為什么說德州儀器實(shí)現(xiàn)了BAW技術(shù)的新突破？
每個(gè)電子系統(tǒng)都必須要有心跳——時(shí)鐘信號(hào)，它可以幫助每個(gè)組件完美同步的運(yùn)行。幾十年來，設(shè)計(jì)人員一直使用石英晶體來產(chǎn)生這種電子心跳。通過晶體振蕩，實(shí)現(xiàn)精確的節(jié)奏。但當(dāng)這些昂貴的晶體出現(xiàn)磨損時(shí)，它們就會(huì)抖動(dòng)或跳變，進(jìn)而影響計(jì)時(shí)的精確性。
近日，德州儀器公布了該公司所稱的“突破性”體聲波（BAW）諧振器技術(shù)。這些微型計(jì)時(shí)器尺寸僅有100微米，比頭發(fā)的直徑還小，但它們的運(yùn)行頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石英晶體，它可以將高精度和超低抖動(dòng)時(shí)鐘直接集成到包含其他電路的封裝中，TI稱。這使得TI能夠?yàn)榍度胧绞袌?chǎng)推出業(yè)界首款無晶體無線MCU，SimpleLink CC2652RB，其時(shí)鐘包含在同一芯片中。
通過將相同的BAW技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，TI推出了名為LMK05318的網(wǎng)絡(luò)同步器，即使在高系統(tǒng)級(jí)干擾下也能實(shí)現(xiàn)400 Gbps鏈路性能。
TI負(fù)責(zé)連接微控制器的副總裁Ray Upton解釋說，新技術(shù)對(duì)于“以穩(wěn)定的方式移動(dòng)大量數(shù)據(jù)”至關(guān)重要，從而改善了高性能通信。 TI高速數(shù)據(jù)和時(shí)鐘副總裁Kim Wong表示，該技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的高精度和強(qiáng)大通信，現(xiàn)在可以以不那么笨重的形式開發(fā)。
簡而言之，BAW技術(shù)的進(jìn)步為有線和無線網(wǎng)絡(luò)帶來了“更高的性能，更簡單的設(shè)計(jì)，更低的成本和更小的尺寸”，Wong解釋道。
BAW-和LC-QVCO的芯片顯微照片
TI的BAW諧振器技術(shù)有多重要
IDC連接和智能手機(jī)半導(dǎo)體研究總監(jiān)Philip Solis說，“新的BAW諧振器技術(shù)非常重要，因?yàn)門I正在將其集成到其硅芯片產(chǎn)品中，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，解決方案尺寸和元件成本！
此外，Solis說，“使用BAW諧振器比使用石英晶體更準(zhǔn)確！笔⒕w需要額外的元件來延長其精度 - 隨著時(shí)間的推移 - 其性能發(fā)生變化，超出了可控制的溫度變化，他補(bǔ)充說。
基于BAW的差分振蕩器
正如他解釋的那樣，“如果它只是一種不同的定時(shí)方式，它會(huì)更準(zhǔn)確并減少對(duì)其他外部元件的需求，但BAW諧振器是用硅制造的，作為各種TI產(chǎn)品的一部分！
今天，定時(shí)通常需要石英晶體。 “每個(gè)人都使用石英晶體作為時(shí)鐘，”索利斯說。在這種情況下，BAW諧振器技術(shù)通過消除對(duì)安裝在PCB上的外部元件的需求，為TI提供了巨大的優(yōu)勢(shì)，他指出。
當(dāng)被問及為什么業(yè)內(nèi)沒有人建造類似BAW諧振器的東西時(shí)，Upton說，“這非常難以開發(fā)！盩I在研究MEMS方面已經(jīng)涉足了多年。但是，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械聲學(xué)同時(shí)保持信號(hào)在干凈的時(shí)鐘內(nèi)穩(wěn)定且穩(wěn)健并不容易。
過去，BAW諧振器技術(shù)常被用于過濾諸如智能電話之類的通信技術(shù)中的信號(hào)。在業(yè)內(nèi)，TI首次將這項(xiàng)技術(shù)用于集成時(shí)鐘功能。為了深入了解TI 這次在BAW技術(shù)上的新突破，我們要從BAW濾波器的原理說起：
Bulk Acoustic Wave(BAW) filter
BAW filter適合于高頻率。BAW filter的大小隨著頻率增加而減少。BAW filter有對(duì)溫度變化不敏感，插入損耗小，帶外衰減大(steep filter skirts)等優(yōu)點(diǎn)。
聲波在BAW filter里是垂直傳播。BAW是bulk，物體內(nèi)傳播。
BAW filter的最基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)金屬電極夾著壓電薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度為2um)，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波(standing wave)。
為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小loss和最大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s，也就是說固體的聲波阻抗大約為空氣的105倍，所以99.995%的聲波能量會(huì)在固體和空氣邊界處反射回來，跟原來的波(incident wave)一起形成駐波。而震蕩結(jié)構(gòu)的另一面，壓電材料的聲波阻抗和其他襯底(比如Si)的差別不大，所以不能把壓電層直接deposit(沉積)在Si襯底上。
有一種方法是在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成Bragg reflector，把聲波反射到壓電層里面。Reflector由好幾層高低交替阻抗層組成，比如第一層的聲波阻抗大，第二層的聲波阻抗小，第三層聲波阻抗大，而且每層的厚度是聲波的λ/4，這樣大部分波會(huì)反射回來和原來的波疊加。這種結(jié)構(gòu)整體效果相當(dāng)于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來，這種結(jié)構(gòu)稱為BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，如下圖。
還有一種方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator), 包括Membrane type和Airgap type。
Membrane Type是從substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面)，形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。
Membrane type類似于BAW resonator的基本模型，兩面都是空氣，由于空氣的聲波阻抗遠(yuǎn)低于壓電層的聲波阻抗，大部分聲波都會(huì)反射回來。不過薄膜結(jié)構(gòu)需要足夠堅(jiān)固以至于在后續(xù)工藝中不受影響。相比BAW-SMR，membrane type 較少一部分跟底下substrate接觸，不好散熱。
Airgap type在制作壓電層之前沉積一個(gè)輔助層(sacrificial support layer)，最后再把輔助層去掉，在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成air gap。
因?yàn)橹皇沁吘壊糠指紫聅ubstrate接觸，這種結(jié)構(gòu)在受到壓力時(shí)相對(duì)脆弱，而且跟membrane type類似，散熱問題同樣需要關(guān)注。
BAW filter種類
BAW filter可以把多個(gè)resonator按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接。BAW filter有多種類型，包括ladder type filter，lattice type filter，stacked crystal filter和coupled resonator filter。這里只簡單介紹ladder type和lattice type。
Ladder type(SAW最后也提過)使用的resonator包括串聯(lián)和并聯(lián)，一個(gè)串聯(lián)的resonator加一個(gè)并聯(lián)的resonator稱為一個(gè)stage，整個(gè)ladder type filter可以由好幾個(gè)stage組成。
了解ladder type filter的工作原理之前我們?cè)倏纯碆AW resonator的基本模型，如下圖。
典型的基本結(jié)構(gòu)如上圖(a)，上下金屬電極中間夾著壓電層，對(duì)應(yīng)的mBVD等效電路如上圖(b)，對(duì)應(yīng)的阻抗如上圖(c)，可以看出有兩個(gè)resonance頻率，串聯(lián)(fs)和并聯(lián)(fp)。工作原理如下圖。
在通頻帶(pass band)上，series resonator fs阻抗很小，保證信號(hào)通過，shunt resonator fp阻抗很大，阻止信號(hào)通過。
Lattice filter中每一個(gè)stage有4個(gè)resonator，包括2個(gè)串聯(lián)和2個(gè)并聯(lián)，基本模型如下圖。
Ladder type可以用在單端(single-ended/unbalanced)和差分(balanced)信號(hào)上，而lattice type更適合用在差分(balanced)信號(hào)上。
BAW filter常用的壓電材料
石英(quartz)作為常見的壓電材料，在高電壓和高壓力的情況下表現(xiàn)出線性反應(yīng)，但還沒有合適的方法把石英做成薄膜deposit在Si襯底上。合適的BAW壓電材料需要high electromechanical coupling coefficient，low electromechanical loss，high thermal stability，還要符合IC工藝技術(shù)。
目前最常用的BAW壓電材料有AlN(aluminum nitride)，PZT(lead zirconate titanate)，ZnO(zinc oxide)。
關(guān)于波(wave)
物理上，波主要分為兩種，一種是電磁波(electromagnetic wave)，這種波不需要任何媒介，而是通過由最初的帶電粒子產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的周期性震蕩來傳播，所以在真空中也可以傳播。無線電波(radio wave)，微波(microwave)，可見光，X射線，伽馬射線都屬于電磁波。
還有一種是機(jī)械波(mechanical wave)，通過媒介(固體，液體或氣體)傳播，而且媒介的物質(zhì)會(huì)變形。比如聲波在空氣中傳播時(shí)，空氣分子會(huì)跟周圍的分子互相碰撞著進(jìn)行不斷的傳播。
機(jī)械波有兩種基本的wave motion; longitudinal(compressive) wave(縱波)和transverse wave(橫波)。
Longitudinal(compressive) wave(縱波)
在縱波中，粒子的運(yùn)動(dòng)方向和波的傳播方向是平行的，不過每個(gè)粒子不會(huì)沿著波的方向移動(dòng)，只是在各自的平衡狀態(tài)上前后震動(dòng)，如下圖。
Transverse wave(橫波)
在橫波中，粒子的運(yùn)動(dòng)方向和波的傳播方向相互垂直。粒子也不會(huì)沿著波的傳播方向移動(dòng)，只是在各自的平衡狀態(tài)下上下震動(dòng)，如下圖。
之前提到的BAW- SMR和FBAR filter圖中，聲波都以縱波(longitudinal)形式傳播，即粒子震動(dòng)方向和波的傳播方向是平行的。也有不同結(jié)構(gòu)，聲波以橫波(transverse)形式傳播。
而對(duì)于SAW，也叫Rayleighsurface wave，既有縱波也有橫波。固體中粒子以橢圓軌跡震動(dòng)，橢圓的長軸垂直于固體表面，隨著固體深度越深，粒子運(yùn)動(dòng)幅度越小。
相比SAW filter, 聲波在BAW filter物體內(nèi)傳播(縱波或橫波)。BAW filter結(jié)構(gòu)有BAW - SMR，F(xiàn)BAR(membrane type和airgap type)。
BAW filter更適合于2.5GHz以上的頻率，BAW filter的制造工藝也非常符合現(xiàn)有的IC制造工藝，適合和其他的active電路做整體的integration。
無需石英：行業(yè)首創(chuàng)的無晶體無線MCU
TI這次發(fā)布的新產(chǎn)品中包括業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的無晶體無線微處理器（MCU），它在封裝內(nèi)集成了一個(gè)TI BAW諧振器。設(shè)計(jì)工程師可利用此MCU完成更簡單、更小巧的設(shè)計(jì)，同時(shí)還能提升性能、降低成本。由于設(shè)計(jì)人員無需篩選、校準(zhǔn)和組裝外部石英晶體，從而加快了產(chǎn)品上市的時(shí)間。
TI互連微控制器事業(yè)部的副總裁Ray Upton表示：“通過運(yùn)用并分析大量的數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確、明智的決策是一項(xiàng)非常重要的創(chuàng)新能力。無線網(wǎng)絡(luò)是這種數(shù)據(jù)遷移的核心，通過連接設(shè)備連接最后一英里的能力是數(shù)據(jù)循環(huán)的關(guān)鍵部分！
到2022年，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的支出預(yù)計(jì)將從2018年的1510億美元左右提升至1.2萬億美元。[i]這一大幅增長表明，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在深入滲透各個(gè)領(lǐng)域？萍脊、媒體和電信企業(yè)90%的高管表示，物聯(lián)網(wǎng)是他們業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的核心。
Ray Upton說：“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣的一個(gè)主要瓶頸是集成度不高，而無晶體無線技術(shù)可為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來巨大的優(yōu)勢(shì)。”
TI新推出的搭載 BAW技術(shù)的最新款SimpleLink?多重標(biāo)準(zhǔn)MCU可集成到低功率無線射頻設(shè)備中，例如低功耗無晶體藍(lán)牙和Zigbee®技術(shù)，從而減少由外部晶體引起的無線射頻故障。
消除時(shí)鐘噪音：基于TI BAW技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)同步器減少數(shù)字噪聲
TI發(fā)布的另一款產(chǎn)品是基于BAW技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)同步器，與石英晶體一同使用，可減少數(shù)字噪聲或抖動(dòng)。這些噪聲和抖動(dòng)通常來自數(shù)據(jù)中心核心網(wǎng)絡(luò)中有線或無線硬件基礎(chǔ)設(shè)施的通信子系統(tǒng)的輸入信號(hào)。消除噪音將為5G網(wǎng)絡(luò)等電信系統(tǒng)帶來諸多優(yōu)勢(shì)。
TI副總裁兼高速數(shù)據(jù)與時(shí)鐘事業(yè)部總經(jīng)理Kim Wong表示：“未來通信基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)鐘要求，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前石英晶體諧振器的設(shè)備性能。通過將TI BAW諧振器直接集成到時(shí)鐘設(shè)備中，我們可以實(shí)現(xiàn)超低抖動(dòng)性能和彈性，滿足在通信轉(zhuǎn)型的過程中對(duì)數(shù)據(jù)管道在抗震動(dòng)與抗沖擊方面日益嚴(yán)苛的要求！
微型計(jì)時(shí)器的工作原理
TI BAW振蕩器是一種電子振蕩器電路，它利用壓電效應(yīng)，通過震動(dòng)的微型聲波諧振器（BAW）的機(jī)械諧振產(chǎn)生穩(wěn)定的電子信號(hào)。這種精確的高頻信號(hào)可為電子系統(tǒng)提供時(shí)鐘和計(jì)時(shí)參考。
基于TI BAW技術(shù)的產(chǎn)品可為設(shè)計(jì)工程師提供多種優(yōu)勢(shì)：
更小的尺寸。集成至芯片封裝中，電路設(shè)計(jì)師無需在電路板上安裝單獨(dú)的時(shí)鐘器件。
大多數(shù)情況下能耗更低。許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求快速開啟時(shí)鐘系統(tǒng)；赥I BAW技術(shù)的振蕩器的喚醒速度比石英晶體快100倍。
更小的數(shù)字噪音。TI網(wǎng)絡(luò)同步器芯片提供的抖動(dòng)性能優(yōu)于目前市場(chǎng)上的同類性能最佳設(shè)備。
更潔凈的時(shí)鐘。TI BAW諧振器提供超潔凈的計(jì)時(shí)參考，這對(duì)每秒數(shù)百Gb的高速數(shù)據(jù)傳輸十分重要。它也能集成到無線射頻（RF）芯片上，作為單芯片無線解決方案。
核心影響
隨著5G網(wǎng)絡(luò)和下一代通信技術(shù)的出現(xiàn)，從商業(yè)到醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)和教育的眾多領(lǐng)域都將受其影響。
一旦在通信基礎(chǔ)設(shè)施到位可以支持大量數(shù)據(jù)的傳輸，企業(yè)和政府就會(huì)希望提供無線覆蓋，以便在最后一英里的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，從倉庫中相互通信的對(duì)象到通信智能手機(jī)、恒溫器、心率監(jiān)測(cè)器和許多其他設(shè)備之間。
Ray Upton說：“通過改變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，我們的TI BAW諧振器技術(shù)將為下一代的工業(yè)和通信應(yīng)用的發(fā)展鋪平道路。”
編輯：ls 最后修改時(shí)間：2023-03-27
