Silicon Labs創(chuàng)新技術(shù)為MEMS振蕩器帶來(lái)更高頻率穩(wěn)定性

由于生產(chǎn)流程復(fù)雜，封裝方式特殊，傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器在尺寸、良品率和可靠性等方面都遇到了瓶頸。和石英晶體振蕩器相比，近幾年逐漸進(jìn)入低頻市場(chǎng)的MEMS振蕩器不僅尺寸更小，在交付時(shí)間、供貨、可靠性和性?xún)r(jià)比等方面的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯，更能滿(mǎn)足大批量應(yīng)用的需求。

2012年，MEMS振蕩器的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)1億美元，并將持續(xù)高速增長(zhǎng)。SITIME和IDT等公司已相繼推出了基于MEMS的振蕩器產(chǎn)品系列。近日，Silicon Labs開(kāi)發(fā)出基于CMEMS專(zhuān)利技術(shù)的Si50x振蕩器系列，這為數(shù)碼相機(jī)、ATM機(jī)和內(nèi)存等需要低成本、低功耗和批量生產(chǎn)的工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用帶來(lái)了新的選擇。

Silicon Labs公司副總裁暨時(shí)序產(chǎn)品總經(jīng)理Mike Petrowski表示，采用Silicon Labs獨(dú)創(chuàng)的CMEMS技術(shù)，Si50x振蕩器系列既具備現(xiàn)有雙晶片架構(gòu)MEMS振蕩器的優(yōu)點(diǎn)，性能方面又更能媲美傳統(tǒng)的石英振蕩器，是成本和功耗受限的嵌入式、工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用極佳的通用型振蕩器解決方案。

圖：Silicon Labs公司副總裁暨時(shí)序產(chǎn)品總經(jīng)理Mike Petrowski

據(jù)Mike Petrowski介紹，依賴(lài)傳統(tǒng)技術(shù)的石英頻率控制設(shè)計(jì)有很多局限，例如需要更高專(zhuān)業(yè)化和復(fù)雜生產(chǎn)流程，基于陶瓷的特殊包裝，需要密閉可靠的腔體以及片外匹配電容，對(duì)環(huán)境因素敏感，尤其是熱力、沖擊和振動(dòng)，可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)故障。現(xiàn)有的雙晶片MEMS振蕩器雖然采用了更加標(biāo)準(zhǔn)的封裝技術(shù)，但仍然依賴(lài)主流批量CMOS工廠之外的專(zhuān)業(yè)MEMS工廠。此外，它對(duì)MEMS諧振器特性更加敏感，因此從系統(tǒng)性能和成本的角度來(lái)看不是最佳選擇。

圖：頻率控制技術(shù)的演進(jìn)

得益于Silicon Labs設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在混合信號(hào)3D設(shè)計(jì)方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，Silicon Labs專(zhuān)利的CMEMS技術(shù)在單晶片上集成了MEMS諧振器和CMOS振蕩器電路，使振蕩器具有更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度。

圖：CMEMS技術(shù)在單晶片上集成了MEMS諧振器和CMOS振蕩器電路

Si50x CMEMS振蕩器最顯著的優(yōu)勢(shì)在于，它將MEMS架構(gòu)直接構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓上，從而獲得更高的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)使得溫度傳感器與MEMS諧振器的接觸更緊密，溫度補(bǔ)償功耗極低，速度更快。傳統(tǒng)的MEMS諧振器有-30至40ppm/℃ 的頻率漂移，而采用硅鍺合金+氧化硅材料的CMEMS頻率漂移接近+/-1 ppm/℃。

圖：Si50x振蕩器與晶體振蕩器在全工業(yè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性對(duì)比和抗老化性能對(duì)比。

除此之外，通過(guò)集合所有基于MEMS解決方案的優(yōu)點(diǎn)，以及保持或提升石英解決方案的多種最佳特性，CMEMS技術(shù)還具有可在先進(jìn)的CMOS生產(chǎn)線上進(jìn)行流線型晶圓級(jí)制造、流線型標(biāo)準(zhǔn)包裝、以及針對(duì)低噪聲參考的擴(kuò)展頻率和EMI抗干擾性的特色，憑借這些優(yōu)勢(shì)CMEMS有望在頻率控制應(yīng)用中取得積極突破。

IHS MEMS和傳感器總監(jiān)及資深首席分析師Jeremie Bouchaud表示：“時(shí)序產(chǎn)品市場(chǎng)已迎來(lái)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，最新一代基于MEMS的振蕩器極具成本效益，能可靠替代傳統(tǒng)晶體振蕩器。Silicon Labs CMEMS技術(shù)把MEMS諧振器和頻率控制電路集成到單晶片器件中，為批量電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供最完整的晶體振蕩器替代解決方案。”

Si50x系列產(chǎn)品包括四類(lèi)產(chǎn)品，具有數(shù)千種靈活的定時(shí)配置，具體性能可參考近期產(chǎn)品發(fā)布。
• Si501是具有輸出使能（OE）功能的單頻率振蕩器
• Si502是具有OE和頻率選擇（FS）功能的雙頻率振蕩器
• Si503是具有FS技術(shù)的四頻率振蕩器
• Si504是完全可編程的振蕩器，支持所有配置特性，采用單腳接口，以十億分率的精度進(jìn)行精確頻率調(diào)整。

Mike Petrowski表示，以Si50x系列為開(kāi)端，未來(lái)的CMEMS產(chǎn)品線將滿(mǎn)足不同細(xì)分領(lǐng)域電子市場(chǎng)，從低頻到高頻，從嵌入式消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品到高性能通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，最終，將采用比石英解決方案更小、更經(jīng)濟(jì)、更可靠、更容易制造和集成進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整頻率控制產(chǎn)品為整個(gè)市場(chǎng)提供服務(wù)。