. Le Si504 est un oscillateur programmable contrôlé par une interface à broche unique (C1D). Pour obtenir d'autres informations sur les oscillateurs Si50x et les fiches techniques, visitez www.silabs.com/CMEMS.

Pour plus de souplesse, les dispositifs CMEMS Si50x peuvent être commandés avec une carte de programmation économique et configurés immédiatement en fonction des paramètres requis.  Ils autorisent un prototypage ou des tests ultra-rapides pour des dispositifs CMEMS intégrés dans un système de développeur.

 

Résumé

Les solutions CMEMS Si50x de Silicon Labs permettent de remplacer des oscillateurs à quartz et des oscillateurs MEMS de première génération.  Les oscillateurs CMEMS offrent une stabilité supérieure à long terme, garantie sur 10 années de fonctionnement, ainsi que les avantages d'une solution tout silicium, bénéficiant de hauts niveaux d'immunité aux chocs et aux vibrations. Comme les dispositifs tout-silicium, les oscillateurs CMEMS sont disponibles à des prix remarquablement concurrentiels, ajoutant des coûts réduits à leur impressionnante collection de caractéristiques.