MEMS振蕩器的原理是什么?MEMS振蕩器為何代替晶體振蕩器?

對于MEMS，其實很多朋友都是比較熟悉的。上篇文章中，小編對生物MEMS及其特點有所闡述。為增進大家對MEMS的認識，本文將對MEMS振蕩器原理、MEMS振蕩器能夠替代晶體諧振器的理由予以介紹。如果你對MEMS具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、MEMS振蕩器原理介紹

MEMS振蕩器是指通過微機電系統(tǒng)制作出的一種可編程的硅振蕩器。MEMS振蕩器是指通過微機電系統(tǒng)制作出的一種可編程的硅振蕩器，屬于我們通常所說的有源晶振。它是對傳統(tǒng)石英晶振產(chǎn)品的一個升級更新?lián)Q代，防震效果是前者的25倍，具有不受振動影響、不易碎的特點。MEMS振蕩器的溫度穩(wěn)定性也比傳統(tǒng)晶振更好，不受環(huán)境溫度高低變化的影響。

傳統(tǒng)的石英振蕩器是由壓電石英加上簡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)是一個人工密集型的半自動化傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品也受到傳統(tǒng)原材料和工藝的限制：

1. 復雜的生產(chǎn)程序?qū)е鹿┴浧诘耐祥L及缺貨應急困難的現(xiàn)象;

2. 不同振蕩器規(guī)格需不同原料不同工藝，從而使成品缺乏靈活性，無法為滿足不同應用而進行實時配置;

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需靠生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理來解決，缺乏質(zhì)量和長期可靠性的一致性。

為解決石英的內(nèi)在弱點，因此在時鐘組件的選料上開始轉向采用了全硅的產(chǎn)品結構，有一個全硅MEMS諧振器和一個可編程Analog CMOS驅(qū)動芯片堆棧，并以標準QFN IC封裝方式完成。

二、MEMS振蕩器代替晶體諧振器的三個理由

1. MEMS 振蕩器對 EMI 的敏感度要低得多

電磁能在大多數(shù)系統(tǒng)中很常見，可以通過將晶體諧振器連接到包含振蕩器電路的 IC 的暴露 PCB 走線接收。 這種噪聲可以耦合到振蕩器電路中并傳遞到輸出端，可能會給系統(tǒng)增加抖動和噪聲。然而，集成振蕩器在諧振器和振蕩器 IC 之間沒有暴露的 PCB 連接，并且將 MEMS 諧振器連接到 IC 的鍵合線或焊球非常短。 這使得 MEMS 振蕩器對 EMI 不那么敏感。 如下表和圖表所示，SiTIme 振蕩器的靈敏度比晶體諧振器低 11.3 dBm(線性標度為 134 倍)。

2. MEMS 振蕩器對振動的敏感度要低得多

抗振性很重要，因為電子系統(tǒng)經(jīng)常受到環(huán)境壓力的影響，尤其是部署在戶外的系統(tǒng)。 風、重型車輛和火車是許多外部振動源的幾個例子。此外，系統(tǒng)通常使用會引起振動的冷卻風扇。 這些振動應力會在晶體諧振器上引起頻移和噪聲。一些需要非常穩(wěn)定的頻率的系統(tǒng)，例如無線基站和小基站，可能會因振動而出現(xiàn)系統(tǒng)故障和服務中斷。

MEMS 振蕩器具有抗振性，因為 MEMS 諧振器的質(zhì)量比石英諧振器的質(zhì)量低大約 1,000 到 3,000 倍。 這意味著施加在 MEMS 結構上的給定加速度(例如來自沖擊或振動)將導致比其石英等效物低得多的力，從而導致低得多的頻移。第 5 頁上的圖顯示，與石英振蕩器相比，SiTIme MEMS 振蕩器的振動靈敏度低(更好)10 倍以上。 請注意，此圖基于石英振蕩器的測量結果，而不是無源晶體諧振器，但預計石英晶體諧振器的結果相當。

3. MEMS 振蕩器可用于1 – 725MHz任何頻率

石英供應基礎設施有幾個限制因素，可能導致提前期很長，大約為 12 到 16 周甚至更長。 限制之一是陶瓷封裝供應商的數(shù)量有限。 另一個限制是頻率選項的可用性有限。 對于石英產(chǎn)品，除非使用可編程鎖相環(huán) (PLL)，否則每個頻率都需要不同的晶體切割。因此，非標準頻率的提前期可能很長。

與晶體諧振器相比，MEMS 諧振器基于標準諧振器配置。 MEMS 振蕩器的輸出頻率是通過將 PLL 編程為不同的倍增值來生成的。這實現(xiàn)了具有六位數(shù)精度的非常寬的頻率范圍。 此外，硅 MEMS 振蕩器是使用標準半導體工藝和封裝制造的。 由于 MEMS 振蕩器供應商利用非常大的半導體行業(yè)基礎設施，因此容量幾乎是無限的。

MEMS 振蕩器樣品可以在一天內(nèi)編程并提供，即使對于非標準頻率也是如此。通過使用 SiTIme 的低成本 TIme Machine II 編程器和現(xiàn)場可編程振蕩器，設計人員可以立即在他們的實驗室中對振蕩器進行編程，以在設備的工作范圍內(nèi)創(chuàng)建具有任何頻率、任何電源電壓和任何穩(wěn)定性的設備。生產(chǎn)提前期僅為 6 至 8 周。

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