Silicon Laboratories社は、CMOS ICとMEMS振動子をモノリシックに集積したオシレータを製品化した。MEMSラストのプロセスで製造、振動子としてSiGe薄膜を用いたことでSiよりも機械的強度が強く、急冷･急熱や衝撃にも強いため、±20ppmの周波数安定性を10年間保証する。

図1　SiGe MEMS振動子を1チップに集積したCMOSオシレータ　出典:　SiliconLabs

SiliconLabsのこの新製品は、これまで同社が持っていなかったボリュームゾーンを狙った発振器である。同社はCMEMSと呼んでいる。CMOS上にMEMS部分を集積する技術特許を同社は保有しており、CMOS IC形成以降のプロセスについては明らかにしない。図1の最上層がMEMS振動子マスクを表している。ただし、ファウンドリSMICの標準プロセスで製造している。プラスチックパッケージに封入する。このため低コストで作ることができ、1万個購入する場合の単価は0.44ドルという。

これまでの2チップのMEMSオシレータでは、ボンディングワイヤーでMEMSチップとCMOS信号処理チップを接続していた。MEMS共振器のボンディングワイヤーは、ノイズの影響を受けやすく、シグナルインテグリティが弱いという問題があったと、SiliconLabs社タイミング部門ジェネラルマネジャーでバイスプレジデントのMike Petrowski氏は述べる。

また、従来の水晶発振器はこれまで100年近くも使われてきたが、セラミックパッケージに収まっており、コストを下げることが難しい。しかも、水晶は面方向のカットを選択することによって温度依存性の少ない面をカットしていたが、それでも周波数の温度変化が許容範囲を超えるため、恒温槽に入れたり、温度補償をしたりしていた。

CMOS回路にモノリシックにMEMS振動子を集積できるということは、温度センサやメモリも集積できるという意味である。この製品では、温度センサからの温度を検知し、それに従う周波数を打ち消すため、その補償係数をデジタル不揮発性メモリに記憶しておく。このためICパッケージの外から見ると、周波数がどの温度に対しても安定で変化が少ない。図2は-40から+85℃の周波数の温度変化を表している。125個のサンプルをテストしたもので、実力値を示している。製品保証値は±20ppmとマージンは広い。経時変化にも強く、1000日相当の加速試験でも変化は1ppm以下と少ない。

図2　周波数の温度変化が少ない　出典：SiliconLabs

オシレータは機械的な振動を利用するが、必要以上に強い機械的な振動にも耐えられなければならない。そこで、Siよりも強度の高いSiGe薄膜を使い、MEMS振動子を形成した。水晶振動子は、図3のように2点で支えているが、今回のMEMS振動子は4点で押さえている。このため、衝撃や急激な温度変化に対しても図4のように変化が極めて少ない。このことは機械的に極めて強いことを示している。

図3　4点で支える機械強度の高い構造　出典SiliconLabs

図4　急冷の変化は1ppm以下　急熱も同様　出典SiliconLabs

さらにこの新製品は、周波数をプログラムで32kHz〜100MHzの範囲内で自由に変えられる。そのためにマルチプレクスされた1ピンを用意している。製品は、電源ピン、接地ピン、クロック出力ピンにプログラムピンの合計4ピンを基本的に利用する(図5)。

図5　MEMS振動子を集積したCMOS IC新製品　出典：SiliconLabs

周波数のプログラミングはファームウエアでもユーザープログラムでもどちらでも可能だ。このためリードタイムは極めて短く、水晶とは違い、サンプルを要求されてから2週間で出荷できる。また、ユーザーがプログラムするためのツールも提供する。

これまでの2チップMEMS回路と比べると、動作電流が1.7mAと1桁低い。電源電圧は1.71V〜3.63Vであるため、消費電力は数mWしかない。また、クロック発生器に重要なジッターノイズは1.1ps（RMS）程度であるが、Petrowski氏は「MEMS技術は低ジッターを得やすいのでクロック発生器に向いている」と述べる。