借力整合超低压电路 MEMS振荡器功耗减半

随着传统石英振盪器逐渐难以因应行动装置轻薄、低功耗设计需求，业界已转向运用标準化半导体製程研发微机电系统(MEMS)振盪器、超低电压无石英(Crystal-less)时脉产生器;近期，工研院更积极融合两种技术优点，进一步打造高精準度、低耗电与小尺寸时脉元件，以满足行动装置日益严苛的设计要求。

 

工研院资通所低功耗混合讯号部技术副理李瑜表示，目前市面上有叁种时脉元件解决方案，分别是石英振盪器、MEMS振盪器及无石英时脉产生器。在行动装置严格要求低功耗、轻薄化的影响下，传统石英振盪器因须採用金属或陶瓷封装，不仅生产成本较高、交货期间长，且难微缩封装尺寸与高度，地位已渐渐式微;相较之下，MEMS振盪器及无石英时脉产生器则快速崛起，开始瓜分行动装置市场商机。

其中，MEMS振盪器虽拥有尺寸微缩、精準度媲美石英振盪器的优势，但内部包含前端MEMS谐振器与后端补偿电路，囿于晶圆製程变异与MEMS元件特性，仍面临单价高、温度及电压适应力弱等问题;同时，其驱动电压仍在1.8～3.3伏特(V)之间，要缩减功耗满足行动装置需求，就须导入更多省电机制，影响系统效能与成本。因此，工研院提出MEMS谐振器整合超低电压电路的解决方案，全力克服上述问题。

李瑜透露，工研院日前发布超低电压晶片技术，将与MEMS振盪器进一步结合，催生更高整合度、低耗电时脉元件。现阶段，资通所与南分院正紧锣密鼓展开新产品研发计画，将整合MEMS谐振器，以及一颗基于0.3～0.5伏特(V)超低电压补偿电路製成的特定应用积体电路(ASIC)，兼容前者的高精準度、高频率稳定性，以及后者的低电压驱动、适应温度範围等优点。

李瑜分析，MEMS振盪器相容半导体製程与封装技术，极具尺寸微缩、晶片整合度、量产速度与成本等效益，且频率精準度平均已达到10～20ppm以下，满足中高阶时脉应用产品规格;未来整合超低电压补偿电路后，更有助改善MEMS振盪器操作环境变异、时脉稳定度问题，提供更出色的效能修復机制，并降低50%以上功耗。

此外，利用经验证、优化的超低电压晶片技术，亦可减轻MEMS振盪器在晶圆层级、功能性及温度测试的复杂度，从而压缩测试时间与成本，更快达成降价目的，以加速取代石英振盪器。

不仅如此，MEMS厂也开始酝酿行动系统单晶片(SoC)内建MEMS振盪器的解决方案，以去除外部时脉电路，达到提升效能与降低成本的双重功效。李瑜认为，这是MEMS振盪器的独特设计优势，有助其压低单价并快速提高渗透率，进而扩大取代石英产品;反观石英元件封装形式与SoC则不相容，无法达成该设计需求。

至于无石英时脉产生器方面的进展，工研院亦已开发一款超低电压时脉产生器，除尺寸非常微小外，亦将功耗控制在12微瓦(µW)以下，并达到±500ppm精準度水準，可望在中低阶时脉应用领域快速扩张版图。

显而易见，传统石英振盪器正面临左右夹攻的局面;为扳回一城，相关供应链业者已着手改良石英时脉元件的封装技术，甚至进一步投入测试可匹配半导体製程的生产方案，期大幅缩减尺寸与成本，防堵MEMS、超低电压时脉产生器的强力攻势。