全硅MEMS振蕩器介紹

無(wú)論是電子工程師還是元器件采購者，在選擇時(shí)鐘組件時(shí)都會(huì )經(jīng)過(guò)全面嚴謹的評估。因為一顆健康、穩定、持久的“心臟”，將直接影響到電子系統的功能和可靠性。

時(shí)鐘組件可分為無(wú)源晶振、有源晶振和多輸出時(shí)鐘發(fā)生器三大類(lèi)產(chǎn)品。在過(guò)去60年中，石英作為時(shí)鐘市場(chǎng)的主流技術(shù)，一直占據著(zhù)霸主地位。但由于其受到傳統制造工藝的限制以及下游原材料(起振電路和基座)市場(chǎng)的壟斷，因此性?xún)r(jià)比無(wú)法進(jìn)一步提升。為了滿(mǎn)足電子市場(chǎng)對元器件提出的更小、更可靠、更靈活的需求，時(shí)鐘組件必須走上全面硅化的道路。這篇文章將主要介紹全硅MEMS振蕩器和傳統石英的區別，以及全硅IC技術(shù)所解決的問(wèn)題。

石英和全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器簡(jiǎn)介

傳統的石英振蕩器是由壓電石英加上簡(jiǎn)單的起振芯片和金屬封裝組成的，其生產(chǎn)工藝包括：石英切割鍍銀、購買(mǎi)基座、起振芯片，以及將石英及芯片以特殊黏膠結合后至于基座上，然后充填氮氣，用金屬封裝進(jìn)行密封。而不同頻率、不同工作電壓振蕩器的產(chǎn)生，則是由石英的不同形狀、鍍銀厚度及所佩的起振芯片所決定。所以，從生產(chǎn)工藝角度，石英產(chǎn)業(yè)是一個(gè)人工密集型的半自動(dòng)化傳統產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品也受到傳統原材料和工藝的限制：

1. 復雜的生產(chǎn)程序導致供貨期的拖長(cháng)及缺貨應急困難的現象;

2. 不同振蕩器規格需不同原料不同工藝，從而使成品缺乏靈活性，無(wú)法為滿(mǎn)足不同應用而進(jìn)行實(shí)時(shí)配置;

3. 壓電石英對溫度敏感度高的特性，造成石英振蕩器的溫飄煩惱;

4. 石英易碎怕摔老化的弱點(diǎn)需靠生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理來(lái)解決，缺乏質(zhì)量和長(cháng)期可靠性的一致性。

電子系統廠(chǎng)商為求從根本上解決石英的內在弱點(diǎn)，因此在時(shí)鐘組件的選料上開(kāi)始轉向全硅MEMS振蕩器。與傳統石英振蕩器截然不同，MEMS振蕩器采用了全硅的產(chǎn)品結構，有一個(gè)全硅MEMS諧振器和一個(gè)可編程Analog CMOS驅動(dòng)芯片堆棧，并以標準QFN IC封裝方式完成。圖1為SITIME MEMS振蕩器透視圖。

圖1 全硅MEMS振蕩器展示圖

與傳統石英相比，全硅MEMS振蕩器不管從生產(chǎn)工藝還是組件設計結構上，都更符合現代電子產(chǎn)品的標準，也是對傳統石英產(chǎn)品的升級換代。

* 高性能模擬溫補技術(shù)使全硅MEMS振蕩器具有優(yōu)秀的全溫頻率穩定性，徹底解除溫飄問(wèn)題;

* 可編程的平臺為系統設計和縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期提供必要的靈活性;

* 完善的半導體生產(chǎn)鏈可讓全硅MEMS供貨期全面縮短，并提升需求應急的能力;

* 全自動(dòng)生產(chǎn)的IC結構在質(zhì)量和可靠性方面有無(wú)可置疑的優(yōu)良的一致性。

全硅MEMS振蕩器的全溫性能優(yōu)勢

頻率穩定性，特別是在不同溫度下的穩定性，是電子工程師在選擇振蕩器時(shí)考慮的主要參數之一。因為每一個(gè)設計，都需要保證系統在整個(gè)工作溫度范圍內正常運作。而溫飄(頻率隨溫度而顯著(zhù)變化的現象)則是傳統石英產(chǎn)品的弱點(diǎn)，難以單純從制造上克服。圖2是石英和全硅MEMS振蕩器在頻率穩定性方面的比較。

圖2 全硅MEMS振蕩器25PPM頻率穩定性超越石英

圖2的深黑色曲線(xiàn)顯示出一個(gè)工業(yè)級(-40℃-85℃)石英振蕩器要達到全溫頻率穩定性25PPM在技術(shù)上的難度。從圖中可看到，在高低溫的情況下，石英作為參考時(shí)鐘其設計余量較不充分，由此也增加了整體系統在工業(yè)級全溫產(chǎn)生不穩定運行的可能性。

圖2同時(shí)也顯示了各種色彩的平衡線(xiàn)，代表了110個(gè)SiTime全硅MEMS振蕩器在-40℃-85℃范圍內的實(shí)際總頻差。與石英振蕩器相比，這些工業(yè)級MEMS振蕩器頻率穩定性不但可保持在15PPM以下，其曲線(xiàn)更具有線(xiàn)性特征，為系統提供更大的設計余量。

正由于全硅MEMS振蕩器利用溫度補償的技術(shù)，從振蕩器設計上解決了石英溫飄的煩惱，因此電子工程師在選料時(shí)有了更大的余地。他們可以選擇50PPM的MEMS振蕩器來(lái)替代很多25PPM的石英，既可滿(mǎn)足系統所需規格，又可降低成本?；蛘?，他們可采用25PPM的MEMS振蕩器來(lái)提升系統總體穩定性。

全硅MEMS振蕩器的可編程規格組合

傳統石英振蕩器的主要規格參數如輸出頻率、頻率穩定性是由石英切割的形狀、厚度及在加工過(guò)程中鍍銀老化等步驟來(lái)實(shí)現的。這也決定了石英一個(gè)頻率、一個(gè)工作電壓、一個(gè)頻率穩定性對應一個(gè)料號的固定頻率的商業(yè)模式。

從圖3也可看到，從技術(shù)角度，高頻率的石英振蕩器一般無(wú)法支持1.8V的工作電壓，或25PPM的頻率穩定性，因為壓電石英的基本波振蕩是限制在60MHz以下。60MHz以上的頻率則需利用3次，5次或7次倍頻，再加上過(guò)濾電路來(lái)實(shí)現，造成有限的規格選擇和居高不下的成本。

圖3 傳統石英一般只支持常用固定品率和規格

因此，石英的傳統模式雖有簡(jiǎn)單明了的優(yōu)點(diǎn)，但卻缺乏了現代電子廠(chǎng)商在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、供貨周期和備貨成本管理上所需要的靈活性。

與石英相比，全硅MEMS振蕩器是由MEMS諧振器和高性能模擬CMOS芯片組成的一個(gè)可編程的時(shí)鐘平臺，其主要規格參數都在設計時(shí)整合進(jìn)了CMOS，利用內嵌的NVM(非易失性存儲器)來(lái)實(shí)現振蕩器參數即MEMS振蕩器的實(shí)時(shí)配置。

圖4 全硅ME振蕩器平臺提供不同頻率，電壓和PPM的組合

圖4展示了SiTime 的SiT9102差分振蕩器的靈活性，同一個(gè)基本料號可通過(guò)編程來(lái)實(shí)現不同參數規格組合。

除圖中所示，SiT9102還可通過(guò)編程方式達到民用級(0℃-70℃)、超民用級(-20℃-70℃)或工業(yè)級(-40℃-85℃)等不同工作溫度，以及一般高頻振蕩器無(wú)法支持的10PPM頻率穩定性。