MEMS振蕩器的原理是什么?MEMS振蕩器為何代替晶體振蕩器?

對(duì)于MEMS，其實(shí)很多朋友都是比較熟悉的。上篇文章中，小編對(duì)生物MEMS及其特點(diǎn)有所闡述。為增進(jìn)大家對(duì)MEMS的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)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(duì)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(jī)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(jī)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(shuō)的有源晶振。它是對(duì)傳統(tǒng)石英晶振產(chǎn)品的一個(gè)升級(jí)更新?lián)Q代，防震效果是前者的25倍，具有不受振動(dòng)影響、不易碎的特點(diǎn)。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(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(gòu)買基座、起振芯片，以及將石英及芯片以特殊黏膠結(jié)合后至于基座上，然后充填氮?dú)?，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(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(fù)雜的生產(chǎn)程序?qū)е鹿┴浧诘耐祥L(zhǎng)及缺貨應(yīng)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(wú)法為滿足不同應(yīng)用而進(jìn)行實(shí)時(shí)配置;

3. 壓電石英對(duì)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(zhǎng)期可靠性的一致性。

為解決石英的內(nèi)在弱點(diǎn)，因此在時(shí)鐘組件的選料上開始轉(zhuǎn)向采用了全硅的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有一個(gè)全硅MEMS諧振器和一個(gè)可編程Analog CMOS驅(qū)動(dòng)芯片堆棧，并以標(biāo)準(zhǔn)QFN IC封裝方式完成。

二、MEMS振蕩器代替晶體諧振器的三個(gè)理由

1. MEMS 振蕩器對(duì) 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(huì)給系統(tǒng)增加抖動(dòng)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(duì) 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(biāo)度為 134 倍)。

2. MEMS 振蕩器對(duì)振動(dòng)的敏感度要低得多

抗振性很重要，因?yàn)殡娮酉到y(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(fēng)、重型車輛和火車是許多外部振動(dòng)源的幾個(gè)例子。此外，系統(tǒng)通常使用會(huì)引起振動(dòng)的冷卻風(fēng)扇。 這些振動(dòng)應(yīng)力會(huì)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(wú)線基站和小基站，可能會(huì)因振動(dòng)而出現(xiàn)系統(tǒng)故障和服務(wù)中斷。

MEMS 振蕩器具有抗振性，因?yàn)?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(jié)構(gòu)上的給定加速度(例如來(lái)自沖擊或振動(dòng))將導(dǎo)致比其石英等效物低得多的力，從而導(dǎo)致低得多的頻移。第 5 頁(yè)上的圖顯示，與石英振蕩器相比，SiTIme MEMS 振蕩器的振動(dòng)靈敏度低(更好)10 倍以上。 請(qǐng)注意，此圖基于石英振蕩器的測(cè)量結(jié)果，而不是無(wú)源晶體諧振器，但預(yù)計(jì)石英晶體諧振器的結(jié)果相當(dāng)。

3. MEMS 振蕩器可用于1 – 725MHz任何頻率

石英供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施有幾個(gè)限制因素，可能導(dǎo)致提前期很長(zhǎng)，大約為 12 到 16 周甚至更長(zhǎng)。 限制之一是陶瓷封裝供應(yīng)商的數(shù)量有限。 另一個(gè)限制是頻率選項(xiàng)的可用性有限。 對(duì)于石英產(chǎn)品，除非使用可編程鎖相環(huán) (PLL)，否則每個(gè)頻率都需要不同的晶體切割。因此，非標(biāo)準(zhǔn)頻率的提前期可能很長(zhǎng)。

與晶體諧振器相比，MEMS 諧振器基于標(biāo)準(zhǔn)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(lái)生成的。這實(shí)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝和封裝制造的。 由于 MEMS 振蕩器供應(yīng)商利用非常大的半導(dǎo)體行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，因此容量幾乎是無(wú)限的。

MEMS 振蕩器樣品可以在一天內(nèi)編程并提供，即使對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)可編程振蕩器，設(shè)計(jì)人員可以立即在他們的實(shí)驗(yàn)室中對(duì)振蕩器進(jìn)行編程，以在設(shè)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(shè)備。生產(chǎn)提前期僅為 6 至 8 周。

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