为什么说德州仪器实现了BAW技术的新突破?

ittbank 2019-03-04 16:52

每个电子系统都必须要有心跳——时钟信号,它可以帮助每个组件完美同步的运行。几十年来,设计人员一直使用石英晶体来产生这种电子心跳。通过晶体振荡,实现精确的节奏。但当这些昂贵的晶体出现磨损时,它们就会抖动或跳变,进而影响计时的精确性。


近日,德州仪器公布了该公司所称的“突破性”体声波(BAW)谐振器技术。这些微型计时器尺寸仅有100微米,比头发的直径还小,但它们的运行频率远远高于石英晶体,它可以将高精度和超低抖动时钟直接集成到包含其他电路的封装中,TI称。这使得TI能够为嵌入式市场推出业界首款无晶体无线MCU,SimpleLink CC2652RB,其时钟包含在同一芯片中。



通过将相同的BAW技术应用于网络基础设施,TI推出了名为LMK05318的网络同步器,即使在高系统级干扰下也能实现400 Gbps链路性能。


TI负责连接微控制器的副总裁Ray Upton解释说,新技术对于“以稳定的方式移动大量数据”至关重要,从而改善了高性能通信。 TI高速数据和时钟副总裁Kim Wong表示,该技术还实现了物联网设备之间的高精度和强大通信,现在可以以不那么笨重的形式开发。


简而言之,BAW技术的进步为有线和无线网络带来了“更高的性能,更简单的设计,更低的成本和更小的尺寸”,Wong解释道。


BAW-和LC-QVCO的芯片显微照片


TI的BAW谐振器技术有多重要

IDC连接和智能手机半导体研究总监Philip Solis说,“新的BAW谐振器技术非常重要,因为TI正在将其集成到其硅芯片产品中,从而缩短设计时间,解决方案尺寸和元件成本。”


此外,Solis说,“使用BAW谐振器比使用石英晶体更准确。”石英晶体需要额外的元件来延长其精度 - 随着时间的推移 - 其性能发生变化,超出了可控制的温度变化,他补充说。


基于BAW的差分振荡器


正如他解释的那样,“如果它只是一种不同的定时方式,它会更准确并减少对其他外部元件的需求,但BAW谐振器是用硅制造的,作为各种TI产品的一部分。”


今天,定时通常需要石英晶体。 “每个人都使用石英晶体作为时钟,”索利斯说。在这种情况下,BAW谐振器技术通过消除对安装在PCB上的外部元件的需求,为TI提供了巨大的优势,他指出。


当被问及为什么业内没有人建造类似BAW谐振器的东西时,Upton说,“这非常难以开发。”TI在研究MEMS方面已经涉足了多年。但是,将电能转换为机械声学同时保持信号在干净的时钟内稳定且稳健并不容易。


过去,BAW谐振器技术常被用于过滤诸如智能电话之类的通信技术中的信号。在业内,TI首次将这项技术用于集成时钟功能。为了深入了解TI 这次在BAW技术上的新突破,我们要从BAW滤波器的原理说起:


Bulk Acoustic Wave(BAW) filter


BAW filter适合于高频率。BAW filter的大小随着频率增加而减少。BAW filter有对温度变化不敏感,插入损耗小,带外衰减大(steep filter skirts)等优点。


声波在BAW filter里是垂直传播。BAW是bulk,物体内传播。


BAW filter的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度为2um),声波在压电薄膜里震荡形成驻波(standing wave)。


为了把声波留在压电薄膜里震荡,震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小loss和最大Q值。声波在固体里传播速度为~5000m/s,也就是说固体的声波阻抗大约为空气的105倍,所以99.995%的声波能量会在固体和空气边界处反射回来,跟原来的波(incident wave)一起形成驻波。而震荡结构的另一面,压电材料的声波阻抗和其他衬底(比如Si)的差别不大,所以不能把压电层直接deposit(沉积)在Si衬底上。


有一种方法是在震荡结构下方形成Bragg reflector,把声波反射到压电层里面。Reflector由好几层高低交替阻抗层组成,比如第一层的声波阻抗大,第二层的声波阻抗小,第三层声波阻抗大,而且每层的厚度是声波的λ/4,这样大部分波会反射回来和原来的波叠加。这种结构整体效果相当于和空气接触,大部分声波被反射回来,这种结构称为BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator),如下图。

还有一种方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator), 包括Membrane type和Airgap type。


Membrane Type是从substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面),形成悬浮的薄膜(thin film)和腔体(cavity)。



Membrane type类似于BAW resonator的基本模型,两面都是空气,由于空气的声波阻抗远低于压电层的声波阻抗,大部分声波都会反射回来。不过薄膜结构需要足够坚固以至于在后续工艺中不受影响。相比BAW-SMR,membrane type 较少一部分跟底下substrate接触,不好散热。


Airgap type在制作压电层之前沉积一个辅助层(sacrificial support layer),最后再把辅助层去掉,在震荡结构下方形成air gap。



因为只是边缘部分跟底下substrate接触,这种结构在受到压力时相对脆弱,而且跟membrane type类似,散热问题同样需要关注。


BAW filter种类

BAW filter可以把多个resonator按一定拓扑结构连接。BAW filter有多种类型,包括ladder type filter,lattice type filter,stacked crystal filter和coupled resonator filter。这里只简单介绍ladder type和lattice type。


Ladder type(SAW最后也提过)使用的resonator包括串联和并联,一个串联的resonator加一个并联的resonator称为一个stage,整个ladder type filter可以由好几个stage组成。



了解ladder type filter的工作原理之前我们再看看BAW resonator的基本模型,如下图。



典型的基本结构如上图(a),上下金属电极中间夹着压电层,对应的mBVD等效电路如上图(b),对应的阻抗如上图(c),可以看出有两个resonance频率,串联(fs)和并联(fp)。工作原理如下图。



在通频带(pass band)上,series resonator fs阻抗很小,保证信号通过,shunt resonator fp阻抗很大,阻止信号通过。


Lattice filter中每一个stage有4个resonator,包括2个串联和2个并联,基本模型如下图。



Ladder type可以用在单端(single-ended/unbalanced)和差分(balanced)信号上,而lattice type更适合用在差分(balanced)信号上。


BAW filter常用的压电材料

石英(quartz)作为常见的压电材料,在高电压和高压力的情况下表现出线性反应,但还没有合适的方法把石英做成薄膜deposit在Si衬底上。合适的BAW压电材料需要high electromechanical coupling coefficient,low electromechanical loss,high thermal stability,还要符合IC工艺技术。


目前最常用的BAW压电材料有AlN(aluminum nitride),PZT(lead zirconate titanate),ZnO(zinc oxide)。


关于波(wave)

物理上,波主要分为两种,一种是电磁波(electromagnetic wave),这种波不需要任何媒介,而是通过由最初的带电粒子产生的电场和磁场的周期性震荡来传播,所以在真空中也可以传播。无线电波(radio wave),微波(microwave),可见光,X射线,伽马射线都属于电磁波。


还有一种是机械波(mechanical wave),通过媒介(固体,液体或气体)传播,而且媒介的物质会变形。比如声波在空气中传播时,空气分子会跟周围的分子互相碰撞着进行不断的传播。


机械波有两种基本的wave motion; longitudinal(compressive) wave(纵波)和transverse wave(横波)。


 Longitudinal(compressive) wave(纵波)

在纵波中,粒子的运动方向和波的传播方向是平行的,不过每个粒子不会沿着波的方向移动,只是在各自的平衡状态上前后震动,如下图。

 

 


Transverse wave(横波)

在横波中,粒子的运动方向和波的传播方向相互垂直。粒子也不会沿着波的传播方向移动,只是在各自的平衡状态下上下震动,如下图。

 


之前提到的BAW- SMR和FBAR filter图中,声波都以纵波(longitudinal)形式传播,即粒子震动方向和波的传播方向是平行的。也有不同结构,声波以横波(transverse)形式传播。


而对于SAW,也叫Rayleighsurface wave,既有纵波也有横波。固体中粒子以椭圆轨迹震动,椭圆的长轴垂直于固体表面,随着固体深度越深,粒子运动幅度越小。

 


相比SAW filter, 声波在BAW filter物体内传播(纵波或横波)。BAW filter结构有BAW - SMR,FBAR(membrane type和airgap type)。


BAW filter更适合于2.5GHz以上的频率,BAW filter的制造工艺也非常符合现有的IC制造工艺,适合和其他的active电路做整体的integration。



无需石英:行业首创的无晶体无线MCU

TI这次发布的新产品中包括业内首创的无晶体无线微处理器(MCU),它在封装内集成了一个TI BAW谐振器。设计工程师可利用此MCU完成更简单、更小巧的设计,同时还能提升性能、降低成本。由于设计人员无需筛选、校准和组装外部石英晶体,从而加快了产品上市的时间。


TI互连微控制器事业部的副总裁Ray Upton表示:“通过运用并分析大量的数据做出准确、明智的决策是一项非常重要的创新能力。无线网络是这种数据迁移的核心,通过连接设备连接最后一英里的能力是数据循环的关键部分。”


到2022年,物联网应用的支出预计将从2018年的1510亿美元左右提升至1.2万亿美元。[i]这一大幅增长表明,物联网应用正在深入渗透各个领域。科技公司、媒体和电信企业90%的高管表示,物联网是他们业务战略的核心。


Ray Upton说:“物联网应用推广的一个主要瓶颈是集成度不高,而无晶体无线技术可为物联网应用带来巨大的优势。” 


TI新推出的搭载 BAW技术的最新款SimpleLink?多重标准MCU可集成到低功率无线射频设备中,例如低功耗无晶体蓝牙和Zigbee®技术,从而减少由外部晶体引起的无线射频故障。


消除时钟噪音:基于TI BAW技术的网络同步器减少数字噪声

TI发布的另一款产品是基于BAW技术的网络同步器,与石英晶体一同使用,可减少数字噪声或抖动。这些噪声和抖动通常来自数据中心核心网络中有线或无线硬件基础设施的通信子系统的输入信号。消除噪音将为5G网络等电信系统带来诸多优势。


TI副总裁兼高速数据与时钟事业部总经理Kim Wong表示:“未来通信基础设施的时钟要求,会远远超出当前石英晶体谐振器的设备性能。通过将TI BAW谐振器直接集成到时钟设备中,我们可以实现超低抖动性能和弹性,满足在通信转型的过程中对数据管道在抗震动与抗冲击方面日益严苛的要求。”


微型计时器的工作原理

TI BAW振荡器是一种电子振荡器电路,它利用压电效应,通过震动的微型声波谐振器(BAW)的机械谐振产生稳定的电子信号。这种精确的高频信号可为电子系统提供时钟和计时参考。




基于TI BAW技术的产品可为设计工程师提供多种优势:

  • 更小的尺寸。集成至芯片封装中,电路设计师无需在电路板上安装单独的时钟器件。

  • 大多数情况下能耗更低。许多物联网应用要求快速开启时钟系统。基于TI BAW技术的振荡器的唤醒速度比石英晶体快100倍。

  • 更小的数字噪音。TI网络同步器芯片提供的抖动性能优于目前市场上的同类性能最佳设备。

  • 更洁净的时钟。TI BAW谐振器提供超洁净的计时参考,这对每秒数百Gb的高速数据传输十分重要。它也能集成到无线射频(RF)芯片上,作为单芯片无线解决方案。


核心影响

随着5G网络和下一代通信技术的出现,从商业到医疗保健、农业和教育的众多领域都将受其影响。


一旦在通信基础设施到位可以支持大量数据的传输,企业和政府就会希望提供无线覆盖,以便在最后一英里的点对点连接,从仓库中相互通信的对象到通信智能手机、恒温器、心率监测器和许多其他设备之间。


Ray Upton说:“通过改变系统的设计方法,我们的TI BAW谐振器技术将为下一代的工业和通信应用的发展铺平道路。”




ittbank 让电子库存因技术而改变的ITT模式电商平台。引领和适应市场,以共享经济理念的创客及工程师为核心、以免费开放用户生成的数据为基础,为其提供高性价比的应用解决方案和及时精准的供求信息,快速提高产品开发周期和生产直通率、提升电子器件的应用附加值。
评论
热门推荐
相关推荐
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦